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基于REOF的两种卫星降水产品(IMERG和MSWEP)在金沙江流域降水分区尺度精度评估

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湖泊科学 2024年第2期36卷 620-633页

作者：薄会娟林青霞李璐魏冲龚成麒三峡大学水利与环境学院宜昌443002 三峡库区生态环境教育部工程研究中心宜昌443002

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB... 详细信息

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1~1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。

关键词：降水分区旋转经验正交函数 IMERG MSWEP 精度评估

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基于REOF的淮河流域降雨侵蚀力时空变化

农业工程学报 2022年第12期38卷 135-144页

作者：魏冲董晓华龚成麒马耀明喻丹薄会娟赵文义三峡大学水利与环境学院宜昌443002 三峡库区生态环境教育部工程研究中心宜昌443002 中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统科学国家重点实验室地气作用与气候效应团队北京100101 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 兰州大学大气科学学院兰州730000 西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站定日858200

淮河流域作为中国重要的粮食生产基地,研究其降雨侵蚀力的时空变化特征,对流域水土流失防治、土壤资源保护及农业可持续发展具有重要意义。该研究基于淮河流域内的40个气象站点1960—2018年的日降雨数据,采用Xie方法计算各站点降雨侵蚀... 详细信息

淮河流域作为中国重要的粮食生产基地,研究其降雨侵蚀力的时空变化特征,对流域水土流失防治、土壤资源保护及农业可持续发展具有重要意义。该研究基于淮河流域内的40个气象站点1960—2018年的日降雨数据,采用Xie方法计算各站点降雨侵蚀力及降雨侵蚀力密度;使用旋转经验正交函数(Rotating Empirical Orthogonal Function,REOF)对淮河流域依据降雨侵蚀力的分布特性进行分区,采用线性倾向率、改进的Mann-Kendall检验和R/S分析法来分析流域内降雨侵蚀力的时空变化特征;并为不同分区提供合理的农业水土流失防治措施。结果表明:1)淮河流域多年年均降雨侵蚀力及降雨侵蚀力密度分别为4264 MJ·mm/(hm^(2)·h)和4.63 MJ/(hm^(2)·h),且降雨侵蚀力未来将呈增长趋势;整体上,流域内年降雨侵蚀力从东南部向西北部递减,年降雨侵蚀力密度从北部向南部递减。2)基于淮河流域40个站点的年降雨侵蚀力序列,使用REOF展开的10个空间特征向量的累计贡献率达74.34%,可着重突出空间分布特征。并依据这10个模态分布将淮河流域的降雨侵蚀力场划分为降雨特征不同的10个地理区。3)降雨侵蚀力较高的分区为第2、3、4、5和6区,主要集中于流域南部和东部;5—9月的降雨侵蚀力约占全年总和的80%~91%,降雨侵蚀力密度较高。3)在降雨侵蚀力较高的5—9月期间,流域内各区域的农业活动过程中需加强水土流失防治措施,尤其是第6区所在的区域。研究结果可为淮河流域内不同区域的耕地水土保持工作提供参考,并进一步保障流域内农业可持续发展。

关键词：降雨侵蚀旋转经验正交函数农业用地趋势分析淮河流域

基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析

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农业工程学报 2016年第2期32卷 161-168页

作者：王兆礼李军黄泽勤钟睿达陈佳颖邱卓辉华南理工大学土木与交通学院广州510641

近几十年来随着全球变暖的不断加剧,中国多地频繁发生干旱灾害,经济损失也越来越大,因而研究干旱的时空演变对社会经济发展具有重要的现实意义。论文基于改进帕默尔干旱指数（sc PDSI）分析了1961—2009年间年和四季干湿变化,并利用旋... 详细信息

近几十年来随着全球变暖的不断加剧,中国多地频繁发生干旱灾害,经济损失也越来越大,因而研究干旱的时空演变对社会经济发展具有重要的现实意义。论文基于改进帕默尔干旱指数（sc PDSI）分析了1961—2009年间年和四季干湿变化,并利用旋转经验正交函数（rotated empirical orthogonal function,REOF）探讨了中国气象干旱的时空演变特征。结果表明：1）近49 a来,整体上中国年和四季均呈显著变湿趋势,且均在20世纪70年代初期发生了由干变湿的突变;2）年及四季均存在2-8 a的振荡周期,其中夏季主周期为4.4 a,其余主周期均为6.2 a;3）根据REOF时空分解的前8个空间模态,将中国划分成8个干湿特征区域,其中大兴安岭地区、东南地区、西北地区和青藏高原南部地区有变湿趋势,后两个区域变湿趋势显著;东北—内蒙古高原区、青藏高原北部地区、中部地区和黄淮海平原地区呈变干趋势,前3个区变干趋势显著,黄淮海平原分区干湿变化不明显;各分区普遍具有2-9 a的振荡周期;4）极涡指数、印度洋偶极子和太平洋涛动与部分地区气象干旱有较好的相关关系。研究结果可为研究区防旱、抗旱与干旱预测提供参考依据。

关键词：干旱气象降水改进帕默尔干旱指数旋转经验正交函数时空演变中国

1962—2007年广东干湿时空变化特征分析

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水科学进展 2013年第4期24卷 469-476页

作者：陈子燊黄强刘曾美中山大学水资源与环境系广东广州510275 华南理工大学水利水电系广东广州510640

利用广东省74个气象站点1962—2007年的月降水与气温数据,计算多时间尺度的标准化蒸散发指数,采用旋转经验正交函数(REOF)、Mann-Kendall趋势检验和小波分析等方法分析广东近50年来的干湿时空变化特征。研究结果表明:①广东20世纪70年... 详细信息

利用广东省74个气象站点1962—2007年的月降水与气温数据,计算多时间尺度的标准化蒸散发指数,采用旋转经验正交函数(REOF)、Mann-Kendall趋势检验和小波分析等方法分析广东近50年来的干湿时空变化特征。研究结果表明:①广东20世纪70年代以来干旱发生事件随时间持续增多,空间范围扩展;②根据REOF时空分解的前6个空间模态,可以将广东划分成6个干湿特征区域,分别位于珠江三角洲、韩江流域及东江流域上游、西江流域及北江中下游流域、粤东沿海区域、北江上游区域和粤西沿海区域;③广东干湿发展具有明显的东西部差异性,其中西江流域和北江中下游流域、雷州半岛为主的粤西沿海流域存在着显著的干旱趋势;④6个分区干湿变化普遍具有2～8年的振荡周期,但最强振荡周期有所差别。

关键词：干湿时空变化标准蒸散发指数旋转经验正交函数小波分析广东

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基于CMIP6的珠江流域未来干旱时空变化

农业工程学报 2022年第11期38卷 81-90,F0003页

作者：王天涂新军周宗林赖荣标谢星中山大学土木工程学院水资源与环境研究中心广州510275 广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心广州510275 广东南方海洋科学与工程实验室珠海519000

干旱是一种严重且长期持续性的自然灾害,对人们的生产和生活具有显著影响。目前的大部分干旱研究将干旱的时间和空间特征进行单独分析,往往忽略了干旱的时空耦合关系。同时,南方湿润区的干旱灾害近年呈现上升趋势,探究气候变化背景下的... 详细信息

干旱是一种严重且长期持续性的自然灾害,对人们的生产和生活具有显著影响。目前的大部分干旱研究将干旱的时间和空间特征进行单独分析,往往忽略了干旱的时空耦合关系。同时,南方湿润区的干旱灾害近年呈现上升趋势,探究气候变化背景下的干旱演变规律成为亟需解决的问题。因此,该研究首先利用CMIP6计算了珠江流域2015—2100年的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),应用游程理论提取干旱特征,并利用旋转经验正交函数(Rotational Empirical Orthogonal Functions,REOF)对珠江流域干湿区进行划分,再分别利用Sen's斜率、Hurst指数方法和完备总体经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise,CEEMDAN)方法对气象干旱指数和干旱特征进行时空耦合特征分析。结果表明:1)根据SPI未来变化趋势,珠江流域未来将呈现更为湿润的状态,不同干湿分区的变化具有一致性且沿海分区的湿润状态更为明显。2)分析不同气候模式下CEEMDAN结果,辐射强迫的增加导致未来珠江流域干旱更为严重,未来珠江流域车旱历时处千0.5~1.8个月,干旱频率处于5.6%~13.9%之间。3)结合干旱特征的CEEMDAN分析结果,珠江流域干旱历时和干旱频率以1.04~1.31 a为主要周期,沿海分区的短周期特征更显著。该研究通过对干旱指数和干旱特征的时空耦合分析,探寻干旱的未来发展规律,为干旱研究提供了一个新的时空耦合分析视角,对干旱监测、预测预报和管理具有重要的现实意义。

关键词：干旱流域 CMIP6 标准化降水指数完备总体经验模态分解旋转经验正交函数时空耦合特征

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藏东南地区近二十年降水分区及时空演化特征

成都理工大学学报（自然科学版） 2024年第4期51卷 698-707页

作者：鲁响赵伟华地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都610059

在全球变暖的背景下,藏东南地区的降水变化不仅会影响区域水资源分布,同时还对区域的水循环、冻土演变等产生重要影响,因此深入研究该地区的降水时空格局及演化规律,对区域生态环境保护具有重要意义。对藏东南地区76个气象站点2000—202... 详细信息

在全球变暖的背景下,藏东南地区的降水变化不仅会影响区域水资源分布,同时还对区域的水循环、冻土演变等产生重要影响,因此深入研究该地区的降水时空格局及演化规律,对区域生态环境保护具有重要意义。对藏东南地区76个气象站点2000—2021年的降水数据,采用反距离权重插值(IDW)、旋转经验正交函数(REOF)、Sen’s斜率估计、Manne-Kendall趋势检验和Morlet小波分析等方法分析了该地区降水的时空分布及演化特征。结果表明:藏东南地区降水空间和时间上总体表现为“东高西低”“雨热同期”。基于旋转经验正交函数将研究区划分为10个子区域。不同子区域间降水分区特征明显,其中东部的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅵ区和Ⅹ区降水呈现增加趋势,其余子区域降水均呈现不同程度降低趋势;各分区的年平均降水量在近20年内均有突变产生,且不同分区间的平均降水量波动周期有所差异。以上成果可为藏东南地区生态环境保护措施的制定提供支持。

关键词：藏东南地区降水分区旋转经验正交函数突变检验降水周期

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嫩江流域生态干旱影响因素及其时空演变格局

生态学报 2024年第13期44卷 5646-5657页

作者：庞金凤门宝辉华北电力大学水利与水电工程学院北京102206

近几十年来,嫩江流域湿地大面积萎缩、土地盐碱化严重,干旱频发,严重威胁生态安全、水环境安全和社会经济可持续发展。为量化嫩江流域干旱对生态系统的影响,利用标准化生态缺水指数(SEWDI),结合旋转经验正交函数、累积和曲线和Pearson... 详细信息

近几十年来,嫩江流域湿地大面积萎缩、土地盐碱化严重,干旱频发,严重威胁生态安全、水环境安全和社会经济可持续发展。为量化嫩江流域干旱对生态系统的影响,利用标准化生态缺水指数(SEWDI),结合旋转经验正交函数、累积和曲线和Pearson相关性分析法分析嫩江流域1980—2017年生态干旱的时空演变规律,并利用游程理论提取生态干旱特征。结果表明:(1)生态干旱与影响因子间的相关系数排序为相对湿度>归一化植被指数>径流>降水>气温,其中生态干旱和相对湿度相关系数最大且大于0.5,呈现显著相关性,其余因子的相关系数均小于0.5,呈现低度相关性;(2)从SEWDI变化曲线上看,1980—1999年干湿交替呈现出一定的周期性,生态干旱以轻旱和中旱为主,总体呈加剧趋势;2000—2017年极端干旱和极端湿润事件频发,生态干旱总体呈缓解趋势。从累积和曲线上看,1980—1995年为嫩江流域生态干湿状态的正常波动时期,1996—2009年为嫩江流域生态干旱期,2012—2017年为生态湿润期;(3)生态干旱的干旱历时和烈度显示流域西南部严重程度较大,长期干旱风险较高,而流域北部干旱强度较大,较易发生单次较为严重的短期干旱。

关键词：生态干旱累积和曲线旋转经验正交函数嫩江流域干旱演变

长江中下游降雨侵蚀力时空变化及其与植被覆盖的关系

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生态学报 2024年第20期44卷 9364-9378页

作者：王雪雯董晓华马耀明龚成麒魏冲陈玲安敏三峡大学水利与环境学院宜昌443002 三峡库区生态环境教育部工程研究中心宜昌443002 中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境重点实验室地气作用与气候效应团队北京100101 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 兰州大学大气科学学院兰州730000 西藏珠穆朗玛特殊大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站定日858200 中国科学院加德满都科教中心北京100101 中国科学院中国-巴基斯坦地球科学研究中心伊斯兰堡453209 三峡大学经济与管理学院宜昌443002

充分掌握大尺度流域降雨侵蚀力的时空变化特征对流域水土保持、防洪减灾和生态环境保护至关重要。基于长江中下游的119个气象站点57a逐日降雨资料,通过Xie模型计算各站降雨侵蚀力,使用旋转经验正交函数(REOF)法对降雨侵蚀力进行区域划分... 详细信息

充分掌握大尺度流域降雨侵蚀力的时空变化特征对流域水土保持、防洪减灾和生态环境保护至关重要。基于长江中下游的119个气象站点57a逐日降雨资料,通过Xie模型计算各站降雨侵蚀力,使用旋转经验正交函数(REOF)法对降雨侵蚀力进行区域划分;结合Mann-Kendal检验、重标极差(R/S)法和相关性分析方法分析长江中下游降雨侵蚀力的时空变化特征,并揭示其与植被覆盖度之间的关系。结果表明:(1)长江中下游降雨侵蚀力整体呈上升趋势,年均降雨侵蚀力为5643MJ mm hm^(-2)h^(-1)。(2)不同季节降雨侵蚀力空间分布存在差异。冷季降雨侵蚀力空间分布不均,高值区主要集中在流域的西部和东北部,而暖季降雨侵蚀力则表现为以江西省为中心沿西北方向递减的空间分布格局,最大值和最小值出现在鄱阳湖环湖区(III区)和长江干流武汉以下段及太湖水系(IV区)。(3)长江中下游相邻地理分区间降雨侵蚀力变化速率差异较大,降雨侵蚀力区域性差异显著。其中III区、湘江及赣江流域(I区)和IV区年均降雨侵蚀力呈显著增长趋势(P<0.05)且未来将保持该趋势,为水土保持重点关注区域。(4)研究所发现的长江中下游水土保持重点关注区域的降雨侵蚀力与植被覆盖度存在负相关。但值得注意的是I区在冷季呈现正相关,而且其中的湘江上游流域出现显著正相关。研究表明降雨侵蚀力是影响地表侵蚀过程的关键因素,侵蚀性降水会影响植被覆盖情况,进而影响地表的侵蚀过程。因此在重点关注高降雨侵蚀力地区的同时还需加强植被保护工作。研究结果可为长江中下游区域水土保持及生态环境保护工作提供科学依据。

关键词：长江中下游流域降雨侵蚀力旋转经验正交函数植被覆盖度

基于标准化降水蒸散指数的甘肃省干旱时空特征分析

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干旱地区农业研究 2019年第3期37卷 256-266页

作者：李亮 Pich Linvolak 蔡焕杰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 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

为明确气候变化条件下甘肃省不同时间尺度的干旱特征,选用1951-2015年甘肃省33个气象站点逐日气象数据,计算了不同时间尺度的标准化降水蒸散指数SPEI,同时结合Mann-Kendall突变检验、复小波分析、经验正交函数分解、旋转经验正交函数分... 详细信息

为明确气候变化条件下甘肃省不同时间尺度的干旱特征,选用1951-2015年甘肃省33个气象站点逐日气象数据,计算了不同时间尺度的标准化降水蒸散指数SPEI,同时结合Mann-Kendall突变检验、复小波分析、经验正交函数分解、旋转经验正交函数分解等方法,对甘肃省65 a来干旱时空格局特征进行了分析。结果表明:在年际变化趋势方面,甘肃省干旱情势为由干变湿再变干,近年干旱趋势逐渐加重;四季均呈现由干变湿然后变干的趋势,近年春季变干趋势显著;干旱强度在全省范围内主要为轻旱和中旱等级,并表现为局域性轻旱和全域性中旱。在周期性变化方面,甘肃省的干旱时间周期性强弱依次为39、13、7、22 a尺度,但不同时间尺度表现出了不同的干湿震荡规律。在空间格局方面,甘肃省整体上呈西北部干旱缓解、东南部干旱加剧的趋势;春季干旱加剧最明显,冬季次之,夏季和秋季干湿状况基本相似。按照干旱区域敏感性强弱可将甘肃省分为东南地区东部(Ⅰ区)、西北地区(Ⅱ区)、中部地区(Ⅲ区)和东南地区西部(Ⅳ区),其中Ⅲ区呈干旱缓解趋势,其他地区基本呈干旱加剧的趋势。

关键词：干旱标准化降水蒸散指数(SPEI) 时空特性经验正交函数旋转经验正交函数甘肃省