云南省农业干旱事件时空动态变化与驱动机制研究

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全球气候变暖导致极端气候事件频繁发生,干旱由于发展过程缓慢且影响范围较大,已成为影响社会经济和环境最严重的自然灾害之一。云南省地处我国西南湿润区,但近年来干旱频发,尤其是2009年秋季至2010年春季遭受了百年一遇的特大干旱灾害,导致当地饮用水短缺,造成巨大的经济损失,威胁当地粮食安全。目前针对云南省干旱的评估和驱动分析主要基于降水、蒸发等地面观测的气象要素,对其过去几十年农业干旱的时空变化特征以及驱动机制还缺乏全面深入理解。通常农业干旱被定义为土壤水分持续不足而造成粮食减产的现象,因此土壤墒情(湿度)对指导农业抗旱保产具有重要作用,土壤墒情异常偏低能反映农业干旱的严重程度。因此,基于多源微波遥感的土壤墒情和基于重力卫星的陆地水储量等为深入了解过去几十年云南省干旱的时空特征及其驱动提供了可能。本研究以云南省为研究区,首先对基于多源遥感的土壤墒情产品CCI SM(Climate Change Initiative Soil Moisture)进行精度验证和修正,在修正数据的基础上分析了云南省土壤表层墒情在1978~2016年的时空变化特征,并检验了其反映农业干旱事件的能力。之后全面分析了云南省近四十年农业干旱在多时空尺度上的演变过程,并利用GRACE TWS(Gravity Recovery and Climate Experiment Total Water Storage)数据调查了陆地水储量对气候干湿循环的响应以及对未来干旱发生的指示作用。最后,从自然和人为两方面因素对农业干旱时间变化和空间分布开展驱动分析。主要结论如下:(1)CCI SM产品的数据质量在不同时段和不同版本存在差别,因此在使用前需要质量检验。研究最终选取了三个CCI SM数据质量较好的时期作为之后分析土壤墒情和农业干旱长期变化的研究时段,分别为1978年11月至1987年7月(P1)、1991年8月至2003年2月(P2)和2006年1月至2016年12月(P3)。CCI SM相对于地面实测土壤墒情存在约0.12m3/m3的系统性高估,基于全省数据统一修正的方法和基于18个实测站分区修正的方法都能有效地消除这种偏差,相比之下后者由于充分地利用了站点信息,修正效果相对更佳。(2)1978~2009年云南省月尺度土壤表层墒情无显著变化趋势,其在2009年严重干旱灾害期间显著减小,随后数年逐渐恢复。全省大部分地区的土壤墒情在冬季呈减小趋势,在夏季呈增加趋势,其中东部曲靖地区土壤墒情的变化较为剧烈。土壤墒情在空间上呈现出西北部低,南部高的分布特征。农业干旱相比于气象干旱更容易发生在春季,月尺度的土壤墒情可以有效地检测出农业干旱事件,而季节尺度的土壤墒情检测农业干旱的能力有限。(3)1978~2016年云南省农业干旱的强度在约十年尺度上有所减弱,但干旱频率增加,干旱的持续时间在进入21世纪后显著延长了20天,受此影响干旱的严重程度也显著上升。在云南省16个地区中,干旱持续时间和干旱严重程度没有显著的变化趋势,干旱强度在13个地区呈下降趋势,干旱面积在西部和西南部的6个地区呈上升趋势。综合评估后发现,云南省东部曲靖地区的农业干旱最为严重,各干旱特征都远高于其他地区;其次是中部的昆明、楚雄和玉溪;西南地区的普洱和西双版纳容易发生长时间大范围的农业干旱。(4)2002~2014年间云南省陆地水储量经历了先减后增再减的变化过程,据此将研究时段依次划分为干旱期、湿润期、第二个干旱期和波动期。其年内变化呈现出秋季最大,其次为夏季和冬季,春季最小的特征,在空间上由西北向东南递增。水储量在干旱-湿润循环中的亏损和恢复能力具有显著的空间差异,其中东部和北部地区的水储量在严重干旱灾害后逐渐恢复,而西部和南部地区的水储量最终仍为净损失的状态,表明这些地区水储量恢复能力较差,暗示这些地区未来可能更容易发生干旱。(5)2006~2016年云南省农业干旱严重程度的时间变化受自然因素和人为因素的共同影响,各因子的影响力从强到弱依次为气候因子(NAO指数、气温、降水),人为因子(农业产量、GDP和水库容量)、植被因子NDVI。在农业干旱空间分布方面,气候因子(气温和降水)起主导作用,其次为人为因素(人口和GDP)、高程和土壤类型,再次为土地利用类型,最后为NDVI、土壤质地和坡度。其中,气温和降水在不同气候条件下的影响力存在差异。人为因子与气候因子交互作用后影响力显著增强,因此人类活动对农业干旱的影响不可忽视。
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