下垫面条件对流域极端事件影响及综合应对框架

在剖析下垫面条件变化对流域极端水文事件演变影响的基础上,构建了流域极端水文事件综合应对技术框架,并阐述其中的关键研究命题。结果表明,自然植被条件能够提高流域干旱之前土壤含水量并降低干旱过程中土壤蒸发速率,在一定程度上起到减缓干旱的强度和持续时间的作用;水利工程通过调节流域水资源的时空分布,增加可利用水资源量,能够缓解甚至规避流域干旱事件,但同时可能加剧坝址下游地区的干旱程度。自然植被条件将延长降水坡面产-汇流历时、降低洪峰流量,对极端降水洪涝事件具有一定的消减作用;此外,流域水土保持和修建水利工程等下垫面条件改变有利于河道行洪过程,能够起到缓解洪涝事件的作用。基于下垫面条件变化的流域极端水文事件综合应对技术框架包括旱涝事件监测、机理识别、影响评价和综合应对四个方面的内容,其中的关键研究命题主要为下垫面条件变化对流域极端水文事件影响的定量评估、面向流域极端水文事件合理的水土资源配置及其集成管理等。     

东江流域干旱等级演变及主要因子影响

选用1956～2009年降水、气温、径流、水库出入流和社会经济用水的月系列资料,基于标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)和标准化径流指数(SSI),分别评估东江流域气象干旱和水文干旱的等级分布。通过对比它们之间的干旱等级变化,分析干旱演变特征及降水、潜在蒸散发、下垫面、水库径流调节作用、社会经济耗水对流域干旱等级的影响,为流域抗旱减灾的水资源管理决策提供科学依据。结果显示:(1)气象干旱和水文干旱均主要表现为春旱(1～3月)和冬旱(10～12月),这与流域降水年内分配特征一致;(2)考虑降水和潜在蒸散发共同作用与单一考虑降水影响比较,更多的气象干旱其等级在冬季上升,春季则下降,这与流域气温年内变化规律一致;(3)气象干旱向水文干旱传递过程中,更多的干旱其等级在冬季下降,春季则上升,且存在跨多个干旱等级的跳跃变化,这与流域下垫面在产汇流过程的延滞作用有关;(4)水库径流调节作用显著降低了水文干旱等级,社会经济用水则导致水文干旱等级上升,但水库径流调节作用对东江流域水文干旱的影响更为显著。     

流域水文干旱等级预测问题的研究

采用滦河潘家口水库控制流域9个水文站1958-2009年的逐月流量数据,通过计算各站12个月时间尺度的标准化径流指数(SRI),得到了实测水文干旱等级序列。根据干旱等级转换的观测频数,提出了基于三维列联表的对数线性干旱预测模型,并计算了干旱等级转换间的优势及其置信区间,以估算干旱等级转换的概率,实现了滦河潘家口水库控制流域预见期为1个月和2个月的水文干旱等级预测。选取2000-2009年的水文干旱演变过程对预测模型进行了验证。结果表明:干旱等级转换的三维列联表呈现一种强对角线趋势,各站三维对数线性模型的检验显著性水平p均大于检验水准α(0.05),观测频数与期望频数吻合程度高,且预见期为1个月的水文干旱等级预测精度较高,可用于滦河潘家口水库控制流域短期水文干旱预警。但预见期为2个月的水文干旱等级的预测误差较大,需根据流域的气候特征及下垫面的物理状态对模型进行进一步的改进。因此,如何综合应用气象和水文干旱监测信息,并采用对数线性预测法建立新的模型对水文干旱进行提前预警是需要解决的重要问题。     

珠江流域干旱事件的多变量区域分析及区域分布特征

区域干旱特征分析会为短期和长期的水资源管理提供关键的信息,因而对珠江流域进行区域干旱特征分析,建立了干旱严重程度-面积-频率曲线(Severity-Area-Frequency,SAF).传统的区域性分析都是单变量的,而水文事件往往具有多个属性,为此采用Chebana等提出的多变量的L-moment均一性检验方法对流域进行均一性检验.研究发现珠江流域可分为4个均一性区域,对各均一性区域进行干旱严重程度-面积-频率分析的基础上,发现珠江流域在发生严重干旱时经常是全流域的,这对整个珠江流域的水资源管理造成很大压力.同时珠江三角洲所在的区域干旱风险相对其他区域更高,珠三角地区城市密集,人口众多,高风险的干旱无疑会对该地区的发展造成重大影响,需引起重视.     

广东干旱逐日动态监测模型及其应用

干旱本质上是一种持续的水份亏缺现象，干旱的严重程度是水份短缺多少及其持续时间长度的函数。借鉴帕默尔（Palmer）旱度模式中的土壤水份平衡概念，采用逐日气温和降水量资料，对土壤有效含水量（分上、下2层）进行了逐日滚动模拟，提出了以下层土壤有效含水量构建逐日干旱动态强度指数（ID），该指数物理意义明确，实时资料可得，能够刻画干旱过程的丰富细节，实现对干旱发生、发展及其强度的逐日动态监测与评估。根据，。的动态变化，精确定义了干旱过程的开始和结束日期，提出了干旱过程强度指数（IDC），实现了对干旱过程的事后定量分析和评估，从而形成了兼具逐日动态监测和后评估功能的一个干旱监测指标体系。     

中国东部干旱特征及其对策

本文阐述了帕默尔干旱指标的原理、优点及其计算方法。文中用济南和郑州两站的资料对帕默尔干旱指标进行了修正,建立了适合我国东部地区的干旱指标,并计算了我国东部地区150个站(1951.1～1980.12)的干旱指数值,分析了我国东部地区的干旱特征。根据其干旱普遍存在、持续期长和强度大的特点,提出了相应的干旱对策。     

甘肃黄土高原气象旱度模式研究

干旱是限制甘肃黄土高原农业可持续发展最主要的自然灾害之一，研究适合该区的干旱指标，是进行有效干旱监测的基础。为了制定出考虑因素较全面、具有时空可比性的适合甘肃黄土高原情况的干旱指标，依据帕默尔旱度模式的基本原理和方法，针对甘肃黄土高原的实际情况，从建模资料长度、站点密度、可能蒸散计算、土壤田间持水量和径流计算等几个方面对原有模式进行了修正，用甘肃黄土高原12个代表站的资料，建立了旱度模式，并确定了权重因子。在此基础上，计算了20个代表站点的气象旱度值，并与实际旱情记载进行了对照检验。结果表明，用该模式计算的旱度值与实际灾情吻合得较好，能够反映出该区干旱程度的变化情况，特别是对一些重大旱段。通过修正后的甘肃黄土高原的气象旱度模式与原美国帕默尔旱度模式和中国1985年修正的帕默尔旱度模式的比较，进一步说明该模式适合应用于干旱评估和监测业务。     

青海省东部农业区作物生长期不同气象干旱指标应用研究

干旱一直是制约青海东部农业区农牧业生产最主要的气象灾害。利用青海东部12个气象站点近46年(1961-2006年)的气象资料,计算标准化降水指数(SPI)、降水Z指数和相对湿润度指数(M),并对各干旱指标表征的年、春季和夏季的干旱强度和干旱频率与实际干旱事件进行对比,分析其在研究区的适用性,进而分析研究区的干旱变化特征。结果表明:3种干旱指标相比,相对湿润度指数(M)对实际干旱事件的反映更准确,且能反映出不同地区干旱发生频率的差异。选取相对湿润度指数(M)作为区域干旱监测指标,得出时间上区域的春季干旱强度年干旱强度夏季干旱强度,夏季的干旱强度有不显著的增大趋势,而年尺度和春季的干旱强度有不显著的减小趋势;空间上,区域干旱频率和干旱强度均表现为南高北低的特征。     

基于遥感有序加权平均干旱指数的山东省干旱动态分析

为实现对山东省全区域干旱的动态监测,建立了基于多源遥感数据与有序加权平均(OWA)相结合的一种新的干旱监测模型。在该模型中,首先选取植被条件指数(VCI)、土壤水分状况指数(SMCI)和降水条件指数(PCI)三种单指标干旱指数;然后结合基于遗传算法的改进层次分析法(AGA-AHP)与移动窗口法,得到山东省区域的这三种指标权重值,进而用OWA方法计算综合遥感干旱评价指数OWA-IDI(Integrated Drought Index)。采用综合干旱指数对山东省1982-2014年的干旱过程进行分析,结果表明:OWA-IDI与SPI的相关系数大于0.7,达到显著相关的程度;在33年长时间段中,发现了历史上的严重干旱年;在短时间段的时间序列上,2006-2014年的月序列干旱发生过程与《中国水旱灾害公报》记录的干旱事件进行对比,获得了满意的一致性;在空间上,2004年每个月的干旱区域分布与《山东统计年鉴》的降水数据进行分析、对比,验证了干旱区域分布的合理性;通过5 d合成序列的模型与月序列模型在时间上对应比较,显示了更精确的干旱监测,表明OWA-IDI在干旱评价与监测方面具有重要的应用价值。     

基于非参数法的气象-水文干旱风险评估及其动态演变探究

参数统计法广泛应用于水文频率分析。然而,与非参数核密度估计相比,当样本出现"多峰"时,其可能会导致参数估计值的分位点出现较为明显的偏差。基于此,本文以渭河流域为研究对象,基于降水和径流信息,采用非参数核密度估计法构建了综合干旱指数(NKMSDI)。采用Mann-Kendall法和启发式分割法分析了渭河流域综合干旱的演变规律;结合干旱风险因子(脆弱性、暴露度、恢复力)探究了其干旱风险的动态演变特征。结果表明:(1)提出的NKMSDI可综合表征气象—水文干旱状况,与其他方法构建的综合指数相比,其对干旱的表征结果更为可靠;(2)渭河流域干旱呈现显著加剧趋势,且NKMSDI序列存在变异点(1994年);(3)流域干旱风险呈现显著增大趋势,其中脆弱性增加,暴露度增加,恢复力减小。     

中美典型水文模型比较研究

流域水文模型是以一个流域作为基本研究单元,以流域水文循环的整体过程作为模拟对象的模型。流域水文模型在进行水文规律的探讨和解决水文及生产实际问题中起着重要的作用。分别介绍中国新安江模型、河北雨洪模型和垂向混合模型这三种典型模型以及美国的三种典型模型:萨克拉门托模型、VIC模型和SWAT模型,并对中国与美国流域水文模型的功能、结构、时间尺度、水源划分、产流机制、汇流计算、模型特点等不同方面进行了比较分析。总结了这6种模型存在的问题并对模型进一步的改进作了分析及展望,将有助于推动流域水文模型的进一步发展及广泛应用。     

基于标准化降水蒸散指数的华南干旱趋势研究

最近几年华南地区干旱频发,为探讨该地区的干旱趋势,用标准化降水蒸散指数(SPEI)和1961-2010年华南地区具有代表性的50个站点的月降水及月平均气温资料,分析了该地区近50年来的干旱趋势、干旱空间分布、极端干旱事件发生频次和干旱持续时间。结果表明,华南地区普遍存在干旱事实,最近10年是干旱最严重的10年,Mann-Kendall检验表明该地区平均SPEI指数从1998年开始突变;干旱化最严重的区域是海南岛、广西南部和西部地区,广东的干旱化趋势最轻。20世纪70年代干旱和极端干旱事件较少,其后明显增多,干旱持续时间也有所延长。由于该地区降水呈现弱增加趋势而温度升高显著,因此推测温度升高导致蒸散增加可能是华南地区干旱化的主要原因。另外,降水频次的减少和集中也是导致近来极端干旱事件增多的原因之一。SPEI指数较好地体现了气候变暖导致的干旱化趋势。     

宁夏回族自治区干旱致灾危险性时空变化特征

基于宁夏地区22个气象站1971-2011年月降水量和月平均气温资料,综合考虑降水和蒸发,引入标准化降水蒸散指数(SPEI),分析该地区气象干旱变化情况,并在此基础上通过构建SPEI值与干旱等级的加权综合评价模型,评估该地区干旱致灾危险性,剖析其时空变化特征。结果表明:宁夏地区气象干旱呈显著加重趋势,年均SPEI值1972-2011年以0.37·(10a)-1的速率显著减小;该地区气象干旱呈现自南向北逐渐加重的空间分布格局,且干旱加重速度呈现由中部干旱带向南北分别递增的空间变化特征。1972-2011年,宁夏地区干旱致灾危险性呈显著增大趋势,干旱致灾危险性指数近40年减小速率为0.12·(10a)-1;该地区干旱致灾危险性在空间分布上表现为北部引黄灌区高于中南部地区,且危险性的增速呈现中部较缓、南北较快的空间变化特征。     

标准化径流指数计算的新方法及其应用

为了补充和完善水文干旱的监测与评价方法,以一种新的思路推导出了标准化径流指数的计算方法,并分析了不同气候区旱涝的分布及其变化规律。结果表明:标准化径流指数和径流Z指数对旱涝的评价结果具有较好的一致性;标准化径流指数在不同气候区均具有一定的适用性;不同时间尺度下肯斯瓦特地区在不同时期均是增湿的,而监利地区的增湿情况则是不同的;不同时间尺度下监利地区和肯斯瓦特地区分别有在各个时期旱涝变化的剧烈程度不同且均具有一定的周期性和交替变化的特征。研究推导出的标准化径流指数是合理的,将其用于旱涝的分布及其变化规律的研究具有较好的实用效果。     

基于多元数据融合的安徽省干旱遥感监测模型研究

干旱是威胁粮食安全的重要因素。为实现干旱的精准监测,提出距平温度指数、距平降水指数、距平土壤含水量指数,将距平模型分别和分类回归树、多元线性回归模型融合,提出距平分类回归树模型和距平多元线性回归模型,并验证模型的可行性。首先选取安徽省2001-2014年168个月的降水、遥感温度、植被和土壤含水量指标,将2001年-2010年距平指数作为率定期,2011-2014年距平指数作为验证期,分别计算距平分类回归树模型和距平多元线性回归模型参数,并预测验证期模型值,计算两种模型值与SPI1值的相关系数,并与历史干旱记录进行对比。结果表明:验证期距平分类回归树模型指数和SPI1的相关系数为0.878。验证期距平多元线性回归模型指数和SPI1的相关系数为0.882。验证期距平分类回归树模型与SPI1等级准确率为0.77。验证期距平多元线性回归模型与SPI1等级准确率为0.80。距平分类回归树和距平多元线性回归模型都有良好的监测效果,其中距平多元线性回归模型的监测效果更好些、可作为安徽省干旱监测的良好模型,为农业部门制定抗旱措施提供参考。     

云南极端气候干旱的特征分析

应用云南124个站点1961-2011年的旬、日、月降水和气温资料,采用综合气象干旱指数和逐日降水分析云南1961年以来的干旱强度。以云南的干旱过程强度指数为-50、区域代表站的干旱过程用强度指数为-100以上选取极端干旱较为合适,选取干旱强度最大1962/1963、1968/1969、1978/1979和2009/2010年为极端干旱年进行分析表明,在4次极端干旱过程中,强度最强的是2009/2010年出现的秋冬春初夏连旱,是有气象记录以来最强的,其造成的危害及经济损失也最大,其次是1978/1979年、1968/1969年和1962/1963年出现的冬春初夏连旱。云南干旱灾害出现频繁、持续时间长,其分布具有一致性的特点,干旱出现的时段大致在冬、春及初夏季,而近年来秋季干旱呈频发之势。由于云南降水分布极不均,造成各地干旱强度指数存在差异。除滇西、滇西南局部边沿地区降水偏多,出现极端干旱相对较少外,云南大部,特别是云南中部及东部地区最容易发生极端干旱。从1970年代以来,云南出现严重干旱的强度及持续时间呈加重趋势。     

华北平原冬小麦干旱区划初探

干旱是以降水缺少并造成作物减产为特征的。以冬小麦生育期间降水负距平和减产率为指标,对不同发生频率的降水负距平和减产率作了系统分析。确定了不同程度的干旱在区域上的分布特征及其发生频率。研究结果表明,重旱10年一遇,发生面积占73％,重点在豫东北和鲁西南地区;中旱3～4年一遇,发生面积占93％;轻旱2年一遇,发生面积占98％。利用干旱灾害综合指数进行了干旱区划,发现干旱高值区往往是降水负距平最大,同时也是减产率最高的地区。     

基于Copula的鄱阳湖流域水文干旱频率分析

选用游程理论识别了水文干旱特征变量,运用Mann-Kendall(M-K)方法分析了水文干旱特征的趋势变化,并运用柯尔莫哥洛夫—斯米尔诺夫方法(K-S法)选出了最适合的8个概率分布函数;引入当前多变量分析中较常用的Copula函数,分析了中国最大淡水湿地鄱阳湖流域主要支流"五河"的干旱历时和干旱烈度的联合概率特征,并对引起该流域水文干旱特征频率变化的原因及影响作了有益的探讨。研究结果表明:(1)对数正态分布是用于研究鄱阳湖流域水文干旱特征的最佳概率分布函数。(2)赣江流域和饶河流域发生的干旱次数最少,干旱历时最长;抚河流域发生干旱次数最多,干旱历时最短。(3)抚河流域的李家渡干旱历时和干旱烈度发生的频率高于其他地区,饶河流域的干旱历时和干旱烈度发生的频率在鄱阳湖流域是最低的。水利设施和森林覆盖率对干旱烈度降低起到了一定的作用,而农业用地的变化对干旱烈度的加强起到了一定的作用。     

云南省干旱灾害风险评估

基于自然灾害风险理论,利用云南省129个县(市、区)的气象、社会经济和地理信息数据,从干旱灾害致灾因子危险性、成灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力4个方面选取15个评价指标构建了干旱灾害风险评估模型,对干旱灾害风险进行了评估。研究结果表明:云南省低、次低、中、次高、高等级干旱灾害风险的面积分别占全省总面积的13.4%,29.8%,28.2%,19.6%和9.1%。干旱灾害风险空间分布比较复杂,大致沿哈巴雪山—点苍山—哀牢山一带,西部地区干旱灾害风险总体较低,东部地区干旱灾害风险相对较高。南盘江流域、红河流域、金沙江下游地区为典型的干旱灾害高风险区;三江并流区及澜沧江下游地区为干旱灾害低风险区。利用近10 a的旱灾受灾面积和总经济损失对评估结果进行了验证,表明构建的评估模型总体能反映云南省干旱灾害风险水平,可为干旱灾害风险管理提供依据。     

基于可变模糊算法的塔里木河流域干旱风险评价

采用级差加权法确定了4种干旱指标的权重系数,分析了不同干旱指标对干旱的贡献,同时运用可变模糊法评价了塔河流域各县市的干旱等级并分析了塔河流域的干旱时空演变特征。研究结果表明:(1)级差加权法确定的干旱指标权重系数中综合减产成数的权重系数最大,秋季降水距平权重最小。巴州地区的农业生产受春旱影响最大,和田地区夏旱对农业生产影响最大,塔河流域西南部克州地区、阿克苏地区秋旱对农业生产影响大。(2)天山南坡地区各县市轻度干旱、中度干旱发生频率高,巴州地区特大干旱发生频率高,但阿克苏地区重度干旱和特大干旱发生频率低;昆仑山北坡县市干旱程度变化恰好与天山南坡各县市变化相反。