干旱传播研究进展与展望Ⅱ--影响因素与干旱传播研究展望.pdf
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1、干旱传播研究进展与展望影响因素与干旱传播研究展望智协飞1,2,田云涛1,2,陈昌春3,张余庆4(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室,南京210044;2.天气在线气象应用研究所,江苏无锡214000;3.南京信息工程大学地理科学学院,南京210044;4.淮阴师范学院城市与环境学院,江苏淮安223000)摘要:针对影响干旱传播的 3 个方面因素,将气候因素分成降水、气温、风向和大气环流,将下垫面因素分成地质与地貌、植被与土壤,将人类活动因素分成土地利用与变化、水资源开发利用,系统地回顾了控制与影响干旱传播的有关因素及在不同国家和不同区域的变化,特别
2、指出气候及下垫面因素在不同地点和时间对干旱传播过程可能会呈现出明显的差异性影响。干旱传播过程及其影响因素与机制的深入探讨,有助于提高干旱监测与预警水平,减少干旱灾害对经济、社会和生态环境等带来的负面影响。此外,从多源数据多模型融合、干旱传播三维建模、干旱传播驱动机理和干旱灾害链条延伸等方面进行了展望。关键词:干旱传播;影响因素;进展;展望中图分类号:P343文献标志码:ADOI:10.13476/ki.nsbdqk.2023.0065干旱是对人类社会影响最为广泛的自然灾害之一。因频率大、持续时间长和影响范围广的特点,干旱具有高危害性,持续的旱灾会明显制约社会经济的可持续发展1。干旱的 4 种类
3、型(气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱)之间存在水量与能量的联系。用于表征水分缺失信号在不同类型干旱间依次传递的“干旱传播”,近些年受到了国内外的广泛关注,并得到了比较深入的研究。这几种不同类型的干旱之间,可形成以大气圈异常要素为推力,以水圈异常要素为纽带,以岩石圈差异为条件,以生物圈客体为影响对象的干旱演变态势2。本文属于 2 篇连载论文的第 2 篇。第 1 篇干旱传播研究进展与展望3从干旱传播的含义、特征、类型和研究方法等方面介绍了干旱传播的研究进展。在第 1 篇的基础上本文对干旱传播影响因素及干旱传播研究的热点与难点进行归纳和总结,并指出现有研究仍存在的主要问题和未来研究发展趋势
4、。1干旱传播的影响因素干旱通过水循环传播,主要受到气候因素、下垫面(地表)因素及人类活动 3 个方面的控制及影响。3 种因素共同作用,进而影响干旱传播的时间、频次和严重程度。气候是干旱传播的关键与主要控制因素之一,例如,降水短缺导致的气象干旱,通过影响水循环过程以及干旱响应时间的非线性累积特征,进一步发展为农业和水文干旱4-5。下垫面及流域地表特征包括海拔、坡度、土地覆盖和含水层状况等,这些参数在农业、水文干旱对气象干旱的响应中起着重要作用。此外,人类活动通过土地利用与水利工程等影响水循环,从而影响干旱传播进程。1.1气候因素气候与水文有着非常密切的关系。著名的俄罗斯气候学家沃叶伊科夫,188
5、4年在全球气候及俄收稿日期:2022-05-10修回日期:2023-05-30网络出版时间:2023-07-10网络出版地址:https:/ 4 个方面进行重点阐述。1.1.1降水马岚11发现,在渭河流域,春季降水对干旱传播时间的影响最大,与传播时间呈显著的负相关,且超过了 99%的置信度检验。朱业玉等12对河南省旱灾产生的原因进行了分析和探讨,结果表明该省干旱频发主要是由于降雨在年内极度分配不均而导致的。Lin 等13利用 SPI 指数与 SRI 指数,对华南的西江流域 19612013 年的气象干旱、水文干旱传播特征进行了研究,并将传播规律应用于20212050 年的水文干旱预测,其结果表
6、明:气象干旱的时空格局是引发干旱传播的关键因素,气象干旱面积、干旱严重程度、干旱持续时间、干旱空间集中度和干旱持续时间的影响依次增加。1.1.2气温刘永佳等1以黄土高原为例,发现干旱传播速率与气温、蒸发和土壤湿度相关。Dai 等14发现在渭河流域,气温升高、降水减少和土壤湿度降低对干旱传播的影响较大,灌溉用水影响较小。谢安等15研究表明,全球平均温度上升1,中国东北区干旱化程度则增加 5%20%。杨淑萍等16对 20042005年宁夏特大干旱事件进行诊断分析,认为降雨量减少或者气温升高是导致该次干旱发生的主要原因。1.1.3风向关于风向与干旱传播特征的关系,HerreraEstrada等17使
7、用 19802016 年北美再分析数据,建立水分跟踪模型探索干旱传播过程中的水分输送减少的原因,发现农业干旱与逆风陆地的水汽输送减少有关。Schumacher 等18-19通过拉格朗日(Lagrange)含水量追踪法,针对全球最近 40 次最严重干旱案例,分离土壤水分干旱对顺风降水的影响,研究发现:俄罗斯东部干旱对下风向水汽影响可忽略,北美与俄罗斯西部干旱对下风向水汽的影响较小,南非和澳大利亚干旱对下风向水汽的影响显著。1.1.4大气环流干旱事件与大气环流异常密切相关20,大气环流对干旱传播时间的影响主要是通过影响降水及蒸散发来实现的5,21。Gibson 等22利用澳大利亚东部 2 个农业集
8、水区的长期观测记录降雨量(19082015 年)、流量(19012014 年)研究了该区域的干旱传播,认为干旱的开始和传播与大规模海洋-大气气候驱动因素(如厄尔尼诺-南方涛动、印度洋偶极子和南半球环状模)的组合状态密切相关,而干旱的终止是由持续的天气系统(如低压槽)引起的。Han 等23以珠江流域为例,发现太平洋年代际涛动是加快干旱传播的主要因素。Zhou 等24的研究表明,除太平洋年代际涛动以外,厄尔尼诺-南方涛动由于其与蒸散发密切相关,也是影响珠江流域干旱传播时间的重要因素之一。Ma 等25发现遥相关因子对渭河流域的秋季干旱传播影响较大,其中北极涛动、厄尔尼诺-南方涛动和太平洋年代际涛动,
9、通过影响降水、土壤湿度等变量间接改变渭河流域的干旱传播过程。1.2下垫面因素由于下垫面因子的差异,气象干旱可能会转化为不同程度的农业、水文干旱,海拔、坡度、流域面积、植被、土壤、岩性与地下水等集水区相关的地质地貌条件,都会对干旱传播产生影响。气象因素与下垫面因素,在不同地点、时间及季节也会呈现出影响的差异性。比如,马岚11研究了渭河流域的干旱传播影响因子,发现春季、夏季影响气象干旱和水文干旱相依关系的主导因素是气象因子,秋季的主导因子是下垫面特征和气象因子,冬季的主导因子是遥相关因子和流域下垫面特征。下面分为地质与地貌因素及植被与土壤因素两个方面归纳下垫面对干旱传播的影响。1.2.1地质与地貌
10、Veettil 等26发现流域面积和海拔对美国萨凡纳河流域水文干旱平均持续时间影响显著。Yang 等27以我国西南地区龙川江流域为例,发现海拔是影响干旱传播的重要因素,农业干旱在高海拔地区向水文干旱传播,而在低海拔地区则相反。Apurv 等28发现并区分了 3 种干旱传播机制,认为它们产生了不同的水文干旱特点:第一种机制涉及季节性地下水补给循环,这种循环持续存在于低降水量时期,与气象干旱相比,水文干旱时间更短;第二种机制是季节性地下水补给循环在低降水量期间受到抑制,导致水文干旱比气象干旱更长;第三种机制是地下水补给缺乏季节性,导致与气象干旱持续时间相似的水文干旱。在干旱滞后性研究中,区域下垫智
11、协飞,等干旱传播研究进展与展望影响因素与干旱传播研究展望655面条件对干旱滞后性的影响是当今干旱传播过程研究中的热点29,如我国南方喀斯特地区因其特殊的地貌特点,即便降水丰富也有发生水文干旱的可能。张浪等30研究了贵州省黔中水利工程区后发现,各下垫面条件对干旱传播过程的影响程度依次为地表切割深度岩溶发育强度高程地形地貌,其中干旱传播特征与地表切割深度呈显著的负相关,与岩溶发育强度、高程、地形地貌呈正相关。1.2.2植被与土壤植被通过截留降水和植物叶片蒸腾作用影响蒸散发,从而影响干旱传播。Vicente-Serrano 等31在研究植被对干旱的反应时发现,由于植被的适应特征,不同的生物群落对干旱
12、的时间尺度反应不同。Pea-Angulo 等32发现,19612013 年西班牙盆地上游水文干旱持续时间、严重程度、频率的增加可能与森林总面积和森林密度的增加有关。Wu 等33发现,森林和草地显著改变了黄土高原干旱传播时间,森林覆盖面积大的地区干旱传播的时间长,草地的干旱传播时间短。Ding 等34利用太阳诱导叶绿素荧光(SIF)和归一化差异植被指数(NDVI)探讨了植被对干旱的影响程度和传播时间,研究表明:SIF 和 NDVI 在中国总体上具有较高的一致性,不同植被类型的 NDVI 的归一化值分布水平高于 SIF;干旱通常对中国北方的植被产生负面影响,对中国南方的植被产生积极影响;基于 ND
13、VI 的干旱传播时间大于基于 SIF 的干旱传播。Warter 等35发现:从沿海地区的黏壤土到内陆地区的壤土不等,南加州草原的干旱状况在秋季表现出明显的季节性时间模式,低于植被胁迫阈值,因此可归因于土壤保水能力和干燥度(aridity)的差异;内陆地区的土壤饱和度在超过一半(64%)的模拟时间内低于指定阈值,而沿海地区的这一比例约为 47%。1.3人类活动因素人类活动可以通过土地利用、城市化和森林砍伐等影响地表径流和下渗,通过水库蓄水、引水和灌溉等影响水资源储存和消耗36。高强度人类活动通过改变大气成分(主要通过温室气体排放)引起全球或区域性水循环过程的变化,导致气象干旱时空特性变化,从而间
14、接影响到水文干旱的形成发展;通过改变河流蓄存状态与水力联系(主要通过蓄、引、提、调水工程)以及用水特性变化,改变河流与地下水系统调蓄功能与产汇流过程,从而直接影响到气象干旱向水文干旱的传递过程以及水文干旱的发展过程37。下面分别就土地利用与变化、水资源开发利用对干旱传播的影响进行概括与介绍。1.3.1土地利用与变化Veettil 等26指出,土地利用在控制流域水文干旱方面发挥着重要作用。例如,牧场增加了蒸散量,降低了产水量。黎云云38量化了气象、农业和水文干旱的驱动归因贡献率发现,大气环流异常和土地利用变化对气象干旱的相对影响贡献率约为 95%和 5%,气候和土地利用变化对农业干旱的相对影响贡
15、献率约为 75%和 25%,水资源开发利用、气候变化和土地利用变化对水文干旱的相对影响贡献率约为 50%、30%和 20%。杨志远39评价了气候和土地利用对黑土区典型流域干旱的影响,认为与气候变化相比,以土地利用变化为主的人类活动对农业干旱和水文干旱的历时和强度贡献相对较大,是农业干旱和水文干旱的重要影响因素。1.3.2水资源开发利用代萌40发现,春秋季人类用水显著增加是渭河流域部分地区 19602010 年干旱传播时间由长变短的驱动力之一。Xu 等41探讨了滦河流域气象、水文干旱传播特征并发现:由于不断变化的环境和上游地区的农业活动,干旱传播时间在 12 月至次年 6 月,从 49 个月延长
16、到 512 个月;而在下游地区,10 月至次年 4 月的干旱传播时间,则缩短了12 个月。他们认为这可能是由于生活供水量的增加和城市扩建造成的。Ma 等42发现黑河流域干旱传播的时间变化具有显著的季节特征,在夏季和初秋时节传播时间较短,他们认为这与人类活动(如灌溉和水库)有关。吴杰峰等43-44基于晋江流域两个水文站数据及流域的气象数据,探讨了气象干旱向水文干旱的传播,发现因有水库蓄洪补枯的存在,与未受水库影响的站点相比,流域下游受到影响的石砻站水文干旱历时缩短、烈度降低,相应地改变了水文干旱对气象干旱的响应关系及其临界条件,使得气象干旱演进为水文干旱的临界条件降低。Wang 等45以滦河流域
17、为例,发现在水库的影响下,干旱传播的频率降低,但由气象干旱演变的水文干旱的平均持续时间、平均亏缺量均有明显的增加,干旱传播时间平均值、中值和最小值变短。Wang 等46探讨了淮河流域 16 个子流域的农田灌溉对水文干旱传播的影响。他们对农田灌溉、地形指数(TI)与水文干旱进行偏相关分析,发现灌第21卷第4期南水北调与水利科技(中英文)2023年 8 月656溉对水文旱情的影响小于流域特征的影响。Li 等47设置情景 1(地下水埋深 19.4m,不灌溉)、情景 2(地下水埋深2m,不灌溉)和情景3(地下水埋深19.4m,灌溉),基于 SPEI 和土壤水分亏缺指数(SWDI)研究了河北省石津灌区灌
18、溉和地下水位变化对干旱发展和蔓延的影响,发现在情景 1 下,农业干旱响应对气象干旱持续时间和强度的临界值分别为 4.9 和0.9;在情景 2 下,临界值增加到 5.1 和 2.0。这表明当地下水位上升到适当的位置时,气象干旱向农业干旱的传播将减缓。2干旱传播部分热点与难点问题关于干旱传播的展望及未来的研究挑战,已有一些文章48-49进行了各具特色的阐述。此处结合国内外干旱传播研究的热点与难点问题,有重点地进行述评。2.1多源数据多模型融合研究开发与集成更长期、更可靠的一系列干旱数据,并定量评估数据的不确定性。在现有干旱传播研究中,大多选择单一资料,未来宜将站点观测数据、再分析资料、遥感卫星数据
19、和水文模型模拟数据等进行综合运用或融合,并进行对比分析,以提高干旱监测、预测的准确度。在目前相对独立与离散的气候模式、水文模型运用基础上,探索与推进气候水文模型耦合的集成,提升模拟精度与时效性。2.2干旱传播三维建模研究干旱传播不仅是不同干旱类型间的单向度传播,三维空间维度上的干旱传播时空一体化研究还需要进一步深入。可以从传播方向、距离和影响范围等方面展开,结合时空维度更完整地刻画与探析干旱传播过程及规律。可针对不同气候区探究干旱传播的空间表达与量化,构建不同干旱类型形成与发展的路径与干旱演变的时空格局。可利用虚拟现实技术、人工智能和大数据技术等实现干旱传播过程可视化。2.3干旱传播驱动机理研
20、究干旱传播受到气候变化、下垫面特征及人类活动的影响,各个因素都对干旱传播造成直接或间接的影响,有关因子之间也存在反馈作用。它们之间的相互作用给干旱传播研究带来了更多的不确定性,干旱传播的影响与驱动因子及其贡献还需要深入研究。对社会经济影响明显的骤发干旱,其干旱传播过程尤其值得注意50-51。干旱传播的干旱传播特征及影响机制的揭示,可以促进气象干旱、农业干旱和水文干旱预警预报系统的开发与完善,有助于减缓干旱对农业及社会经济产生的不利影响。2.4干旱灾害链条延伸研究干旱传播具有一定的滞后性,气象干旱发生后,需要一定的时间才能传播为更严重的农业、水文干旱,并对生态环境和人类生活造成威胁。因此,应当注
21、重干旱灾害链的全过程研究,特别是加强干旱传播对生态系统与人居环境影响的研究。此外,干旱灾害链的研究需借鉴其他灾害链领域的研究方法,在学科交叉的基础上进一步探索与揭示干旱传播灾害链的本质规律。3结论本文根据气候因素、下垫面因素和人类活动因素 3 个方面,系统地回顾了控制与影响干旱传播的有关因素的研究文献。将气候因素分成降水、气温、风向和大气环流,将下垫面因素分成地质与地貌、植被与土壤,将人类活动因素分成土地利用与变化、水资源开发利用,在条分缕析的同时,指出气象及下垫面因素在不同地点、时间及季节对干旱传播过程可能会呈现出明显的差异性影响。对干旱传播影响因素的进一步研究有助于探析干旱传播的孕育机理及
22、揭示其演变规律。此外,就干旱传播研究中有待深入的若干重要方面多源数据融合、多种模型融合、三维干旱传播建模及灾害链条延伸等在干旱传播领域的应用前景,进行了展望。致谢致谢感谢河海大学王文教授、西安理工大学黄生志教授和南京信息工程大学吴杰峰教授对本文提供的建设性意见与修改。参考文献:刘永佳,黄生志,方伟,等.不同季节气象干旱向水文干旱的传播及其动态变化J.水利学报,2021,52(1):93-102.DOI:10.13243/ki.slxb.20200073.1田丰,杨建华,刘雷震,等.地理学视角的干旱传播概念、特征与影响因素研究进展J.地理科学进展,2022,41(1):173-184.DOI:1
23、0.18306/dlkxjz.2022.01.015.2智协飞,田云涛,陈昌春,等.干旱传播研究进展与展望J.南水北调与水利科技,2023.3BAKKESJ,IONITAM,TALLAKSENLM.The2018northernEuropeanhydrologicaldroughtanditsdriversinahistoricalperspectiveJ.Hydrologyand4智协飞,等干旱传播研究进展与展望影响因素与干旱传播研究展望657Earth System Sciences,2020,24(11):5621-5653.DOI:10.5194/hess-24-5621-2020.H
24、UANGSZ,LIP,HUANGQ,etal.Thepropaga-tionfrommeteorologicaltohydrologicaldroughtanditspotentialinfluencefactorsJ.JournalofHydrolo-gy,2017,547:184-195.DOI:10.1016/j.jhydrol.2017.01.041.5B.E.路达科夫,楊显明.按树木年轮能回溯河川径流量的变化过程:以伏尔加河为例J.地理科学进展,1957(3):189-191.6葛维亚,戴长雷,陈昌春.俄罗斯水文发展简史J.水资源研究,2022,11(2):138-150.DOI:1
25、0.12677/jwrr.2022.112015.7HEUDORFERB,STAHLK.Comparisonofdiffer-entthresholdlevelmethodsfordroughtpropagationanalysisinGermanyJ.HydrologyResearch,2017,48(5):1311-1326.DOI:10.2166/nh.2016.258.8WADAY,VANBEEKLPH,BIERKENSMFP.Modellingglobalwaterstressoftherecentpast:Ontherelativeimportanceoftrendsinwater
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