Hydro90论文速递往期回顾（干旱篇）
1. 气象干旱至水文干旱的风险传播研究 （作者： 顾磊 ）
摘要：干旱事件作为复杂的自然灾害之一，对社会经济发展以及生态环境影响巨大。根据研究的水文气象变量以及影响范围的不同，干旱事件常被分为气象干旱、水文干旱、农业干旱以及社会经济干旱四大类。其中，气象干旱与水文干旱对水资源管理以及各类涉水活动（例如农业灌溉，工业城市取水等）影响尤为明显。本研究以中国与美国典型流域为案例，针对气象干旱与水文干旱的风险转化过程开展了相关分析。首先，分别通过标准化蒸散指数（SPEI）与标准化径流指数（SRI）表征气象干旱与水文干旱情势；然后，基于Copula函数与最可能组合情景，以及自助抽样法，量化了气象干旱与水文干旱的风险大小及对应的置信区间；最后，提出了干旱风险传播率的概念，定量评估了气象干旱至水文干旱传播过程中风险设计值及对应不确定性大小的变化。研究结果表明：（1）水文干旱与气象干旱相比，具有历时长、烈度大的特点，表明间歇性的大气干燥状态可以累积反映到陆地上（即多场相邻小规模的气象干旱事件往往会综合反映到同一场水文干旱中）；（2）由最可能组合情景表征的水文干旱的风险往往大于气象干旱；（3）气象干旱至水文干旱的传播过程中风险传播率趋于稳定。研究结果对于揭示干旱的发生机理以及水资源规划管理具有重要的意义。
另附推荐文献：
1 Gu, L., Chen, J., Yin, J., Xu, C.-Y., Chen, H., 2020. Drought hazard transferability from meteorological to hydrological propagation. J. Hydrol., 585: 124761.
2 Wang, M. et al., 2020. An approach for identification and quantification of hydrological drought termination characteristics of natural and human-influenced series. J. Hydrol., 590: 125384.
3 Veettil, A.V., 2020. Multiscale hydrological drought analysis: Role of climate, catchment and morphological variables and associated thresholds. J. Hydrol., 582: 124533.
4 Wu, J. et al., 2018. Impacts of reservoir operations on multi-scale correlations between hydrological drought and meteorological drought. J. Hydrol., 563: 726-736.
2. 全球河流结冰的分布和预测 （作者： 李凌程 ）
摘要：干旱是影响范围最大、对社会经济影响最为深远的自然灾害之一；深入剖析干旱的时空演变特征及发生发展过程对干旱的预警预报和防灾减灾具有重要的意义。干旱的发生发展过程具有时间和空间的三维属性，为简化干旱事件的三维复杂性，以往的研究一般只定量描述在给定的区域中干旱的时间演变规律，或者在给定的时间段里干旱的空间演变。本文综合研究了目前常用的两种气象干旱指标，即标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散发指数（SPEI），在中国大陆地区干旱发生发展过程识别中的应用，分析了二者之间的异同及其原因。研究结果表明，近18年以来（1998年–2015年），SPEI识别的干旱事件其面积和综合干旱面积强度比SPI更大，其主要原因是SPEI在计算过程中考虑了蒸散发（PET）的影响。在识别的前20大三维干旱事件中，相较于SPI，SPEI干旱事件具有更长的干旱历时、更大干旱面积和综合干旱面积强度。通过分析综合了干旱事件的“平均强度-面积-历时（SAD）”关系，SPI干旱事件在发展过程中，可以形成强度更大的干旱核心。在干旱事件的三维空间里，干旱核心是指在某一短时间和小空间（小的时空下），其平均干旱强度相较于周围时空的干旱强度更大。相对SPI，SPEI干旱事件的总体干旱强度会更大，其干旱核心的干旱强度相对较弱。考虑到全球变暖下PET进一步增加的可能性，SPEI可能更加适用于未来情景下的干旱演变研究。比如对于生态系统而言，上升的PET和相关的VPD对植被具有重要的负面影响，但这是SPI干旱指数所不能直接反应的。本文也对不同数据适用性进行了探讨，相较于常用CRU（Climatic Research Unit）气象资料，CMFD（China Meteorological Forcing Dataset）数据更加适合中国区域的SPEI干旱变化的研究。
另附推荐文献：
1 Li, L., She, D., Zheng, H., Lin, P., Yang, Z.-L., 2020. Elucidating diverse drought characteristics from two meteorological drought indices (SPI and SPEI) in China. J. Hydrometeorol., 21(7): 1513-1530.
2 Lotfirad, M., Esmaeili-Gisavandani, H., Adib, A., 2021. Drought monitoring and prediction using SPI, SPEI, and random forest model in various climates of Iran. Journal of Water and Climate Change.
3 McKee, T.B., 1995. Drought monitoring with multiple time scales, Proceedings of 9th Conference on Applied Climatology, Boston, 1995.
4 Vidal, J.-P. et al., 2010. Multilevel and multiscale drought reanalysis over France with the Safran-Isba-Modcou hydrometeorological suite. Hydrology and Earth System Sciences, 14(3): 459-478.
3. 植被降水利用效率对干旱的响应研究 （作者： 陈泽峰 ）
摘要：植被降水利用效率（RUE），被定义为净初级生产力（NPP）与降水量的比值，可以表征生态系统利用降水的能力，同时也是调节陆地系统生态功能的重要指标。了解全球植被降水利用效率对干旱的响应模式，对于预测未来生态系统功能和弹性状况至关重要，尤其是在干旱持续时间和频率不断加强的新水文气候环境下。然而，基于现有的研究成果，不同植被类型和不同气候条件下植被降水利用效率对干旱是如何响应的，以及干旱事件满足怎样的条件会引发生态系统崩塌尚不得而知。为此，本研究基于卫星植被指数和多源气象数据，通过Carnegie-Ames-Stanford Approach （CASA）模型计算1982-2015年间全球净初级生产力进而得到月尺度降水利用效率，并分析其时空演变特征；分别利用相关分析方法和概率风险分析方法探究研究期内月植被降水利用效率与多时间尺度干旱的关系；运用分隔平均方法，分析植被降水利用效率随干旱强度和干旱时间尺度的变化过程，捕捉导致降水利用效率停止或反向变化的干旱强度和干旱时间尺度临界点，并分析干旱临界点与所处地区生态气候条件的关系。研究表明：（1）全球多年平均降水利用效率存在明显的空间差异，其空间分布与降水梯度有关；（2）植被降水利用效率对干旱的响应是及时且同步的，并不存在迟滞现象；（3）当干旱强度达到一定程度时，植被降水利用效率的上升会戛然而止，而后会随着干旱强度的继续增加而持续下降，并且这种干旱强度临界点只在干旱和半干旱的生态区可以捕捉到；（4）随着干旱事件尺度的增加，由于干旱加剧引起的植被降水利用效率持续上升会逐渐减弱，呈现出一致的收敛现象，这在所有生态区内普遍存在。
另附推荐文献：
1 Chen, Z., Wang, W., Yu, Z., Xia, J., Schwartz, F.W., 2020. The collapse points of increasing trend of vegetation rain-use efficiency under droughts. Environmental Research Letters, 15(10).
2 Vicente-Serrano, S.M., Beguería, S., López-Moreno, J.I.J.J.o.c., 2010. A multiscalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index. 23(7): 1696-1718.
3 Potter, C.S. et al., 1993. Terrestrial ecosystem production: a process model based on global satellite and surface data. 7(4): 811-841.
4 Field, C.B., Randerson, J.T., Malmström, C.M.J.R.s.o.E., 1995. Global net primary production: combining ecology and remote sensing. 51(1): 74-88.
4. 降水变化对半干旱牧区长期植被群落组成动态变化的调节 （作者： 梁茂伟 ）
摘要：全球半干旱草原占陆地面积超过40%，通过放牧利用，为超过10亿人口的日常生活提供重要的生态系统服务。研究放牧强度和降水波动对该生态系统的影响具有非常重要的意义，尤其是降水如何耦合放牧影响该生态系统的植被变化仍然缺少相关研究。本研究利用美国西南部亚利桑那州长期植被观测数据（1953-2018），分析亚热带半干旱生态系统不同植物层片（synusiae）对放牧强度和降水波动的响应，探讨植物-动物、植物-环境和植物-植物间相互关系。研究发现：在相对较小的放牧利用情景下，降水的波动，尤其是降水事件的大小（rainfall pulse）及其季节性波动，对植被动态变化的影响显著。从上世纪90年后期开始，植物群落盖度急剧下降，主要由于该区域干旱季节（10月到次年5月）降水量在逐年减少，尤其是小降水事件。该小降水事件的减少显著降低了木本和草本层片的盖度，进而降低群落总盖度。另外，雨季（6月-9月）降水的增加可以促进非豆科木本层片的盖度，但降低了草本层片盖度，反应了草本和木本植物生长在时间上的生态位分离。该研究有利于进一步理解、预测半干旱区植被动态，强调了降水事件大小和其季节性对植物群落组成动态的影响。
另附推荐文献：
1 Liang, M., Gornish, E.S., 2019. Rainfall regulation of grazed grasslands. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(48): 23887-23888.
2 Liang, M., Gornish, E.S., Mariotte, P., Chen, J., Liang, C., 2019. Foliar nutrient content mediates grazing effects on species dominance and plant community biomass. Rangeland Ecology & Management, 72(6): 899-906.
3 Liang, M. et al., 2019a. Changes and regulations of net ecosystem CO2 exchange across temporal scales in the Alxa Desert. Journal of Arid Environments, 164: 78-84.
4 Liang, M. et al., 2018. Grazing effect on grasslands escalated by abnormal precipitations in Inner Mongolia. Ecology and Evolution, 8(16): 8187-8196.
5. 基于小波分析的自然系统模拟和预测: 在持续性干旱预测中的应用 （作者： 蒋泽 ）
摘要：目前的数据转换主要是在时间域中，本文提出了在频率域对数据进行转化，并且开发出了相应的R软件包。这项工作产出两篇文章。第一篇文章展示了一种通过对预测变量进行频率域的转化从而能够更好地预测目标变量的方法(Jiang, Sharma, & Johnson, 2020)。该方法是基于非连续性小波分析(DWT)的方差转换(Variance Transformation)。第二篇文章是对原有的方法进行了扩展，克服了DWT对于未来数据依赖性的问题。与此同时，作者们用R语言开发了相应的软件(Jiang, Rashid, Johnson, & Sharma, 2021)，叫做小波分析系统预报(WAvelet System Prediction, WASP)。软件包含了三个主要功能：1. 对变量进行频率域转化；2. 从潜在预测变量中选择关键变量；3. 建立预测变量和目标变量之间的模型。我们将该方法和程序应用到了预测澳大利亚的持续性干旱，预测的结果展现出了该方法的显著优越性。利用这种方法，作者对影响澳大利亚的降雨最关键的气候指数进行研究并展现出很好的预测效果。
另附推荐文献：
1 Jiang, Z., Rashid, M.M., Johnson, F., Sharma, A., 2021. A wavelet-based tool to modulate variance in predictors: An application to predicting drought anomalies. Environ. Modell. Softw., 135: 104907.
2 Jiang, Z., Sharma, A., Johnson, F., 2020. Refining predictor spectral representation using wavelet theory for improved natural system modeling. Water Resour. Res., 56(3): e2019WR026962.
6. IMERG 降水追溯产品在中国大陆大面积干旱监测中的初步应用 （作者： 卫林勇 ）
摘要：本研究评估了最新的IMERG Final Run产品对中国大陆干旱监测的适用性。利用807个气象站的降水观测资料在多时间（日、月、年）和空间（点和区域）尺度上对IMERG的精度进行了评估；通过性能指标对基于IMERG的标准化降水指数（SPI）进行了验证和分析，探讨了基于IMERG的SPI在捕捉干旱事件时空变化方面的潜在性能。研究结果表明，IMERG产品具有较强的监测中国大陆年内降水量变化的能力，其与观测值之间一致性高，误差小，在月尺度上表现最好。IMERG计算的SPI值在中国大部分地区有着很好的可靠性，而在新疆和青藏高原地区存在相对较高的误差和显著高的异质性。IMERG在还原代表性干旱灾害的发生和消失过程具有令人满意的时空准确性。相比于常用的PERSINN-CDR、CHIPRS、TMPA 3B42V7卫星降水产品，IMERG在干旱监测方面具有明显的优势。
另附推荐文献：
1 Tan, J., Huffman, G.J., Bolvin, D.T., Nelkin, E.J., 2019. Diurnal cycle of IMERG V06 precipitation. Geophys. Res. Lett., 46(22): 13584-13592.
2 Tan, J., Petersen, W.A., Tokay, A., 2016. A novel approach to identify sources of errors in IMERG for GPM ground validation. J. Hydrometeorol., 17(9): 2477-2491.
3 Funk, C. et al., 2015. The climate hazards infrared precipitation with stations—a new environmental record for monitoring extremes. Sci. Data, 2(1): 1-21.
7. 基于全球水电站数据库的水文干旱对水力发电影响分析 （作者： 陈泽峰 ）
摘要：水能作为一种可再生清洁能源，是目前世界上广泛使用的主要能源之一，但综合性水力发电厂数据集目前还没有向公众开放。为了解和量化河道径流短缺导致的水文干旱对全球范围内水力发电的影响，本文搭建了一个新的全球水电站数据库（GHD），并开发了水力发电模拟（HP）模型。该GHD数据库包含了8716个有详细地理及特性信息的水电站，包括44个属性值，覆盖全球水电总装机容量（EIA，2016）的91.8%。
另附推荐文献及资料：
1 本文搭建的全球水电数据库 (GHD) 及其相关说明和数据可免费用于非商业用途，共享网站： https:// doi.org/10.6084/m9.figs hare.11283758
2 GRanD全球水库大坝数据库（V1.3）网站： http:// globaldamwatch.org/data /
3 Müller Schmied, H. et al., 2021. The global water resources and use model WaterGAP v2. 2d: Model description and evaluation. Geosci. Model Dev., 14(2): 1037-1079.
