华北地下水对气象干旱响应的时空分异特征研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈昱吟 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 张永强 ; 田静 |
| 关键词 | 地下水干旱 气象干旱 时空特征 干旱传播 归因分析 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 在全球变暖导致极端气候事件日益频发的背景下，地下水成为应对长期干旱的关键水源，对社会经济和生态系统稳定至关重要。然而，当前基于实测数据的干旱特征量化与干旱传播过程研究相对有限，气象干旱向地下水干旱传播过程中产生的累积、滞后、衰减和延长效应未被系统地量化。此外，厘清地下水干旱与驱动因素之间的关系具有极大的挑战性。 本研究选取华北五省市作为研究区，采用统计理论、时空克里格插值、MannKendall 趋势检验等方法，探究华北地区2005-2021 年期间地下水的空间格局与时变特征。地下水干旱可以定义为“在特定区域和时间段内，因地下水补给不足而导致地下水位下降或埋深增加超过一定阈值的状态”。据此本研究进一步计算了气象干旱指数与地下水干旱指数，运用游程理论和阈值水平法提取干旱特征，并从累积、滞后、衰减、延长四个方面量化了干旱传递过程。最后基于收敛交叉映射法检验了地下水干旱指数与四个候选变量（标准化降水蒸散发指数SPEI、标准化温度指数STI、植被指数SIFI、人类足迹指数HFP）在时间序列上的因果关系。主要的工作与研究成果如下： （1）基于实测站点的插值数据探究了华北五省市近17 年的地下水时空演变特征本研究利用1800 多个钻孔实测数据与时空克里格插值技术构建了2005-2021 年华北地区0.05°分辨率的逐月地下水埋深栅格数据集，基于该数据集分析了华北五省地下水埋深的空间格局、时间动态、季节特性。结果表明，华北地区浅层地下水埋深具有从西部山区向中部山前平原和东部滨海平原变浅的规律。地下水空间分布的格局未发生大变化。然而，超过2/3 的地区的埋深具有显著增加趋势（0~0.05 m/a）。地下水埋深的季节变化明显，呈“冬浅夏深”特征。埋深的多年均值与变异系数存在显著负相关（相关系数-0.36）。 （2）计算了气象与地下水干旱指数，评估了华北地区气象与地下水的干旱特征分别选取标准化降水蒸散发指数（SPEI）和标准化地下水干旱指数（SGI）作为表征气象与地下水干旱的量化指标，区域尺度上SPEI 与SGI 的时间序列动态相似。相关分析结果表明，随着SPEI 时间尺度的增加，二者的Pearson 相关系数先增加后减小，在36 个月尺度上达到峰值。基于游程理论和阈值水平法提取的地下水干旱特征呈现出东西向空间分异特征，西部地下水干旱频次少、历时长、严重程度高，东部则相反。2014-2021 年期间，研究区地下水处于相对干旱时期。网格尺度上，SPEI 与SGI 时间序列的线性相关最高可达0.88。地下水干旱频率集中在3~6 次，平均持续时间为10~30 个月，平均严重程度在10~35 之间。 （3）系统量化了气象干旱向地下水干旱的传播过程，包括累积、滞后、延迟、延长现象干旱传播特征存在时空分异性。滞后作用在0~60 个月之间，年内尺度的气象干旱传播到地下水的滞后时间通常小于10 个月，随着时间尺度的增加，滞后时间增加，并且区域北部滞后作用强于南部。衰减比例因子在0~3 之间，在1~3个月时间尺度下，受衰减影响的区域面积占比约40%，随着时间尺度的增加，存在衰减效应的面积占比减小到30%，但是没有明显的南北空间分异特征。延长比例因子在0~16 之间，在1~12 个月时间尺度下，产生延长效应的区域面积占比超过87%，随着时间尺度的增加，其覆盖面积占比减小到67%，且北部地区的延长效应显著大于南部。 （4）基于收敛交叉映射法探究了地下水干旱指数与气象干旱指数、植被干旱指数、人类足迹指数的因果关系SPEI 与HFP 对SGI 具有强烈驱动作用（平均因果关系强度分别为0.55 和0.43），这表明研究区地下水干旱主要由气象干旱与人类活动共同导致。在多年尺度下，STI 与SGI 的因果关系逐渐增强。地下水干旱对植被干旱存在弱驱动作用（平均因果关系强度为0.12）。此外，本研究对比了南水北调通水前后地下水干旱特征的变化，发现干旱频次由“北高南低”向“北低南高”的特征转变，但是受水区持续时间长、严重程度高的地下水干旱更加凸显，这说明南水北调工程在缓解小干旱事件上具有显著效果，但是难以扭转重大干旱。这些发现有助于阐明干旱传播过程与机制，为干旱监测和水资源管理提供重要参考。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 102 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/208085]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈昱吟. 华北地下水对气象干旱响应的时空分异特征研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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