文摘

山东位于中国的北部,往往是一个干旱地区。本研究致力于做一个全面、定量分析干旱频率的空间格局及其气候趋势系数,干旱等级,干旱覆盖范围和时间特点,干旱持续时间,和干旱强度从1961年到2008年使用气象干旱综合指数(CI)。结果表明,山东省气象干旱的发生频率很高,胶东半岛等部分地区遭受干旱压力明显上升趋势。干旱程度和影响力在1980年代和1990年代很严重但非常轻微的1964年;大面积干旱主要发生在1970年代,每年和季节性干旱年代际时间均显示大约10一个周期的波动周期。此外,轻微的干旱主要出现在西北和西南地区的其他等级干旱表现出更显著的时空变异性。此外,干旱在春天比冬天更严重。本研究预计将支持缓解干旱危害,提高山东省环境体系的管理实践。

1。介绍

根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告(1),全球地表温度上升在过去的一个半世纪,也表现出显著的地区差异。和全球变暖加剧全球水文循环的平均降水、蒸发、径流;因此,进一步加剧的干旱发生在世界各地2]。特别是近几十年来,干旱频繁发生,和大规模密集的干旱已经被观察到在许多大陆,非洲等(3,4)、亚洲(5,6)、欧洲(7,8),美国(9,10]。地处东亚,中国一直遭受大规模和长期的严重的干旱自1950年代初以来,对环境的负面影响,生态系统,社会经济发展,人们的生活条件11,12]。例如,严重干旱的频繁发生在1997年,1999年和2002年在山东、河北、甘肃、内蒙古自治区等造成了非常严重的经济和社会损失13]。1997年,中国北方的非常严重的干旱导致了一段226天没有黄河的水流,这是最长的时间情况记录(2]。因此,重视干旱进行更全面的研究在当地和地区以及国家尺度,尤其是那些地区水资源不足。然而,由于干旱动力学的复杂性及其各种影响因素如温度、相对湿度、狂风、季风、降雨、纬度、准确监测和综合评价干旱仍然是一个巨大的挑战。

美国气象学会将干旱分为四类,包括气象、水文、农业和社会经济干旱(14]。气象干旱,主要用于监测和评估气候异常引起的水分亏缺程度的地区在一段时间内,是其他干旱的发生的根本原因。因此,有助于进一步研究探索其他类型的干旱气象干旱的原因和法律和实施有效的监测、预警、评估和历史气象干旱的危害。作为评估的主要方法的影响干旱,干旱指数是一个数值表达式的干旱参数,如强度、严重程度、持续时间、程度和空间。许多指数已经发展到目前为止量化其中一些干旱气象干旱指数目前已经得到广泛实施,如标准化降水指数(SPI) [15- - - - - -17),帕尔默干旱强度指数(PDSI) [18,19),和植被状态指数(VCI) [20.,21]。最近,气象干旱综合指数(CI),由中国气象局提出,在中国许多地区已经使用。气象指数相比之前报道如SPI和PDSI VCI, CI的优点干旱胁迫特性考虑到热的平衡,因为它结合了降水和温度信息;它有能力来确定干旱和终止发作,严重程度,和持续时间以及受旱面积;因此它适用于实时气象干旱监测和评估的历史气象干旱22]。例如,赵et al。23]做了一个预测气象干旱风险与CI在云南省,支持干旱LUCC等影响因素的定量分析。基于置信区间的计算,邹et al。24]研究了干旱地区变化为中国十大流域作为一个整体,中国从1951年到2008年,揭示了干旱地区趋势,指出中国重要的干旱地区。更重要的是,通过使用CI,其他几个气象干旱研究已经在东部[25和西北26在中国和其他一些地区。

在这项研究中,我们进行了彻底的调查和定量分析的时空动态气象干旱发生在山东省从1961年至2008年采用CI没有在这个地区。具体地说,我们分析了干旱频率的空间格局及其气候趋势系数,干旱等级,干旱覆盖范围和时间特点,干旱持续时间、和干旱强度提供参考和科学合理的期望支持缓解和减轻气象干旱的影响。

2。研究区域与数据

2.1。研究区域

山东地处黄河下游地区;它介于E 114°36 E′~ 122°43 25′′和N 34°~ N 38°23′,分别。位于中国的东部沿海地区,渤海黄海边界北部和东北和东南部(图边界1)。被典型的季风气候,温暖的温度影响山东省特点是在春天寒冷少雨,夏季炎热和多雨的,秋天温和降水和温度,分别和冬天寒冷和干燥。平均温度是11 ~ 14°C,增加形成东北到西南。平均年降水量一般在550 - 950毫米,从东南向西北递减。降水的季节分布是不均匀的,因为近60 ~ 70%,降水集中在夏季,倾向于产生或形成洪水。然而,有那么秋季降水少,冬季和春季,在这些季节干旱引起容易。此外,庞大的人口和广泛的农田但有限的水资源,山东省正面临严重缺水,由于需求的增加水资源人口的生计、农业、能源和工业部门。因此,山东省成为干旱地区,威胁地区社会经济发展和当地居民的生活水平。然而,对于研究已经报道了山东省干旱灾害,主要集中在干旱的原因从气候学的角度背景大气环流和季风(27),或干旱字符通过评估统计数据如温度、降水、和灾害损失(28,29日];缺乏定量探索气象干旱的时空特征(30.,31日)和不同的严重性级别很长时间系列在这个地区。

2.2。气象数据

气象数据记录通过严格的质量控制与优良的品质选择从中国地面气候信息的日常数据集。有32代表山东省气象监测站的数据集;然而,由于矛盾的观察记录的限制在某些站点,我们最后选择18个气象站的日常气候数据包括测量数据从1961年到2008年平均气温和降水。为了满足可信区间计算的要求,在近50年的气象记录容易根据数据处理文档的预处理。

3所示。方法

3.1。气象干旱综合指数

在这项研究中,CI的时空特征进行了分析山东省气象干旱季节和年际时间尺度。CI计算基于标准化降水指数(SPI)和相对湿度指数(MI)如下22]: 在哪里Z_30.和Z_90年指的是30天,90天的SPI,分别米_30.代表了30天的MI,一个,b,和c系数。

SPI开发为目的的定义和评估干旱,麦基et al。15),计算后Zhang et al。22摘要]。MI表明之间的平衡在一段时间内的降水和蒸发,这是计算如下: 在哪里指的是在最近的30天的降水总量(单位:毫米)是潜在蒸散在最近30天(单位:毫米)。潜在蒸散计算基于Thornthwaite函数根据Zhang et al。22]。

气象数据包括每日平均温度和日常沉淀了计算CI根据公式(1),CI分类是基于表1(23]。

3.2。气象干旱过程的决心

我们采用CI确定气象干旱过程。气象干旱过程启动CI在连续10天以上水平(CI轻微的干旱₁₀≤0.6−),这个过程被终止,直到另一个10个nondrought天出现(CI₁₀>−0.6)。干旱持续时间是指在第一次约会的时候,整个过程的最后日期。干旱事件为一个特定的时间尺度(月、季、年)出现在至少有一个发生的干旱过程和累积干旱持续时间的长度超过四分之一的时间尺度(22]。此外,干旱强度是指词的总和值高于干旱过程中轻微的干旱程度,显示较强的干旱强度较小的值。

摘要年度山东省和季节性干旱持续时间的算术平均计算得到总天数的干旱过程总气象站在相应的时间。和年度干旱强度定义为干旱强度的算术平均每年总气象站。季节的定义如下:冬季覆盖1月,2月,去年12月,春天从三月到五月,夏天从六月到八月,秋天涵盖了从9月到11月。

3.3。干旱频率和其气候趋势系数

干旱频率计算如下: 在哪里是干旱频率,是指干旱年的数量代表年的总数。在这篇文章中,有48年从1961年到2008年;因此了47的价值因为CI是计算了回滚。

气候趋势系数是用来描述气候趋势变化的时间特征强度定量(32];它是计算如下: 在哪里指因素序列和自然序列之间的相关系数年,中的系数值吗一年,代表了样本均值。

在这项研究中,干旱的气候趋势系数频率计算是基于五个几十年干旱的发生频率为每个气象站在每年的时间尺度和季节。的正面和负面的价值反映干旱频率的线性增加和减少的趋势年,分别。和干旱频率的空间分布及其气候趋势系数以及不同干旱等级获得采用反距离加权插值法(IDW)在ArcGIS 9.3平台。

3.4。干旱覆盖范围

干旱覆盖范围的概率(PDCA)被定义为发生的干旱事件的面积比对于一个给定的时间尺度研究地区和计算如下: 在哪里的概率是干旱覆盖范围,气象监测站的数量在干旱事件发生对于一个给定的时间表,然后呢是指总气象站。超过90%的PDCA是定义为大面积的干旱这一研究[25]。

4所示。气象干旱的时空特征

4.1。空间格局的干旱频率和其气候趋势系数

有非常显著的空间差异的气象干旱频率从1962年到2008年在山东。可以看出,年度干旱频率降低了两个从北到南,从西到东(图2(一个))。一年一度的高干旱频率主要集中在北部和西南部山东省最大的比例超过80%。相比之下,低频率集中在中部和东南部山东省胶东半岛东部,发生在泰山最低的53.9%左右。干旱频率四季也表现出非常明显的空间差异。春天的变化从63.83%提高到80.85%,这是四个季节中最高的,和高值主要位于西北部和西南部(图2 (b))。在夏天干旱频率的范围(图2 (c))和秋季(图2 (d))分别为42.55% ~ 72.34%和51.06% ~ 74.47%,分别表现出类似的空间模式,最低频率发生在泰山和东南部地区和最大频率出现在北部和西南地区。冬天,干旱频率变化从36.17%降至74.46%,低于其他季节,和低价值地区广泛传播,包括几乎整个中部地区和北方地区的大部分地区(图2 (e))。总的来说,西南部和北部地区容易发生干旱的频率高,但相对低的中部和东南部地区受干旱频率。

此外,干旱频率的时间趋势分析表明,山东省气象干旱往往加重从1962年到2008年(图3(一个))。在春天干旱频率的空间分布趋势(图3 (b))是类似于秋天(图3 (d)(图)和冬天3 (e)),呈现一个上升的趋势在山东省东部和北部地区,尤其是在胶东半岛。在夏天,观察干旱频率的增加趋势在有限领域,潍坊城市周围和胶东半岛主要(图3 (c))。一般来说,表明显著加重干旱的地区在1962年到2008年主要集中在北部和南部和胶东半岛,表现出一定程度的气象干旱加剧,需要专注于减轻干旱压力在未来。

4.2。不同干旱等级的空间格局

不同干旱等级的空间模式从1962年到2008年在山东图所示4。在年度干旱的尊重,在过去的近50年,轻微的干旱,中度干旱,干旱和极端天之间,发生在山东省57 ~ 81 d(图4(一)),32 ~ 49 d(图4 (b)),11 ~ 23 d(图4 (c)),分别。空间,轻微的干旱的日子减少从西到东,和中度干旱的日子带状分布,与南多北,这是相反的模式严重和极度干旱。总的来说,高价值的分布中心每一个干旱等级没有共同的特征而低值中心都是在台山地区。

在春天,一年一度的轻微的干旱,中度干旱和严重和极度干旱16 ~ 25 d(图4 (d)),11 ~ 16 d(图4 (e)),4 ~ 9 d(图4 (f)),分别。和轻微的干旱的高值中心位于西部和北部地区,干旱天超过超过22 d;相反,泰山在胶东半岛地区,Weihai-Shidao并不容易轻微的干旱。中度干旱主要是观察在西方Weifang-Juxian地区。此外,干旱和极端是四季中最严重,表现出胶东半岛东部的高价值和低价值在台山地区。

在夏天,一年一度的轻微的干旱,中度干旱,干旱和极端10 ~ 17 d(图4 (g)),5 ~ 11 d(图4 (h)),3 ~ 7 d(图4(我)),分别。和每个干旱等级的高发区域主要位于北部,西北,西南,和胶东半岛;而发病率低的地区都是在台山地区。

在秋天,每年为三个干旱等级14 ~ 22天d(图4 (j)),9 ~ 15 d(图4 (k)),3 ~ 6 d(图4(左)),分别。轻微的干旱可能发生在西北、西南和胶东半岛的东部地区。和中度干旱天11 ~ 13 d省的大部分地区,除了黄河三角洲和日照城市(中度干旱的高价值中心)和泰山地区(中度干旱的低值中心)。此外,西北和西南是在秋天,容易受到干旱和极端干旱天超过4 d。

在冬天,不同等级的年度干旱天14 ~ 22 d(图4(米)),9 ~ 15 d(图4 (n)),3 ~ 6 d(图4 (o)),分别。西北、西南和东部沿海地区在冬季容易出现轻微的干旱;然而,中度干旱天均匀分布在研究区,介于7和9 d一般。此外,严重的干旱和极端冬季是四季最严重,干旱只有0到2天省的大部分地区。

总之,每个年级持续较长时间的干旱发生在山东省从1962年到2008年。和轻微的干旱通常被观察到在西北和西南两个年度和季节性,但干旱的其他等级被观察到在不同的领域不同的时间尺度。

4.3。干旱覆盖范围的时间特征

山东省PDCA的时间序列从1962年到2008年图所示5。年度平均PDCA是75%,年度大面积干旱是观察14均匀分布在1990年代和1980年代。相对,干旱程度的概率是零在1964年和2003年,显示没有干旱事件在这两年时间尺度的山东省。对于每一个季节,一年一度的概率受干旱影响的地区在春天,夏天,秋天和冬天是72%,61%,65%,和58%,分别。有21的大面积干旱主要分布在1980年代,1990年代和21世纪初在春天,和9,12,和11的大面积干旱的夏天,秋天,冬天,而几乎所有这些集中在1980年代和1990年代。同时,每个赛季nondrought年近50年来相对较少,只有在春天,4 2 3在夏天,秋天和冬天。总之,大面积干旱的季节和年度计划时间尺度山东省主要发生在1980年代和1990年代。

此外,时间连续大面积干旱事件曾被观察到在几年山东省;在特定,transseasonal大面积干旱,春天,夏天,秋天和发生在1981年,1988年和2001年,分别。秋冬季连续大面积干旱发生在1990年和2002年,分别。严重的春夏装大面积干旱发生在1992年和summer-autumn大面积干旱发生在1997年,分别。可以看出,时间连续大面积干旱主要发生在山东省1970年代后,显示时间连续干旱与时间在研究期间稳步增加。然而,它也发现线性变化趋势没有明显的年度和季节性PDCA山东省实施置信水平的显著性检验= 0.01,= 0.05。

4.4。干旱持续时间的时序特征

作为显示在图6山东省,年度和季节性干旱持续时间都显著波动从1962年到2008年。年度干旱持续时间是153 d, 291 d 1999年的干旱持续时间最长和最短的干旱持续时间1964年8 d。有15年的年度干旱持续时间超过183天(每年总天数的一半),而且,这些年来主要是在1990年代和1980年代。在季节性,每年干旱持续时间在夏季和冬季都是34 d和在春天和秋天45 d和39 d,分别。近50年来,有24个,12个,16 a,和12年度干旱持续时间超过46 d(总量的一半天一季)在春天,夏天,秋天,冬天,分别。年度干旱持续时间最长的春天,夏天,秋天,冬天是1988年84 d, 76 d, 1992年2002年78 d和89 d, 1999年分别;相应地,最短的年度干旱持续时间在1990年春季和夏季是0 d,而在1964年和2003年秋季和冬季是0 d 1964年和1 d,分别。

它揭示了年度的周期性变化和季节性干旱年代际时间大致相似,显示大约10(表的循环2)。但干旱时间的线性变化趋势山东省从1962年到2008年通过执行是无关紧要的置信水平的显著性检验= 0.01,= 0.05。

4.5。干旱强度的时间特征

近50年来,每年干旱强度,这是指的算术平均值的总和的日子CI值都高于总气象站轻微的干旱程度每年山东省(图显示波动趋势7)。的最小CI值表明干旱强度最强的−369.93和出现在1988年,其次是−333.56,1999年最大CI值相反的暗示最轻的干旱强度−15.22 1964年。有19个,每年总年干旱强度高于平均强度从1962年到2008年,那些年,主要是在1980年代,1990年代和21世纪初。然而,年度干旱强度的线性趋势并未通过置信水平的显著性检验= 0.01,= 0.05,显示年度干旱强度的变化趋势是山东省复杂得多。

PDCA的线性趋势,干旱持续时间季节和年度计划和年度干旱强度都是无关紧要的;然而,它仍然是突出明显,颞干旱参数在1990年代和1980年代比任何其他几十年,这使一个突出显示的证据干旱程度和影响山东省这两个几十年。此外,三个时间干旱参数都是鱼子酱的1964年,表明干旱是山东省今年轻的。此外,考虑到年度干旱持续时间和强度,发现1999年的干旱持续时间是291 d 1988年超过288 d,而年度干旱强度−333.56 1999年,于1988年低于−369.93,表明干旱累积效应在1988年比1999年更重要。一般来说,三个干旱的时间参数,即PDCA,干旱持续时间,和干旱强度,有效地从不同方面描述干旱和他们所有的人都重视评价的气象干旱。

5。结论和讨论

由于各种因素,如全球变暖,异常的东亚季风和当地降水减少,干旱灾害山东省正变得越来越严重。因此,干旱分析的基础上,采用计算CI 18气象站,全面评估气象干旱的时空特征山东省从1962年到2008年。主要结论如下。

气象干旱的频率通常是山东省高,和高频区域主要集中在西南部和北部地区,而低频区域通常集中在中部和东南部。干旱频率密切相关的空间格局分布的降水量从东南向西北和温度降低,增加了从东北到西南。

季节性干旱频率跟随这样一个夏季>秋季>春季>冬季。降水在春天是罕见的,但由于地表蒸发高迅速变暖,这加剧了春季干旱。相比之下,丰富的降雨量在夏天和冬天低蒸发由于低温导致这两个季节干旱频率相对较低。

轻微的干旱、中度干旱和严重干旱和极端都观察到山东省从1962年到2008年。和轻微的干旱通常发生在西北和西南地区,但其他等级的干旱中观察到不同的地区在不同的时间尺度。此外,不同干旱等级是冬天春天最长最短但符合计算干旱的统计参数,因此,进一步显示,春季干旱更严重比其他三个季节。

对干旱频率的时间趋势,表明区域包括北部,南部,干旱和胶东半岛都遭受一个提升过去近50年,但是其他地区的上升趋势非常明显。此外,多个干旱的时间趋势参数包括PDCA,干旱持续时间,和干旱强度表明,干旱程度和影响力都是在1990年代和1980年代非常严重,但1964年多温和;时间连续大面积干旱主要发生在1970年代,并在年度和季节性干旱年代际时间尺度上均显示大约10一个周期循环的波动趋势。

简而言之,这项研究证明,山东是一个敏感的地区对全球气候变化从气象干旱发生的角度。更重要的是,复杂得多的山东省气象干旱的时空特征检测到本研究做确认地区应对气候变化的展品非常重要的时空差异。上述研究结果总结将给我们必要的知识和指导方针应对气候变化适应和缓解选项。在山东省具体,关键工作进行如下:进行更广泛和更广泛的监测和观察的气候变化和干旱危害,并且进行密集的科学研究,关注气象干旱的动力;加强干旱风险管理实践在公共部门,特别是选择和制定防御策略,并同时制定抗旱应急计划和措施;维护和利用生态系统功能和服务的干旱风险防御和水谈话通过保护和恢复生态系统真谛地区和干旱易发地区;调查,选择、开发和促进农业干旱防御和预防的有效措施,工业和能源领域和人们的生活,如旱作农业和节水农业、绿水利用技术,工业节水技术,和国内节水技术;促进公共教育和鼓励公众参与对干旱防御和预防,等等。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

中科院支持的这项研究是财务战略重点研究项目(批准号XDA05130703),中国科学院的主要研究项目(批准号KZZD-EW-14),山东科技协会的研究项目(批准号20130202)。作者感谢审稿人和编辑的积极评价和有见地的意见以及建议。