论文部分内容阅读
干旱是一个缓慢发展的复杂气候现象。传统的干旱监测是基于站点的气象观测开展的。基于卫星观测得到的干旱指数监测干旱动态已经成为一种新型有效监测手段。诸多的可免费获取的实时遥感观测数据使得全球干旱监测框架的构建成为可能。 本论文发掘利用卫星观测捕捉干旱信息能力以及如何将这种能力用于干旱预警，进而开发了一个集成的干旱信息平台可提供近实时的旱情信息。 本文的主要内容包括:不同干旱发展阶段干旱指数回顾;利用地表真实干旱信息评估遥感干旱指数;发展一种检测不同干旱指数在监测干旱时的时间滞后效应的方法;开发一个用于中国乃至全球实时干旱监测和分析系统。 对现有的干旱指数进行系统性的总结是开发全球干旱系统的的先决条件。依据干旱的持续时间及影响不同，干旱一般被分为气象干旱、农业干旱和水文干旱。根据干旱种类的不同，第二章从将干旱指数分为三大类进行了总结回顾。使用与气象干旱监测的指数大多是基于降雨、气温、地表温度以及土壤水分得到的。农业干旱指数则主要是基于归一化植被指数、蒸散发和土壤水分的，水文干旱则主要依赖长期降雨异常、径流和水平衡模型。 第三章介绍了利用来自中国国家灾害数据集中2003年到2013年11年间的独立地面干旱记录评估六个遥感干旱指数的有效性。六个遥感干旱指数包括:植被条件指数(Vegetation Condition Index，VCI)、归一化植被异常值(Normalized VegetationAnomaly Index，NVAI)、温度条件指数(Temperature Condition Index，TCI)、归一化温度异常指数(Normalized Temperature Anomaly Index，NTAI)植被健康指数(Vegetation Health Index，VHI)和归一化干旱指数(Normalized Drought AnomalyIndex，NDAI)。结果表明VCI和NVAI、TCI和NTAI、VHI和NDAI各自之间相关性较高，相关系数分别为0.78、0.77和0.69。理论上NVAI、NTAI和NDAI的取值范围在-1到1之间，但实际上其值很少跳出-0.5到0.5的区间，而VCI、TCI和VHI的取值则可充满0到1区间。通过分别比较各个干旱指数同地表观测干旱事件的一致性发现，当在地面无干旱记录的时段中，有40％的时间遥感干旱指数则指示发生了干旱，这可能是由于某些站点的干旱记录不完整造成的。 第四章发展了一个基于协谱分析的方法在频域量化干旱过程中胁迫信号（降雨异常）和响应信号（植被指数）之间的时间滞后效应。首先分别计算降雨和NDVI的标准Z分数，其中标准化的降雨异常表征气象干旱阶段而标准化的植被指数异常则表征农业干旱阶段。这样以来基于协谱分析的方法可确定胁迫信号和响应信号的各个频率组分之间的相位差。在本研究中由于两种信号本身以年周期组分为主，因此我们也只考虑了年组分之间的相位差。我们将该方法应用到中国东北地区计算得到该区域两种信号之间的响应时间差空间分布。且分别在一个干旱年和湿润年做了应用。接下来还利用土地覆盖和土壤持水量辅助理解干湿年间两种信号之间响应时间差的差异。无论是干旱年还是湿润年，各个土地覆盖下的时间差空间一致性都较好。在湿润年中降雨高于平均值，不同土地覆盖类型下的时间差较为一致，草地的响应时间约为7.6天，森林地区则为14.5天。在干旱年，平均的响应时间增加了7天左右，且不同土地覆盖下响应时间差异较大。时间差同土壤持水量的比较发现干旱年中土壤持水量高的区域响应时间差有轻微的增加。 第五章结合前面两章关于干旱指数评估和不同类型干旱指数之间的响应时间差估算的研究结果开发了一个全球干旱实时预警系统。该集成系统提供实时旱情监测及预报、风险评估、信息分发及响应建议等方面的功能，这些信息对干旱预防和消除都有非常重要的作用。该基于网络的全球干旱监测与分析平台(Global Drought Monitoring& AnalysisPlatform，Web-*GDMAP)包含了通过一系列多源遥感干旱指数提供全球旱情信息。该平台主要包含两个子系统，即分析子系统和监测子系统。在分析子系统中，用户可以通过在线分析功能获取和分析各类干旱相关信息。这些信息通过时间序列、地图或统计图的形式进行展现。监测子系统则提供给用户不同尺度上（县级、市级和省级）的近实时干旱预警信息。从技术上看，GDMAP包含了从数据存储、模型实现和发布到客户端可视化和用户角度等一系列组分。从理论角度来看，GDMA系统集成了表征干旱不同阶段的多干旱指标，包括降雨异常、地表温度异常、植被异常以及蒸散发异常等。