干旱驅動機制與評估方法研究.pdf

1、干旱作為一種長期困擾人類的自然現(xiàn)象，已引起氣象、水文、農業(yè)及生態(tài)環(huán)境領域的普遍關注，氣候變化和人類活動對干旱影響及其驅動機制逐漸成為科學研究熱點，也是我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。開展干旱驅動機制及評估方法研究，是科學應對干旱、保障國家水資源安全進而支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大需求。
　　 從干旱表象不同角度，可將其分為氣象干旱、水文干旱和農業(yè)干旱等，實質上體現(xiàn)為“自然-人工”復合水循環(huán)不同環(huán)節(jié)發(fā)生異常。本文主要以“自然

2、-人工”復合水循環(huán)理論為指導，結合氣候系統(tǒng)理論及作物生理生態(tài)學理論，識別氣象、水文和農業(yè)干旱驅動因素，探討干旱驅動機制，構建干旱評估指標，完善干旱評估方法，構建干旱驅動模擬平臺，提出干旱驅動定量分析方法，結合典型流域開展實證研究。主要研究成果如下:
　　 （一）總結了國內外干旱驅動機制與評估方法研究進展
　　 從干旱驅動機制、干旱評估方法、干旱驅動分析等幾個方面總結了國內外研究進展，指出了當前研究亟待解決的問題，進而擬定

3、了論文研究內容和技術路線。
　　 （二）揭示了氣象干旱、水文干旱和農業(yè)干旱驅動機制及其內在聯(lián)系
　　 在剖析干旱內涵基礎上，界定了氣象干旱、水文干旱和農業(yè)干旱的概念，分析了干旱事件從孕育、開始、緩沖、發(fā)展到解除的發(fā)生發(fā)展過程;從水循環(huán)角度識別了氣象干旱、水文干旱和農業(yè)干旱主要驅動因素，系統(tǒng)揭示了氣象、水文和農業(yè)干旱驅動機制及其內在聯(lián)系。大氣環(huán)流異常和下墊面變化是氣象干旱的主要驅動因素，氣候變化、土地利用變化和水資源開發(fā)利

4、用是水文干旱和農業(yè)干旱主要驅動因素。
　　 （三）構建了基于全口徑水資源量的水文干旱評估指標，優(yōu)選了氣象干旱和農業(yè)干旱指標，完善了干旱評估方法
　　 從數(shù)據(jù)準備、干旱特征指標計算和干旱特征統(tǒng)計分析三個層面總結提出了干旱評估基本框架;構建了基于全口徑水資源量的水文干旱指標，優(yōu)選了氣象干旱和農業(yè)干旱指標，形成了干旱評估指標體系，完善了干旱歷時、面積、強度、頻率等特征指標計算方法;從單變量特征、雙變量特征和多變量特征三個方面系

5、統(tǒng)總結完善了干旱特征分析方法;實現(xiàn)了干旱評估方法的程序化。
　　 （四）建立了基于“驅動力-壓力-狀態(tài)-響應”模式的干旱驅動分析框架，提出了干旱驅動定量分析方法
　　 從系統(tǒng)思想角度出發(fā)，建立了基于“驅動力-壓力-狀態(tài)-響應”模式的干旱驅動分析框架;結合干旱驅動機制分析結果，對主要驅動因素進行量化，總結了干旱驅動因素變化規(guī)律分析方法，明確了干旱形成和演變系統(tǒng)的驅動力及壓力，在此基礎上構建了干旱驅動模擬方案集;結合干旱特征

6、指標及其之間的關系，構建了干旱綜合響應度量指標;提出了基于統(tǒng)計學手段的氣象干旱驅動分析方法;結合WACM模型和干旱評估方法構建了干旱驅動模擬平臺，提出了氣候變化、土地利用變化和水資源開發(fā)利用對水文干旱和農業(yè)干旱驅動作用的定量分析方法。
　　 （五）評估了海河北系干旱時空分布規(guī)律
　　 將海河北系劃分為4619個水循環(huán)模擬單元，基于1951～2009年實測氣象數(shù)據(jù)以及其他有關數(shù)據(jù)，對WACM模型進行了率定和驗證，并運用WA

7、CM模型模擬了1956～2009年的水循環(huán)過程?；趯崪y的氣象數(shù)據(jù)和模擬的水資源量以及土壤含水率數(shù)據(jù)，運用干旱評估方法分別對海河北系氣象、水文和農業(yè)干旱進行評估，分析了各類干旱的時空分布規(guī)律以及其之間的關系:
　　 (1)1951～2009年共發(fā)生了159次氣象干旱，平均干旱歷時、面積和強度分別為2.5個月、54％、0.85，且干旱事件主要集中于強度在0～1、面積在30％～70％、歷時在1～3個月之間的區(qū)域。
　　 (2

8、)1956～2009年共發(fā)生了34次水文干旱，平均干旱歷時、面積和強度分別為16個月、24％、3.25，且干旱事件主要集中于強度在0～6、面積在5％～25％、歷時在1～20個月之間的區(qū)域。
　　 (3)1956～2009年共發(fā)生了102次農業(yè)干旱，平均干旱歷時、面積和強度分別為4.8個月、40％、1.13，且干旱事件主要集中于強度在0～3、面積在30％～50％、歷時在1～8個月之間的區(qū)域。
　　 (4)采用指數(shù)分布、正態(tài)

9、分布等函數(shù)分別擬合了干旱歷時、面積和強度的邊緣概率分布并進行了擬合優(yōu)度檢驗，基于平方歐式距離法優(yōu)選Copula函數(shù)對干旱強度-面積、強度-歷時的聯(lián)合概率分布進行了擬合，可計算給定任意特征值的干旱發(fā)生頻率。
　　 (5)氣象、水文和農業(yè)干旱歷時呈現(xiàn)出明顯線性相關關系;氣象干旱與水文干旱強度呈現(xiàn)較好的相關性，而氣象干旱和農業(yè)干旱強度相關性則不顯著，灌溉作用削弱了氣象干旱和農業(yè)干旱強度之間的相關性;氣象、水文、農業(yè)干旱面積之間的相關關

10、系不顯著;區(qū)域內灌區(qū)農業(yè)干旱歷時和強度較周圍其他地區(qū)明顯要小。
　　 （六）定量研究了海河流域北系干旱驅動歸因并提出干旱應對建議
　　 結合海河北系1951～2009年長序列資料，在分析干旱主要驅動因素變化規(guī)律基礎上，界定了基準期與影響期，在此基礎上設置了干旱驅動分析模擬方案，定量研究了氣象、水文和農業(yè)干旱驅動歸因，并提出干旱應對建議:
　　 (1)氣候因素變化規(guī)律分析結果顯示，氣溫呈升高趨勢，降水、日照時數(shù)、風

11、速、相對濕度均呈減小趨勢，各因素突變點集中在1979～1990年之間;而人類活動對海河北系的干擾在1970年之后迅速增大，綜合二者界定1951～1970年為基準期，1990～2009年為影響期，中間的1971～1989年為過渡期。
　　 (2)降水減小是氣象干旱最為敏感的因素，其次是日照時數(shù)減小、相對濕度減小、氣溫升高和風速減小，其中，降水減小、氣溫升高加劇干旱，其它因素減小可緩解干旱。若降水減小10％，氣象干旱歷時、面積、強度

12、及綜合指標分別增加10％、7％、21％和18％。
　　 (3)氣候變化、土地利用變化和水資源開發(fā)利用對水文干旱驅動作用分別為57％、33％和10％，氣候變化是驅動海河北系水文干旱的主要因素。
　　 (4)氣候變化、土地利用變化和水資源開發(fā)利用對農業(yè)干旱影響作用分別為40％、4％和-56％，表明水資源開發(fā)利用可顯著緩解農業(yè)干旱，各種因素綜合作用下農業(yè)干旱呈減輕趨勢。
　　 (5)從建立科學的觀測體系、加強水利基礎設