干旱复杂网络特征参量构建研究

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干旱是一种破坏力极强的长期自然灾害,除了会对农业、畜牧业造成直接损害,还会引发严重的次生灾害,对经济发展、水资源利用、国民建设等造成威胁。近年来,全球气候变化进一步加剧了极端干旱事件发生的频率,因此对干旱进行持续深入的研究是气候变化研究中的重要内容。目前利用干旱监测模型对全球干旱进行动态模拟的研究已经取得了长足的发展,而对于干旱时空传播模式的认知尚浅。了解干旱的动力学传播特征不仅有利于全面刻画干旱特征,也可以为科学地防控干旱、降低干旱带来的损失提供参考。干旱的时空演变具有典型的非线性特征,传统的数值模拟方法难以捕捉变量之间的相关关系。复杂网络作为一种系统性的分析工具,为干旱的时空模拟提供了新的视角。本文使用全球1901年1月--2018年12月的月尺度SPEI指数作为研究数据,其空间分辨率为0.5°。首先根据SPEI旱情等级标准设定阈值,分别提取了全球重旱、极端干旱事件,存储每个像元干旱事件对应的时间序列,并对全球干旱事件的时空分布情况进行分析;然后基于复杂网络理论,使用事件同步的方法度量不同像元干旱事件之间的同步相关关系,构建全球干旱复杂网络加权邻接矩阵;最后基于干旱复杂网络提取可以表征干旱传播特征的网络参量,包括传播强度(传播出度、传播入度)、传播方向和传播距离。得出的主要结论如下:(1)基于对全球干旱事件时空分布的研究可知:从1901年--2018年,全球极端干旱事件数量呈不断上升的趋势,各个地区的干旱影响面积也在持续扩张。由于各地气候条件、以及地理位置等环境的不同,干旱事件的发生频率也有很大的区别。从分布情况来看,在1901年--2018年期间,美国的西南部、东南部地区、南美洲的北部、亚洲及非洲的大部分区域是干旱发生频次较多的地区。重点关注区域中国的西北地区发生频次要高于中国的其他地区,而印度的干旱事件数量要少于中国的干旱数量。(2)分别对全球重旱和极端干旱事件构建复杂网络时空模型,发现全球重旱等级的大部分地区具有较高的传出强度和传入强度,并且传出强度和传入强度相关性系数可达到0.98,难以区分在干旱传播中承担的角色。在全球极端干旱事件的传播中,俄罗斯的中部地区、亚洲的东南部、中国的西南部地区、北美洲东北部地区、非洲中部和北部地区都是比较明显的干旱传播出度较高的地区,这些地区在后期干旱向其他地区的传播中将承担重要作用。(3)从干旱的传播方向上看,大部分地区的干旱事件的传播有明确的方向性。重旱等级的事件传播方向多为NNE(45°-90°)、NNW(90°-135°)方向,而极端干旱事件在WSW(185°-225°)、SSE(270°-315°)、ESE(315°-360°)方向的比例有所加重。干旱事件的等级不同,各地干旱事件的传播方向也有明显的不同。(4)全球干旱事件的传播距离主要集中在2500km到12500km之间,少部分地区的距离可以达到17500km。重度干旱事件的传播中,大约有74%的像元传播距离分布在2500km到15000km之间。极端干旱事件的传播中,大约有69%的像元传播距离在此区间内。极端干旱事件的传播距离相对比重度干旱事件的传播距离更远,说明极端干旱事件的影响范围更广,对大气环流反应更为敏感。
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