近日，南科大地球与空间科学系陈克杰课题组在水文水资源领域权威期刊《Water Resources Research》上发表题目为 “Using the global navigation satellite system and precipitation data to establish the propagation characteristics of meteorological and hydrological drought in Yunnan, China” 的研究文章。该研究基于全球导航卫星系统GNSS数据，以我国云南为例，尝试建立从气象干旱到水文干旱传播监测新方法。

众所周知，近年来，随着全球气候变化，极端干旱事件频发。干旱根据其严重程度，从轻至重可分为四个类型：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。其中，气象干旱指在一定时间内因降水不足引发的干旱，是干旱的肇始阶段。若气象干旱得不到缓解，河流径流、湖泊、水库和地下水的水通量和蓄水量都会受到影响，进而导致水文干旱。研究气象干旱和水文干旱之间的演变机制即干旱传播特征，可为减轻干旱灾害、发布干旱预警提供科学依据。

过去几十年间，GNSS已被广泛应用于地壳形变监测，在构造形变、孕震过程、震灾评估等领域发挥了巨大作用。因此，世界上很多国家和地区纷纷建立了密集的GNSS地壳运动观测网络，我国也于2011年建成了由260余个GNSS连续观测站组成的“中国地壳运动观测网络”。除监测地壳形变以外，GNSS也可应用于气象和水文干旱监测（图1）。一方面，当GNSS信号通过对流层时，其传播速度会因大气层水汽含量变化而改变，即对流层延迟，可为研究气象干旱提供信息。另一方面，GNSS坐标时间序列中，除构造信号外，也包含了水文负荷信号。当陆地水储量减少、发生水文干旱时，会导致地表隆起。

图1. GNSS可以观测大气水汽含量减少引起的气象异常以及由于陆地水储量减少导致的地表隆起

本研究使用云南省43个GNSS台站原始观测值，解算得到了这些台站2011年至2021年11年间的对流层延迟和三维坐标时间序列，并利用独立成分分析提取得到了坐标时间序列中的水文信号。通过将这两种衍生产品与气候学方法相结合，分别建立了量化气象干旱和水文干旱的干旱指数（图2）。

图2. 基于GNSS的气象干旱指数（左）和水文干旱指数（右）

结果表明：云南省在2011年1月至2021年5月共发生了7次气象干旱和7次水文干旱事件。气象干旱多发于春季和冬季，夏季和秋季频率相对较低，且主要集中在云南北部，持续时间为1-11个月。与之相比，水文干旱更严重，影响范围更大，持续时间为2-16个月。水文干旱与气象干旱存在对应关系，表明气象干旱的发生是造成水文干旱的主要原因（图3）。

图3. 云南省气象干旱和水文干旱的时空响应和潜在联系

此外，该研究采用记录期间最大干旱传播时间（Maximum Drought Propagation Time, MDPT）和响应率 (Response Rate, Rr)来研究干旱传播特征。MDPT空间分布可能隐含了云南不同地形对极端干旱响应和影响（图4a）。由于流域调节能力，并非所有气象干旱都会导致水文干旱，本研究使用Rr描述从气象到水文干旱传播敏感性（图4b）。结果表明：云南MDPT为2-7个月，呈从西南向东北增加的趋势，且云南西南部和云南北部气象干旱更容易导致水文干旱。

图4. 云南省最大干旱传播时间（MDPT）和干旱响应率（Rr）的空间分布

课题组博士生朱海为论文第一作者，陈克杰副教授为通讯作者。合作者还包括环境学院刘俊国教授、史海匀副教授以及地震台网中心王坦副研究员等。南方科技大学为论文通讯单位。该工作也得到了国家自然科学基金项目、地震数值预报联合实验室开放基金、河南省水圈与流域水安全重点实验室的资助。

论文信息：

Zhu, H., Chen, K., Hu, S., Liu, J., Shi, H., Wei, G., et al. (2023). Using the global navigation satellite system and precipitation data to establish the propagation characteristics of meteorological and hydrological drought in Yunnan, China. Water Resources Research, 59, e2022WR033126. https://doi.org/10.1029/2022WR033126.