第1章绪论
1.1研究目的与意义
干旱是一种频发的自然灾害，发展缓慢、持续时间长、影响范围广，对水资源供给、农业生产、生态环境和社会经济发展等造成不同程度的损害，几乎所有国家都曾遭受过干旱的侵袭。据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）报告，干旱导致平均每年2500亿～3000亿美元的经济损失，且发生频率及其造成的经济损失将持续增加（FAO，2018）。例如，2010年，俄罗斯发生的50年一遇特大干旱，严重威胁当地的粮食安全（Wegren，2011）；2011年，东非遭受60年来*严重干旱，造成粮食短缺，受灾人口达1240万（Dutra et al.，2013）；2012年夏季，美国中部发生了117年来*严重的季节性干旱，引发大面积粮食减产，造成了严重的经济损失（Hoerling et al.，2014）。
中国地处欧亚大陆东部、太平洋西岸，气候受大陆、海洋的影响非常显著，导致自然灾害频发，而气象灾害约占自然灾害的70%，干旱又占气象灾害的一半以上。自1990年以来，因干旱造成的经济损失达800多亿元（粟晓玲和梁筝，2019）。2000年后，极端干旱事件更加频发。例如，2013年干旱事件致使中国1.12×107hm2耕地作物减产，直接经济损失达1274.51亿元，占全年GDP的0.22%；2019年长江中下游干旱致使7省（自治区、直辖市）受灾，严重影响了农业生产（Zhang G Xet al.，2021a）。2022年夏季，长江流域遭遇从1961年有完整气象观测记录以来*严重的特大干旱事件，引起社会广泛关注(夏军等，2022)。全球变暖导致气候系统稳定性降低，影响水循环过程。随着人类活动的加剧，水资源过度开发、下垫面条件改变等干扰了水循环系统，导致干旱发生强度和频次都有增加的趋势，加剧了区域水资源供需矛盾，导致水质恶化、作物减产、生态恶化等一系列连锁灾害（Mishra and Singh，2010；粟晓玲等，2019）。极端干旱的发生直接威胁到国家粮食安全和社会经济稳定。
由于受多种驱动因素的共同作用，干旱的形成和演变过程非常复杂，涉及气象、水文、人类活动、下垫面构成和社会经济等诸多方面，使得人们难以及时准确地捕捉干旱，以提前规划应对策略及预防措施（Buttafuoco et al.，2015）。干旱演变其实是一个时空连续的动态发展过程，当前大多数研究是从时间和空间尺度单独对其进行评估，对干旱的发生及演变过程的机理性问题认识不够深入，难以提供可靠的动态预报，导致我国近年来推行的由被动抗旱转向主动抗旱（倪深海和顾颖，2011）的科学抗旱策略成效不显著。
尽管干旱的演变过程极其复杂，不同类型干旱发生的时间和机理也不相同（胡彩虹等，2016），但存在一定的互馈响应关系，这也是近年来国内外干旱研究领域的一个热点问题（López-Moreno et al.，2013），目的是揭示干旱的形成与传递机制。通过构建农业干旱或水文干旱与气象干旱的传递关系，为建立基于气象干旱的农业干旱或水文干旱预测预警系统奠定基础。由于气候变化及人类活动的干扰，不同类型干旱间的响应关系变得更加复杂，时空尺度上干旱响应特征及关系研究缺乏系统性和全面性。因此开展系统的干旱传递关系研究，为准确预报干旱、科学制定干旱应对策略提供基础支撑，是决策部门主动防旱的重要依据，也是保障国家粮食安全和水资源安全的重要需求。
中国西北地区位于欧亚大陆内部，距海遥远、气候干燥、降水稀少，属于干旱或极端干旱气候，是全球同纬度*干旱地区之一。这里集中了我国85%的干旱、半干旱土地面积，受多种气候条件的影响，降水时空分布不均，水资源匮乏，干旱发生频率高，是我国气候变化*敏感的地区之一。西北地区分布着广阔的沙漠、戈壁及裸露的下垫面，地表蒸发能力强，在一定程度上也增加了干旱化风险。随着全球气候变暖，近年来西北地区面临着冰川缩减、雪线升高、地表径流减少的现状，而发达的农牧业需要耗用大量的水资源，这就导致水资源短缺现象将更加严重，干旱风险进一步提高。因此，针对西北地区开展干旱时空动态演变特征及响应关系研究，有助于该地区提高科学抗旱能力及精准预警水平，对我国西北地区的生态环境及社会经济的可持续发展具有重大的现实意义。
此外，气候变化增加了干旱预测的不确定性。诸多研究利用气候模式进行干旱预估，结果表明气候变化加剧了未来干旱发生的频率和强度（Cook et al.，2014）。然而，干旱预估频率和强度的增加与过去几十年全球植被盖度增加和径流量几乎无明显变化趋势的观测结果不符，也与未来全球植被盖度和径流量略有增加的气候预估结果相矛盾（Cook et al.，2020）。产生这种矛盾的原因，一方面，干旱评价指标的差异，如Yao等（2020）利用标准化降水蒸散发指数（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）预测中国大部分区域，尤其是西北地区未来会经历更为严峻的干旱；但Dai（2013）利用帕尔默干旱烈度指数（Palmer drought severity index，PDSI）预测的中国西北地区未来干旱则呈减弱趋势。另一方面，大气需水量计算方法的选取也会影响干旱预测结果，Sheffield等（2012）研究表明，以基于温度的潜在蒸散发（potential evapotranspiration，PET）计算干旱指数容易高估干旱状况。也有研究表明，蒸散发计算过程中忽略CO2浓度升高对植被生理过程的影响是得出偏旱结论的原因之一（Yang et al.，2018a）。因此，在未来干旱预估时，应评估不同类型干旱指数对干旱预估的影响，以筛选适合气候变化情景的干旱指数；同时应充分考虑CO2浓度升高对植被生理过程、PET计算结果及干旱评估的影响，以得出更为合理的预估结果，为干旱预警、增强防旱抗旱能力提供科学依据。
1.2研究内容与技术路线
1.2.1研究内容
围绕揭示干旱驱动、演变、传递机制，提高干旱预测、预估精度的总体目标，开展西北地区气象、农业干旱时空动态演变规律，地下水干旱指数、生态干旱指数以及综合干旱指数（comprehensive drought index，CDI）的构建及应用，气象-农业干旱的传递机制，变化环境对气象水文干旱传递的影响，基于统计方法的中国农业干旱预测，基于CMIP6气候模式的中国未来干旱时空演变特征预估等方面的研究，具体研究内容如下。
1.西北地区气象、农业干旱时空动态演变规律
基于CRU TS v.4.03数据集提供的1960～2018年月降水和潜在蒸散发栅格数据，计算不同时间尺度（1～12个月）的气象干旱指数SPEI，分析西北地区月、季、年尺度的气象干旱时空变化特征和周期特征；完善干旱事件三维识别方法，提取多个干旱时空特征变量，总结近60年西北地区气象干旱事件的时空动态演变特征及发展规律，并利用Copula函数构造干旱特征变量的联合分布，讨论气象干旱事件的联合发生和条件发生概率。
基于GLDAS V2.0中Noah模型提供的1960～2018年根区土壤湿度月时间序列栅格数据集，计算不同时间尺度（1～12个月）的标准化土壤湿度指数（standardized soil moisture index，SSMI），分析西北地区月、季、年尺度的农业干旱时空变化特征和周期特征；基于干旱事件三维识别结果，分时段讨论不同类型农业干旱事件特征变量的统计特征及空间分布情况，并分析西北地区农业干旱的时空动态演变特征；基于*优干旱变量边缘分布以及Copula函数建立多变量联合分布并分析典型农业干旱事件的多变量重现期特征。
2.地下水干旱评估及应用
利用黑河中游1980～2018年的月地下水位动态观测数据，构建参数化和非参数化的标准化地下水指数，用K-S检验和赤池信息量准则（Akaike information criterion，AIC）优选干旱指数，分析黑河中游地下水干旱的变化趋势。基于水量平衡方程，采用GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星数据和GLDAS（Global Land Data Assimilation System）模型数据定量评估西北地区地下水储量变化，并结合典型区实测地下水位数据进行验证，*后构建地下水干旱指数GRACE-GDI，分析西北地区地下水干旱的时空演变特征。
3.生态干旱评估及应用
在总结归纳国内外生态干旱研究进展的基础上，明确生态干旱的内涵与概念。根据植被的生态需水和耗水特点，构建标准化生态缺水指数评估生态干旱。以西北地区为研究区，采用旋转经验正交函数（radial empirical orthogonal function，REOF）和游程理论，探究生态干旱的时空演变规律；采用小波分析方法，分析生态干旱的演变周期，采用干旱事件三维识别方法，提取并分析生态干旱事件的时变特征。*后将标准化生态缺水指数与考虑单一因子和综合因素的干旱指数进行对比，评估各类指数对西北地区生态干旱的评估能力。
4.综合干旱评估及应用
基于SPEI、SSMI和标准化径流指数(standardized streamflow index，SSI)3种单类型干旱指数，采用熵权法、主成分分析（principal component analysis，PCA）法、Copula函数、主成分分析-Copula函数法以及核熵成分分析5种方法分别构建5种综合干旱指数。通过计算5种综合干旱指数和3种单类型干旱指数之间的皮尔逊（pearson）相关系数并结合历史典型旱情事件，分析比较5种综合干旱指数在评估研究区干旱的适用性，得到适用于研究区的综合干旱指数。
5.西北地区气象干旱对大气环流的响应机制
以SPEI表征气象干旱，采用经验正交函数（empirical orthogonal function，EOF）和旋转经验正交函数（radial empirical orthogonal function，REOF）对气象干旱的区域变化特征进行分区，采用集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition，EEMD）法，基于ArcGIS平台分析干旱的时空演变特征；利用相关分析、交叉小波变换以及随机森林法研究分区气象干旱对多个环流指数的响应关系以及驱动气象干旱的主要环流指数；采用非参数核密度估计拟合主要环流指数的极端相位，并基于Copula函数对极端环流相位下的干旱事件特征变量拟合联合分布，分析不同分区的极端相位下干旱事件的发生概率。
6.西北地区气象-农业干旱的传递机制
通过计算不同时间尺度气象干旱指数SPEI和月尺度农业干旱指数SSMI之间的相关系数，分析西北地区农业干旱对气象干旱的响应滞时特征，提出基于时空尺度的不同类型干旱事件匹配准则，基于匹配结果分析不同响应类型中农业干旱对气象干旱的时空响应特征，从线性、非线性角度建立气象、农业干旱特征变量间的响应关系模型并确定*优响应模型；基于贝叶斯网络模型建立农业干旱对气象干旱变量的响应概率特征曲线，从时空多尺度视角对干旱响应特征进行系统分析。
7.变化环境对气象水文干旱传递的影响
对比天然情景和人类活动影响下的SSI序列，揭示人类活动对水文干旱演变的影响。采用相关系数法和Copula函数，构建标准化降水指数（standardized precipitation index，SPI）和SSI间的联合分布，从传递时间、传递阈值与传递概率系统地量化人类活动对气象干旱向水文干旱传递的影响。针对基于平稳假设的干旱指数在变化环境下不再适用的问题，构建考虑气候变化和人类活动
展开
