中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望

干旱灾害是制约中国西北地区社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然灾害,而且随着气候变暖西北地区极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。"中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究"成果是在数十个国家级科研项目的支持下,经过过去20年的理论研究和应用技术开发所取得的一系列创新性成果。该成果对西北干旱形成机理及重大干旱事件发生、发展的规律取得了新认识,尤其是发现了形成西北干旱环流模态的4种主要物理途径;研制了西北干旱预测的新指标、干旱监测的新指数及监测农田蒸散的新设备,明显提高了干旱监测准确性和针对性;提出了山地云物理气象学新理论,研发了水源涵养型国家重点生态功能区——祁连山空中云水资源开发利用技术;发现了干旱半干旱区陆面水分输送和循环的新规律,揭示了绿洲自我维持的物理机制;认识了干旱气候变化对农业生态系统影响的新特征,建立了旱作农业对干旱灾害的响应关系;开发了旱区覆膜保墒、集雨补灌、垄沟栽培、适宜播期等应对气候变化的减灾技术,为西北实施种植制度、农业布局及结构调整和农业气候资源高效利用提供了科学方案。该成果的完成提升了中国干旱防灾减灾技术水平,培养了中国干旱气象科技队伍,推进了西北地区干旱气象业务服务能力,对西北地区社会经济发展、农业现代化和生态文明建设等方面起到了重要的促进作用。在此基础上,展望了西北地区干旱气象科学研究中迫切需要、有可能突破的主要领域。     

GEV干旱指数及其在气象干旱预测和监测中的应用和检验

介绍了一种新的基于广义极值分布(Generalized Extreme Value,GEV)的干旱指数的构建过程及其原理。并利用1951—2010年中国地区160个气象台站的逐月降水资料,选择6个代表台站,检验1951—2010年60年间预测的干旱和实际干旱事件发生的吻合程度;利用2009—2010年资料检验GEV指数和实际发生的干旱事件在月尺度上的监测效果。结果表明,利用GEV方法定义的干旱指数能较好地监测干旱事件的发生和发展,与目前广泛使用的Ci指数监测结果较为一致。同时这种指数也能用于某一地区干旱事件的预测和干旱等级的划分。对干旱业务监测和预测有重要的参考意义。但该指数对站点疏密有一定的依赖性,站点稀疏的区域存在着一些误差。     

青藏高原地区气象干旱研究进展与展望

青藏高原是承受自然灾害脆弱性较高的地区。该区域经常遭受雪灾、干旱、大风、雷电、冰雹和洪涝等气象灾害的危害,其中,干旱是该区域除雪灾外影响最为严重的气象灾害。随着气候变化和人类活动的加剧,青藏高原由气象灾害造成的损失不断加剧。为此,着眼于青藏高原的区域特点,对其气象干旱研究现状进行了梳理与分析,系统总结了青藏高原气象干旱的主要研究成果,揭示了青藏高原气象干旱时空分布的基本特征：干旱的高发区在高原的北部、东北部、西南部和东南部,高发时段为1980年代和2000年代;归纳了青藏高原气象干旱监测和预测的主要技术方法：基于干旱指数开展的干旱监测评估和基于干旱影响因子利用气候模式进行的干旱预测;给出了青藏高原干旱灾害风险的发生规律：青藏高原东北部偏南地区是农牧业干旱灾害的高风险区,东北部、西南部和东南部是较高风险区;高寒草原比高寒草甸面临的干旱灾害风险高。基于数值模式和未来情景,预估21世纪青藏高原气温升高、降水增加;但由于降水增加表现出明显的时空分布不均匀性,未来发生季节性和区域性气象干旱的可能性仍然很大;同时,提出了青藏高原气象干旱研究在资料、技术方法和模式应用等方面存在的问题,并结合国际前沿...     

利用MODIS数据产品进行全国干旱监测的研究

利用MODIS植被指数和陆地表面温度产品建立全国3个农业气候区NDVI-Ts、NDVI-ΔT和NDVI-ATI空间,并由NDVI-Ts、NDVI-ΔT和NDVI-ATI空间分别建立温度植被干旱指数(TVDI)、温差植被干旱指数(DTVDI)和表观热惯量植被干旱指数(AVDI)3个干旱评价指标研究全国干旱分布,利用实测土壤含水量对3个干旱指标进行检验评价.NDVI-ΔT空间中的湿边基本与横坐标平行,表明当土壤水分处于饱和状态或植被完全无水分胁迫条件下,植被和土壤对缓冲环境温度变化的能力大体相当;由NDVI-ATI空间看出,随着植被覆盖增加,表观热惯量有增加的趋势.对比3个干旱评价指标表明:当监测范围较大,区域内地形复杂时,由NDVI-Ts空间计算的TVDI评价干旱最合理,由NDVI-ΔT空间计算的DTVDI在干旱监测中也具有一定的价值,而由NDVI-ATI空间计算的AVDI已经不能合理评价干旱.     

干旱传播的研究进展、挑战与展望

干旱通过相互关联的陆气系统与水文循环过程进行传播,在不同的地理时空传播演变成不同的干旱类型,如水文干旱、农业干旱、生态干旱和社会经济干旱等。在全球气候变暖和人类活动加剧的背景下,不同类型干旱之间的传播演变过程呈现出更多的不确定性。近10年来,对干旱传播时空特征、研究方法、演变过程以及驱动因素的理解逐步加深,但明确的科学观点仍相对匮乏。因此,从干旱传播的定义出发,系统分析了该问题的科学内涵,阐明了干旱传播研究的发展阶段。随后综合归纳了当前干旱传播的6类定量研究方法,包括阈值方法与游程理论、相关分析、因果分析、交叉小波、概率模型以及气象水文模型。并进一步从气象—水文和气象—农业两类干旱传播情景以及干旱传播驱动力方面,分析总结了当前形成的主要科学认识,揭示了全球范围内干旱传播研究发现的传播顺序、阶段阈值、时空异质性和人类驱动过程。最后分析指出了未来干旱传播研究面临的一系列挑战,包括进一步挖掘传播过程时空异质性、突破数学与物理知识鸿沟建立可信模型以及融入跨领域知识实现全过程的传播解析。对国内外干旱传播研究的前沿进展和挑战进行了系统分析,可为下一步干旱灾害分析与科学管理提供关键理论与方法支撑。     

植被状况指数的改进及在西北干旱监测中的应用

干旱是全球分布最广、发生频率最高、持续时间最长、影响范围最大、造成的经济损失最为严重的一种自然灾害，干旱也是所有自然灾害中影响因子最为复杂、人类了解最少、监测最为困难的一种自然灾害，干旱监测是世界性的难题。干旱可以发生在任何气候带上，但干旱、半干旱地区是全球干旱灾害发生最频繁的地区。干旱发生特征和规律因地区的不同会有很大的差异，不同地区对干旱监测方法不同。目前，世界各国干旱监测主要利用基于气象、水文、农业和卫星遥感等观测资料建立的各种干旱指数开展，已经有150多种干旱指数。植被状况指数VCI是应用最为广泛的一种卫星监测干旱的指数，研究和业务应用结果表明，VCI对全球各地的干旱均有较好的反映，已经应用在美国国家大气海洋局（NOAA）日常干旱监测业务中，中国国家卫星气象中心干旱卫星遥感监测服务产品也是以VCI为基础。 我国干旱半干旱地区主要分布在新疆、甘肃、青海、陕西、宁夏以及内蒙古自治区的中西部，这里降水少且不稳定，降水变率大，是中国干旱发生频率最高的地区。干旱严重制约着当地经济发展和人类生活质量的提高，使本身非常脆弱的生态环境趋于恶化。为了了解条件植被指数VCI对西北地区不同气候区干旱的监测能力，以上述6省（区）为研究区，利用1982—2003年22年NDVI数据，计算了研究区域22年来逐月的VCI，对比分析了不同气候区VCI与降水距平的关系。结果表明，VCI在空间和时间上较好地反映了西北大部分气候干旱发生、发展和空间分布，是干旱监测的较好指标，但在干旱和极端干旱地区，VCI经常出现异常偏高现象，不能反映干旱气候区常年干旱的基本特点。通过对西北不同生态系统之间NDVI特点和各生态系统间NDVI年变化及其年际变化规律的研究，设计了VCI改进方案，提出了改进的条件植被指数RVCI。通过对22年来逐月RVCI与VCI的对比，RVCI客观地反映了干旱气候区常年干旱特点，较VCI有显著改进。      

IMERG卫星降水数据在嘉陵江流域的干旱监测效用评估

针对嘉陵江流域存在雨热同期,水旱灾害频发的现象,为快速且准确地把握流域内降水与干旱情况,利用覆盖范围广且分辨率高的网格化IMERG卫星降水数据对嘉陵江流域进行多时空尺度反演,并基于卫星降水数据采用标准化降水指数(SPI)对流域实行干旱监测。结果表明：1)根据分类指标与统计指标的计算结果,三种卫星降水数据中的IMERG-F能更准确地反映流域内的日降水量,与地面降水数据CC达0.737,整体高估地面降水2.6%,具有在干旱监测方面的应用潜力。2)三种卫星降水数据驱动的SPI指数在干旱监测方面存在一定的差异,IMERG-F驱动的SPI指数与地面降水数据驱动的SPI指数保持较高的一致性(CC>0.9),较近实时产品IMERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征。3)卫星识别降水与干旱监测的能力受地形地貌的影响,IMERG卫星降水数据在平原丘陵地带具有较好的适用性。     

农业干旱灾害风险模糊集对评价法及其应用

开展农业干旱灾害风险评估,有利于定量认识农业旱灾和科学指导防旱抗旱工作。基于集对分析原理和模糊理论建立的模糊集对评价法,兼顾了信息的多尺度特征和评价等级的模糊性,概念清晰,计算简洁。构建了由旱灾危险性子系统、旱灾暴露性子系统、灾损敏感性子系统和抗旱能力子系统组成的干旱灾害风险评估体系和评价指标。将模糊集对评价法应用于2012年安徽省亳州市农业干旱灾害风险评估,研究结果表明,建议方法是可靠的,为农业干旱灾害风险评估提供了一种新途径。     

基于GNSS技术的高速公路边坡自动化监测系统

为探究基于GNSS监测站的高速公路边坡自动化监测系统的实际作用,本文以重庆巴南至綦江高速公路YQTJ5标青年互通K69+080段为依托进行研究。首先,基于LZMR02-GNSS接收机和FS-YL雨量计自主开发北斗+安全监测云平台,能够实时管理和分析现场布置的GNSS地表位移监测站和深层位移监测孔,监测结果表明该坡体已出现局部垮塌及开裂等不稳定现象并且迅速发出预警到相关部门单位;随后,基于传递系数法计算该边坡的剩余下滑力并且采用Geo5有限元软件进行数值模拟,其结果均验证了该监测系统的准确性。因此,建立高速公路边坡自动化监测系统不仅能解决常规人工监测边坡的不足,也能保证监测数据的时效性,为未来智能化监测边坡提供了一定的参考价值。     

遥感定量监测地表干旱特征的方法研究和应用试验

介绍了地表面能量平衡系统的基本原理,在此基础上提出了应用气象卫星遥感资料和气象观测资料定量监测地表大范围干旱特征的实用计算方案。通过对计算成果的检验分析,评价了该方法的应用效果。     

1368—1948年陇中地区干旱灾害时间序列分形特征研究

采用标度变换法对陇中地区1368—1948年(明代至新中国建立前)各等级干旱灾害及旱季序列的时间分维值进行测算。并深入讨论了各旱灾序列时间分维与其线性特征之间的关系,以及分维随时间演进的变化趋势。对4个干旱等级、4个旱季序列的分维值进行研究,发现:①干旱灾害具有客观的分形结构,其时间序列是具有自组织性质的,干旱灾害是自组织系统;②各等级干旱灾害有自己的时间重演律,干旱灾害越轻,无标度区越宽,分维值越高,短周期更明显;③各旱季分维值与其发生频次成正比;④整个时期的动态总体上表现为:各旱灾序列(旱灾、大旱灾、中度干旱、春旱及伏旱)分维值逐渐增大,旱灾发生趋向混沌无序,旱灾系统趋向平衡态,稳定性减小;⑤分形分析法与常规统计方法之间有着内在联系。     

Research Progress and Prospect of Integrated Drought Monitoring Based on Multi-source Information

At present, drought monitoring has changed from single factor to multi-factor comprehensive direction. In order to better promote the development of comprehensive drought monitoring theory and related models, the conceptual connotation of comprehensive drought monitoring was comprehensively and systematically analyzed, and the construction methods of comprehensive drought monitoring model were sorted out, which were divided into fiveWater balance model method, linear model combination method, multi-variable joint distribution function method, principal component analysis method and multi-source information data mining method. Furthermore, in view of the current challenges and shortcomings of integrated drought monitoring, the direction of future development of integrated drought monitoring model was put forward, that is, at the theoretical level: The first is to study the internal mechanism of drought and its occurrence and development process, clarify the relationship among the factors affecting drought, and construct a comprehensive quantitative drought monitoring model integrating multiple factors; The second is to enhance the pertinence of drought monitoring model, develop suitable drought monitoring model according to different regions, underlying surface, growing season, etc.;The third is to construct the precision verification index system of comprehensive monitoring model for drought in view of the difficulty of model validation. At the technical level, the integration and fusion of drought-related multi-source information is studied to improve its comprehensive utilization level and provide abundant data support and technical support for drought monitoring.     

滑坡监测预警国内外研究现状及评述

本文从降雨临界值研究、监测技术方法、区域性监测预警系统三个方面对滑坡监测预警的国内外研究现状进行了回顾和总结。首先归纳了国内外28个国家或地区的滑坡降雨临界值及统计方法,三个模型——日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土体含水状态模型,基本概括了当前降雨诱发滑坡临界值的确定方法;但由于降雨入渗触发滑坡的复杂性,不同机理的滑坡"需要"不同的降雨临界值;目前的研究趋势是对雨量雨强雨时—土体渗流场动态变化—土体抗剪强度变化的耦合关系进行研究。按监测对象的不同,滑坡监测可分为四大类,即位移监测、物理场监测、地下水监测和外部诱发因素监测;按监测手段的不同,则可分为人工监测、简易监测、专业监测三大类;目前国内外在滑坡监测技术、方法、手段上并无太大差距,专业仪器已成为常规设备,只是由于价格因素得不到普及;一些新技术如InSAR、三维激光扫描等能很快应用到滑坡监测领域;监测数据的采集和传输也都实现了自动化和远程化;监测和预警系统有向Web—GIS发展的趋势。利用一个地区的滑坡易发区划或危险区划,结合降雨临界值,可以设定不同的预警级别,在区内布设一定数量的雨量站,监测雨量加上预报雨量,就可进行滑坡预警预报,国内外的区域性降雨型滑坡监测预警大体都是这个思路和做法,该方法在对公众进行警示方面起到了良好效果,但由于预警的范围太大,在具体的单点防治上,难以做到有效。我国在近10年开展了大量的监测预警工作,并取得了丰硕的成果,但根据统计数据,其成功预警率却并不理想,这一方面表现在成功预警实例中专业预警所占比例过低,另一方面同时表现在发生的大量的地质灾害在已有的预警点之外。制约目前工作有效性的主要问题是滑坡隐患点的排查和识别问题,因为只有识别出了隐患点才能进行下一步的监测和预警,它是一切工作的基础。而解决这一问题的重要途径是分析区域上的滑坡发育规律,找到有效的隐患点识别技术方法,以及引进风险管理的概念,进行监测资源的合理分配和有效预警。     

论气候变暖背景下干旱和干旱灾害风险特征与管理策略简

The drought is a most severe natural disaster worldwide, which leads to great risk in human being. The drought disaster and risk have more prominent because of obvious climatic warming in the last hundred years. At present, the understanding of the internal laws of the occurrence of drought and drought risk is not comprehensive, and the recognition of the characteristics of the drought and drought risk under climatic warming is obscure. In this paper, we summarized systematically the domestic and overseas research progress of the drought and drought disaster risk, introduced the principle of the drought disaster transfer process and the essential features of drought disaster, analyzed synthetically the main characteristics and interactions among the key factors of the drought disaster risk, discussed the effect of climatic warming on drought and drought disaster risk, and probed into the basic requirement of drought disaster risk management. Above all, we provide the main protective measurements of the drought disaster and the main strategy of drought disaster risk management.     

自然界水循环中的水量平衡原理与干旱研究

概述了国际、国内干旱研究概况。指出区域多年平均降水量的多少,反映了区域中水资源对生态、经济发展承载力的大小。农业生产中把防止土壤蒸发措施叫抗旱;水利建设中拦河筑坝、引水灌溉、凿井汲水,叫兴修水利抗旱救灾。因此干旱的实质是径流消退、土壤蒸发自然衰减并达到区域内水资源对生态和经济发展的承载能力下降到某一限度或阀值的称谓,如人们感官中的小旱、大旱等。根据径流消退公式和土壤蒸发衰减曲线,参照大风、地震研究方法,输入降水、逐日蒸发观测值,即可成功实现统一干旱标准的实时旱情监测。     

河北省水质自动监测系统实践与探索

通过对河北省地表水、地下水水质自动监测系统的建设运行情况分析,研讨了当前水质自动监测系统的优缺点,结合当前水质监测科技发展提出了几点认识,供其他类似水质自动监测系统设计与建设时参考。     

Approaches for Monitoring and Assessment of Ecological Benefits of National Key Ecological Projects

In recent decades, due to the combined effect of human activities and climate change, the ecosystem of our country has been continuously degraded, seriously affecting the sustainable economic and social development. In order to protect and recover the ecosystem, China has invested heavily in launching a series of key ecological programs and projects including North Shelter Forest Program, Grain for Green Project and integrated ecosystem management of rock desertification. How to comprehensively and timely grasp the ecological effects and existing flaws of the implementation of key ecological projects so as to scroll the implementation of ecological projects and ensure the implementation effect of the projects, and promote the follow-up ecological engineering deployment of being scientific and space-oriented is a major imperative for the country. Therefore, the National Key Research and Development Program of China set up the project of “Monitoring and Assessment of Ecological Benefits of Key Ecological Engineering in China”. Through the implementation of this project, we will establish an indicator system for monitoring and evaluating the ecological benefits of key ecological projects, developing various technical systems for monitoring and evaluating the ecological benefits of key ecological projects, quantitatively evaluating the ecological benefits of key ecological projects, and concise the technical approaches to enhancing ecological benefits. We will provide a scientific basis for future planning and management of key ecological projects.