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黄河流域干热变化及对植被影响研究

黄河流域干热变化及对植被影响研究

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作者：赵晓阳河南大学

学位级别：硕士

气候变暖背景下,干旱、极端高温和复合干热事件频繁发生,引发了一系列全球性生态问题。近年来,国际社会对干旱、极端高温和复合干热事件的关注度持续提升。目前,国内外学者基于植被指数、温度、降水和蒸散发等信息,构建了大量的干旱和... 详细信息

气候变暖背景下,干旱、极端高温和复合干热事件频繁发生,引发了一系列全球性生态问题。近年来,国际社会对干旱、极端高温和复合干热事件的关注度持续提升。目前,国内外学者基于植被指数、温度、降水和蒸散发等信息,构建了大量的干旱和高温指数,以便有效识别干旱、极端高温和复合干热事件的发生发展过程。然而,目前已有的干旱和高温数据集时空分辨率仍然不足。一方面,基于气象站点构建的干旱和高温数据集在空间上不连续,另一方面,利用再分析数据构建的干旱和高温数据集存在空间分辨率低的问题,这导致对干旱和极端高温事件的监测和预报研究存在很多不确定性。基于以上问题,本文选取黄河流域为研究区,基于气象站点数据、遥感数据和再分析数据,构建了一种生产高时空分辨率干旱和高温数据的随机森林回归(RFR,Random Forest Regression)模型,生产了2001～2020年黄河流域高空间分辨率(1km)干旱和高温数据集,揭示了近二十年黄河流域干旱和极端高温事件的时空变化规律。其次,为了精准评估不同干热情景对植被生长的影响,本文利用Vine Copula条件概率(VCCP,Vine Copula Conditional Probability)模型,阐明了不同干旱、高温及复合干热情景下植被损失概率。最后,本文明晰了黄河流域气温、降水和潜在蒸散发等气候因子的时空变化规律,并发现了不同干热状况下不同植被类型的脆弱性。主要结论如下:(1)构建了一种新的、稳健的高时空分辨率标准化降水蒸散发指数(SPEI,Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)和标准化温度指数(STI,Standardized Temperature Index)模型。基于SPEI和STI模型,分别生产了2001～2020年黄河流域3个月尺度每月的高空间分辨率(1km)SPEI和STI数据集。SPEI和STI数据集在训练样本上的R、平均误差(ME,Mean Error)、平均绝对误差(MAE,Mean Absolute Error)和均方根误差(RMSE,Root Mean Square Error)分别为0.944、-0.02、0.172、0.259和0.981、-0.006、0.0991、0.207;在测试样本上的R、ME、MAE和RMSE分别为0.653、-0.01、0.5、0.66和0.762、-0.04、0.575、0.77。(2)阐明了2001～2020年黄河流域SPEI、STI、NDVI时空变化规律。近20年黄河流域SPEI、STI和NDVI均呈上升趋势,即干旱状况逐渐减弱、温度逐渐上升和植被生长状况逐渐向好。SPEI、STI和NDVI呈现显著上升的面积分别为37.11×10km、18.83×10km和68.32×10km,分别占黄河流域总面积的46.66%、23.67%和85.89%。(3)明晰了黄河流域SPEI、STI和NDVI的相互影响机制。干旱(SPEI)对黄河流域植被(NDVI)显著(P性结果表明,黄河流域西部(高海拔地区,24.78×10km)SPEI与STI呈正相关,即温度上升时干旱状况减弱(冰川积雪融水增加),而在中东部(54.81×10km)SPEI与STI呈负相关,即温度上升时干旱状况加剧。(4)定量了干旱、高温及复合干热事件对植被影响的概率。当干旱逐渐加剧时,NDVI指数下降到0.5分位数以下的概率值超过60%的面积显著增加;而温度上升时,NDVI指数下降到0.5分位数以下的概率值超过60%的面积有微弱的增加趋势;从植被损失概率角度,干旱加剧比温度升高对植被胁迫强度更大。复合干热条件下,植被生长主要受到水分的胁迫,干旱的加剧将直接破坏植被的正常生长。(5)揭示了不同干热状况下不同植被类型的脆弱性。干热事件对流域湿冷区植被的影响最小,而对干冷区植被的影响最大;在非干旱条件下,草地和农田生长比混合林、落叶林和常绿林生长受到的抑制更小,而在干旱条件下,草地和农田生长受到的抑制大于混合林、落叶林和常绿林;干热区、湿热区和干冷区的草地以及干冷区和湿冷区的农田是黄河流域最脆弱的植被类型。

关键词：黄河流域复合干热 SPEI STI VCCP模型时空分析植被脆弱性

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区域干湿变化的时空演变规律及其对气候和下垫面变化的响应研究

区域干湿变化的时空演变规律及其对气候和下垫面变化的响应研究

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作者：吕文涵中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

区域乃至全球的水循环过程不断受气候变化与下垫面循环互馈系统的影响,面临着干湿变化的高风险。本研究基于考虑气候变化和下垫面因素的标准化湿润指数（SWI）,综合评估了SWI在中国及9大流域的适用性以及中国干湿变化的时空演变特征;基... 详细信息

区域乃至全球的水循环过程不断受气候变化与下垫面循环互馈系统的影响,面临着干湿变化的高风险。本研究基于考虑气候变化和下垫面因素的标准化湿润指数（SWI）,综合评估了SWI在中国及9大流域的适用性以及中国干湿变化的时空演变特征;基于Copula函数和贝叶斯条件概率模型构建了SWI与植被状态（归一化植被差异指数）的联合概率模型,揭示了植被易损性的时空分布特征。利用基于Budyko假设的直接分离法和弹性系数法,定量揭示了气候变化与人类活动对黄河和北江流域干湿变化的影响。主要结论如下:（1）基于标准化降水蒸散发指数（SPEI）的对比分析表明,12个月尺度的SWI（SWI12）在中国区域的适用性较好。基于SWI12的趋势分析结果显示,全国仅内陆和淮河流域的大部分地区因P增加呈显著湿润趋势。华北地区（松辽、海河、黄河流域西部）和长江流域西部因P减少和PET增加,区域呈显著干燥趋势;珠江流域因喀斯特地貌导致地表蓄水能力弱,同样呈显著干燥趋势。在过去的25年,全国总干旱面积大部分位于20%-40%之间,其中最大干旱面积约60%。南、北方干旱特征存在明显差异,北方干旱频次较少,但历时较长、烈度较大,南方干旱频次较多,但历时较短、烈度较小。（2）中国地区在5-9月份植被覆盖度较高（NDVI＞0.3）,但在其他月份北方地区的植被覆盖度较低。夏季的NDVI在全国较多区域（如6月东部地区,8月长江流域）呈减小趋势,而其他季节大部分区域的NDVI呈增大趋势。中国超过80%的地区各月份的SWINDVI为正相关关系,反映了干湿变化在大多数区域会抑制植被活力。春夏季SWI-NDVI相关性在北方地区较高,滞后响应时间较短;而秋冬季SWI-NDVI相关性在南方地区较高,滞后响应时间相对较短。干旱胁迫下,夏、秋季比春、冬季更容易出现植被损失,北方流域比南方流域更容易出现植被损失。随着干旱程度增加,相同程度的植被损失的概率随着增大,当干旱强度不变时,植被损失概率会随植被损失程度上升变得更小。植被脆弱性高的区域主要分布在华北和西北地区的夏季和秋季、华北和西南地区的春季和冬季。（3）基于Budyko假设的2种分离方法对径流的模拟与实际值拟合度较好,其中北江流域（纳什效率系数为0.76）优于黄河流域（纳什效率系数为0.48）。定量分离结果表明,黄河流域的干湿变化主要受气候影响,北江流域干湿变化更易受人类活动影响。人类活动导致黄河和北江流域变得更干燥的趋势,延长了干旱历时并增加了干旱烈度。当干旱强度增大时,气候变化对两个流域的影响更显著。在黄河流域,气候变化的影响随着干旱或湿润程度增大而增加;而在北江流域,气候变化的影响则随着干旱程度增大而增加。

关键词：干湿条件植被脆弱性 Budyko假设气候变化人类活动

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