文摘
干旱是全球自然灾害与广泛的影响,很长一段时间,这对农业生产有巨大的影响和当地居民的社会经济活动。皮带和道路计划总是得到太多的关注由于其特殊的地理位置和经济发展潜力巨大。同时,皮带和公路地区也深深受到干旱的影响,特别是在一些国家和地区,农业基础设施薄弱,生态环境脆弱。如何有效地监测和评估干旱已成为迫切需要解决的问题。在这项研究中,ERA5大气再分析数据被使用,和self-calibrating帕尔默干旱严重程度指数结合减免添加剂(BFAST)季节性和趋势研究的时间和空间分布的1989 - 2017年的月度规模不同的气候区域的干旱带和道路区域。结果表明,干旱地区的总体变化趋势显示了“up-down-up-down的改变。“冬季干旱面积大于夏季干旱,干旱中心逐渐从东南亚地区在冬季亚洲中西部地区在夏天。在过去的五年里,干旱面积逐渐减少的速度大约038万公里2每年。
1。介绍
干旱是一个事件在一段时间内的异常干旱,导致水资源短缺足够长的时间造成严重受灾地区的水文失衡(1]。水的不平衡预算是由气候条件的影响,潜在的表面,和人类活动。与洪水、飓风等灾害,干旱的过程是慢得多(2,3]。通常要花几个月甚至几个季节(4]。很容易被忽略。一旦它成为一个灾难,它有一个大的范围和持续很长一段时间(5]。在美国,干旱导致平均每年6 - 8美元的损失,但在1988年,它达到了400亿美元6]。旱灾灾害在1980年代在非洲造成超过一百万人死亡(7]。
自上世纪初以来,越来越多的研究者意识到干旱监测的重要性,但由于技术上的限制,其中大部分是利用气象站数据监测和预测干旱(8- - - - - -11]。随着遥感技术的发展,使用卫星获得长期和大规模的气象数据监测环境灾难已逐渐成为一个主流方法(12- - - - - -14),如TRMM卫星。其空间分辨率为0.25°,时间分辨率是1小时,占地面积50°N和50°之间的年代,1998年到2018年期间。这是一个非常强大的气象数据来源(15- - - - - -18]。近年来,再分析数据广泛用于气候模拟预测(19,20.]。一些研究人员使用ERA-Interim再分析数据集从欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和精制的版本之前开发的拉格朗日方法编制的全球气候学stratosphere-troposphere交换(STE)从1979年到2011年21]。一些研究人员研究了低频温度变化和趋势从1979年到2012年,和近地表行为的ERA-Interim再分析了(22]。一些研究人员的气候质量平衡模型冰帽的2000年9月至2009年8月在ERA-Interim再分析(23]。
自20世纪初以来,干旱形成的复杂性和广度的影响加深,研究者们构建了一系列的干旱评估指标使用容易观测元素如降水、温度、蒸发、径流、土壤水分、遥感(24- - - - - -26]。这些评估指标研究和描述干旱从气象学角度、水文、农业和其他领域,并开始尝试从多因素的角度考虑干旱。代表干旱指标如下:标准化降水指数(SPI) [27),降雨量十分位数(RD) [28反映大气的水分亏缺处理,计算土壤水分(CSM) [29日)和土壤水分赤字指数(SMDI) (30.反映了土壤的水分亏缺处理,总缺水量(S) (31日)反映了表面的水分亏缺的过程。同时,有一系列标准化的综合指标,如归一化植被指数(NDVI) [32),蒸散标准化降水指数(SPEI) [33),帕尔默干旱强度指数(PDSI) [34),帕默水文干旱指数(PHDI) (34]。一方面,这些指标反映了大气中的水分亏缺,土壤,或表面,另一方面,他们的区域适应性和可移植性大大增强,可以应用到世界大部分地区(35]。鉴于这些干旱指标,结合现代气候统计诊断技术,将降水变化趋势与气候系列可以有效地监测降水变化,然后监测干旱(36]。除了传统的方法,如移动平均(37),累积异常比例(38),线性倾向估计(39),一些研究人员还介绍了样条函数等新方法,以更好地反映其真实的趋势(40]。此外,显著性检验的变化趋势也得到了强调。更常用的是Mann-Kendall检测(41],山本方法[42),等等。
由于庞大的人口和经济的比例带和道路,有许多城市文化和经济发展不平衡。气象灾害,尤其是干旱,经常在不同国家对农业生产造成严重的后果。该地区农业基础设施薄弱的国家,相对较少的投资灾难预防、缓解、和救济,作为经济发展的局限性导致损失极为惨重的事故(43]。因此,有必要了解的干旱带的分布和变化和道路区域。由于气象监测站的覆盖范围小,一些电视台缺乏数据,时间序列并不是连续的,而卫星数据的覆盖范围广,但干旱研究时间序列是短暂的。本文计算self-calibrating—帕尔默干旱强度指数(scPDSI)使用ERA5大气再分析数据,分析了干旱带的分布和变化和公路地区从1989年到2017年通过减免添加剂(BFAST)季节性和趋势分析(25,44,45]。我们希望提供有效地减少干旱通过提供分析带和公路地区的干旱情况。
2。材料和方法
2.1。区域
皮带和公路横跨亚洲、欧洲和非洲,从0°以北60°北方和西方从10°- 110°,海上,包括70个国家和城市地区,包括西太平洋、印度洋,地中海,红海,土地。在过去的研究中,大多数研究者使用状态或国界研究干旱在不同地区的分布和变化。众所周知,同一地理区域通常包含不同的气候类型,它可能是不准确的比较在不同干旱气候类型在一个地区。为了研究干旱的变化在不同气候区域更好,根据Wladimir Koppen气候区分类(46),我们将整个区域分为赤道,干旱、温暖、雪、极地。气候分类系统提出了由德国气候学家Wladimir Koppen。根据温度和降水气候分类,根据自然植被的分布。首先,世界气候分为5个气候区域,用大写字母表示术语:热带区域(赤道),干旱的区域(干旱),温带(温暖),冷温带(雪),和极地气候区(极性)。在五个气候区,除了干燥的气候,都是有界的等温线。降水和温度被用作二、三级分类指标,将世界划分为31个气候区域。为了方便和准确性,本研究仅使用Wladimir Koppen世界的分类的五种基本气候区。皮带和公路地区分为五个地区:即热带区(赤道),干旱的区域(干旱),温带(温暖),冷温带(雪),和极地区域(极性),见图1分类搜索区域。
2.2。数据
大气再分析数据,长时间序列和高分辨率的优点,不仅能用于诊断分析的天气和气候也为大量的卫星数据的同化和常规地面和高空等数据。它也可以用于气象边界字段对天气和气候模型。ERA5是一个新的气候从ECMWF再分析数据集(第五代)(欧洲中期天气预报中心)21]。决议从79公里提高到31公里,3小时到1个小时的时间分辨率,垂直层从60到137的数量,和时间跨度从1950年到现在这几年仍在处理(数据)。基于数据的可用性,我们选择大气再分析数据从1989年到2017年,与主变量总降水和地表温度。与此同时,为了计算scPDSI,我们使用可用的储水从SoilGrids数据集(风能网)47- - - - - -49),它是由随机森林和gradient-enhanced树算法结合全球土壤剖面数据编译(大约30000网站)和钻孔数据(大约160万个站点)。
每天带大气再分析数据和道路面积从1989年到2017年,从ECMWF收集,用于这项研究。根据世界地图Koppen-Geiger气候分类,我们将研究区域划分为不同的气候类型(网上https://people.eng.unimelb.edu.au/mpeel/koppen.html)。土壤数据从世界土壤信息(网上下载https://www.isric.org/explore/soilgrids)。
的ERA5再分析数据和土壤数据用于支持本研究的发现可以从相应的下载网站在互联网上(https://climate.copernicus.eu/)。scPDSI数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
3所示。方法
3.1。scPDSI
本研究使用scPDSI [26),它是一个干旱指数基于水供给和需求之间的关系提出的韦恩帕默在1965年。PDSI不仅可以考虑当前水资源供需形势还干和湿的影响情况及其对当前旱情持续时间(34]。为了提高可移植性和PDSI空间可比性,井和其他研究人员提出scPDSI,可以自动修改当地气候26]。
首先,不同气候条件下scPDSI也有类似的变化范围。这使它更合适的指标比较相对可用的水在不同地区。第二,潜在蒸散计算使用physical-based Penman-Monteith参数化,使用实际植被而不是参考作物。第三,积雪的季节性动态水平衡模型中被认为是(44,50]。scPDSI是计算一个程序由内布拉斯加州大学的研究人员开发的,林肯(http://greenleaf.unl.edu/)。
3.2。减免添加剂季节性和趋势
BFAST最初是用来识别植被扰动使用遥感数据。相对于其他变化检测方法,如主成分分析、傅里叶分析、小波分析、矢量分析和变换,优点如下:首先,BFAST可以分析所有的时间序列数据和考虑季节性变化有效地避免季节性分割造成的误差。其次,BFAST迭代估计的日期和数量的季节性变化和趋势组件和特征提取的大小和方向的变化的变化。第三,BFAST适用于所有类型的遥感数据和其他可以应用于时间序列数据而不需要选择参考周期,设定阈值,或定义变化轨迹(45,51,52]。
一般的模式如下:
广泛应用,可用于气象、水文、经济学等领域。通过将数据在一段时间内分解为长期趋势组件,周期性的组件,和其余组件,组件安装使用一个线性的趋势模型,该模型是(2),定期使用周期模型组件安装。模型的公式(3):
另一个重点是识别时间序列的突变点。BFAST算法使用普通最小二乘法(OLS) residual-based移动总和(MOSUM)测试,以确定是否有突变点,并使用贝叶斯信息理论来确定最优数量的突变点。时间序列的突变点的位置由最小二乘估计。
如图2首先,数据预处理和scPDSI基于气候区分类计算。BFAST算法被用来检测的存在突然气候变化点的时间序列。突然的气候变化的原因终于进行了分析。在这项研究中,BFAST算法实现R语言BFAST算法包(http://bfast.r-forge.r-project.org/)。
4所示。结果
计算从1989年到2017年是scPDSI根据scPDSI提到的计算方法3所示。1,然后29年的干旱等级分类利用干旱指数分类方法在表1。图3显示分布的平均scPDSI干旱指数1998年,极端干旱在非洲中部,南部和中亚和欧洲南部,与在欧洲和中亚地区北部降水增加。其余略和适度干燥。图4显示了干旱等级的分布从1月到1998年12月。2月份对欧洲有更严重的干旱,4月和11月,南部的主要国家和地区,包括意大利、希腊、阿尔巴尼亚、塞尔维亚、奥地利、匈牙利、西班牙和美国西海岸;对西方亚洲,亚洲是主要的干旱地区,和几个月的干旱还影响到中亚,与沙特阿拉伯、也门、伊拉克、巴基斯坦和伊朗被影响的主要国家。中亚,另一方面,是由俄罗斯和哈萨克斯坦中部;非洲,这是一个常年干旱,干旱频繁在埃塞俄比亚、吉布提,和非洲北部,主要在冬天和春天。它有一个伟大的对当地居民的日常生活的影响。东南亚地区丰富的降雨,很容易干旱,主要发生在秋季和冬季,特别是从9月到12月。干旱的强度逐渐增加。图5说明了PDSI的强度变化趋势从1989年到2017年在不同气候地区,和图5说明了干旱地区的变化趋势(scPDSI <−1)从1989年到2017年在不同气候地区,为了更好地反映干旱变化。
(一)
(b)
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(左)
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图5 (e)显示了干旱面积的百分比变化从1989年到2017年。很明显,干旱区域显示的趋势”up-down-up-down”BFAST算法分解后变得更加清晰。其中,从1989年到1998年,干旱面积百分比逐渐从20%上升到70%,这是最大的改变在过去的30年。从1999年到现在,干旱变化的趋势基本符合每五年的变化。从周期性的组件,可以看到整个地区的干旱地区带和道路到达最大在冬季和春季,夏季和秋季较低。组件的趋势Tt干旱气候变化表明,有四个点从1989年到2017年,五个不同时期的干旱的时期。每月区域变化的线性拟合的五级干旱时期,和五级的斜坡趋势分别为0.000191,0.0053−0.00513,0.0034,和0.00439−。基于ERA5决议,皮带和道路的面积估计大约8680万公里2。所以,干旱面积逐渐减少的速度大约038万公里2每年从2012年到2017年。
5。讨论
5.1。区域干旱水平的变化模式
热带地区有充足的雨量,年均温度800毫米以上,主要在中部非洲,印度,东南亚;西部干旱地区包括北非、中亚和中国西北。年降水量较低,和底层表面主要是沙漠和山区;温带主要包括欧洲和中国西南的大部分时间里,这是强烈受季风影响,降水是季节性的。冷温带北部主要包括亚洲、东欧和青藏高原的边缘。年平均气温相对较低,冰雪在冬季降水的基本形式。热带地区(图5(一个)),它可以从周期性干旱主要发生在秋天的组件,并且从每月的scPDSI规模,它是一种温和干旱的平均值。干旱是比它实际上是不太严重。根据组件的趋势,干旱等级变化的斜率在五期为0.0195,−0.0292,0.0343−0.017,和0.0372,显示明显的周期变化。干旱的气候区域(图5 (b)),夏季和秋季是频繁的干旱的时期,和大部分地区是中度或极端干旱;从组件的趋势的角度来看,五期干旱等级变化的斜率为0.0124,−0.0297,0.0311−0.0194,0.0277,1995年和2000年之间的干旱程度增加。温带(图5 (c)),冬季干旱严重,大部分地区是轻微和中度干旱。从趋势组件,五级段的斜率为0.00742,−0.022,0.0232−0.00774和0.0198。1995年和2000年之间的干旱程度增加。冷温带(图5 (d)),夏季干旱严重,大部分地区略干旱。组件的趋势,四级段的斜率为0.00168,0.00743−−0.00162,和0.00008,干旱的程度往往是稳定的2000年和2015年之间。极地气候地区(图5 (e)),在弹簧和弹簧旱情严重,大部分地区略干。从趋势组件,山坡上的四个时期−0.00747,0.0319,0.0228,和0.0168−。干旱程度逐渐严重的1990年和1998年之间,然后逐渐改善从1999年到2005年,从2006年到2011年,但可以看出,年均scPDSI显示在2012年之后呈下降趋势。
5.2。区域变异模式的干旱地区
比较干旱地区的五个气候类型的变化区域与整个研究区域,发现整个地区显示“up-down-up-down的趋势。“这些,百分比变化在干旱的面积是最大的极地气候地区,增加从1998年4月1995年10月的11.33%降至67%。极地气候地区(图5 (e)),干旱地区的百分比变化的趋势是分为四个阶段,即增加的趋势在不同程度的干旱,但干旱面积达到一定程度时,会有一个急剧下降。这表明极地气候地区的干旱持续时间很短,和四段的斜率为0.00601,0.003,0.00151,和0.000541,分别。这表明变化的速度在干旱的程度随着时间的推移逐渐下降,特别是自2008年以来,干旱面积的变化一直温和,和热带干旱,温带气候地区基本上符合变化的总体趋势在该地区的干旱(数字6(一)- - - - - -6 (c))。但在热带气候地区相邻的几个月的变化范围大于在干旱地区气候和温带气候地区。在冷温带干旱地区的比例相对较小(图6 (d)),从10到30%。一方面,由于冷温带主要在俄罗斯,亚洲大陆的深入腹地,降水少。另一方面,冷温带面积巨大,但干旱地区的变化率将稳定。冷温带地区(图6 (e)),从1989年到2017年,有两个主要气候突变的点,第一个在2001年和2012年第二。山坡上的三个干旱面积曲线分别为0.00189,0.000423和0.000353。干旱地区的增长率是平稳。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
6。结论
大多数以前的研究都局限于规模较小的研究领域,在这种情况下,不同地区气候差异不需要被考虑。虽然BFAST时间序列分析方法可能会干旱指数的趋势和分布特征在不同时期,本研究选择的研究领域是大,它不是一个好方法单独使用BFAST方法。此外,考虑到长期研究,scPDSI可能更适合的原因,它可以根据当地气候和self-calibrated全面、准确地描述干旱情况。因此,作者试图引入Koppen-Geiger气候带的变化监测的时间和空间分布的1989 - 2017年的月度规模干旱scPDSI和BFAST方法。气候类型分类的避免主观判断造成的选择性错误。干旱和突变点的变化趋势在整个气候地区的气候可以捕获。此外,通过比较不同气候地区的干旱情况,风险在不同程度的干旱气候影响也可以获得。干旱在不同气候区域的发展趋势将会澄清。基于ERA5数据、空间分布和时空变化的干旱带和公路地区从1989年到2017年通过使用自适应帕尔默干旱模型进行了研究。总的来说,我们的研究结果和分析的干旱带的分布和道路如下。
空间分布而言,冬季干旱的面积大于夏季干旱,干旱和冬季主要发生在非洲中部和西部亚洲,以及东南亚部分地区夏季干旱主要发生在中部和西部亚洲,东南亚,非洲北部。考虑到年度分布、干旱的地区中心向东从中西部亚洲从冬季到夏季季节变化。1999年4月,干带和道路面积的72.9%,近三年来的最高比例。根据不同的气候区域的分类结果,干旱区的百分比的变化趋势在干旱,热带和温带气候地区“up-down-up-down。”冷温带和极地气候区,慢慢变化的趋势增加,和目前尚不清楚该地区的干旱可能减少的趋势。在过去的五年里,干旱面积逐渐减少的速度大约038万公里2每年。
本研究使用ERA5大气再分析数据和self-calibrating帕尔默干旱严重程度指数来描述的发生和发展趋势从1989年到2017年的干旱带和道路。它有一定的参考价值,揭示干旱的时空分布特征的皮带和道路区域。从数据的角度,延续50年的时间跨度可能更有利于干旱趋势的估计和分析。从干旱等级评价的角度,进一步的研究可以使用多个干旱指标进行综合评价。对农业生产的资助,接下来的研究将考虑农业作物抗旱等因素和农业生产数据,并进一步研究将考虑干旱对农业生产的直接影响。
数据可用性
的ERA5再分析数据和土壤数据用于支持本研究的发现可以从相应的下载网站在互联网上。scPDSI数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
作者同样对本文亦有贡献。
确认
这项工作是支持部分由中国科学院的战略重点研究项目在批准号。XDA20030302 XDA19040403和部分由中国国家自然科学基金资助下不。41871267。