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[硕士论文] 陈志鹏
水利工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:旱灾自古以来都是中国和全球面临的重大自然灾害之一,随着全球气候变化以及人类活动加剧,旱灾带来的危害也呈现加重的趋势。旱灾的影响因素众多,旱灾自身的脆弱性是产生风险的关键。基于此,论文将旱灾风险评估的基本理论与实际应用相结合,确立试验指标,构建BP神经网络模型,定性的图表分析与定量的计算相结合,探讨基于BP神经网络的旱灾脆弱性研究方法。研究区域选取淮北平原,研究对象选择淮北平原夏大豆,建立基于BP神经网络的旱灾脆弱性研究方法并开展应用研究,取得如下结论:
  (1)根据安徽省淮河水利委员会水利科学研究院的蚌埠新马桥农水综合试验站夏大豆盆栽受旱试验的数据,统计和计算出试验指标,并将各指标与产量建立关系,制出关系图和表,进行相关性分析。结果表明:各生育期的干旱历时、干物质量、干旱强度指标与产量的相关性都较好。其中,干旱强度和产量的关系好,说明了干旱强度对受水分胁迫的大豆产量的影响很大。
  (2)用BP神经网络的方法建立模型,测算不同受旱条件下不同生育阶段的夏大豆产量。通过不同模型间对比,分析各指标在不同生育阶段对产量的影响程度,确立影响因子。结果表明指标和产量的相关性较好,各生育期产量的影响因子均有干旱历时、干旱强度、干物质量,不同的是,前三个生育期的影响因子还包括叶面积指数,最后一个生育期的影响因子包括千粒重、实荚率。指标和产量相关性很好且拟合误差、验证误差较小。
  (3)通过BP神经网络模型求得产量的拟合值(预测值),与实测值一同建立轻旱、重旱减产率。结果表明:不管是在同生育期不同处理条件下,还是在不同生育期同处理条件下,轻旱、重旱的减产率预测值和实测值之间的相对误差不大,因此对于轻旱、重旱减产率的预测较为准确。
  (4)从灾害学与自然灾害风险形成机制的角度出发,研究干旱历时、干旱强度对夏大豆减产率(损失率)的影响以研究脆弱性,作出脆弱性曲线并进行相关性分析。同时,研究干旱历时、干旱强度对营养物质的影响,作关系图进行相关性分析,从另一角度研究脆弱性。结果表明:各生育期的干旱强度、干旱历时与干物质量、减产率的相关性都较好,即水分胁迫下的脆弱性显著。四个生育期的干旱强度和减产率的关系都很好,说明了受水分胁迫的大豆脆弱性里干旱强度的作用很大。
  (5)用BP神经网络的方法建立模型,测算不同干旱强度、干旱历时条件下的脆弱性和营养物质。不同模型间对比,研究脆弱性,还研究干旱强度、干旱历时对营养物质的影响。最终得出脆弱性显著,对减产的影响较大的结论;同时还发现脆弱性和全生育期营养物质的关系很好,误差也小的结论,也从侧面说明受水分胁迫下脆弱性显著。
[博士论文] 佘宝
农业遥感与信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:油菜在我国位居油料作物之首,我国油菜的播种面积和产量均居世界第二位,其中约90%为冬油菜。越冬期是冬油菜必然经历的物候阶段,因而具有发生冻害的风险。传统意义上的油菜冻害监测与评估都是由工作人员到田间实地调查得到冻害指数,不仅耗时、成本高,且代表性差。遥感是及时获取大范围地表信息的有效有段,在作物灾害监测与评估领域具有明显的优势。本研究选取传统的冬油菜主产区—安徽省作为研究区域,基于中等分辨率成像光谱仪MODIS/MERIS、国产环境减灾卫星HJ-CCD/IRS等多种遥感数据源,以明确记载有油菜冻害发生的典型年份作为研究案例,探索针对油菜冻害的多角度评估方法,研究时相包括2003-2004、2009-2010和2010-2011三个生长季。主要的研究内容以及取得的主要成果包括以下几个方面:
  (1)基于日最低气温指标的油菜冻害发生区域判断
  本文从油菜冻害的致灾因子—日最低气温出发,综合利用MODIS遥感数据、地面气象观测资料和基础地理数据,采用星地多源数据相结合的解决思路,依据各等级油菜冻害的致灾温度国家标准,对于可能会有冻害发生的区域进行判断。以2004年1月下旬及2月上旬发生的油菜冻害为例,论文分晴空与云覆盖两种情况讨论了对研究区域全覆盖的日最低气温分布数据的获取方法。
  对于晴空条件,本文通过建立日最低气温与晴空下LST、NDVI及儒略日(DOY)之间的多元线性回归方程来估算其空间分布,以2000-2014年间冬季三个月每日获取的数据为输入用于建模及验证。结果显示对于日最低气温的估算效果,基于前一天夜间所获取的Terra-LST建立的估算方程具有最佳的表现,其次为当日白天获取的Terra-LST、白天Aqua-LST和夜间Aqua-LST。对于阴天条件,本文采用旬低温(旬内平均日最低气温)背景网格推算+冻害年份低温距平调整+残差空间化方法逐步拟合云下的最低气温分布场,该方法首先基于经度、纬度、海拔、坡度和坡向等地理要素数据来推算安徽全省冬季各旬(12月上旬至次年3月上旬)常年低温水平的空间分布。在HANTS滤波的支持下基于8天合成的LST产品(MOD11A2)来模拟冻害发生年份指定旬与常年(2000-2014年)同时期低温程度的距平,而后利用安徽省78个县级气象站的气温观测数据将各低温日期的最低气温与灾害年份旬低温水平之间的残差进行空间化。本文以地理要素数据为输入分别考查了多元线性回归以及随机森林非线性回归方法对低温残差的估算效果,结果显示随机森林模型对残差的估算精度明显要优于多元线性回归方法,故采用该方法将各站点处的低温残差扩展到整个研究区域。
  以晴空下的最低气温估算结果为主体,利用云下的推算结果作为补充,从而得到每个低温日期上对研究区域全覆盖的1km分辨率的最低气温分布。由于国家标准中尚未对低温的持续时间进行定义,本文采用冷积温指标,即低温时段内每日最低气温的累加值来判断可能会有油菜冻害发生的区域。结果显示冷积温能够捕捉到出现在皖北地区(主要是宿州市一带)以及江淮地区(主要为合肥及滁州地区)的低温分布状况,且通过与各气象站的观测值进行比较(相关系数r=0.810,P<0.01,RMSE=8.6℃),冷积温的估算取得了较好的效果。
  (2)油菜的遥感识别与提取
  油菜从始花期到盛花期绿度出现下降,在植被指数时间序列剖面上呈现为“谷”的特征,区别于同时期生长的其他冬季作物(主要为冬小麦),基于这两个物候时期油菜所特有的绿度变化趋势可以实现其种植区域的提取。考虑到不同地区生长的油菜物候期并不同步,本文基于8天合成的MODIS-NDVI时间序列数据,在S-G滤波平滑的基础上,通过识别不同地区始花期和盛花期的开始时间从而分区域提取出安徽全省油菜的分布,并且依据统计年鉴所记录的市级油菜种植面积数据对提取结果进行了检验。
  当冻害较为严重时,受冻后的油菜在花期时植株趋于低矮、花朵稀疏,在30 m像元分辨率尺度上与冬小麦容易混淆,极易造成对实际种植面积的低估,此外农业灾害评估又具有现势性要求。结合合肥当地油菜生产的实际情况,针对该问题本文提出了基准种植区域+越冬作物掩膜调整方法,采用相邻正常生长季(未有冻害发生)的油菜分布作为基准,基于越冬作物从出苗到越冬前生长的特性建立掩膜来调整基准种植区域,将得到的结果用来表示冻害发生年份越冬时期的油菜分布,并且依据油菜播种面积统计数据对其进行检验。
  (3)油菜冻害灾情的遥感评估
  对于2004年发生的油菜冻害,在MODIS像元尺度上借助于时间序列剖面分析了4种广泛采用的植被指数对于冻害的敏感性。结果显示,NDVI和GNDVI的表现要优于EVI和SAVI这两个植被指数,相比之下NDVI对于冻害影响的表现更为充分。MODIS数据具有较长的时间序列连续性,适合采用植被指数距平法评估冻害灾情。选取相邻几个正常生长季(2001-2006不含2004年)同时期的平均长势水平作为基准,采用NDVI年际标准差来表示长势的正常年际波动,将冻害影响后的长势水平相对于基准水平的百分比差异用来描述冻害的灾情程度。由于缺乏田间实测的灾情数据,本文选取全省47个油菜主产县区的平均冻害程度与相应的冷积温进行相关性分析,结果表明二者之间具有显著的相关性(r=0.378,P<0.01),从而一定程度上支持了灾情的评估结果。
  MODIS空间分辨率较低,适合开展大范围油菜冻害的筛查,但对于市(县)区域的油菜冻害遥感监测与评估,需要采用更高空间分辨率的数据进行研究。综合考虑现有遥感资料的空间和时间分辨率,对于2010年和2011年初发生的油菜冻害,本文尝试采用国产环境减灾卫星数据进行冻害评估。选取由HJ-CCD的4个工作波段构建的8个常用的植被指数作为候选的冻害评估指标。利用2009-2010生长季灾后相对于灾前时相各植被指数的变化量较正常生长季(2008-2009)同时期变化量的归一化差异直方图曲线来判断不同植被指数对于冻害的敏感性。结果表明在30m空间分辨率尺度上,NDVI和GNDVI较其他植被指数同样具有更高的敏感性,相比较而言GNDVI的敏感程度更高,因而适合作为冻害的评估指标。基于灾后时相相对于基准水平的GNDVI百分比差异来判断冻害发生年份的灾情等级,对于2011年1月份发生的油菜冻害,本文选取合肥市9个苗情监测点实测的田间冻害指数对结果进行了验证,分析表明遥感评估得到的冻害程度与田间实测冻害指数之间具有较高的相关度(r=-0.698,P<0.05)。采用灰色关联分析方法和统计分析方法,本文考查了一些自然因素和作物自身条件对冻害灾情程度的影响,结果显示南坡向和西坡向种植的油菜灾情相对更为严重,几个因素对灾情影响程度的大小由高到低依次为:灾前长势、土壤湿度、最冷日期的地表温度和海拔高度。
  (4)新的冻害敏感指数的构建
  本文基于中等分辨率成像光谱仪MODIS和MERIS波段所构建的几个生理变量敏感植被指数,在1km级分辨率尺度上考察了这些指数对于低温胁迫的响应模式及其冻害敏感性差异。所选取的指数包括MODIS-PRI(表征光合速率)、NDWI(表征冠层湿度),以及MERIS-MTCI(表征冠层叶绿素含量)、REP(红边位置)与LAI(叶面积指数)。结果显示PRI对于低温胁迫响应非常强烈,间接表明光合作用对于冻害敏感;油菜受冻之后NDWI呈现为异常上升的趋势,据此推测冻害导致了冠层失水;LAI对于冻害响应迟钝,其数值不仅降幅较小且低温过后迅速恢复;低温过程并未引起MERIS-MTCI与REP的降低或者削弱,推测冻害可能并未引起叶绿素水平的降低。低温显著地抑制了MTCI数值水平的上升,而REP几乎未受到低温的影响,引入红边波段构建的红边NDVI对于低温胁迫的敏感程度要低于标准NDVI。
  基于上述发现,本文选取MODIS-L1B级数据中对植被光合作用以及冠层湿度较为敏感的7个波段,在不同冻害等级的随机分层抽样样本的支持下,通过最佳指数(the optimalindex factor,OIF)分析方法筛选出其第5、11和12波段组合构建并且提出了新的冻害敏感植被指数MFISI(MODIS Freezing Injury Sensitive Index)。该指数能够同时响应植被的光合作用与冠层湿度参数,具有明确的生理学意义;且由于两种生理指标在遥感水平上对于冻害均敏感,新指数能够明确地展现冻害的影响,其数值的空间分布图具有丰富的地物细节信息;新指数在冻害灾情的预判以及冻害发展趋势的预测方面,其表现要优于广泛应用的NDVI。
[硕士论文] 王斌
水文学及水资源 长安大学 2017(学位年度)
摘要:干旱灾害作为影响区域水资源安全的主要因素,是全球范围内频繁发生的一种慢性自然灾害,它对社会生活和经济发展的影响之大、范围之广、持续之久、危害之深,超出了其他任何自然灾害,成为了影响世界发展的严重不稳定因素和影响国民经济可持续发展的瓶颈因素。特殊的地理条件和气候特征决定了我国是一个干旱及旱灾频繁发生的国家,干旱问题已成为我国社会经济可持续发展、水资源可持续利用和管理所面临的重大问题和难题。近年来受全球气候变化的影响,我国干旱事件出现的频率呈现增长趋势,且干旱程度日趋加剧,缺水矛盾凸显,严重制约了我国的社会经济和谐发展,并威胁国家安全。可见,当前阶段的干旱问题对国家发展的影响已远高于历史任何时期,其研究也到了刻不容缓的地步。有关干旱的话题,一直是近年来国际学术界研究的热点,其内容主要涉及干旱规律、干旱指标与评估、干旱预警和干旱管理等四个领域,部分成果已被推广于生产一线,对区域抗旱减灾起到了积极的作用。但由于旱灾本身的学科交叉性和复杂性,使得以往的研究成果在应用过程中还有很多有待研究和完善的地方,如干旱指标体系不完善、基础性研究不足、重预警轻应变、重应急轻防御、决策支持系统实用性不强等。
  鉴于此,针对上述研究在干旱管理领域存在的缺陷及不足,本文拟从区域抗旱实务的角度出发,对旱灾危机评估、预警和应对过程中存在的机制问题和实用性问题进行深入地探讨,并以陕西省泾惠渠灌区为例展开案例研究。具体过程如下:首先结合灌区的多水源供给模式,提出并构建了考虑灌区供需双侧的旱灾危机诊断指标体系;耦合多水源二元水循环模拟模型和滚动修正模式,建立了面向灌区的旱灾危机滚动预警机制,可结合未来降水概率和地面的土壤熵情变化,不间断地发布旱灾危机的警示信息;以此为基础,进一步构建了面向灌区抗旱的诊断-预警-决策框架体系,可结合多水源二元水循环模拟模型实现模拟预警和决策推演,同时基于历史旱情信息,构建了旱灾危机应对方案库,可实现对旱灾从诊断、预警到决策的全过程支持;最后,以泾惠渠灌区为案例区,进行验证计算,分析本研究所建立的多水源供给模式下的灌区旱灾诱发危机诊断与预警体系的合理性与实用性。具体研究内容和所得结论如下:
  (1)泾惠渠灌区现状及抗旱能力分析
  通过对泾惠渠灌区的现状调查,发现灌区降水量及径流量年际变化较大,年内分布不均,同时泾河旱涝兼存,灌区蒸发较为强烈;渠首引水量缩减且含沙量大,而灌区需水量却在逐年上升,地下水超采问题日益严重;灌区所在地区旱灾频发,同时面临着水资源严重不足、渠系工程年老失修、节水管理和灌溉技术不成熟、地下水超采及水污染问题并存等问题,抗旱压力大。
  (2)灌区旱灾危机诊断指标体系
  提出基于二元水循环理论的灌区旱灾危机诊断指标体系。该指标体系涵盖了灌区干旱状态和灌区抗旱能力(水源情势)的双重表征,可回答干旱过程中实时旱情和水情两个层面的问题。同时,体系将干旱状态指标D及抗旱能力指标S进行综合,构建了旱灾危机诊断指标DAI。透过该体系,决策者可实时掌握灌区的旱情发展、抗灾能力变化以及成灾的危机程度,即在准确反映灌区当前的旱情状态的情况下,进一步结合未来来水和当前决策方案,模拟灌区未来可能遭受的旱灾威胁。
  (3)多水源二元水循环模拟模型的实现
  诊断指标体系具有实时获取性,但是其阈值设定和预警机制则要求以二元水循环模型作为支撑。结合灌区的多水源供给模式,构建了泾河流域分布式水文模型和水资源配置模型相耦合的灌区引水模型,并与灌区地表水与地下水联合调配模型、墒情预测模型和灌区地下水均衡模型结合,建立了灌区多水源二元水循环模拟模型,以保证指标获取、预警与决策模拟功能的实现。校验结果表明,该模型可较好地模拟干旱事件演变过程中的灌区二元水循环过程,为合理利用地表水与地下水,发挥最大抗旱潜力,有效降低干旱成灾风险提供支持。
  (4)灌区滚动式旱灾危机预警机制及决策体系框架
  以多水源二元水循环模拟模型为基础,将灌区旱灾危机诊断体系与滚动预警机制和决策支持机制相融合,建立了灌区旱灾危机诊断-预警-决策框架体系。在滚动预警机制和决策模拟机制下,可实现对灌区旱灾危机的“预警—预决策—预决策效果分析—预决策修正—决策—预警”的全过程滚动式的旱灾预警及决策支持,弥补干旱演变过程中常规旱情评估体系对干旱应对过程支持的缺位问题。
  (5)实例验证分析
  以陕西省泾惠渠灌区2013-2014年的实测资料为基础,进行灌区旱灾危机预警及决策模拟,并以官方监测结果进行对比分析,验证旱灾危机诊断体系与应对机制的合理性。同时,与单因素指标降水量 SPI、土壤墒情指标进行同期验证,从侧面印证本研究所建立的旱灾预警体系的科学性与合理性。结果表明,本文建立的诊断与预警体系综合考虑了灌区干旱状态及水源情势等因素,从旱情与水情(即需和供)两个层面表征了干旱事件的发展走势,相对SPI和土壤墒情指标包含了更多有关抗旱能力的信息,故其对抗旱实践过程更具有指导意义。从比对结果看,旱灾危机诊断与预警体系是一个更加科学合理、综合完善的体系,并可通过该系统仿真模拟制定科学合理的抗旱预措施和应急措施,有效缓解灌区未来干旱旱情,具有较强的应用价值。
[硕士论文] 刘用
农业遥感与信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:区域汛期洪水预报一直是摆在水文工作者及科研者面前的一道难题,及时有效、精确地进行洪水预报对国家民生安全和经济发展都具有重要的意义。深入研究洪水形成的物理规律特性,探讨水文三要素即降雨、流量和水位与洪水形成的关系,发挥计算机、物理和地理信息等多学科交叉优势,将是洪水预报理论及方法技术突破的关键结合点。
  本研究基于浙江省重大科技专项重点社会发展项目—“星陆双基汛情监测与防汛减灾辅助分析系统研究与应用”的成果,围绕水文三要素展开了进一步的防汛抗洪辅助分析研究。主要研究内容和相关结论如下:
  (1)传统水文监测站点的降水数据精度高质量好,但由于站点数量有限,很难精确表征区域面雨量信息。卫星遥感降水数据可以大面积同步观测区域面雨量,但空间分辨率低,精度不高。本文采用地理加权回归算法,基于高空间分辨率的NDVI、DEM和LST等环境因子,将原始空间分辨率为25km的TRMM卫星遥感降水数据降尺度至1km,且多年平均TRMM值与地面站点实测数值的相关系数由降尺度前的0.64提高到降尺度后的0.77。
  (2)传统径流量的估算大都基于经验函数,很难从物理、水文等基础原理上来进行解释。本文采用SWAT分布式水分模型对曹娥江上游地区的新嵊流域开展径流模拟研究,经过参数敏感性排序分析和率定,验证期纳什效率系数ENs和确定性系数R2分别达到了0.847和0.901,完全符合模型精度要求。
  (3)引入模糊聚类算法,开展基于历史洪水数据的实时洪水水位模糊匹配研究。首先将研究区多年历史水文数据进行整编入库,建立一套标准化的历史水雨情数据库;基于降雨量、暴雨中心等相关洪水特征因子,采用模糊K-mean聚类算法对长时间系列历史暴雨信息进行挖掘分析。最后基于该聚类结果,为实时洪水水位的模糊匹配和辅助预报分析提供参考。
  (4)基于区域面雨量遥感估算、径流量模拟和历史数据挖掘等洪水辅助预报关键技术的研究,采用HTML5与GeoServer等主流开源技术,集成开发了一套基于WebGIS平台的防汛抗洪辅助分析决策系统。系统界面美观、功能实用且操作简单,为相关水文部门工作者开展防汛抗洪的辅助分析工作提供了极大方便。
[硕士论文] 黄路梅
地图学与地理信息系统 贵州师范大学 2017(学位年度)
摘要:农业旱灾脆弱性评价是农业生产系统中防旱抗灾的一个重要环节,已经在很多地区有所探索和实施。针对贵州省,虽然有局部地区在展开关于农业旱灾脆弱性评价的相关研究,但是目前还没有形成统一的旱灾脆弱性评价的理论和方法。
  本文分区评价通过构建关于农业旱灾脆弱性的层次分析法数据库模型,把农业旱灾脆弱性分为A(目标层)层,把敏感性因素和恢复力因素各分为 B1层和 B2层(准则层),把指标分为 C层,构建A(目标层)—C(指标层)的总排序矩阵并通过一致性检验计算出脆弱度数值。运用SPSS19.0软件利用K-均值聚类统计分析把脆弱度值等级划分为五个等级,利用 GIS软件做出基于脆弱度值的空间分布图。毕节市、遵义市、六盘水市在多个年份处于极重脆弱度区和重脆弱度区,主要与该地区旱地面积比重大,人均水资源量少,地表水资源量少,相对湿度大,农民人均纯收入少,农用水泵少,水利设施条件差有关,且与该地区岩溶地貌广育,土层薄,植被少,保水能力差,生态环境脆弱,抗旱能力小(自然地理的因素)有关。黔东南州、铜仁市和黔南州农业旱灾脆弱度与同时期其他地区相比较低,主要与该地区旱地面积比重较小,降水量较多,相对湿度较小,地表水资源量较多,人均水资源量较多,农民人均纯收入多,农用水泵多,水利设施条件好,抗旱能力强有关,与该地区非岩溶地貌多,植被好,土层相对较好,抗旱性好有关。极重脆弱度区面积比重与重脆弱度区面积比重之和在26.13%~43.59%,多数年份均为38.33%,比重大,表明从整体上看贵州省农业旱灾脆弱性严重。各等级脆弱度区面积比重差异很大,呈现“两头多,中间少”分布。
  综合性评价通过构建熵值—定量评价模型研究得出贵州连续12年的农业旱灾脆弱度特征值均为高值.脆弱度值均大于0.5,但各年份间脆弱度值也有一定的浮动,大致浮动在0.647附近,表明整体上看贵州省农业旱灾脆弱性严重。
  本文等级评定通过构建可变模糊—灰色关联分析模型,计算出4(人口占全省百分比、GDP占全省百分比、地表水资源量占全省百分比、喀斯特分布面积占各区百分比)个因素和样本综合评价级别特征值均值的灰色关系系数和关联度。4个因素都对贵州农业旱灾脆弱性具有一定的影响,但影响力不同,且4个因素在不同的地区可以有不同的组合方式,组合方式不同,对农业旱灾脆弱性的影响也不同。其中人口、GDP、地表水资源量占全省百分比是其决定因素,喀斯特的影响程度在减小。
[硕士论文] 高松阳
生态学 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:玉米是黑龙江省主要粮食作物之一,而干旱是黑龙江省玉米生产面临的最重要的气象灾害。本文以黑龙江省1965-2014年的降水量、最高气温等气象资料以及玉米产量数据为基础,通过数据整理,采用降水距平百分率、Mann-Kendall突变检验、标准化降水指数和相关性分析等方法研究黑龙江省近50年玉米生育期降水、高温等气候因子的变化规律,并探讨典型干旱年份降水、高温的变化特点及其与玉米相对气象产量的关系。以期为农业应对气候变化、作物布局结构调整和抗旱减灾提供参考。主要研究结果如下:
  (1)黑龙江省玉米产区较为严重的干旱灾害主要发生在20世纪70年代中期至80年代初以及21世纪初,特别是2000年以来连续且频繁的干旱对黑龙江省玉米生产造成了重大损失。
  (2)黑龙江省近50年玉米生长季降水量主要在400-500mm之间,平均值为434.8 mm,比较适宜玉米种植;西部地区是唯一低于全省平均值的区域,生长季降水量平均值仅402.6mm,区域内的齐齐哈尔、泰来、肇源、杜蒙和林甸等地甚至低于375 mm,不能满足玉米对水分的基本需求,属于特别干旱的地区,必须依靠灌溉来维持玉米正常的生长发育。降水距平百分率的结果显示,黑龙江省西部地区和三江平原地区玉米生长季降水量的年际变化较大,表明这些地区的降水很不稳定,容易发生水旱灾害。根据Mann-Kendall突变检验和标准化降水指数的模拟结果,黑龙江省降水在近50年中主要发生了两次突变,分别在20世纪80年代初和90年代中后期,且20世纪70年代至80年代初和本世纪初处于相对少雨的时期,这也与干旱灾害严重的时段吻合。对黑龙江省不同区域玉米生长季月均降水量变化趋势结合玉米需水规律的分析表明,黑龙江省玉米生长季降水分布规律与春玉米生育期需水规律大体一致;此外,黑龙江省中南部地区、北部地区和三江平原地区玉米缺水的时段主要集中在6月和7月,西部地区在整个玉米生长季都处于比较缺水的状态。
  (3)黑龙江省西部地区玉米在生育期期间面临较为严重的高温胁迫。1965-2014年黑龙江省各地区玉米生育期内日最高温度大于30℃积温(AT)多年平均值为7.4-58.6℃·d。其中黑龙江省西部地区AT普遍偏高,区域内的泰来县AT多年平均值高达58.6℃·d;另外齐齐哈尔、龙江、林甸和安达四个市县的玉米生育期AT多年平均值也超过40℃·d。黑龙江省日最高温度大于30℃天数(AD)分布情况与AT分布情况相似,省内最高值同样出现在西部地区的泰来县(26.5天),此外这一区域内的齐齐哈尔、林甸等地AD值也较高。
  (4)对典型干旱年份气候因子特征分析的结果表明,不仅少雨和高温会导致严重的干旱,即使在降水量充足的年份,降水分布的严重不均也会导致干旱的发生;当多种不利因素共同作用时,干旱造成的损失会更加严重。黑龙江省西部地区兼具高温少雨及降水不规律等易导致干旱的气象条件,所以也是我省干旱风险最高的地区。黑龙江省玉米产区的干旱主要表现为春旱或春夏连旱,主要发生在玉米生育前期,这一时段高温胁迫一般较轻,以降水对干旱的影响最为直接和显著。
[硕士论文] 王锦杰
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:水稻是重要粮食作物,随着全球气候变暖,水稻高温热害的发生愈加频繁。因此,监测、预警及抗热逆研究对实现水稻的稳产高产尤为重要。在尚无任何水稻高温热害大区域监测和评估研究的情况下,本文在前人研究成果的基础上,开展了水稻高温热害监测和评估模型研究。首先提取水稻种植区域并判别其是否在高温热害的关键期——抽穗开花期。同时利用卫星遥感数据反演逐日最高气温和平均气温,云覆盖区域则以相应站点处的气温数据插值后补充,生成“卫星—插值”气温时间序列数据。然后基于以上数据,依据水稻高温热害指标展开水稻高温热害监测和评估,对热害进行等级划分与统计。模型可在研究区域范围内,选择任意时段,对这段时间内正处于抽穗开花期水稻的高温受害情况进行监测和评估。主要研究结果如下:
  (1)利用经过S-G滤波的时间序列植被指数,较好的提取了江苏、安徽两省的水稻种植区域。江苏省种植水稻211.22万hm2,安徽省种植早稻和一季稻共203.04万hm2,与统计年鉴数据对比江苏、安徽两省整体偏差为8.2%。
  (2)水稻抽穗开花期识别采用常用的EVI最大值对应算法,利用经过HANTS滤波后的光滑时序EVI,较好的识别了江苏、安徽两省的水稻抽穗开花期;对比江苏、安徽两省共11组农业气象试验站实测数据,有8组数据在±4天以内。
  (3)最高气温反演过程中,对比了多元回归法和温度—植被指数法;平均气温反演过程中,对比了多元回归法和DTVX法。最终多元回归法在两个过程中精度都最高,因此最高气温和平均气温反演采用多元回归方程进行。
  (4)以2013年8月5日-8月12日持续高温时段为例,运用模型表明,在此阶段处于抽穗开花期并受灾的水稻面积为78.94万hm2,处于抽穗开花期但未受灾的面积仅0.71万hm2,由此可见,当年该时段的高温热害极为严重。
  (5)对2013年度全研究区抽穗开花期水稻高温热害监测与评估表明,江苏、安徽总受灾面积为247.96万hm2,未受灾面积为163.49万hm2,水稻受灾率达60.3%,可见,2013年水稻抽穗开花期高温热害极为严重。
[硕士论文] 吴越
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:水稻是我国重要的粮食作物,对于国家粮食安全稳定具有重要意义,但当前水稻面临着不同气象灾害的影响,尤其是高温热害。适宜播期的选择能有效地降低水稻遭受高温危害的程度,从而实现水稻的高产和稳产。因此,本文以两个高温指标(连续3d及以上最高气温(Tmax)≥35℃和均温(Tave)≥30℃)对江苏7个站点1966~2015年高温热害的情况进行时间和空间上的分析;继而基于2012和2013年两年的试验数据,分析播期对水稻生长发育及产量的影响,为适宜播期的选择提供理论上的支撑;在上述基础上,对原ORYZA2000模型进行光合、呼吸和穗干物质分配系数部分温度因子上的改进;最后,运用改进后的模型对南京和吴县东山两个高温发生比较严重的站点进行4个播期1966~2015年高温情况的模拟和评估,为适宜播期的选择提供参考。得到的主要结论如下:
  (1)1966~2015年间,江苏地区Tmax≥35℃和Tave≥30℃两个临界温度可能出现的时间基本都处在125~250d之间,其中175~225d之间Tmax≥35℃发生概率主要以低于Tave发生概率为主,并且除徐州站外,其余站点越接近210d,Tmax≥35℃发生概率与Tave≥30℃相差越大;过去50年水稻生长季内(4~10月)各月连续3d及以上Tmax≥35℃和Tave≥30℃的天数及积温的各月均值在同一站点的情况基本一致,最高值出现在7月;多年变化趋势整体以增温为主,但均温指标更明显。两个高温中心多年均处在江苏的西南部,并随着时间推移向东南方向移动,但最高气温对应的高温中心多年移动范围更大。
  (2)播期的差异造成了生育阶段与气象因子配置的不同。两个高温指标显示各播期受高温危害的程度基本一致。在水稻高温敏感阶段内,2012年第1播期出现1次轻度高温热害,2013年第2和3播期均出现1次重度,第4播期出现1次轻度;而抽穗开花期仅2013年第2和3播期出现连续7d的中度高温。而不同播期各生育阶段对应气象因子的差异又造成了生育阶段长度及产量的不同。相关分析结果表明,2012年和2013年前两个播期产量均与后三个播期产量差异达到显著性水平(p<0.05)。分析各生育阶段长度和产量与各阶段平均日最高气温、均温、降水和辐射的关系发现,与温度因子的关系相对最紧密,尤其是平均日最高气温。
  (3)调整最大光合速率与温度的关系,改进呼吸速率计算过程中的叶温和穗温,同时对穗干物质分配系数进行高温订正,以此对模型进行改进,并分别对改进前后模型的模拟结果与实际值进行比较。相比改进前,改进后模型模拟穗生物量、绿叶生物量、枯叶生物量、LAI和产量与实测值的均方根误差(RMSE)和归一化均方根误差(NRMSE)都有所减小,其中产量和穗生物量的NRMSE减小较为明显,分别减小和2.23%和1.83%;而从模拟值和实测值的1∶1图来看,改进后模型对2013年地上部分总生物量的模拟效果有所提高,模拟值和实测值的线性回归系数更接近1。运用改进后的模型分别对南京和吴县东山两个站点1966~2015年120d、130d、140d和151d四个播期在实际气象条件和常年气象条件下的产量进行模拟。从整个50年高温对产量的影响来看,两个站点均表现为120d播期受高温影响造成的减产年份最多,产量减少总体最明显;而151d播期产量变化率波动最小,且减产都不明显,因此,认为选择151d左右作为这两个站点的播期更有利于获得产量的稳定。
[硕士论文] 谢晓燕
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:苏皖两省作为长江中下游稻区一季稻的主要产出省,在一季稻关键生长时期,常受到高温热害的危害。本文基于1961-2015年气象数据及1993-2013年生育期数据,根据高温热害等级指标,通过提取苏皖地区一季稻孕穗-抽穗期高温热害发生的站次比及高温热害发生频率,分析该区域内高温热害时空分布规律及周期变化特征。通过各台站高温热害发生次数构建高温热害危险性模型;以各市县一季稻种植面积与耕地面积之比作为暴露性评价指标;利用水稻生长模型ORYZA2000,模拟了一季稻实际产量和常年产量,通过减产率变异系数,构建承灾体脆弱性模型;通过农民人均纯收入、农业机械总动力及农业化肥施用量作为一季稻防灾减灾评估模型因子。通过构建高温热害“四因子”模型,基于ArcGIS平台,将其分为低值区、次低值区、次高值区和高值区,对苏皖地区进行高温热害风险区划。主要结论如下:
  (1)55年来,苏皖地区一季稻孕穗-抽穗期内不同等级高温热害发生的影响范围大小表现为轻度>中度>重度。苏皖地区高温热害存在周期波动特征,以13a时间尺度为其第一主周期。不同等级高温热害发生频率及高温热害发生平均日数总体呈由西南向东北方向逐级递减,低值区位于江苏沿海地区。进入21世纪后,苏皖地区一季稻孕穗-抽穗期高温热害发生更加频繁。
  (2)一季稻在苏皖地区具有一定的暴露性,高温热害危险性、脆弱性由沿海向内陆逐渐增加,而防灾减灾能力则表现相反的趋势。
  (3)一季稻高温热害风险由沿海地区向内陆逐渐增加,不同等级风险区域具有连续性与成片性。风险高值区和次高值区主要位于安徽西部、西南部分地区及安徽南部,风险次低值区主要位于安徽中部、东部地区及江苏西部区域,低值区主要位于江苏省内。
[硕士论文] 许佳琦
生态学 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:干旱不仅对自然生态环境的平衡造成影响,而且对我国的农业生产造成严重影响,是制约我国农业发展因素之一。传统的干旱监测研究方法虽然真实性较高,但具有区域局限性,无法精确地反映大范围空间连续性的区域干旱状况。遥感技术具有及时、经济、覆盖范围广、连续性等特点,为干旱监测提供新的途径,已成为区域干旱监测研究的重要手段。因此,利用遥感技术优势,对大范围区域干旱进行研究具有现实意义。
  以8年的MODIS遥感数据,以及5年的FY-3A遥感数据,作为本研究的数据源,针对近年来黑龙江频繁出现的干旱,采用前人改进的特征空间法,实现干旱的监测,对改进前后特征空间法监测结果,进行评价和检验,形成以下结论:
  (1)以2000~2008年的5月25日至6月9日为分析时间段,获取8年该时间段的MODIS数据,提取每年该时段Ts-NDVI特征空间的干、湿边地表温度,依据提取结果,对Ts-NDVI特征空间改进合成。合成后的特征空间,称之为通用Ts-NDVI特征空间,其具有三角形分布特征,其干、湿边的地表温度边界相对平滑清晰,极大改善原有特征空间监测的不稳定性,同时,有效的提高了监测精确度。
  (2)将两种特征空间的VTCI值与10cm、20cm土壤相对湿度进行相关性分析,表明两种特征空间的VTCI值与10cm、20cm土壤相对湿度均存在正相关关系,多数年份的相关性系数在0.001~0.05之间,而且,与10cm土壤相对湿度的相关性更好,表明Ts-NDVI特征空间的VTCI能比较客观地反映土壤相对湿度,并且对浅层土壤相对湿度反映更敏感。同时,通用Ts-NDVI特征空间与10cm、20cm土壤相对湿度的相关性好于单一时段Ts-NDVI特征空间,其监测结果更接近10cm土壤相对湿度监测结果。
  (3)本文实现了基于FY-3A/VIRR数据合成通用Ts-NDVI特征空间,并对监测结果进行评价和检验。结果表明:10cm土壤相对湿度与通用Ts-NDVI特征空间和单一时段Ts-NDVI特征空间的相关性系数分别为0.294和0.136,前者通过了0.1的显著性检验,后者没有通过显著性检验;降水量与通用Ts-NDVI特征空间和单一时段Ts-NDVI特征空间的相关性系数分别为0.252和0.151,前者通过了0.05的显著性检验,后者没有通过显著性检验。由此可见,基于FY-3A/VIRR数据的通用Ts-NDVI特征空间监测结果优于单一时段的Ts-NDVI特征空间监测结果,表明基于FY-3A/VIRR数据的通用Ts-NDVI特征空间方法可以用于黑龙江省干旱监测。
[硕士论文] 周立威
农业资源利用 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:针对黑龙江省玉米作物低温冷害的相关问题,本文利用1960-2009年50年间黑龙江省十五个玉米农业气象观测站点的5-9月温度数据、1960-2009年50年间黑龙江江省的玉米产量数据,并基于5-9月平均气温之和(T5-9)前提下的冷害指标T5-9的距平值(△T5-9),对玉米低温冷害进行判别和分类。采用趋势性分析、变异系数、ArcGIS空间插值分析方法,得出黑龙江省玉米一般低温冷害和严重低温冷害的时空分布特征,运用SPSS相关性分析、Mann-Kendall突变性检验,分析黑龙江省玉米低温冷害对玉米产量的影响。
  本研究主要内容包括:⑴1960-2009年间黑龙江省玉米作物低温冷害的发生随时间呈减少态势,上世纪60年代和70年代温度整体偏低,且波动较大不稳定,低温冷害屡次发生,对农作物的影响较大。80年代依然有温度波动但幅度明显小很多,期间有几次较严重的低温冷害年,但整体频次有所下降。进入1990年后玉米低温冷害发生的次数、危害程度均呈降低和减轻的态势。2000-2009年间有且只有黑龙江省勃利县发生过一次一般低温冷害。⑵上世纪70年代黑龙江省玉米种植区热量资源变化不稳定,冷害的风险最大。空间上,东部冷害的风险性明显高于西部,南部地区冷害风险性最小。进入21世纪后温度波动时有发生,冷害风险依然存在,尽管全球持续升温,但低温冷害的防御工作依然必不可少。⑶1960-2009年这50年间,各地区在不同年代一般和严重低温冷害发生的频率总体呈减少趋势。时间上,前40年一般低温冷害较后10年严重,前30年严重低温冷害较后20年严重。60年代一般低温冷害出现次数最多,受灾面积最广,危害性最强,70年代次之,而严重低温冷害在这20年屡次出现。从空间整体性来说,发生一般低温冷害频率最高的是东部区域,南部和北部区域频率相对较低。严重低温冷害于东南西北四个方向均数次显现,东部和诬南地域较少发生严重低温冷害。特别指出,在这50年间,五常市多次出现严重低温冷害且频率波动较大,却未见一般冷害的发生。冷害具有区域性和群发性特点。部分区域在某些时期低温冷害呈增长趋向。⑷研究区73%的站点的玉米生育期的平均温度与玉米实际单产存在显著的相关关系,温度突变年份与玉米的单位面积产量明显下降年份基本一致,表明低温可以引起玉米减产。⑸积极应对黑龙江省玉米低温冷害,选择适应性较好的耐寒品种。做到预防与监测相结合,提早预报,尽早完成保温工作。结合区域受灾情况,调整农业结构和改进作物品种布局。提高玉米种植的抗低温技术,科学灌溉与施肥,必要时人工授粉,减少低温对玉米产量的影响。
[硕士论文] 庞鑫
测绘科学与技术 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:农业干旱是由于水分供应不平衡造成土壤缺水,影响农作物的生长发育,直接导致粮食减产,严重时影响粮食安全和社会稳定。干旱季节容易诱发各种其他自然灾害,如森林火灾、蝗灾、农作物减产、水资源短缺、土地沙漠化、地下水位下降等。准确监测农业干旱,长期以来都是学者们关注的重点,研究并掌握其发展特征是国家预防农业干旱及其他灾情发生的重中之重。本文在传统农业干旱监测及遥感干旱监测模型基础上,对地表温度(Land Surface Temperature,LST)进行数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和纬度校正得到修正后的LST,结合归一化植被指数(Normalized Difference VegetationIndex,NDVI)初步构建温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)模型;在此基础上进行拟合干边改进,形成具有区域特色的山西省农业干旱TVDI遥感监测模型。将其应用于研究区,得到1984-2016年山西省农业干旱监测结果,探讨并分析研究区33年间的干旱特征和演变特征,以及农业干旱动态变化与气候变化之间的响应。
  通过研究,得到以下主要结论:
  1.与改进前的模型相比,改进后的TVDI模型不仅修正了地区之间由于纬度差异带来的干旱监测误差,而且对提高高海拔地区的农业干旱监测精度效果显著。
  2.山西省农业干旱总体上呈减缓趋势,历年均有干旱发生,旱情由西到北呈现无旱到轻旱再到中旱的垂直分带现象;全省农业干旱普遍态势表现为2-4月北部重旱,其余地区轻旱或无旱,5-9旱情减缓,10月-次年1月区域内大部地区为轻旱或中旱;全省季际旱情除春季旱情呈现加重趋势外,其余三季均呈现出减缓趋势。
  3.1984-2016年间,山西省农业干旱的空间空间分布特征为:中旱或重旱区由西北部蔓延至西部,再到东部和中部,最后到西北地区;轻旱区由中部蔓延至中部和东部,最后到除中旱或重旱区的大多数区域。无旱区以运城大部为主,夏季面积达到最大。秋季旱情与DEM高程分布呈现出显著相关。
  4.分析TVDI与温度、降水的关系发现:年均TVDI与温度相关性不显著,正、负相关关系面积比例均衡,分别占全省总面积的57.3%和43.7%,相关系数绝对值东部高于西部;全省大部年均TVDI与降水呈现显著负相关关系,研究区内79%以上区域呈现负相关,60%以上范围相关系数绝对值达到0.5以上,且以吕梁山为界,东部相关性高于西部。
[硕士论文] 姜贯杨
农业信息化 安徽农业大学 2017(学位年度)
摘要:中国是一个传统的农业种植大国,耕地面积大约有1.35亿公顷。然而由于水资源的相对匮乏,使得作物旱情问题一直困扰着农民和农业科技工作者。每年由于旱灾给各地带来数以亿计的作物损失,有些相对落后的地区受灾更为严重,甚至造成作物绝收,严重制约各区域的经济发展和社会稳定。因此,对于作物旱情监测预警的研究显得尤为刻不容缓,在现代农业生产中将会发挥重要作用,具有重要的经济价值和社会价值。
  本文依托安徽省科技攻关项目,设计开发大田作物旱情监测与预警系统。该系统主要利用SSH框架技术,采用B/S架构,使用Eclipse开发工具进行程序设计,SQL Server2008进行数据库设计,实现五大功能模块,包括土壤水分监测、作物水分监测、旱情监测预警、系统管理和系统说明。
  本文的主要研究内容和成果如下:
  1、结合安徽省农业发展的实际情况和用户实际需要对系统的整体功能需求和非功能需求展开分析,确定土壤水分监测、作物水分监测、旱情监测预警、系统管理和系统说明五个功能模块。
  2、确定系统开发采用的技术方案,进行系统整体的架构设计。对每个模块进行详细的功能设计,画出结构设计图和功能类图,列举部分功能运行的时序图。对系统需要使用的数据库表结构进行详细的设计。
  3、完成大田作物旱情监测和预警系统的开发,初步实现了土壤水分监测、作物水分监测和旱情监测预警等功能。
[硕士论文] 张礼春
生态学 石河子大学 2017(学位年度)
摘要:授粉受精和果实发育是林果生产过程中最为关注的核心问题,它们是果树形成产量和品质的决定因素。南疆享有得天独厚的光热资源,孕育了众多特色林果产业,近年来,已成为我国乃至世界重要的优质红枣生产基地,面积已占全国1/3以上。然而,该地区风沙活动频繁,是目前枣树生产中主要的自然灾害之一。风沙对枣树授粉受精和果实发育是否产生危害?危害的原因和风沙特征是什么?目前很少有研究。因此,本文以南疆枣树主栽区和田皮—墨垦区的骏枣(Z. jujuba Mill. cv. Junzao)为研究对象,根据园中风沙强度趋势,选择4个试验区,对不同特征风沙影响枣树授粉受精和果实发育的方式和程度进行调查观测。由此分析风沙对南疆枣树授粉受精和果实发育的主要影响机理,为南疆红枣产业发展及防护林建设提供理论参考依据具有重要的意义。主要研究结论如下:
  1)研究区枣树生长季,每次风沙事件旷野2m高处10min平均风速都超过临界起沙风速(5m/s),表明存在就地起沙现象;风速正面经过枣园第一道防护林后,迅速降低,在枣园中随着远离防护林风速逐渐增大,而降尘量一直呈持续下降趋势,表明枣园第一道防护林起到重要的防风沙作用。
  2)通过对比No.1和No.3不同强度的风沙事件对枣树授粉特性的影响,表明枣树的花粉活性和柱头可授性对风速和降尘极为敏感,进而导致低的花粉原位萌发;其中,降尘对枣树花粉活性的影响比风速更大;风速和降尘对枣树柱头可授性的影响程度相当。
  3)枣树鲜花掉落与风沙持续时间、最大风速和极大风速呈极显著的正相关;柱头膨大与风沙持续时间、最大风速、极大风速、降尘量、平均温度呈极显著负相关,与风沙发生时间呈极显著正相关;分别通过对枣树鲜花的掉落和柱头的膨大与各主要相关气象要素的逐步回归,表明以落鲜花率为因变量,风沙持续时间和极大风速为自变量,构建的二元线性模型能够解释风速对枣树鲜花掉落影响的77.9%;以柱头膨大率为因变量,其中5个风沙气象要素(持续时间、极大风速、降尘量、平均温度和平均相对湿度)为自变量,成立的线性回归方程能够解释风沙对枣树柱头膨大影响的82.2%。
  4)通过对比分析枣园各区不同时期的坐果,表明风速、降尘对坐果都有较大的影响;风速有利于花期提前坐果,但容易引起迅速生长期的果实落果;降尘延后坐果时间,对落果的影响较弱。
  5)通过分析对比枣园各区果实生长发育状况,表明果实迅速生长期果皮受伤程度与平均风速呈显著正相关,裂果与平均风速具有显著正相关性,所以风速是引起果实迅速生长期果皮损伤和果实白熟前期裂果的主要原因。
  综上所述,风沙对枣树授粉受精和果实发育产生严重危害;枣树花粉活性和柱头可授性对风速和降尘极为敏感,风速对落花、落果、果皮损伤和白熟前期的裂果有极大的影响;在枣园防护林体系建设中,要考虑控制就地沙源;根据当地枣树生长季风沙气候特征,以枣树对风沙最为敏感的花果期为依据设计防护林林带间距,使得生产经济效益达到最佳。
[硕士论文] 张浩杰
农业水土工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:明确干旱的发展趋势对指导农业生产具有重要意义。本文在对比分析各类干旱指数的基础上,选择空间适用性强的自校准帕默尔干旱指数作为干旱分析指标。以中国659个气象站点1951-2012年的降水、温度、土壤有效持水量等数据为基础,应用自校准帕默尔旱度模式计算出各个站点的帕默尔干旱指数值,选择ArcGIS空间插值、Morlet小波等方法全面分析中国降水、温度以及干旱的时空变化,旨在为全国以及各个地区防旱、抗旱与干旱预测提供参考依据。获得的主要结果如下:
  (1)全国降水量除西北地区外主要呈减少趋势,温度呈上升趋势。全国平均降水量在20世纪50年代到20世纪60年代呈现下降趋势,在60年代中期到21世纪初下降趋势缓慢。降水量年代变化空间差异显著,西北大部分地区的降水量在近60年呈现明显的增加趋势;东北地区的降水量有着明显的年代变化特征,在20世纪80年代以前呈现明显的减少趋势,80年代到90年代呈现增加趋势,21世纪前十年又显著减小;西北地区东部与华北部分地区的降水量在近60年主要呈现减小趋势。北方大部分地区温度上升幅度较大,而南方大部分地区温度变化不明显。
  (2)从时间尺度来看,干旱呈增强趋势,且存在多个时间尺度的周期震荡。全国干旱强度呈增强趋势,其中20世纪50年代比较湿润,60年代到90年代干湿交替出现,从90年代中期开始呈现出明显的变干趋势,且干旱范围大大增加,中旱与重旱的变化趋势与轻旱基本一致。年与四季干旱的小波周期振荡在4、7、11、15、28a左右的时间尺度上比较显著。太阳黑子活动存在11a的海尔(磁)准周期,说明年SC-PDSI指数受太阳活动的影响强烈。此外,4a左右的震荡周期与大气环流2-4a周期、厄尔尼诺2-7a出现一次的周期相符,表明SC-PDSI指标除受太阳活动影响外,还受大气环流和厄尔尼诺事件的影响。
  (3)全国干旱空间差异显著。干旱频率主要集中在33%~50%之间,夏秋两季的干旱频率略高于春冬两季。干旱强度空间分布与干旱频率基本一致,说明干旱越频发的地方其干旱强度越大。近60年来,西北大部分地区以及西藏部分地区有变湿趋势,东北地区、华中以及南方大部分地区有明显的变干趋势。
  (4)降水量与PDSI呈正相关关系,温度与PDSI呈负相关关系。在时间尺度上,20世纪90年代以前PDSI与降水的相关性较好,在90年代以后PDSI与温度的相关性较好,这说明20世纪90年代初温度的突然升高是导致干旱增大的主要因素。在空间尺度上,降水量与PDSI有着很好的相关关系,说明在全国大部分地区降水量对干旱的变化影响显著;在东北、华北等地随着温度的升高干旱逐渐增强,说明在温度对PDSI影响显著。
[硕士论文] 成威
生态学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:宁夏是中国酿酒葡萄生产最佳生态区之一。但由于宁夏的地形及特殊的地理位置,再加上冬季寒潮影响,使葡萄安全越冬受到了一定的威胁,通过研究建立酿酒葡萄综合冻害指数以及对宁夏酿酒葡萄冻害进行风险区划对该区域酿酒葡萄的种植与管理有很强的现实意义,并为促进宁夏酿酒葡萄的发展提供理论基础与指导。本文选取冬季极端最低气温、降温持续的时间、平均最低气温等气象因子作为酿酒葡萄越冬期冻害气象指标。并运用主分量分析方法计算得到酿酒葡萄综合冻害指数,然后采用线性回归、Mann-Kendall检验以及Morlet小波分析方法对综合冻害指标进行分析,最后依据自然灾害风险理论,从孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、承灾体脆弱性及防灾减灾能力四个方面进行分析,最后对宁夏酿酒葡萄越冬期冻害风险开展评估和区划,并结合2015-2016年度在宁夏永宁县闽宁镇玉泉营葡萄基地和原隆村开展的酿酒葡萄冻害实验结果加以讨论,得到如下结论:
  1.冻害指数越低,酿酒葡萄发生冻害越严重。分析确定了0为宁夏酿酒葡萄冻害的临界指标。近55a以来葡萄冻害指数有一定上升趋势,综合冻害指数年代际变化以25~30a的周期信号明显,年代变化上在5a和10-15a的周期信号上也较明显。
  2.永宁县冻害实验地点的气温与地温之间存在显著性水平的相关。试验结果表明,为确保宁夏酿酒葡萄安全越冬,必须要使下架葡萄的覆土深度大于40cm,使根系区域的地温大于-5℃。
  3.宁夏的西吉县中部、盐池县、陶乐县、固原市原州区、惠农县和平罗县的部分地区属于综合冻害高风险以及次高风险区域;宁夏北部地区的永宁县、银川市郊区、贺兰县、灵武市,宁夏中部地区的中卫和同心的东部,宁夏南部地区的彭阳和泾源部分地区处于综合冻害中级风险区;宁夏其余地区处于低和次低级别的风险区,并主要集中在宁夏中部地区。评估与区划结果表明:宁夏酿酒葡萄越冬期冻害风险评估模型比较客观,较全面地反映出该区域的冻害风险水平。
[硕士论文] 熊宇
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,我国设施栽培面积迅速增加,寡照已经成为设施蔬菜生产中最为严重的气象灾害之一。关于寡照灾害对设施黄瓜的影响,前人多是利用人工气候箱,研究寡照对苗期叶片光合作用和叶绿素荧光特性等参数的影响,而关于持续寡照天气的影响,尤其是对黄瓜花果期的生长、果实产量和品质影响研究较少。
  本研究以黄瓜“德瑞特L108”为试材,设计不同寡照程度(遮阴60%、40%、20%)和不同寡照日数(寡照1、3、5、7、9d)及正常光照条件下的恢复处理试验,研究寡照对日光温室花果期黄瓜光合特性、抗氧化酶活性、生长特性、果实产量和品质的影响;利用辐热积(TEP)和温光效应(LTF)指标,构建了基于温光的黄瓜植株生长、干物质、及产量模拟模型,确定了设施黄瓜花果期寡照灾害等级指标。
  (1)寡照导致黄瓜叶片的比叶重减小,叶片变薄;叶片的净光合速率、光饱和点、最大净光合速率以及表观量子效率均有不同程度的降低,寡照程度越强,寡照持续日数越长,叶片净光合速率越小。寡照持续日数小于7d恢复正常光照9d,黄瓜植株气孔限制值、净光合速率、叶片光合能力等可恢复至正常水平;持续寡照7d与对照相比,叶片净光合速率下降55.2%,气孔限制值增加44.6%,且黄瓜植株相关生理参数经过9d不能恢复至正常水平。
  (2)寡照导致黄瓜叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物歧化酶(POD)活性升高,过氧化氢酶(CAT)活性下降,而丙二醛(MDA)含量持续增加,增加幅度随着寡照程度增强和寡照日数的延长而增大。恢复正常光照条件后,寡照小于7d的黄瓜叶片SOD、POD和CAT活性很快恢复到正常水平,MDA含量持续下降。持续寡照7d的黄瓜叶片与对照相比SOD活性升高42.6%,MDA含量增加90.1%,经过9d仍分别比对照高7.8%和60.5%,各项指标短时间内难以恢复到正常水平。
  (3)与对照相比,持续寡照下黄瓜植株的株高、茎粗、单株叶面积、地上部分干鲜重、地下部分干鲜重增长率均减小,而比叶面积增加;寡照程度越强,寡照持续日数越长,下降幅度越大。恢复正常光照后,黄瓜植株的株高、茎粗、单株叶面积增长率均逐渐增加,比叶面积逐渐减小。寡照日数小于7d,黄瓜植株的株高、茎粗、叶面积等的增长率均能在9d内恢复至正常水平;持续寡照7d的黄瓜植株与CK相比,株高和茎粗分别下降了8.1%和9.6%,比叶面积增加了49.9%,且经过9d恢复期后各项生长指标生长率仍不能恢复到正常水平。
  (4)寡照影响黄瓜果实的生长,持续寡照条件下黄瓜果长和果径的增长率比对照均有不同程度的降低,且寡照持续日数越长,果长和果径的生长率越小。寡照9d与对照相比,黄瓜含水量、维生素C、花青素、可溶性糖的含量分别下降了1.4%、54.0%、42.0%和42.6%,有机酸含量升高了32.5%,果实营养品质显著降低。从外观品质来看次果比例显著增加,寡照日数越长,坏果率越大。同时,寡照还使黄瓜单果重减小,产量下降;且寡照程度越强,持续日数越长,产量越小。
  (5)引用寡照胁迫系数,利用TEP法建立的模拟模型精度次于LTF法度,对黄瓜植株干物质生产的模拟优于对干物质分配的模拟(其中,对地下部分的模拟效果较差),对叶面积的模拟最稳定。研究利用层次分析法确定权重,建立了设施黄瓜花果期产量模拟模型,并且计算了设施黄瓜花果期寡照胁迫指数,根据寡照胁迫指数大小将设施黄瓜寡照等级划分为轻、中、重三个等级。研究结果可为设施黄瓜遭受寡照灾害时定量评估灾害损失提供理论依据和技术支持。
[硕士论文] 陈德
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:研究表明,低温冷害仍然是影响东北地区单季稻生长发育和产量的主要农业气象灾害之一。全球气候变暖已经成为共识,在这样的背景下,2000-2010年东北地区水稻延迟型冷害和障碍型冷害总体呈现下降趋势,但是随着种植格局改变水稻生产遭受低温冷害的风险仍然存在,极端低温事件也时有发生。为此,有必要深入研究如何快速有效地监测东北地区水稻低温冷害的发生情况以及如何评估冷害对水稻产量的影响。本文将从遥感监测和模型模拟两个方面着手,重点针对东北稻区延迟型冷害提出监测方案,同时在模型改进的基础上,建立障碍型冷害影响评估方法。首先,分析低温冷害影响下稻田的光谱特征,构建用于表征生育期延迟的CVI指标变量;选用2001-2015年MODIS光谱反射率产品,提取东北地区水稻种植区并识别水稻关键生育期;基于CVI指标变量构建延迟型冷害遥感监测指标体系,实现遥感监测。然后,以ORYZA2000作物模型为蓝本,耦合基于气象指标的水稻低温冷害监测模块和产量要素模拟模块(包括茎蘖动态、空壳率、秕谷率、千粒重),并利用东北地区水稻大田试验资料,改进ORYZA2000模型生育期模块;根据东北地区34个农业气象观测站2001-2014年水稻观测资料和同期气象数据,实现低温冷害监测和产量损失评估。
  本文主要的研究成果如下:
  1.水稻移栽至抽穗开花期EVI指数逐渐增大,最大EVI出现在抽穗开花期,抽穗开花期后EVI指数逐渐减小。在移栽至抽穗开花期,低温导致水稻发育进程受阻,EVI指数增长速率减小,抽穗开花期推迟;在抽穗开花至成熟期,低温导致植株自然衰败进程放缓甚至停滞,EVI指数的下降速率减小,水稻出现“贪青”,成熟期推迟。EVI指数的变化率可以反映水稻生育期是否提前或延迟。
  2.以CVI指数表示水稻移栽至抽穗开花期(TF阶段)EVI指数平均变化率。基于多时相MODIS遥感数据识别东北地区水稻移栽期和抽穗开花期,并计算CVI指数。统计TF阶段不同持续天数下的CVI变化,结果显示:随着生育期天数的延长,CVI指数呈减小的趋势,CVI指数越小,TF阶段生育期出现延迟的可能性越大;生育期天数相同时,CVI指数存在一个变化范围,并且CVI指数相同时,也可能对应不同的生育期天数。
  3.水稻延迟性冷害遥感监测结果显示,三江平原东北部,松嫩平原东部,辽河平原西南部及长白山地区延迟型冷害发生概率较大,重度延迟的发生比例大于轻度和中度延迟;松花江中游地区、松嫩平原西南部、西流松花江及辽河平原中北部地区延迟型冷害发生概率较小。延迟型冷害较重的年份有2003年、2006年和2007年,2009年后延迟型冷害发生比例呈减小的趋势。
  4.为提高模型生育期模拟精度,采用了如下方法:1)引入Beta方程作为温度响应函数;2)在模拟不同生育阶段时使用不同的三基点温度阈值;(3)采用全局优化算法修正模型参数。在ORYZA2000中耦合低温冷害监测模块和产量形成要素模块,使模型不仅能实现对延迟型冷害、障碍型冷害的监测,还可以评估冷害对水稻产量的影响。
  5.基于水稻生育期遥感识别结果和稻田光谱观测资料,分析延迟型冷害植被指数特征,构建遥感监测指标体系,可以避免采用遥感反演地表温度再套用气象监测指标带来的不确定性。模型监测方案不但将气象指标和改进的ORYZA2000模型结合,还将水稻产量形成要素模拟与低温冷害监测相结合,可以获取比较精确的灾害监测和产量减损数据。
[硕士论文] 王国强
地理学·自然地理学 西北师范大学 2017(学位年度)
摘要:干旱是世界上广为分布的自然灾害,对农业系统的影响最为明显也最为直接。处于干旱半干旱敏感区和脆弱带的黄土高原作为我国主要的旱作农业实践区域,因其所处特殊的地理位置和独特的气候特征,使得对该地区农业干旱的研究已刻不容缓。本研究选取1961-2015年黄土高原及其周边地区共计85个气象站点的数据,将玉米不同生育阶段需水量引入标准化降水蒸散指数(SPEI)中构造了新的玉米干旱评估指标—标准化降水作物需水指数(SPRI),在评价了新指标适用性的基础上,对近55a来黄土高原地区玉米干旱的时空变化特征进行了分析并探讨了其与大尺度气候因子的关系,最后确定了黄土高原地区的玉米干旱风险区划。
  本研究主要内容包括:⑴使用K-S检验对SPRI进行的概率分布拟合优度检验,及与SPEI指数的对比结果显示,在玉米生育期各时间尺度下和空间范围内SPRI均具有较好的拟合优度。从定性和定量两个方面进行的农业干旱适用性评价表明,该指数能够反映研究区旱灾程度且可以较好地表征该地区玉米生育期的干旱特征。综合可知SPRI指数在黄土高原玉米干旱监测中具有较好的适用性。⑵近55a以来黄土高原地区玉米不同生育期SPRI指数均呈下降趋势,即呈干旱化趋势,且各生育期不同区域干旱化趋势不同,在三个生育期鄂尔多斯高原区干旱化趋势均为最强。基于R/S分析法计算的Hurst指数结果表明,近55a以来各生育期SPRI指数均存在明显的赫斯特现象,即黄土高原地区玉米各生育期未来干旱变化趋势延续过去变化趋势的可能性很大。⑶使用Mann-Kendall和滑动t检验对各生育期SPRI指数进行突变检验,结果显示1992年是黄土高原地区玉米生育前期干湿变化的突变点;孕穗—灌浆期无显著突变年份;全育期干湿的突变点是1986年。近55a黄土高原地区玉米各生育期干湿变化的周期性结果显示:生育前期存在两个主周期,其中6.5a为第一主周期,3.8a为第二主周期;孕穗—灌浆期也存在两个主周期,3.1a为第一主周期,4.7a为第二主周期;全育期仅一个主周期为3.0a。⑷SPRI指数与太阳黑子数、厄尔尼诺-南方涛动指数(MEI)、太平洋年代际涛动(PDO)及东亚夏季风指数(EASMI)的交叉小波变换表明,SPRI指数与各气候指数均有显著的相关性,显著性检验结果贯穿整个研究时域,而且SPRI与各气候因子随时域与频域的变化特征和共振都能够清晰地反映出来。⑸黄土高原地区玉米生育前期干旱综合风险总体呈自东南向西北先增加后减小趋势;孕穗—灌浆期干旱综合风险总体呈自东向西递增趋势;全育期干旱综合风险呈自东南向西北递增趋势。此外,陇中—宁夏黄土高原区以及鄂尔多斯高原在玉米各生育阶段始终为干旱综合风险高值区,山西南部黄土高原区为干旱综合风险低值区。其他地区不同生育期干旱发生综合风险不同,山西北部黄土高原区随着生育进程干旱综合风险变化较大。
[硕士论文] 唐敏
地理学·自然地理学 西北师范大学 2017(学位年度)
摘要:霜冻作为一种用温度来表征的农业气象灾害,是我国主要的农业气象灾害之一,对我国粮食产量有着较大的影响。而淮河流域作为我国重要的小麦主产区,了解并掌握霜冻指数在该区域的时空分布、变化规律及成因对农业部门防灾减灾、提高农民经济收入和保障国家粮食稳产、高产、安全具有重大的意义。本文基于淮河流域1960-2015年61个气象站点逐日地面0cm日最低气温,采用逐步二次回归模型、Mann-Kendall突变检验、滑动t检验、累积距平和小波分析等方法分析了近56a淮河流域初霜日、终霜日和无霜期的时空变化特征、突变及周期状况,同时从太阳活动、环流指数和气候变暖等3个方面分析其对初霜日、终霜日和无霜期的影响,而后分析了不同等级霜冻频率和强度的晚霜冻害,在ArcGIS9.3中作出晚霜冻害的危险性区划。
  本研究主要内容包括:⑴近56a淮河流域平均初霜日期以2.22d/10a(p<0.001)的速率呈现推迟的趋势,平均终霜日期以2.39d/10a(p<0.001)的速率呈提前的趋势,平均无霜期以4.49d/10a(p<0.001)的速率呈延长的趋势,其中1990s初霜日推迟、终霜日提前、无霜期延长最为显著。空间分布上,初霜日呈现南迟北早,山区早平原迟分布规律;终霜日表现为西南早东北迟,山区迟平原早的分布规律;无霜期呈西南至东北逐渐减少,平原长、山区短的规律分布。⑵通过MK突变检验、累积距平和滑动t检验法分析了三种霜冻指标的突变状况,得出初霜日期在1998年发生突变、终霜日期在1995年、无霜期在1998年发生突变。同时,通过小波分析法分析其周期的变化特征,初霜日期存在2-6a的振荡周期;终霜日期和无霜期存在2-4a的振荡周期。纬度对淮河流域的初霜日、终霜日和无霜期影响较显著;初霜日、终霜日和无霜期随纬度的上升分别以-0.44d/0.1°(p<0.001)、0.49d/0.1°(p<0.001)和-0.93d/0.1°(p<0.001)的速率不断提前、推迟和缩短。⑶近56a淮河流域初终霜日期的稳定性空间分布上均呈西南弱、东北强的规律,河南省和安徽省的西部山区主要包括伏牛山、桐柏山和大别山等山区的稳定性较差;异常初霜冻发生频率在该区南部和山区偏高,而异常终霜冻发生频率整体低于异常初霜冻,且在2000年后有较为明显的降低趋势。总的来说,沿开封—固始—六安以西地区稳定性较差,在今后农业种植时要注重农业生产布局的调整,该区的南部及山区要更加关注异常初霜冻的变化。⑷太阳黑子数谷值期初霜日推迟、终霜日提前、无霜期延长。北半球极涡面积强度指数、亚洲区极涡面积和强度指数对初霜日、终霜日和无霜期影响较显著,极涡指数与初霜日呈显著的负相关、与终霜日呈显著的正相关、与无霜期呈显著的负相关,即极涡面积越小、强度越弱时,初霜日推迟、终霜日提前、无霜期延长;北半球9月极涡面积指数对初霜日和无霜期的指示意义较大,2月极涡面积指数对终霜日的指示意义较大。淮河流域气候变暖,在1996年发生突变使得初霜日逐渐推迟、终霜日逐渐提前、无霜期逐渐延长,且在2000s表现的更为显著。⑸近56a淮河流域晚霜冻害发生频率和强度均呈下降趋势。空间上,近56a淮河流域晚霜冻害发生频率和强度呈现出东北高西南低的分布规律。淮河流域晚霜冻害发生频率以轻度霜冻为主,高频区范围广;中度和重度发生频率比例相当,高频区范围小;发生强度高值区范围有向南—向西—向北的变化。⑹近56a淮河流域晚霜冻害危险性指数在空间上均呈西南低东北高,分层过渡的规律,高风险区、较高风险区、中风险区、较低风险区和低风险区面积比例分别为8.22%、15.31%、29.65%、34.66%和12.16%。淮河流域定陶—徐州—睢宁—阜宁一线以北的地区需注意晚霜冻害的防御。
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