基于干旱传播过程的气象农业干旱复合重现规律及恢复潜力研究

During drought propagation process, it is possible that meteorological droughts have not been recovered yet while agricultural droughts are starting developing, indicating the concurrence of meteorological and agricultural droughts, i.e., the compound droughts. In this regard, this project eyes on proposing a general framework of identifying return periods and recovery potential for compound meteorological and agricultural droughts. The first component of this project involves the improvement of the joint multivariate drought index (JMDI) to assess the meteorological and agricultural dryness/wetness conditions. The second component aims to develop the methodologies for quantitatively estimating compound drought return periods, and identifying the expected precipitation (or soil moisture) for drought recovery and the recovery potential (probability) by conditioning on varying compound scenarios. Depending on the proposed methodologies, we then investigate the compound drought return periods and recovery potential over Southwest China. This project would further hold an investigation of the influence of different landuse types on compound drought return periods and recovery potential as well the corresponding physical mechanisms, and provide the feasible measures and policies to deal with droughts for different landuse types. This project on the one hand would provide new information and promising perspectives for drought assessment and prevention over Southwest China. On the other hand, the proposed general framework and methodologies regarding compound drought return periods and recovery potential in this project could be a valuable reference for the drought research in other regions with different climate conditions.

在干旱传播与演变过程中，气象干旱可能已经传播到了农业干旱但并未恢复，即可能出现气象和农业干旱同时存在的复合干旱情景。围绕复合干旱这一干旱研究中的薄弱环节和难点，本项目旨在提出气象农业干旱复合重现规律和干旱恢复潜力的研究思路，以期进一步完善干旱研究的相关理论。在方法研究层面，首先将改进联合的干旱指数并用其来评估气象和农业干旱；进而建立气象农业干旱复合重现期的数学表达并实现定量化表征；同时，基于该改进的指数，构建复合情景下干旱恢复需水量和恢复潜力的预测模型。并将该研究思路和方法模型结合我国西南地区开展实证研究。在此基础上，进一步揭示不同土地利用类型的复合干旱重现特征；探讨土地利用类型对农业干旱恢复潜力的敏感性及影响机理，并根据恢复潜力异同提出具体应对干旱的策略。本项目不仅能为西南地区抗旱工作提供新的评估方法和科学依据，其中关于复合干旱重现规律和恢复潜力的研究思路和方法也能为其他地区提供参考。

在干旱传播与演变过程中，会产生气象干旱已经传播到农业干旱但其本身并未恢复的可能，即出现气象和农业干旱同时存在的复合干旱情景。本项目在技术方法层面开发了联合干旱指数，用于构建其数学表达，实现了对复合干旱的定量评估，并研究了气象农业干旱复合重现期的空间分布规律和特征。利用vine copula等相关技术方法，结合反问题求解的思路，建立复合情景下干旱恢复需水量和恢复潜力（可能性）的预估模型，即在不同的干旱初始情景下，实现了对干旱恢复需水量和恢复概率的预估。研究了干旱恢复的年内差异，发现夏季干旱的恢复需水量更大。探讨了土地利用类型对干旱恢复潜力的敏感性及影响机理，结果表明在不同的下垫面土地利用和植被条件下，干旱恢复潜力具有明显的空间差异性，其中，草地因耐旱性强具有更高的干旱恢复潜力；森林因耗水量较大导致其干旱恢复潜力次之；耕地在自然情况下的干旱恢复潜力最低，换言之，在没有人为灌溉干扰措施的情境下，耕地发生干旱则很难在短时间内得以恢复。以上研究成果能为农业耕种和灌溉措施提供实际的指导。此外，本研究进一步从物理水热平衡的角度，推导出了用于描述耗水率是如何响应干旱指数和土地利用特征（或下垫面特征参数）的通用公式。该公式表明，耗水率对干旱指数的敏感性系数随着干旱的增加而减少，但减少的程度受到下垫面土地利用特征的影响。总体而言，本项目建立的联合干旱指数不仅适用于我国，也可以应用于全球其他不同气候区的干旱评估，该研究推动了干旱指数评估方法的发展，进一步完善了干旱评估的相关技术方法，具有较好的应用价值。此外，本项目开发的干旱恢复潜力评估模型，也可以应用于不同干旱类型（如气象、农业、水文、植被干旱等）的干旱恢复评估。