气候变化背景下鄱阳湖流域气象干旱时空演变及预估研究

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干旱是世界上最具破坏性的自然灾害之一,是气候变化众多影响的一个重要方面。在气候变化背景下,干旱广发、频发,不断加剧给人类生产生活和经济社会发展带来诸多不利影响。鄱阳湖流域是我国多雨地区之一,降水的季节变化和年际变化均较大。随着全球气候变化,干旱事件更是频繁发生,流域的干旱程度不断加剧,因此,研究该地区气候历史时期和未来不同气候变化情景的预估对分析流域气象干旱灾害演变具有重要的科学意义。本研究以鄱阳湖流域气象干旱为研究对象,通过分析标准化降水蒸散指数(SPEI)、标准化降水指数(SPI)在鄱阳湖流域的适用性,基于气象数据、气候模式数据、大气环流数据和土地利用数据等,分析了1961~2018年鄱阳湖流域气温、降水的时空变化特征;分析年际和四季干旱指数、干旱频率、干旱站次比和干旱强度时空变化特征,分析了干旱与鄱阳湖流域农业生产的相关关系,并分析了鄱阳湖流域的干旱成因;预估RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下2019~2100年的干旱变化,得到的主要结论如下:(1)鄱阳湖流域年平均气温以0.22℃/10a的速率呈现显著上升趋势,1980s到1990s增温幅度最快。四季气温呈现增温趋势,增温速率依次为春季>冬季>秋季>夏季。流域年降水量以30.44mm/10a的速率呈现增加趋势,具有很强的波动性且年降水分布不均,呈现“增加~减少~增加”的变化。四季降水变化速率为夏季>秋季>冬季>春季,通过分析SPI和SPEI两种指数对鄱阳湖流域代表短、中和长期尺度干旱与中国气象灾害大典统计数据对比,SPEI表征的干旱状况与实际平均吻合率为71.58%,能够较为准确的表征鄱阳湖流域气象干旱年际和季节变化、时空分布、干旱指标评估等特征。(2)在过去的58年里,鄱阳湖流域年SPEI呈0.03/10a的速率增大,近十年干旱与湿润交替,且波动较大,四季中仅春季干旱指数呈减少趋势。流域平均干旱频率为34.08%,随着干旱等级的升高,干旱频率随之减小;四季平均干旱发生频率分别为32.76%、33.16%、34.35%和29.71%,年以及季节干旱均以轻旱和中旱为主,年尺度干旱频率整体上呈现“南高北低”的分布特征。就四季而言,干旱主要发生在流域东北和西南部地区。流域历年干旱站次比为0%~100%之间,以0.33%/10a呈增加趋势,五种类型干旱的年数分别为23a、11a、0a、6a、18a,主要以全域性干旱和局域性干旱为主。春季和秋季、夏季和冬季干旱站次比分别呈现增加和下降趋势。在年代际上,年尺度和春季在2000S干旱影响范围最大,夏、秋、冬季则分别在1980S、1970S和1960S干旱影响范围最大。流域多年干旱强度为0.71,年尺度干旱强度以0.02/10a呈增加趋势;有15年未发生干旱,干旱强度在0.54~1.90之间,1998年干旱强度最大,为1.90。鄱阳湖流域四个季节的多年平均干旱强度分别为0.68、0.83、0.68和0.59。夏季最大,春、秋季次之,冬季最低。在年代际上,1960S、2000S干旱程度较为严重,在1980S较轻。鄱阳湖流域SPEI12指数与因旱灾引起的受灾面积、成灾面积和绝收面积的相关系数在4月份达到最大,分别为-0.671、-0.654和-0.611,在5月份之后趋于稳定。SPEI12指数能够很好反映鄱阳湖流域干旱面积的变化。(3)鄱阳湖流域年平均和四季气温都有随着温室气体排放浓度增大而持续增高的特征,且温室气体浓度越大,气温升高幅度更大;四季未来气温在各情景下都存在增温现象,夏季在RCP8.5情景下增温达5.62℃,其次是春季、秋季和冬季。年降水量也随时间推移而增多,即21世纪初期<中期<末期,四季降水量在RCP4.5排放情景下最大,RCP8.5次之,RCP2.6最小。降水量四季增幅从大到小是春季>夏季>冬季>秋季,随着温室气体排放浓度的增大,鄱阳湖流域2019~2100年的干旱指数SPEI下降幅度增大,RCP4.5和RCP8.5情景下以-0.099/10a和-0.329/10a的速率显著下降;在空间上,其减小趋势从研究区东北部向西南部逐渐加大。三种排放情景下的鄱阳湖流域年尺度干旱主要以轻度干旱和中度干旱为主,随着干旱等级的升高,干旱发生频率越小。三种排放情景下的四季干旱主要发生在21世纪中后期。随着温室气体排放浓度的增大,鄱阳湖流域2019~2100年干旱烈度和干旱强度也随着增大。(4)从地理环境看,鄱阳湖流域地处中纬度地区的长江中下游,降水量时空分布不均,降水量具有显著的季节性、地域性,年际变化大,从而导致鄱阳湖流域干旱现象频繁发生。从大气环流因子看,北极涛动(AO)、东亚夏季风指数(EASM)对SPEI指数相关性更高,对鄱阳湖流域干旱的影响较大。SPEI与NAO、PDO指数之间呈明显的负、正相关关系,而AO指数与EASM指数与SPEI之间的相关性在鄱阳湖流域西南部、东北部和中部部分地区呈现正相关关系。AO与SPEI在四个时段分别存在4a、7~9a、17a和1~3a的共振周期。从1961~2018年ENSO冷暖事件发生时间、强度和发生时间和鄱阳湖流域SPEI平均值得出,发生暖事件(厄尔尼诺事件)时,鄱阳湖流域更容易发生干旱。从人类活动看,1980-2015年鄱阳湖流域居民建设用地增加面积最大,达到2241.01 km~2,居耕地的面积减少的最多,为1227.96km~2,主要转化成了林地和水体,林地减少的面积次之,为1010.45km~2,主要转化为了耕地和草地。鄱阳湖流域近35年来林地、草地减少,为干旱事件的发生提供条件。
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