大范围干旱动态监测与预测

《大范围干旱动态监测与预测》从致旱天气系统异常特征分析入手，基于陆气耦合的思路，重点研究耦合气象水文模型的大范围干旱动态监测与预测方法。针对中长期干旱预测问题，运用改进的信号场技术，研究了天气气候系统异常与区域干旱发生的关系，基于前期和同期大气环流异常信号构建了基于环流异常的中长期干旱年尺度和季尺度预测模型。针对点尺度观测土壤含水量难以识别大范围干旱的问题，构建了基于水文模拟的大范围干旱识别指标体系，结合全国实际旱情的发生频率制定了土壤含水量距平指数干旱等级划分标准。此外，提出了子流域响应函数与扩散波相结合的汇流方法，构建了基于网格与子流域融合的大尺度汇流模型，建立了全国范围逐日的、网格化的标准化径流干旱指数。评估了多种数值天气预报模式在中国区域的预报效果，构建了适用于中国九大干旱区的多模式降水预报集成方案。采用气象-水文耦合的方式，基于遥感、水文、气象等多源信息，构建了可业务化运行的大范围干旱动态监测与预测系统，实现了大范围干旱时空变化的动态监测，以及年尺度、季尺度和旬尺度的多尺度预测。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 我国干旱历史概况 1
1.1.2 我国干旱防御问题 2
1.1.3 旱情动态监测与预测的意义 3
1.2 干旱概述 4
1.2.1 干旱分类 4
1.2.2 干旱指数 6
1.2.3 干旱监测与预测 14
1.3 主要内容 18
1.3.1 干旱监测与预测关键信息提取与融合 18
1.3.2 干旱监测与预测指标体系构建与分析 20
1.3.3 大范围干旱监测预测方法与集成 21
第2章 致旱天气系统异常特征分析 22
2.1 致旱天气系统异常特征分析方法 22
2.1.1 信号场方法 22
2.1.2 信号场方法存在的问题 24
2.1.3 信号场方法改进方案 25
2.1.4 信号场方法改进效果 26
2.2 致旱天气系统模式概化 28
2.2.1 致旱天气系统概化方法 28
2.2.2 华北地区致旱天气系统概化分析 31
2.2.3 西南地区致旱天气系统概化分析 32
2.3 西南特大干旱天气系统异常特征分析 35
2.3.1 2009～2010年西南地区干旱过程 35
2.3.2 干旱前期高度信号场异常特征演变 37
2.3.3 风场异常特征 38
2.4 西南地区致旱因子相关区分析 41
2.4.1 海温场相关区 41
2.4.2 500hPa高度场相关区 44
2.4.3 关键区致旱特征 47
2.5 本章小结 48
第3章 多源降水与多源气温融合 50
3.1 概述 50
3.2 多源降水融合方法改进及效果分析 51
3.2.1 多源降水融合方法及改进 51
3.2.2 资料介绍与方案设计 52
3.2.3 融合效果分析 54
3.3 全国范围多源降水融合 63
3.3.1 TRMM测雨产品与测站降水融合 63
3.3.2 CFSR再分析资料与测站降水融合 68
3.4 全国范围多源气温融合 71
3.4.1 *高气温融合 71
3.4.2 *低气温融合 73
3.5 本章小结 75
第4章 全国土壤田间持水量分布 77
4.1 田间持水量研究进展 77
4.1.1 统计模型 78
4.1.2 物理经验模型 79
4.1.3 存在的不足 80
4.2 全国田间持水量确定方法 81
4.2.1 我国土壤类型分布 81
4.2.2 田间持水量主要影响因素及因子筛选 82
4.2.3 田间持水量集成数据来源 88
4.2.4 田间持水量集成方法 91
4.3 结果验证与合理性分析 94
4.3.1 田间持水量集成结果与合理性分析 94
4.3.2 站点田间持水量验证 96
4.3.3 土壤单元田间持水量验证 98
4.3.4 与其他产品比较 100
4.4 本章小结 100
第5章 综合气象干旱指数 102
5.1 综合气象干旱指数构建 102
5.1.1 资料选用 102
5.1.2 帕尔默干旱指数 102
5.1.3 帕尔默干旱指数与标准化干旱指数相关性分析 112
5.1.4 综合气象干旱指数建立 113
5.2 综合气象干旱指数适用性分析 114
5.2.1 对区域干旱受旱/成灾面积的反映 115
5.2.2 对径流丰枯的反映 117
5.3 区域干旱频率分析方法 118
5.3.1 区域干旱事件识别 119
5.3.2 区域干旱多变量联合分布模型 120
5.4 1958～2014年中国气象干旱的时空变化 126
5.4.1 全国综合气象干旱指数趋势分析 126
5.4.2 1958～2014年中国极端干旱的变化趋势 129
5.4.3 干旱历时和干旱强度 130
5.4.4 不同区域干旱面积的长期变化 132
5.4.5 干旱化区域干旱特征分析 135
5.5 本章小结 142
第6章 土壤含水量距平指数 143
6.1 大范围土壤含水量模拟 143
6.1.1 VIC模型简介 143
6.1.2 水文参数网格化方案优化 144
6.1.3 模拟土壤含水量验证 154
6.2 土壤含水量距平指数构建 161
6.2.1 SMAPI 161
6.2.2 SMAPI等级划分标准 167
6.2.3 基于SMAPI的干旱事件识别方法 180
6.3 土壤含水量距平指数验证 182
6.3.1 西南地区典型干旱事件分析 182
6.3.2 华北地区典型干旱事件分析 183
6.3.3 2000年全国典型干旱事件分析 185
6.4 基于SMAPI的全国农业干旱特征分析 186
6.4.1 多年平均特征 186
6.4.2 多年季节平均特征 189
6.4.3 年代变化特征 191
6.5 本章小结 193
第7章 标准化径流指数 194
7.1 全国范围网格化径流模拟 194
7.1.1 流域尺度网格汇流模型建立 195
7.1.2 全国范围网格汇流模型构建 206
7.1.3 全国网格径流模拟及验证 214
7.2 标准化径流指数的建立 220
7.2.1 SRI定义 220
7.2.2 概率分布线型优选 220
7.2.3 干旱等级划分 222
7.2.4 时间尺度分析 222
7.2.5 SRI的适用性分析 223
7.3 全国七大流域水文干旱分析及时空变化 226
7.3.1 全国七大流域水文干旱分析 226
7.3.2 流域典型水文干旱的时空变化 230
7.4 本章小结 234
第8章 基于环流异常的干旱预测模型 236
8.1 基于环流指数的年尺度干旱预测模型 236
8.1.1 致旱因子挑选及建模评价方法 236
8.1.2 聚类回归预测模型 244
8.1.3 主分量回归预测模型 247
8.1.4 模型对比分析 250
8.1.5 全国九大干旱分区预测应用 251
8.2 基于天气系统异常的季节尺度干旱预测模型 254
8.2.1 概述 254
8.2.2 预测指标构建 255
8.2.3 异常信号指标与SPI3的同期逐步回归模型构建 267
8.2.4 干旱趋势状态判别与确定 269
8.2.5 模型验证 272
8.3 本章小结 275
第9章 多模式降水预报分析与集成 277
9.1 中期降水预报 277
9.1.1 全球数值模式简介 277
9.1.2 降水预报检验方法 278
9.1.3 ECMWF、GFS、GEM模式比较分析 279
9.2 短期降水预报 284
9.2.1 全国10km WRF模式构建与验证 285
9.2.2 短期降水预报检验分析 295
9.3 多模式降水预报集成 297
9.3.1 降水预报集成方法 298
9.3.2 降水预报偏差订正结果检验 298
9.3.3 多模式降水集成结果检验 304
9.4 本章小结 308
第10章 大范围干旱动态监测与预测系统 309
10.1 系统总体设计 309
10.1.1 关键技术思路 309
10.1.2 系统组成 310
10.2 系统主要功能 310
10.2.1 中长期预测模型子系统 310
10.2.2 多模式降水预报子系统 315
10.2.3 水文过程模拟子系统 318
10.2.4 气象-水文耦合计算子系统 326
10.2.5 查询统计分析子系统 328
10.3 系统应用 332
10.3.1 2009～2010年西南大旱 333
10.3.2 2011年长江中下游大旱 341
10.3.3 2014年河南大旱 348
10.4 本章小结 355
参考文献 356

第1章　绪论
　　1.1　研究背景
　　近年来，频繁发生的干旱已成为世界范围内的一个重大环境与气候问题。长期以来，由于我国降水时空分布的高度不均匀性及水资源短缺，全国范围内干旱频繁发生。在全球变化背景下，我国大范围、长历时干旱事件发生频率有不断上升的趋势，干旱的强度也明显增加，对社会经济发展特别是农业生产造成非常严重的影响。干旱已成为制约我国农业和国民经济发展的重要因素。
　　1.1.1　我国干旱历史概况
　　我国干旱频繁发生，据不完全统计，公元前206年～公元1949年，发生过较大的旱灾1056次。1949年以来，平均两年就发生一次大旱。近年来，大范围干旱的发生更加频繁，例如，1997年、1999～2002年我国北方地区出现连年大旱，2003年、2004年江南、华南地区遭受严重干旱，2006年川渝地区出现百年大旱，2009年北方冬麦区发生波及12个省份的特大干旱，2009～2013年西南地区持续出现特大干旱。在气候环境变化的情况下，我国中高纬度地区干旱的发生将变得更加频繁(Dai，2010)。
　　干旱持续时间长，通常在几个月以上，有时甚至长达几年，如1959～1961年全国大旱、1980～1982年北方大旱、1997～2000年海河流域大旱。干旱影响区域广，我国整个东部季风区都受到干旱影响[图1.1(a)]，干旱强度较全国其他区域更大[图1.1(b)]。这些区域正是我国人口密集区[图1.1(c)]，也是粮食主产区[图1.1(d)]，因此，一旦发生干旱就会对社会经济造成严重影响，从而导致供水短缺、粮食减产和环境恶化等问题。据统计，1949～2006年平均每年受旱面积2122万hm2，约占各种气象灾害受灾面积的60%。1990年以来，我国因干旱年均损失粮食278亿kg；年均工业损失2000亿元；平均每年有2746万人饮水困难。表1.1列出了1951～2009年我国13场大范围干旱事件及其造成的影响。
　　图1.1　中国历史干旱频率、干旱强度及人口密度、耕地面积分布图
　　表1.1　1951～2009年中国重要干旱事件及其影响
　　1.1.2　我国干旱防御问题
　　针对频繁发生的干旱及由干旱引发的灾害问题，国家正在从工程和非工程措施方面不断提高防御干旱灾害的能力。但是，由于干旱问题的复杂性，如何科学防御干旱一直是我国面临的重大问题。干旱防御主要面临以下三方面问题。
　　1) 干旱一年四季均有发生，干旱防御贯穿全年
　　不同于洪水有汛期和非汛期之分，干旱在一年四季都可能发生，防旱抗旱工作全年都要开展。根据《中国气象年鉴》对我国近30多年来干旱情况的记录，几乎每年都会有地区发生不同程度的季节干旱。其中夏季是我国广大地区干旱的高发季节，严重影响当地人民的生产和生活，如1989年黄淮地区夏旱、1994年全国范围伏旱和2006年川渝特大伏旱等；新疆北部和云南等地区经常出现的春旱，以及长江中下游等地区出现的秋旱对我国农业生产影响严重，如2004年华南大范围春旱，2005年云南省严重春旱和2007年华北、西北地区严重春旱等；另外，这些区域也经常发生季节连旱，对我国农业生产和经济发展影响更为严重，如1999年北方夏秋大旱，2008年东北、华北等地区严重的冬春连旱，2011年华北、黄淮严重秋冬连旱和长江中下游严重冬春连旱。
　　2) 干旱形成和发展过程复杂，难以识别
　　干旱的发生和发展受众多因子影响，不仅与降水的多少和分配有关，还与蒸散发量、土壤含水量和径流量等因子有关。干旱发生过程缓慢，具有渐变性的特点，影响后果具有滞后性，因此很难确定干旱发生和结束时间。对同一干旱事件，基于不同因子构建的干旱指数识别得到的干旱过程不尽相同。例如，2009～2010年发生在广西百色的一场干旱，使用基于不同变量(降水、土壤含水量和径流)构建的干旱指数分析其干旱过程时，判定得到的干旱开始和结束时间有所差异，基于降水的干旱指数相对于基于径流的干旱指数，识别出的干旱开始和结束时间明显提前(Wu et al.，2015)。
　　3) 干旱影响面广，难以量化
　　干旱是一种阶段性缺水状态，在不同气候区都可能发生，甚至可以发生在多年平均降水较多的地区。某一区域某一时间段内降水的亏缺将导致干旱发生。干旱首先会引起河流和湖泊等水量的减少，随着干旱的持续，将会对生态、水文和农业等产生影响，如土壤退化、水资源减少和粮食减产等；如果干旱持续时间更长，这一系列影响就会加重，进而影响社会经济发展，导致生态环境恶化、水力发电量下降和粮食供应紧张等问题。可见，干旱所造成的影响面广且随持续时间发生变化。因此，要量化干旱产生的后果，对干旱影响进行客观评价十分困难。
　　1.1.3　旱情动态监测与预测的意义
　　干旱形成的原因和造成的影响不仅与众多的自然环境因素有关，也与人类社会因素有关。我国幅员辽阔，地理环境多样，气候复杂，往往一个地区严重洪涝时另一地区可能发生严重干旱，有时同一地区短时间内先涝后旱或先旱后涝，给防旱和抗旱工作造成很大的困难。
　　旱情动态监测与预测是科学防御干旱的基础，在我国过去的几十年中，干旱监测技术不断改进和完善，干旱监测的时空分辨率不断提高。同时，卫星遥感和地理信息系统等技术也开始被应用于干旱监测中，这为应对干旱事件提供了更多、更准确的信息。然而，干旱预测方面的研究仍然相对滞后。数值天气预报和陆面模式的发展带动了干旱预测技术的发展，近年来，国内外建立了多个大气-水文耦合的干旱预测系统，但由于数值模式具有较大的不确定性，干旱预测精度仍有待提高。提高大范围干旱预测精度，构建大范围干旱动态监测与预测系统仍然是国内外亟待解决的重大科学技术问题。
　　1.2　干旱概述
　　1.2.1　干旱分类
　　1. 干旱定义
　　关于干旱的定义，可以追溯到100多年前美国气象学家Abbe在杂志Monthly Weather Review上发表的论文，该文分析了1894年美国的大旱，文中首次提出干旱的定义，即长期累积缺雨的结果。这是对干旱*初也是*质朴的定义，简单地认为干旱是由于降水缺少引起的。此后许多对干旱的定义都停留在降水亏缺上，例如，1954年，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)认为干旱是严重和长时间降水短缺；1986年，世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)将干旱定义为一种持续、异常降水短缺；2005年，联合国国际减灾战略认为干旱通常是指在一个季度或更长时间内，由于降水严重缺少而产生的自然现象。需要指出的是，干旱不等同于旱灾，只有当干旱对人类社会经济和赖以生存的环境造成损失和危害时才会形成旱灾。
　　不同行业对干旱的理解也有所不同，我国相关规范在定义干旱时主要考虑的是缺雨或缺水。例如，国家标准《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)将干旱定义为某时段内蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象；国家标准《农业干旱等级》(GB/T 32136—2015)定义干旱为由外界环境因素造成作物体内水分亏缺，影响作物正常生长发育，进而导致减产或失收的现象；水利行业标准《旱情等级标准》(SL 424—2008)定义干旱为因降水减少，或入境水量不足，工农业生产和城乡居民生活用水需求得不到满足的供水短缺现象。三个行业对干旱的理解和定义存在差异，相比于气象行业，农业和水利行业对干旱的定义更看重缺水所带来的影响结果，只有造成了相应的灾害才认为发生了干旱。
　　目前国际权威机构、政府部门和众多学术团体普遍采纳、引用较多的主要是1959年美国气象学会(American Meteorological Society，AMS)出版的《气象词汇》中对干旱的定义：一段时间内异常的干燥天气，引发了足够长时间的缺水，在受影响地区造成了严重的水文不平衡。该定义认为干旱是由异常天气引起的，更深入地将干旱理解为一种气候异常现象，这种现象是相对的，将干旱与干燥性气候区别开来。但是，这种干旱定义仍然存在不足，因为异常干燥天气所引发的缺水具有滞后性，在该时段异常干燥天气结束后，干旱仍可能持续。一些学者在对以上干旱定义进行总结归纳后重新对干旱进行了定义，例如，金菊良等(2014)将干旱定义为在某地理范围内降水、径流、土壤蓄水和地下水等水循环过程中自然供水源在一定时期持续少于长期平均水平，导致河流、湖泊和土壤或地下含水层中水分亏缺的自然现象。该定义将较为广泛的干旱成因及干旱现象融入其中，是对之前干旱定义的一种发展。
　　国内外对干旱的定义超过150种(Wilhite et al.，1985)，期望有一种可以被普遍接受且能全球通用的干旱定义是不现实的，干旱的定义应该针对特定的区域和应用领域。事实上，干旱所表现出的各种水分亏缺现象都可以认为是由降水减少或降水减少发展演变引起的，因此对干旱的定义不必将重点放在干旱成因(如引起降水减少的异常天气或继而出现的降水、径流等减少)上，只需描述干旱这种水分亏缺现象即可。根据对干旱的多年研究，目前本书对干旱的认识和理解是：干旱是在一定地区、一段特定时间内，在近地表生态系统和社会经济系统中，发生的一种水分缺乏的自然现象，干旱的本质就是因缺水而引发的一种供需关系失衡现象。
　　2. 干旱类型
　　干旱的分类方法有多种。2003年，美国气象学会理事会将干旱划分为气象干旱(meteorological drought)、农业干旱(agricultural drought)、水文干旱(hydrological drought)和社会经济干旱(socioeconomic drought)四种类型。其中，气象干旱主要表现为降水显著减少；农业干旱主要表现为供给植被生长用水的土壤水分亏缺；水文干旱主要表现为流域径流量、水库蓄水量和地下水储量等异常短缺；而社会经济干旱与其他类型干旱不同，它主要将气象干旱、农业干旱和水文干旱与人类活动联系起来，并不是一个很明确的干旱类别。因此，2011年，联合国在关于减少灾害风险全球评估报告(GAR11)《剖析风险、重新定义的发展》中，提出用三种干旱类型诠释干旱，这三种干旱类型分别是气象干旱、农业干旱和水文干旱，而不再沿用美国气象学会提出的社会经济干旱这一类别。
　　另外，随着社会的发展，为了满足社会需求，更多的干旱类别孕育而生。例如，陈鹏等(2010)提出了城市干旱的概念并将其定义为：人口密度大，社会经济比较发达的地区由于水分短缺造成收支不平衡，城市需水量超过本地蓄水量，进而使生态环境遭到破坏，影响本地社会和经济可持续发展的现象；张强等(2014)认为，在加强生态文明建设的今天，应该将生态干旱作为一个单独的干旱类别。
　　总的来说，可以将所有干旱类别都归纳到自然和社会经济两个层面。自然层面上对应的干旱类别有气象干旱和水文干旱，表现为降水、径流和地下水等在自然状况下的相对亏缺情况；其余干旱类别都可以认为是社会经济层面上的干旱类别，因为它们都对应人类生活和生产等活动，例如，农业干旱对应农业生产，生态干旱对应人类生活环境，城市干旱更是与人类活动紧密联系。
　　为了从不同角度更好地监测与预测干旱，本书沿用了目前被广泛接受的联合国对于干旱的分类方法，将干旱分为气象干旱、农业干旱和水文干旱，分别选取了降水量、土壤含水量和径流量作为研究干旱的主要变量。
　　1) 气象干旱
　　广义的气象干旱在气象学上有两种含义：一种是长期的干燥或气候干旱；另一种是大气干旱，多数情况下所说的气象干旱都是指后者。干燥或气候干旱是指在某一固定地区，蒸发量比降水量大得多的一种气候现象，即使在*湿润的时期仍然是非常干燥，因此干燥是绝对的少雨状态。气候干旱与特定的地理环境和大气环流系统紧密相连。例如，我国的干燥气候区包括西北地区大部、内蒙古西部和西