干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制與評(píng)估方法研究.pdf

1、干旱作為一種長(zhǎng)期困擾人類的自然現(xiàn)象，已引起氣象、水文、農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的普遍關(guān)注，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)干旱影響及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制逐漸成為科學(xué)研究熱點(diǎn)，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。開(kāi)展干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制及評(píng)估方法研究，是科學(xué)應(yīng)對(duì)干旱、保障國(guó)家水資源安全進(jìn)而支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(nóng)業(yè)干旱等，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)為“自然-人工”復(fù)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(fù)合水循環(huán)理論為指導(dǎo)，結(jié)合氣候系統(tǒng)理論及作物生理生態(tài)學(xué)理論，識(shí)別氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動(dòng)因素，探討干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制，構(gòu)建干旱評(píng)估指標(biāo)，完善干旱評(píng)估方法，構(gòu)建干旱驅(qū)動(dòng)模擬平臺(tái)，提出干旱驅(qū)動(dòng)定量分析方法，結(jié)合典型流域開(kāi)展實(shí)證研究。主要研究成果如下:
　　 （一）總結(jié)了國(guó)內(nèi)外干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制與評(píng)估方法研究進(jìn)展
　　 從干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制、干旱評(píng)估方法、干旱驅(qū)動(dòng)分析等幾個(gè)方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，指出了當(dāng)前研究亟待解決的問(wèn)題，進(jìn)而擬定

3、了論文研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線。
　　 （二）揭示了氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其內(nèi)在聯(lián)系
　　 在剖析干旱內(nèi)涵基礎(chǔ)上，界定了氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱的概念，分析了干旱事件從孕育、開(kāi)始、緩沖、發(fā)展到解除的發(fā)生發(fā)展過(guò)程;從水循環(huán)角度識(shí)別了氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱主要驅(qū)動(dòng)因素，系統(tǒng)揭示了氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其內(nèi)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(qū)動(dòng)因素，氣候變化、土地利用變化和水資源開(kāi)發(fā)利

4、用是水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱主要驅(qū)動(dòng)因素。
　　 （三）構(gòu)建了基于全口徑水資源量的水文干旱評(píng)估指標(biāo)，優(yōu)選了氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)，完善了干旱評(píng)估方法
　　 從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、干旱特征指標(biāo)計(jì)算和干旱特征統(tǒng)計(jì)分析三個(gè)層面總結(jié)提出了干旱評(píng)估基本框架;構(gòu)建了基于全口徑水資源量的水文干旱指標(biāo)，優(yōu)選了氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)，形成了干旱評(píng)估指標(biāo)體系，完善了干旱歷時(shí)、面積、強(qiáng)度、頻率等特征指標(biāo)計(jì)算方法;從單變量特征、雙變量特征和多變量特征三個(gè)方面系

5、統(tǒng)總結(jié)完善了干旱特征分析方法;實(shí)現(xiàn)了干旱評(píng)估方法的程序化。
　　 （四）建立了基于“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模式的干旱驅(qū)動(dòng)分析框架，提出了干旱驅(qū)動(dòng)定量分析方法
　　 從系統(tǒng)思想角度出發(fā)，建立了基于“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模式的干旱驅(qū)動(dòng)分析框架;結(jié)合干旱驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析結(jié)果，對(duì)主要驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行量化，總結(jié)了干旱驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力及壓力，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了干旱驅(qū)動(dòng)模擬方案集;結(jié)合干旱特征

6、指標(biāo)及其之間的關(guān)系，構(gòu)建了干旱綜合響應(yīng)度量指標(biāo);提出了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)手段的氣象干旱驅(qū)動(dòng)分析方法;結(jié)合WACM模型和干旱評(píng)估方法構(gòu)建了干旱驅(qū)動(dòng)模擬平臺(tái)，提出了氣候變化、土地利用變化和水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動(dòng)作用的定量分析方法。
　　 （五）評(píng)估了海河北系干旱時(shí)空分布規(guī)律
　　 將海河北系劃分為4619個(gè)水循環(huán)模擬單元，基于1951～2009年實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)以及其他有關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)WACM模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，并運(yùn)用WA

7、CM模型模擬了1956～2009年的水循環(huán)過(guò)程?；趯?shí)測(cè)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(yùn)用干旱評(píng)估方法分別對(duì)海河北系氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行評(píng)估，分析了各類干旱的時(shí)空分布規(guī)律以及其之間的關(guān)系:
　　 (1)1951～2009年共發(fā)生了159次氣象干旱，平均干旱歷時(shí)、面積和強(qiáng)度分別為2.5個(gè)月、54％、0.85，且干旱事件主要集中于強(qiáng)度在0～1、面積在30％～70％、歷時(shí)在1～3個(gè)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(shí)、面積和強(qiáng)度分別為16個(gè)月、24％、3.25，且干旱事件主要集中于強(qiáng)度在0～6、面積在5％～25％、歷時(shí)在1～20個(gè)月之間的區(qū)域。
　　 (3)1956～2009年共發(fā)生了102次農(nóng)業(yè)干旱，平均干旱歷時(shí)、面積和強(qiáng)度分別為4.8個(gè)月、40％、1.13，且干旱事件主要集中于強(qiáng)度在0～3、面積在30％～50％、歷時(shí)在1～8個(gè)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(shí)、面積和強(qiáng)度的邊緣概率分布并進(jìn)行了擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，基于平方歐式距離法優(yōu)選Copula函數(shù)對(duì)干旱強(qiáng)度-面積、強(qiáng)度-歷時(shí)的聯(lián)合概率分布進(jìn)行了擬合，可計(jì)算給定任意特征值的干旱發(fā)生頻率。
　　 (5)氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)呈現(xiàn)出明顯線性相關(guān)關(guān)系;氣象干旱與水文干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，而氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱強(qiáng)度相關(guān)性則不顯著，灌溉作用削弱了氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱強(qiáng)度之間的相關(guān)性;氣象、水文、農(nóng)業(yè)干旱面積之間的相關(guān)關(guān)

10、系不顯著;區(qū)域內(nèi)灌區(qū)農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)和強(qiáng)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(qū)動(dòng)歸因并提出干旱應(yīng)對(duì)建議
　　 結(jié)合海河北系1951～2009年長(zhǎng)序列資料，在分析干旱主要驅(qū)動(dòng)因素變化規(guī)律基礎(chǔ)上，界定了基準(zhǔn)期與影響期，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了干旱驅(qū)動(dòng)分析模擬方案，定量研究了氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動(dòng)歸因，并提出干旱應(yīng)對(duì)建議:
　　 (1)氣候因素變化規(guī)律分析結(jié)果顯示，氣溫呈升高趨勢(shì)，降水、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)

11、速、相對(duì)濕度均呈減小趨勢(shì)，各因素突變點(diǎn)集中在1979～1990年之間;而人類活動(dòng)對(duì)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(zhǔn)期，1990～2009年為影響期，中間的1971～1989年為過(guò)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(shí)數(shù)減小、相對(duì)濕度減小、氣溫升高和風(fēng)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(shí)、面積、強(qiáng)度

12、及綜合指標(biāo)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(kāi)發(fā)利用對(duì)水文干旱驅(qū)動(dòng)作用分別為57％、33％和10％，氣候變化是驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)利用對(duì)農(nóng)業(yè)干旱影響作用分別為40％、4％和-56％，表明水資源開(kāi)發(fā)利用可顯著緩解農(nóng)業(yè)干旱，各種因素綜合作用下農(nóng)業(yè)干旱呈減輕趨勢(shì)。
　　 (5)從建立科學(xué)的觀測(cè)體系、加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)