干旱半干旱地区农业干旱时空信息演化规律及其对气候变化的响应研究- - 以宁夏为例

This study focuses on agricultural drought on the background of climate change and selects the Yellow River irrigation area in northern Yinchuan Plain (arid zone) and rainfed agricultural areas in loess hills (semi-arid area) of southern Ningxia as key study areas. Using long time series remote sensing data from multi-sensors, such as EOS-MODIS, NOAA-AVHRR and TRMM, a set of remote sensing quantitative indicators suitable for agricultural drought monitoring in arid and semi-arid regions will be constructed, based on comprehensive consideration of vegetation (crop) growth, soil thermal stress and short of precipitation. Systematic verification and optimization process will be incorporated for the new method of agricultural drought monitoring. Verification data includes meteorological drought index derived from meteorological observation data, medium scale agricultural drought index retrieved from medium-resolution remote sensing image, soil moisture and crop reflection spectra data obtained from field measurements synchronized with satellite in the key study areas. Based on the new agricultural drought monitoring indicators, this study will reconstruct the spatial and temporal distribution information of agricultural drought in recent 30 years and discuss the spatiotemporal characteristics of variation in Ningxia. Meanwhile, the spatiotemporal changes of various climatic factors over the same period in Ningxia will be obtained through the spatial interpolation techniques. This data will be used to make spatial correlation analysis with agricultural drought data so as to study the response relationship of agricultural drought and climate change in arid and semi-arid areas.

本研究以气候变化背景下的农业干旱为研究对象，以宁夏北部的银川平原引黄灌区（干旱区）和南部的黄土丘陵旱作农业区（半干旱区）为重点研究区，使用EOS-MODIS、NOAA-AVHRR、TRMM等多源长时间序列遥感数据，在综合考虑植被（作物）生长、土壤胁迫和气象降水等致旱因素的基础上，构建适合于干旱半干旱地区的农业干旱遥感监测指标。结合气象观测数据构建的气象干旱指标、中分辨率遥感影像反演的中尺度农业干旱信息、重点观测实验区与卫星过境同步观测的土壤湿度和作物反射光谱等数据，对农业干旱遥感定量监测指标进行验证与优化。在建立可靠遥感监测指标的基础上，重建宁夏近30年来农业干旱的时空分布信息，从时间和空间两个角度探明宁夏农业干旱的演化规律。同时利用空间插值技术获取同期宁夏各气候因子的时空格局变化，运用空间相关分析等技术研究干旱半干旱地区农业干旱与气候变化的响应关系。

以气候变化背景下的农业、气象及植被生态干旱为研究对象，在构建和改进干旱监测模型的基础上，重点对宁夏不同生态区的干旱时空信息演化规律进行了研究，项目在干旱监测机理模型和区域干旱时空信息演化规律方面均取得了系列进展。.在基础理论方面：（1）提出了综合考虑大气降水、植被生长和土壤水分供需平衡等多种因子及其内部耦合过程的干旱监测机理模型，从机理上提升了干旱综合监测的精度和适应性。同时，基于空间数据挖掘的理论，在获取各建模自变量和因变量的基础上，利用主成分分析和分类回归树等方法，计算综合干旱指数。综合干旱指数不仅考虑了气象降水亏缺、土壤水分胁迫、植被生长状态等因素，还考虑了土地利用类型、土壤有效持水量等因素，可以定量监测复杂的干旱过程。（2）在地表覆盖结构复杂、生态系统类型多样的干旱半干旱地区，由地表温度和植被指数构建的温度植被干旱模型（TVDI）对土壤水分的响应较低，研究利用地表昼夜温差来替代地表温度，并改进模型干湿边的拟合方法，提高了模型的普适性。（3）针对植被冠层在400-2500 nm间的反射率会受叶面积指数等结构特征影响的问题，研究利用PROSAIL模型和MODIS观测数据，从遥感机理上模拟了植被叶面积指数和生理生长周期等结构特征对5种典型光谱干旱指数的影响，指出了光谱干旱指数在实际干旱监测中应注意的问题。.在宁夏干旱时空演化规律研究方面：（1）研究了气候变化背景下宁夏近50年来的气象干旱的时间演化特征。结果表明，宁夏近50年经历了一个由湿润期到干旱期的干旱化过程，1960～1980年为湿润期，1980～1995年为气候波动期，而1995年以后全区基本进入干旱期，20世纪90年代上半期为宁夏的气候突变点。（2）研究了宁夏近10年地表植被、土壤等要素对气象干旱胁迫的响应，从时间和空间上探讨了宁夏旱情变化特征与规律。结果表明，宁夏中部干旱带发生干旱的频率和强度最高，次之是南部丘陵山区，而较少发生干旱的是北部引黄灌区。近10年来宁夏平均干旱强度在减弱，但极端干旱事件有增强的趋势，且不同季节存在较大差异。（3）研究了近30年气候变暖对宁夏植被活动的影响。结果表明，在1995年之前气候变暖对宁夏植被活动的影响不甚明显，但1995年之后气候变暖对宁夏植被活动有明显的促进作用，且秋季气候变暖对植被活动影响最强，其次是冬季和春季，而夏季最弱。