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【GeoScience Café 第193期】佘敦先:气候变化与干旱趋势

发布日期:Generate:2018-04-26 14:13:03 阅读次数:Reader:[2105]

核心提示:干旱是影响我国社会经济可持续发展最严重的自然灾害之一。随着全球气候变化和人类活动的不断加剧,干旱灾害愈来愈严重,干旱的变化趋势、综合评估及其对变化环境的响应研究已成为保障我国水资源安全、粮食安全、生态安全迫切需要解决的一个重要科学问题。本报告将以气候变化背景下干旱时空演变特征为切入点,系统分析我国典型干旱地区极端干旱发生发展规律,通过构建干旱变量及其与气候因子之间的多元统计模型,分析未来气候条件改变时,中国典型干旱区极端干旱的可能变化情况及面临的风险。

主持:陈必武、龚婧;摄影:马宏亮;文字:张翔、马宏亮;直播:么爽

>>>人物名片

佘敦先,武汉大学水利水电学院副教授,中国自然资源学会水资源专业委员会副秘书长。2013年毕业于中国科学院地理科学与资源研究所自然地理学专业,获理学博士学位。近期的主要研究方向为:全球变化对水文水资源影响、极端水文事件的诊断、形成机理以及变化规律研究。已在Journal of HydrologyJournal of Geophysical Research: Atmosphere等杂志发表SCI论文20余篇。

>>>报告现场

2018420日下午15:30,武汉大学佘敦先老师做客GeoScience Café193期学术交流活动。佘敦先从全球气候变化引入,论述了旱涝灾害等极端事件的研究是面向国家重大需求的战略问题,然后分别从中国地区干旱变化趋势、多变量干旱评估方法和气候变化对干旱的影响分析等几方面分享了自己的研究成果,最后还对当前和未来的研究工作做了展望。现场反响热烈,互动交流积极。此次café学术交流活动,不仅对于投身干旱研究的研究生大有裨益,更加深了实验室与水利水电学院之间的了解,凸显了学术交叉融合创新的广阔天地。

 佘敦先老师作精彩报告

 

一、干旱研究,刻不容缓

干旱,作为一种典型的气候极端事件,波及范围广、持续时间长、影响群体多,是我国和全球广泛存在的一种极端灾害形态。全球气候变暖和气候异常所可能导致的极端干旱事件的增加,必将给我国水资源安全和粮食安全等国家战略带来严重的影响。因此,干旱已成为各国政府和公众及科学界关注的全球环境变化的焦点和亟待解决的科学问题,也是面向国家重大需求的战略问题!

 

二、中国地区干旱变化趋势

   为了研究干旱,科学家对干旱进行了定义和分类,并认为,气象干旱可以理解为前因型定义,而其它的干旱是水资源短缺在各自领域内反映,属于后果型定义,正是由于有气象干旱,才有其它干旱的出现。而目前常用于干旱监测与分析的干旱指数也分为气象干旱指数(如标准化降水指数Standardized Precipitation IndexSPI、帕尔默干旱指数Palmer Drought Severity IndexPDSI)、农业干旱指数(标准化土壤湿度指数Standardized Soil Moisture Index,SSI)和水文干旱指数(标准化径流指数Standardized Runoff IndexSRI)等。

   基于这些指数,全球科学家共同关注一个问题:近几十年来,到底干旱是变多、变强了,还是变少、变弱了,亦或没有变化?佘敦先为我们讲述了其中的学术争论故事。如2012年,美国国家大气研究中心Aiguo Dai研究员以及普林斯顿大学Justin SheffieldEric Wood等人分别在Nature Climate ChangeNature撰文分析了全球干旱的变化趋势,两个研究小组关于干旱趋势变化的研究结论差别显著。2014年,Kevin Trenberth, Aiguo DaiJustin Sheffield等人在Nature Climate Change联合撰文,解释这种研究结论的差异可能是由于采用的蒸散发估算方法以及PDSI计算方法的不同导致。

   随后,佘敦先也介绍了自己在中国干旱变化趋势研究中的成果,基于干旱强度-面积-历时分析方法(Severity-Area-DurationSAD方法),统计分析了1950-2014年我国干旱变化趋势。总体上干旱面积呈现增加趋势,特别是基于SPEI的面积增加数据明显大于SPI得到的干旱面积,其可能原因在于SPEI考虑了蒸散发,能更准确表征地表水分情况。

 报告现场

 

三、基于多变量统计模型的旱涝综合评估

   针对以往研究大多只对单一干旱变量进行研究的不足,佘敦先和大家分享了他在基于多变量统计模型进行旱涝评估方面的研究工作。基于气象干旱指数SPI和水文干旱指数SRI,采用Copula连接函数,构建了旱涝综合评价指数MSDIMultivariate Standardized Drought Index),并以汉江流域为研究区域开展了实验,进行了指标间的相互对比分析,以及与实际旱情的对比分析。

其中,Copula是定义在[0,1]区间上均匀分布的联合分布函数,并且Copula函数应用前首先需要考虑变量间的相依性,衡量变量间的相依性有很多种方法,佘敦先向大家介绍了目前常用的五种,即Pearson古典相关系数、Spearman相关系数、Kendall秩相关系数、Chi图和K图。其次,Copula函数的优选方法有多种,包括均方根误差法、AIC法、BIC法等。佘敦先采用了Huard et al. (2006)提出的基于Bayesian理论的最优Copula选取方法。

从理论上来看,与SPISRI相比,MSDI能够综合考虑气象干旱和水文干旱的发生发展过程,表征的旱情更加准确合理。从汉江流域1960-2013109个子流域的实验结果分析,SPISRI指数具有较好的相关关系,在表征旱涝方面具有一致性,而MSDI在实际旱情的分析中更具有优势,可以考虑气象干旱向水文干旱递进的发展过程。以1995年汉江流域大旱的发生发展过程为例,研究发现,19953月开始,出现小面积的干旱,4月,旱情进一步发展,5-6月,全流域干旱,而8月之后,旱情逐步解除。

针对旱涝事件尤其极端旱涝事件的变化特征中应该综合考虑旱涝历时、强度、发生频率等多要素共同作用的问题,佘敦先和大家分享了基于多变量SDFSeverity-Duration-Frequency)曲线的旱涝分析主要思路和步骤。在渭河流域的实验表明,淮河流域的上游和中游的南部地区长历时高强度的干旱事件发生概率较大。而不同时期旱涝事件发生频次的变化研究表明,偏旱频次是春季大于夏季,夏季又大于秋季,而偏涝频次是夏季大于秋季,而秋季大于春季。

 

 

四、气候变化对干旱的影响分析

气候变化情景下,研究气象要素(如降水和温度)改变时,极端干旱发生概率的变化十分重要。为此,佘敦先将气候因子(如降水、气温等)同干旱指标结合起来,构建能够反映气候变化对干旱影响的多变量统计分析模型,研究未来降水或气温改变时对干旱及极端干旱发生的影响;在综合考虑干旱对区域社会经济的影响、干旱发生的持续性和强度以及区域水资源对干旱的适应能力等多个要素的前提下,提出了考虑极端干旱的水资源脆弱性定义及评价方法。该方面的研究成果和结论可应用于水资源脆弱性评估、粮食安全分析和全球变化适应性对策研究等众多领域。

最后,佘敦先还以水利部旱情遥感监测系统为例,介绍了遥感技术在干旱监测中的实际应用,探讨了遥感和水文气象交叉研究的必要性和重要价值。另外,佘敦先介绍了目前正在开展的工作,包括构建中国地区高时空分辨率的干旱监测预警预报管理系统,包括月//小时尺度,1KM~10KM空间尺度的干旱监测,中国地区的干旱短期预报,以及研究气候变化和人类活动对区域干旱的影响机制等。

 

  >>>互动交流

观众A:感谢佘敦先老师的精彩报告。看到您研究的中国区域干旱趋势空间分布结果似乎与胡焕庸线很相似,请问您有没有做过进一步的分析?

佘敦先:您的这个问题非常好!胡焕庸线是我国人文地理里面非常有名的一个分析结果,在此线之东南,全国36%的土地,养活全国96%的人口。反之,在此线之西北,在全国64%的土地上,只有全国4%的人口。因为干旱的发生与变化趋势受到很多因素的影响,比如气候变化和人类活动等,影响机制比较复杂,不同的区域对气候变化的敏感性不一样,受到人类活动影响的程度也有差别,具体胡焕庸线与干旱趋势之间有无内在联系,仍需进一步探讨。

观众B老师我想问您实验中用到的气象和水文数据一般是如何获取到的?

佘敦先:我研究里面用到的大多数气象数据都是从中国气象局共享的网站上获取的,即中国气象数据共享服务网。水文数据则相对没有这么开放,因此,一是可以基于以前项目开展的数据积累,二是向水文局购买,三是从水文年鉴里面搜集。

 现场提问与交流

嘉宾与GeoScience Café团队成员合影留念

GeoScience Café谈笑间成就梦想为口号,采取最自由的交流方式,每期邀请1-4位报告人,针对自己正在进行的研究展开报告。每周五晚7:30,在测绘遥感信息工程国家重点实验室四楼休闲厅举行当期活动。报告内容不仅涉及一切与测绘有关的学科内容及学术方法,如测绘基础学科、地理信息系统、摄影测量与遥感、全球定位系统、激光雷达技术、信号处理,还包括地理信息科学以外的话题,如法律和艺术等。让任何感兴趣的人——不仅是地理信息相关专业的师生,还包括其他专业的师生,甚至是文科生——都可以听取报告,并当场向主讲嘉宾提问或者会后与其交流。

更多精彩内容(报告PPT、新闻稿及下期活动消息等)敬请关注Geoscience Café(QQ群号:532362856),微信公众号:GeoScienceCafe

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