淮北平原冬小麦区气象干旱时空演变特征及风险研究.pdf

摘要

在全球气候变暖的大背景下，冬小麦干旱监测一直是农作物防灾减灾研究

的关键。农作物受旱一直受到气象水文因素、农业管理水平等综合影响，严重

影响冬小麦干旱监测问题。淮北平原作为中国冬小麦粮食的主产区之一，旱灾

是制约淮北平原小麦产量稳定的主要农业气象灾害。本研究利用高精度的哨兵

二号卫星数据，通过冬小麦特定物候特征与阈值选取来构建冬小麦遥感识别模

型，提取并分析冬小麦空间分布格局。基于1980-2019年淮北平原66个气象站

点的逐日数据，采用非平稳性标准化降水蒸散指数（NSPEI）来计算淮北平原

区的干旱指数，利用游程理论识别干旱指数的干旱历时和干旱烈度特征，探究

淮北平原地区和冬小麦种植区干旱特征时空分布特征。筛选干旱历时和干旱烈

度拟合最优的单变量频率分布函数和多变量Copula函数，揭示干旱特征在不同

重现期下的单变量和多变量的联合分布特征。最后，通过2000-2019年统计年鉴

数据和干旱指数构建致灾危险性、孕灾暴露度、承载脆弱性和防灾减灾能力风

险因子的干旱灾害风险评估模型，利用随机森林计算干旱灾害风险模型各部分

的权重系数，开展淮北平原冬小麦干旱灾害风险评估。主要结论如下：

（1）通过冬小麦阈值提取法，本文引入哨兵二号卫星数据对淮北平原冬小

麦分布进行高精度的提取，2019年和2020年淮北平原冬小麦的种植面积分别为

149.95万公顷和168.37万公顷，提取结果精度达到了81.1%和87.7%。其中亳州

市，阜阳市提取精度较高，分别达到92.7%和90.46%。

（2）通过游程理论识别干旱指数NSPEI的干旱历时、干旱频率和干旱强度

特征。淮北平原区干旱特征总体呈现波动上升的趋势，尤其是干旱强度较高的

站点有着更显著的上升趋势。干旱历时中，轻度干旱的总历时在平原上长达

121个月至180个月，在种植区的总历时长达34个月至64个月的时长。淮北平

原重度干旱等级下长历时区域分布范围最大，占70%以上；冬小麦种植区则是

中度干旱等级下长历时区域分布范围最大，占65%以上。干旱频率和干旱强度

的时空分布情况淮北平原与冬小麦种植区基本类似。空间上，东部地区干旱频

率和强度低于西部地区，总体呈现东低西高的空间格局。时间上来看，淮北平

原秋冬季干旱强度最重，约为12-20，冬小麦种植区受旱程度冬季春季夏季。

（3）广义帕累托分布函数（GP）是干旱历时的拟合最优的单变量分布函

I

数，Nakagami分布函数是干旱烈度的拟合最优单变量分布函数，Gaussian函数

是拟合效果最优的Copula分布函数，平均RMSE为0.3429，NSE为0.9559。单

变量干旱特征在不同重现期下，对应的历时和烈度在淮北平原西北部和中部较

大，南部地区整体较低。双变量联合分布中，干旱发生概率阜阳市临泉县、界

首市、颍上县和平原中南部亳州市大于阜阳市阜南县、颍泉区，亳州市涡阳县

以及平原东南角宿州灵璧县和蚌埠市固镇县区域。因此应加强平原中部的抗旱

工程建设，进一步增强抗旱能力。

（4）利用统计年鉴资料计算干旱孕灾暴露度、承灾体脆弱性以及防灾减灾

能力指标，结合前文的NSPEI干旱指数计算干旱致灾因子危险性指标，构建基

于四个因子的淮北平原冬小麦干旱风险评估模型。通过随机森林学习方法计算

模型各指标权重系数，其中致灾危险性权重占比最高，为0.58。干旱强度、单

产和生产总值三个因子在对应指标体系中贡献最大，分别为0.56、0.72和0.48。

淮北市危险性、暴露度、脆弱性均等级较高，而防灾减灾能力弱。因此，在淮

北平原各市综合风险中，淮北市为极高风险区。按六市综合排名来看风险等级

由平原中部向东西两边递减，其中淮北市干旱风险等级最高而阜阳市干旱风险

等级最低，整体风险程度呈下降趋势，其中淮北市区域呈显著下降。

关键词：NSPEI；干旱特征；风险评估；冬小麦；淮北平原

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