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复合干热胁迫下黄土高原夏季植被脆弱性评估

农业工程学报 2024年第6期40卷 339-346页

作者：张更喜王慧敏粟晓玲方红远章数语黄金柏冯凯扬州大学水利科学与工程学院扬州225009 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 南方科技大学环境科学与工程学院深圳518055 华北水利水电大学水利学院郑州450046

随着气候变化的加剧,高温干旱事件频发,对植被健康生长造成了严重影响。针对相关性方法难以准确刻画复合干热胁迫下植被脆弱性的问题,利用1982—2015年去趋势和标准化的归一化植被指数(detrended and standardized normalized differenc... 详细信息

随着气候变化的加剧,高温干旱事件频发,对植被健康生长造成了严重影响。针对相关性方法难以准确刻画复合干热胁迫下植被脆弱性的问题,利用1982—2015年去趋势和标准化的归一化植被指数(detrended and standardized normalized difference vegetation index,SNDVI)、标准化降水蒸散发指数(standardized precipitation and evapotranspiration index,SPEI)和标准化气温指数(standardized temperature index,STI),构建基于Vine Copula的复合干热胁迫下植被脆弱性评估模型,量化黄土高原不同土地利用类型和气候区植被对高温干旱的响应关系。结果表明:1)黄土高原大部分区域SNDVI与SPEI呈正相关关系,与STI呈负相关关系,草地SNDVI与SPEI、STI的相关性最高,其次为耕地,林地最低;2)相对于单一干旱或高温事件,复合干热事件进一步加剧了植被脆弱性,复合干热胁迫下黄土高原6、7、8月植被损失概率分别为0.51、0.57和0.55,较高的区域集中在陕西北部、宁夏、甘肃东部和内蒙古等地区;3)黄土高原地区不同植被类型对复合干热的脆弱性各异,脆弱性从大到小依次为草地、耕地、灌木、林地。研究结果有助于深入了解植被对气候极端事件的响应,支持应对气候变化的陆地生态系统风险管理。

关键词：复合干热 NDVI 脆弱性评估 Vine Copula 黄土高原

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基于季节长记忆双自回归模型的日径流模拟

水利学报 2023年第6期54卷 686-695页

作者：王慧敏宋松柏张更喜西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 扬州大学水利科学与工程学院江苏扬州225009

传统时间序列模型无法同时考虑径流序列的长记忆性和时变波动性,且模型参数限制严格,从而使日径流序列模拟受到限制,影响径流模拟预测精度。本文提出了同时考虑非平稳性、季节性、长记忆性和时变波动性的新型双自回归模型(WOA-SFIDAR),... 详细信息

传统时间序列模型无法同时考虑径流序列的长记忆性和时变波动性,且模型参数限制严格,从而使日径流序列模拟受到限制,影响径流模拟预测精度。本文提出了同时考虑非平稳性、季节性、长记忆性和时变波动性的新型双自回归模型(WOA-SFIDAR),并与经典长记忆波动率模型(SFIAR-GARCH)进行对比,选取渭河流域4个水文站日径流序列进行模拟验证。结果表明:WOA-SFIDAR模型的模拟能力优于SFIAR-GARCH模型,模拟结果很好地保持了日径流过程的统计特性。7、8月份模拟均值误差相对较大,WOA-SFIDAR模型的误差范围(5.72~32.56)低于SFIAR-GARCH模型(7.42~48.02)。WOA-SFIDAR模拟逐月变差系数(C v)和偏态系数(C s)与实测序列统计值间偏差范围为0~0.51和0.02~1.31,优于SFIAR-GARCH模型(0.02~0.56和0.06~1.52);模拟结果能够保持日径流序列自相关系数(ACF)的变化趋势,且随滞时的增加,实测序列与模拟序列的ACF差距减小。文中模型扩展了水文随机模拟方法,可为日径流模拟和预报提供一种新途径。

关键词：长记忆性时变波动性径流模拟双自回归模型渭河流域

中国西北地区未来潜在蒸散发集合预估及不确定性归因

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农业工程学报 2022年第4期38卷 123-132页

作者：刘文斐粟晓玲张更喜孙爱立武连洲西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100

预估西北地区未来潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,PET)变化对该区制定气候适应性远景规划至关重要,然而PET预估中不可避免地存在源于气候情景、气候模式和PET模型的不确定性。该研究以3个气候情景(Shared Socioeconomic Pathw... 详细信息

预估西北地区未来潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,PET)变化对该区制定气候适应性远景规划至关重要,然而PET预估中不可避免地存在源于气候情景、气候模式和PET模型的不确定性。该研究以3个气候情景(Shared Socioeconomic Pathway,SSP)、6个性能良好的潜在蒸散发模型(Potential Evapotranspiration Model,PETM)以及第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)的6个全球气候模式(Global Climate Model,GCM)分别表征情景、模型和模式的不确定性,构建了基于多模式、多情景以及多模型的三维PET集合预估框架,得到108套预估结果组成的大规模数据集合。基于集合预估结果,分析了相对于历史时期的PET变化量的整体特征及多源不确定性导致的预估结果差异,并基于三因素方差分析法量化了各不确定性来源及其非线性交互作用对总不确定性的贡献率。结果表明:未来中期(2041—2070年)和远期(2071—2100年)年均△PET预估结果集合均值分别为67.8和95.3 mm。集合预估中,基于SSP1-2.6情景(可持续发展情景)、PM[CO_(2)]模型及MIROC6全球气候模式预估的PET变化量较低,且情景和模型不确定性造成的结果差异均随时间推移而增大。各不确定性来源在中期PET变化量预估中的相对重要性由大到小依次为PETM、SSP和GCM;而在远期,SSP贡献率最高,达65.3%。在季节分布上,PETM和SSP分别在暖季(夏、秋)和冷季(冬、春)的贡献率较高。大规模PET变化量集合预估结果及其统计特征能够为西北地区应对气候变化的高效行动提供更科学全面的理论依据;不确定性来源相对贡献的分析结果可为进一步降低未来PET预估的不确定性提供研究方向。

关键词：蒸散发模型气候集合预估不确定性 CMIP6 西北地区

VMD-LSTM模型对不同预见期月径流的预测研究

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干旱地区农业研究 2022年第6期40卷 258-267页

作者：祁继霞粟晓玲张更喜张特西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为减小径流时间序列的非线性及非平稳性带来的预测误差,提高多种预见期下的月径流预测精度,将变模态分解(VMD)和长短期记忆神经网络(LSTM)模型相结合,建立了VMD-LSTM组合预测模型,并将大气环流因子作为模型输入的增加项,预测未来1~3个... 详细信息

为减小径流时间序列的非线性及非平稳性带来的预测误差,提高多种预见期下的月径流预测精度,将变模态分解(VMD)和长短期记忆神经网络(LSTM)模型相结合,建立了VMD-LSTM组合预测模型,并将大气环流因子作为模型输入的增加项,预测未来1~3个月的月径流。将模型应用于黄河流域上游唐乃亥、民和、享堂、红旗及折桥站的月径流预测以验证模型的适用性,并与VMD-BP(BP神经网络)、VMD-SVR(支持向量回归)及单一LSTM模型相比较。结果表明:VMD-LSTM组合模型的预测误差最小、精度最高,相比单一LSTM模型,其纳什效率系数(NSE)约从0.6~0.7提高到0.9以上;融合大气环流因子后VMD-LSTM模型预测精度进一步提高,NSE保持在0.91~0.96之间;随着预见期的增长,VMD-LSTM模型预测精度衰减较VMD-BP和VMD-SVR模型明显变缓,在3个月预见期时NSE仍能保持在0.84~0.95之间。VMD-LSTM模型是月径流预测的一种有效方法,结果可为研究区月径流预测提供参考。

关键词：月径流预测变模态分解长短期记忆神经网络大气环流预见期

西北地区农业干旱对气象干旱的时空多角度响应

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水资源保护 2023年第2期39卷 59-69页

作者：冯凯李彦彬许桂平王飞张泽中粟晓玲张更喜华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 黄河水文勘察测绘局河南郑州450003 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 扬州大学水利科学与工程学院江苏扬州225012

采用标准化降水蒸散指数和标准化土壤水指数分别表征气象干旱和农业干旱,基于干旱事件三维识别和气象干旱与农业干旱事件对的匹配结果,利用Copula函数条件概率分布和贝叶斯网络概率模型分析了西北地区农业干旱对气象干旱的时空多角度响... 详细信息

采用标准化降水蒸散指数和标准化土壤水指数分别表征气象干旱和农业干旱,基于干旱事件三维识别和气象干旱与农业干旱事件对的匹配结果,利用Copula函数条件概率分布和贝叶斯网络概率模型分析了西北地区农业干旱对气象干旱的时空多角度响应关系。结果表明:基于线性、非线性关系模型及Copula函数条件概率分布确立了西北地区农业干旱对气象干旱的干旱历时、干旱烈度、干旱面积及干旱迁移距离间最优响应关系分别为二次多项式模型、基于Frank Copula函数的非线性关系模型、指数模型和线性模型;建立的气象、农业干旱变量间的响应概率特征曲线可定量预测西北地区不同程度的气象干旱发展为农业干旱的概率;已知气象干旱特征条件下,根据最优响应关系及响应概率特征曲线可对农业干旱特征及其发生概率进行可靠预测。

关键词：气象干旱农业干旱响应关系模型响应概率西北地区

基于Meta-Gaussian模型的中国农业干旱预测研究

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地理学报 2021年第3期76卷 525-538页

作者：吴海江粟晓玲张更喜西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

在全球气候变化背景下,干旱愈加频发,有效且可靠的农业干旱预测对于保障粮食安全和水资源安全具有重要意义。以标准化降水指数(SPI)和联合标准化土壤湿度指数(JSSI)分别表征气象干旱和农业干旱,以前期的气象干旱和农业干旱指数作为预测... 详细信息

在全球气候变化背景下,干旱愈加频发,有效且可靠的农业干旱预测对于保障粮食安全和水资源安全具有重要意义。以标准化降水指数(SPI)和联合标准化土壤湿度指数(JSSI)分别表征气象干旱和农业干旱,以前期的气象干旱和农业干旱指数作为预测因子,在1~3个月预见期下基于Meta-Gaussian(MG)模型对中国1961—2015年6—8月的农业干旱进行预测,并采用Brier Skill Score(BSS)和纳什效率系数(NSE)评价MG模型的预测性能。结果表明:(1)将1个月、3个月、6个月、9个月和12个月时间尺度的标准化土壤湿度指数(SSI)结合起来得到的JSSI能够对中国农业干旱的综合状况进行客观评价。(2)以中国2010年和2014年遭受严重的干旱事件为例,预见期为1~3个月时,除新疆南部、青海西部以及内蒙古西部等沙漠地区外,MG模型对6—8月农业干旱预测结果的分布范围与实际干旱的分布区域较吻合,预见期越短,吻合越好。(3)预见期为1个月时,6—8月BSS≥0.5的面积比例分别为0.714、0.642和0.640,NSE≥0.5的面积比例分别为0.903、0.829和0.837,表明MG模型能够对中国大部分区域的农业干旱作出可靠的预测。本文结果可为中国农业干旱的监测、预警及干旱决策提供科学指导。

关键词：农业干旱干旱预测预测概率 Meta-Gaussian模型

考虑CO_(2)浓度影响的中国未来干旱趋势变化

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农业工程学报 2021年第1期37卷 84-91页

作者：张更喜粟晓玲刘文斐西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

CO_(2)浓度增加会降低潜在蒸散发量(Potential Evapotranspiration,PET),进而影响依据PET计算的干旱指数结果。为了准确预测未来中国干旱变化情势,该研究以Penman-Monteith(PM)公式计算PET,以标准化降水蒸散发指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)表征干旱,利用贝叶斯模型平均(Bayesian Model Averaging,BMA)整合了5个降尺度的CMIP6气候模式数据,分别计算分析了中等强迫(SSP2-4.5)和高强迫(SSP5-8.5)气候情景下考虑CO_(2)影响和未考虑CO_(2)影响的中国未来干旱趋势。结果表明:未考虑CO_(2)影响的SPEI呈明显的下降趋势,其中西北地区下降趋势最为显著,干旱面积亦呈最强烈的增加趋势,尤其2070年之后,SSP5-8.5情景下的干旱面积急剧增加,至21世纪末,干旱面积比例超过了80%。青藏高原、东北地区、华中地区和华南地区干旱面积变化趋势较为一致,SSP5-8.5情景下,干旱面积比例呈增加趋势,SSP2-4.5情景下SPEI计算的干旱面积变化无明显趋势;考虑CO_(2)影响的SPEI计算的干旱面积则呈轻微的缩减趋势,其中华北地区的干旱面积缩减最为显著。SSP5-8.5情景下整个中国地区的干旱面积总体呈增加趋势,至21世纪末,SPEI干旱面积比达40%。但在SSP2-4.5情景下,考虑CO_(2)影响的SPEI计算的干旱面积则呈缓慢的缩减趋势。在相同情景下,未考虑CO_(2)影响的干旱指数高估了未来干旱发生状况,CO_(2)浓度增加缓解了未来干旱,在未来干旱研究中应考虑CO_(2)对干旱趋势的影响,可得出更为合理的研究结论,为水资源管理提供科学依据。

关键词：干旱蒸散发 SPEI 二氧化碳气候情景

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干旱区NDVI与气象水文因子关系研究

干旱区NDVI与气象水文因子关系研究

作者：张更喜西北农林科技大学

学位级别：硕士

作为生态系统的重要组成部分,植被在水文循环、生物化学循环、能量流动等方面都起着至关重要的作用,同时,植被的生长又受到气象水文过程的影响。干旱地区水资源短缺,生态环境脆弱,植被的健康生长是维持生态环境稳定的关键因素。由于降... 详细信息

作为生态系统的重要组成部分,植被在水文循环、生物化学循环、能量流动等方面都起着至关重要的作用,同时,植被的生长又受到气象水文过程的影响。干旱地区水资源短缺,生态环境脆弱,植被的健康生长是维持生态环境稳定的关键因素。由于降水稀少,地下水是旱区植被维持正常生命活动的主要水源,地下水埋深的变化影响植被的分布状况及演变趋势。因此研究干旱区植被时空变化与气象水文要素的响应关系对区域或流域地下水合理利用、水资源管理及生态环境建设等具有重要的指导意义。本文采用统计分析方法、熵理论等方法,依据遥感NDVI数据、地面观测降水、气温数据分析了黑河干流中游地区2001-2011年NDVI、气温、降水的时空变化特征;同时根据53眼观测井的实测水位通过比较反距离加权插值(IDW)、径向基函数插值(RBF)、简单克里金插值(SK)、普通克里金插值(OK)、泛克里金插值(UK)和Yamamoto修正克里金插值(Yamamoto)等6种不同方法的插值精度,优选最佳地下水位空间插值方法,分析1985-2011年该区地下水位的时空变化特征及其影响因素;利用联合熵理论对研究区进行分区,构建模型模拟NDVI,并分析了不同子区NDVI与气象水文要素的响应关系;基于Tsallis entropy理论推导了NDVI分布与地下水埋深关系的统一公式,结合黑河中游地下水浅埋区草地、黑河下游额济纳绿洲、柴达木盆地及海流图流域NDVI与地下水埋深数据资料对公式进行验证。主要结果如下:(1)2001-2011年间,黑河中游高台、临泽和张掖三站的气温、降水都呈增加趋势;在1985-2000年,OK方法对研究区地下水位空间分布的插值精度最高,2005-2011年则是UK插值精度最高,经Yamamoto修正的克里金插值方法对极端地下水位的插值效果要明显优于其他插值方法。地下水位均值在27年间呈下降趋势,下降趋势最明显的年份为2000-2005年,主要是由于该时段黑河中游人口增加,耕地面积扩张造成地下水开采过量。2005年之后,由于上游来水及降水量的增加以及地下水开采量的减少等因素使得中游地区地下水位下降趋势得到一定的缓解,黑河干流沿岸及中游南部区域地下水位有回升趋势。(2)在空间分布上,黑河中游裸地面积占总面积的34%,植被覆盖区面积占总面积的66%,其中,低植被覆盖区占总面积的50.29%,较高植被覆盖区占整个区域的15.25%,主要为分布在人工绿洲区的农田、林地和草地等。2001-2011年,区域NDVI均值总体呈增长趋势,年均增速为0.006/yr,研究区内90%以上区域NDVI都呈显著或轻度增加状态。(3)在沙漠区(子区Ⅰ和子区Ⅳ),气温和降水是植被生长的主要驱动因子,在绿洲区(子区II和子区III),地下水是植被生长的重要因素。选取线性、二次、指数和对数模型为备选模型,基于AIC准则选择最优模型,模拟NDVI与实测NDVI之间的整体相关系数为0.97,较高的模拟精度证明了模型的适用性。由于人类活动的影响,模型在人工绿洲内(子区III和子区V)模拟效果相对较差,其次,数据的短缺也可能是影响模拟精度的因素。(4)基于熵理论推导的干旱区NDVI分布与地下水埋深的统一函数关系式仅有3个参数(λ,λ,m),其中λ和λ可以通过实测资料进行率定。在黑河下游额济纳区、柴达木、海流图等干旱区的验证结果表明,模拟NDVI与实测NDVI相关性都较高,相关系数达到0.90以上,说明基于Tsallis熵构建的NDVI与地下水埋深关系的统一函数模型模拟效果较好;但是在人类活动频繁的地区,如黑河中游绿洲区,模拟效果不如其他区域理想,原因是受人类灌溉活动的影响,植被生长所需水分有很大一部分是来自于灌溉水而非地下水,所以此模型更适用于仅依靠地下水维持植被生长的干旱区。

关键词： NDVI 降水气温地下水熵

标准化地下水指数法分析黑河中游地下水时空演变规律

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农业工程学报 2019年第10期35卷 69-74页

作者：艾启阳粟晓玲张更喜牛纪苹西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100

地下水干旱威胁区域社会经济发展和生态环境健康。基于河西走廊黑河流域中游地区1985-2010年23眼井的月地下水位数据,选择4种不同的分布函数构建标准化地下水指数(standardized groundwater index,SGI),采用K-S检验(kolmogorov-smirnov ... 详细信息

地下水干旱威胁区域社会经济发展和生态环境健康。基于河西走廊黑河流域中游地区1985-2010年23眼井的月地下水位数据,选择4种不同的分布函数构建标准化地下水指数(standardized groundwater index,SGI),采用K-S检验(kolmogorov-smirnov test)和AIC准则(Akaike information criterion)进行分布函数的优选,对K-S检验未通过的井使用非参数法构建SGI,分析地下水时空演变规律。结果表明:1)不同拟合函数对参数化SGI拟合结果有强烈影响。2)研究区的最佳拟合函数为Beta分布(18眼井),其次为广义极值分布(3眼井),另有2眼井未通过K-S检验,使用非参数法构建SGI。3)张掖区SGI指数变化趋势总体上呈先下降后回升趋势(13眼井),临泽和高台区呈持续下降趋势(10眼井)。地下水指数的构建可为地下水资源的监测、管理及预报提供依据。

关键词：地下水干旱标准化地下水指数非参数法黑河中游