中国多类型干旱时空演变特征及其传播过程研究

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在全球气候变暖的背景下,干旱对我国的影响愈发严重。干旱问题复杂、干旱类型多样、不同干旱类型间的关联密切。了解不同类型干旱之间的传播过程,不仅可以加深对各类型干旱时空演变特征的认识,也可以进一步阐明干旱形成机制,对提高流域抗旱水平和抵御干旱风险的能力,具有重要的理论意义和应用价值。本文以中国九大流域为研究对象,基于地面观测资料、借助遥感、模型、同化、再分析和气候模式等多源数据集,探究了 1990-2019年全国气象、水文、农业和地下水干旱的时空演变特征,以及各类型干旱之间的传播过程。进一步评估了不同类型干旱对人类社会系统与自然生态系统的影响,并深入阐明了未来气候变化下中国各类型干旱的演变规律及其暴露在干旱下的人口数量变化。本文取得的主要研究成果如下:(1)构建了气象、水文、农业和地下水干旱指数,揭示了各类型干旱时空演变特征所构建的各类型干旱指数在我国均具有较好的适用性,能够表征各类型干旱特征。气象干旱在南方地区表现出高强度和高频率特点,我国的气象干旱严重程度有不显著的增强趋势;在我国的河流水系相对发达的南方地区,水文干旱具有低频、长历时、高强度的特点,且极端干旱的影响面积在同时期占有相当大的比重;我国的农业干旱经历了“从湿到干”的变化,农业干旱的影响面积和土壤水的“干燥化”程度均有增加趋势;地下水干旱在南方地区具有高频率、短历时和低强度特点,北方地区则以长历时和高强度为主。(2)阐明了从气象干旱到水文、农业和地下水干旱的传播特征我国南方地区水文干旱与气象干旱的关系最为密切,传播时间在全国基本上以一个月为主,流域尺度上的传播时间在夏季和秋季表现更快;南方大部分地区的气象到农业干旱传播时间较快,随纬度的升高,传播时间逐渐变慢。各流域在季节上的传播时间特征进一步地表明土壤湿度变化主要受降水和气温影响;地下水干旱与气象干旱的关系明显较弱,强相关区域主要集中在我国的内陆河、东南和珠江流域;在空间尺度的视角下识别出干旱在水循环过程中的传播路径为气象-水文-农业-地下水干旱。(3)创建了干旱触发阈值模型,分析了影响阈值动态变化的驱动因素在气象-水文-农业-地下水干旱的长链条传播过程中,触发下一阶段的风险概率在逐级递减;气象干旱胁迫下,长江、淮河、东南和珠江流域发生水文干旱的概率远高于其陆方向,触发阈值逐渐降低;除农业干旱诱发地下水干旱以外,地下水干旱还受其他因素的影响,华北地区、松辽河流域中游、长江和黄河上游及新疆北部地区属于易爆发地下水干旱的高风险区域;我国东部地区的触发阈值呈显著的(p<0.05)上升趋势,表明其对上一级干旱的抵抗力在减弱。气温、干燥度和土壤蒸发是影响触发阈值动态变化的驱动因素。(4)量化了各类型干旱影响下人类社会系统的暴露度和自然生态系统的脆弱性2007、2004、2011和2019年是我国人口暴露在气象、水文、农业和地下水干旱最多的年份,分别达到2.72亿、2.66亿、4.75亿和3.92亿;华北地区是所有类型干旱人口暴露度的高值区,农业干旱是影响我国人口暴露度的主要干旱类型;在干旱半干旱和半湿润地区,植被对水分变化的响应时间通常比南部湿润地区更长;当分别从干旱的人口暴露度和植被脆弱性的视角来看,干旱对我国人类社会系统的影响主要集中在胡焕庸线以东的地区,对自然生态系统的影响主要集中在胡焕庸线以西的地区。(5)预估了未来气候变化下中国多类型干旱演变规律及其对人口数量的影响随着排放情景的加剧,在全国尺度上,降水表现出的年际变异性和区域性更强。在RCP8.5情景下,中国气温上升幅度由东南向西北递增;在21世纪末期的RCP6.0和RCP8.5情景下,南方大部分地区将出现高频次、长历时和高强度的气象干旱;水文和气象干旱频率的变化具有相似的空间格局,且水文干旱持续时间有明显缩短;三种排放情景下均预计西北地区的农业干旱有减弱趋势,而南方地区依然面临高频率和长历时的风险;未来我国华北和南方地区作为人口高密度区域暴露在各类型干旱下的人口最多,预估21世纪中期和末期的各类型干旱的人口暴露度严重程度为气象大于农业大于水文干旱。
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