基于Copula函数的海南热带气旋风雨联合概率特征分析

热带气旋灾害的主要致灾因子为大风和降水,易引发风暴潮、海浪、洪涝等次生灾害,具有典型的多灾种灾害链特征。大风和降水是热带气旋灾害的两个具有代表性的致灾因子,如何表达多个致灾因子的综合强度是一个关键性问题。本研究以海南岛为研究区域,以1951-2014年共298场历史热带气旋过程最大3s极值风速风场以及总降水量时间序列数据为基础,首先利用极值理论分别拟合了海南风雨两个单致灾因子的强度概率边缘分布,其次采用Clayton、Frank、Gumbel Copula函数计算了风雨二维联合概率。并通过K-S检验及AIC、BIC检验等方法优选了拟合函数,然后分别计算了风雨单个致灾因子超过阈值(RPor)和两个致灾因子同时超过阈值(RPand)两种联合重现期,最后基于影响海南的9场历史典型热带气旋损失归一化数据检验重现期计算结果的可靠性。结果表明:对于年极值分布拟合最大3s极值风速用Weibull分布、总降水量用Gumbel分布效果较好;对于边缘概率分布的连接函数,Clayton Copula函数的效果较好;联合重现期RPand相比于联合重现期RPor与历史热带气旋归一化损失率具有更好的相关性。     

辽东山区春季极端低温时空分布特征及发生概率预测

利用辽宁省东部山区13个气象站1960—2014年春季(3-5月)逐日最低气温等观测资料,采用EOF和Morlet小波分析法分析研究区春季极端低温的时空分布特征,在此基础上用Gumble-I型分布、Weibull分布和正态分布对各站极端低温序列进行了概率分布模型拟合,并检验筛选出最佳模型计算了不同重现期的极端低温及其发生的概率和空间分布。结果表明:(1)辽东山区春季极端低温空间分布主要表现为全区一致分布型、南北相反分布型和东西相反分布型;(2)全区域极端低温存在明显的5年和10年左右的周期变化;(3)所选13个站的极端低温概率分布模型拟合结果显示:Weibull分布为最适宜的分布模型。不同重现期极端低温预测与实测值对比结果表明,所选模型预测结果误差较小(绝对值1℃,R~2=0.98);(4)北部区和高海拔区容易遭受春季低温的灾害,低温灾害发生的概率及分布区域范围以轻度为最大,中度次之,重度最小。综上所述,该研究结果可为该区域极端低温预测及春季回暖后再次遇到低温灾害的防御提供科学参考依据。     

气候暖化对中国洪旱极端事件演变趋势影响研究

针对气候暖化加剧区域水循环、增加洪旱灾害风险这一科学问题,利用1960-2005年全国588个气象台站资料,对基于标准化降雨蒸散指数的气象洪旱时空演变特征作了深入分析,并通过Copula函数与气温构建了二维联合分布函数,揭示了气温上升对中国气象洪旱极端事件发生的可能影响。研究发现,在不同的气温上升情景下,不同重现期的极端气象洪旱事件有着不同的响应。希望该研究对气候暖化背景下的中国防洪抗旱减灾及流域水资源管理能作出积极贡献。     

基于监测数据挖掘的高铁气象灾害风险评估方法研究

气象灾害风险评估对高铁气象灾害防御具有重要的指导作用。在分析了影响高铁运行的主要气象要素的基础上,研究了高铁气象灾害风险评估指标体系,包含致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力等,探讨了高铁多灾种和单一灾种的气象灾害风险评估方法。以大风灾害风险评估为例,建立了大风灾害风险评估指标体系,基于熵权法研究了大风危险性,在此基础上,采用加权综合评价法对大风风险进行了分析。结合具体线路风监测数据,研究了相应线路大风风险,并进行了风险区划。与基于气象部门数据开展的铁路气象灾害风险评估相比,基于铁路气象要素监测数据的气象灾害风险评估对气象要素的时空特性反映更加细致,更能代表铁路沿线气象灾害特征,研究可为高铁气象灾害防治提供参考。     

新疆极端降水概率分布特征的时空演变规律

依据新疆地区53个雨量站1957-2009年日降水资料,根据研究需要,定义了8个极端降水指标。运用K-S法确定降水指标最适概率分布函数,确定10年一遇极端降水量值;在此基础上,采用Copula非参数估计方法,通过Akaike information criterion(AIC)法确定两降水指标联合分布函数,系统分析1980年以后极端降水单变量极值及降水极值二维联合概率分布特征变化的时空演变特征,研究结果表明:①新疆有湿润化趋势,北疆湿润化趋势比南疆显著;②从降水天数和极端降水天数角度来看,新疆极端强弱降水同时出现的概率减小,从极端降水雨量和强度来看新疆中部、南疆西部、北疆东部及北部极端强弱降水同时出现的可能性减小,而天山西部与南疆北部的可能性增加;③1980年后新疆地区发生涝的概率增大,发生旱的概率减少。     

地球工程对中国极端降雨致灾人口风险的影响研究

在地球工程对中国极端降雨致灾因子危险性影响的研究基础上,采用BNU-ESM模式的地球工程(G4试验)和非地球工程(RCP4. 5)日值降雨数据,以日均值降雨量的95%分位数定义极端降雨事件。同时结合IPCC SSP3情景下的中国分省人口数据,评估了中国极端降雨灾害受影响人口风险,并对两种情景下的风险进行对比分析。结果表明:地球工程能够有效降低中国整体极端降雨灾害受影响人口风险,且实施期间的降低作用高于实施结束期。两种情景下中国极端降雨灾害受影响人口风险的区域差异增大,地球工程未能改变中国极端降雨灾害受影响人口风险的相对格局,表明在当前Geo MIP模式设定的地球工程实施当量下,人类能够有效降低气候变化风险,且不影响区域气候相对格局。     

灾害损失阈值的定义及其意义与应用研究

首次提出了灾害损失阈值的概念。灾害损失阈值的定义和确定,有可能成为灾害预防、灾害损失评估的关键性指标。灾害损失阈值可采用承灾体遭受灾害损失破坏程度的阶跃函数予以描述,还可从承灾体的内在特征(如暴露程度、易损性、防灾抗灾能力等)和所在区域的外在条件(如未来灾害可能达到的强度与频度)来揭示标的物承受灾损程度上下极限的临界值。灾害损失阈值应用于社会科学管理和自然科学研究领域,对揭示灾害孕育机制和制定灾害预防、应急对策等均具有广泛而深远的理论和现实指导意义。     

气候工程对中国极端降雨强度的影响(2010-2099)

针对气候工程方法中争论最多的太阳辐射管理(Solar Radiation Management),基于BNU-ESM模式的气候工程(G4实验)和非气候工程(RCP4.5)两种情景,以2010-2099年日值降雨量数据的95%和99%分位数值作为强降雨和极端降雨事件的阈值。对超阈值取样(POT)的数据采用韦伯分布(Weibull)进行拟合,诊断10、20、50和100年一遇的强降雨和极端强降雨。结果表明:在两种情景下,强降雨和极端强降雨的强度随年遇型的增加而增强,并表现出东南高-西北低空间分异特征。气候工程整体上有助于中国地区强降雨和极端强降雨的增多,同时具有空间异质性,即表现出抑制部分地区的强降雨和极端强降雨的发生。     

基于灰色关联度的黑龙江省暴雨事件灾害评估和预评估模型研究

通过对黑龙江省1984-2013年各台站历史暴雨灾害资料的统计分析,采用灰色关联度方法进行灾害等级划分,研究暴雨灾害与气象因子之间的关系,建立了反映暴雨灾害程度的5项单指标及综合评估指数,在此基础上建立了评估和预评估模型,最终实现对暴雨灾害事件的快速评估。利用该评估模型方程对2013-2014年的明显暴雨灾害事件进行评估,结果表明,实况与评估结果基本相符,可以满足决策服务需求。     

云贵高原农业致灾过程雨量阈值估算模型研究

基于广义Gamma分布函数首次构建了区域农业致灾过程雨量阈值估算模型,初步应用于云贵高原农业洪涝灾害特征研究。结果表明,广义Gamma分布能很好地拟合云贵高原站点过程雨量的统计分布特征,尤其对极端过程降水频率的拟合。贵州东南部和云南西部广义Gamma分布尺度参数约45～72,过程雨量的变化较剧烈,贵州中部和云南中部广义Gamma分布尺度参数约15,过程雨量的变化相对较小。云贵高原几乎每站均出现极端降水过程。基于模型估算的区域农业洪涝指标能较好反映农作物受灾率和成灾率的年际变化特征。在贵州模型计算的区域农业洪涝指标与农作物年受灾率和成灾率的相关系数分别为0. 67和0. 65,在云南两者分别为0. 69和0. 63。模型估计结果与实际农业洪涝灾害较吻合。农业轻涝、中涝和重涝对应的过程雨量阈值中值在贵州分别为55mm、110 mm和225 mm,在云南分为60 mm、125 mm和250 mm。本文构建的农业致灾过程雨量阈值估算模型可为区域农业洪涝灾害风险管理提供新的技术手段。     

基于游程理论和Copula函数的辽宁省农业气象干旱特征研究

基于辽宁省近30年的气象站点逐月气候数据,计算SPEI-3指数作为农业气象干旱指标,利用游程理论对辽宁省的干旱特征变量进行识别,使用Copula函数同时从站点尺度和区域尺度对辽宁省干旱特征的联合分布和重现期进行了分析。结果表明:Frank-Copula函数对辽宁省农业气象干旱特征变量联合分布特征模拟效果最好;在相同干旱历时和干旱强度的条件下,各站点的联合重现期比单变量重现期小。干旱事件多集中在干旱历时小于4个月,干旱强度小于3的情况下发生;辽宁省不同干旱类型发生概率由高到低的排序为:季内中旱、跨季中旱、月内轻旱、半年以上重旱、月内中旱、季内轻旱。其中在季内中旱、月内轻旱和月内中旱的情况下,辽西地区发生干旱的概率最高;当干旱历时保持一致,随着干旱强度的增加,其最大最小联合重现期有明显增大的趋势;而当干旱强度保持一致,随着干旱历时的增加,不同干旱等级下联合重现期的变化规律不一致。     

农作物气象灾害风险识别与评估研究

以安徽省来安县水稻和萧县玉米为例,通过构建气象灾害指数和异常优化匹配技术量化气象灾害与产量损失之间关系,进而实现作物气象灾害风险的识别与评估。考虑到作物产量存在年趋势,利用直线滑动平均法(LMA)法进行产量年趋势剔除,获得产量年际波动率数据;根据研究区及作物生长期特征,用三种气象要素(降水、温度和光照)构建研究区长江的五种气象灾害(干旱、洪涝、高温、冻害、寡照)指数,并利用逐日气象要素值计算气象灾害指数的年极值与年累计值,获得气象灾害指数时序数据;基于气象灾害属于异常天气事件,导致作物产量异常的原理,采用气象灾害指数异常与产量损失异常匹配的方法来识别气象灾害与产量之间的关系。同时,通过调整异常阈值标准来逐步寻找最优的气象灾害指数与产量损失关系模型。借助关系模型,可对来安县水稻和萧县玉米的各种气象灾害风险进行模拟,获得各种气象灾害风险曲线和期望减产率,并据此对各气象灾害风险大小进行排序。农作物气象灾害风险识别与评估技术具有重要的实际应用价值,为农业气象灾害风险的监测及农业天气指数保险产品的开发提供重要的技术支撑。     

基于Copula模型的降雨量与土壤饱和度的模拟研究

采用两步法,针对云南东川蒋家沟流域的降雨量与土壤饱和度,建立了边缘为皮尔逊Ⅲ型的Clayton Copula模型,分析了降雨量和土壤饱和度之间相关结构,以及两变量重现期,模拟了流域内土壤饱和度的变化情况。实例表明所构造的Clayton Copula模型能比较好地模拟出流域内土壤饱和度在降雨情况下逐日变化情况,有助于进一步认识降水对土壤饱和度的作用过程,并为分析泥石流灾害的发生提供了一种新思路。     

吉林省夏季极端降水事件特征分析

应用1960-2017年吉林省24个台站日降水量资料,定义4个极端降水指数,采用Mann-Kendall趋势分析、相关性分析、累积距平分析等方法,对吉林省极端降水事件时空分布特征进行了分析。结果表明:吉林省极端降水阈值大值区位于吉林省中部和南部,东部山区站点极端降水阈值相对较小。吉林省夏季极端降水主要集中在7月下旬和8月上旬,吉林省南部和中部的集安、通化、临江、靖宇、梅河口、磐石、桦甸地区,因极端降水量和频数都较大,是灾害应急管理需重点关注的地区;其中,通化、集安地区因4个极端降水指数都很高,是吉林省极端降水灾害性风险最高的地区。吉林省各站点极端降水指数变化M-K趋势检验中,长岭站极端降水事件呈显著减少趋势;二道站呈显著增加趋势;其他站点无显著增减趋势。1960-2017年吉林省极端降水量和强度呈波动变化,但整体平稳,无明显增加和减少趋势。     

县域暴雨洪涝灾害损失快速评估方法探讨——以湖南省为例

灾害损失的快速评估是科学制定应急救灾决策、合理分配救灾资源的重要前提,关系到整个救灾行为的效果。从暴雨洪涝灾害发生机制出发,借助多因子加权评价法、Arcgis空间分析等,通过灾害危险度与灾损率的函数关系拟合,探讨了灾害损失快速评估的方法。结果表明:(1)洞庭湖周边县域成为暴雨洪涝灾害的高危险区,湘江、沅水干流沿岸附近县域也面临较高风险,而湘西南、湘西、湘东南地区县域洪涝成灾压力较小;(2)所提损失快速评估方法对减少灾情快速评估中的主观判断,增加科学性起到一定的作用。     

新疆拟建铁路沿线雪风灾分区和致灾性分析

对1990-2000年新疆铁路沿线地区220个大风灾害日和2000-2010年300个大(暴)雪日灾情进行了分析,以1961-2008年年均冬季最大雪深、1961-2010年年均最大风速和致灾性大风日数及承灾体脆弱性作为铁路沿线雪风灾评价指标,基于GIS空间分析对拟建铁路沿线地区的雪风灾进行了区域划分和致灾性定量分析。结果表明:①冬春季是铁路沿线雪灾高发季。拟建铁路阿勒泰-富蕴段、塔城-额敏段为重雪灾区。在铁路弯道设计、防风墙建设方面应进行严格科学论证,作好积雪防护。②大风致灾事件多发生在4-6月。拟建铁路吐鲁番境内柴窝铺-了墩段位于大风高值区,年均大风日60 d以上,哈密-若羌段40 d左右,塔什库尔干-阿克陶段25 d左右。建议在大风地区修建"挡风墙"并修建防护林带和保护铁路沿线现有稀疏植被。     

一种灾害等级的区间数评估模型

由于灾害损失本身的复杂性及灾情统计方面存在的问题,利用区间数替代单一实数值作为灾害等级评估指标的输入更加符合实际。基于上述思路,提出了一种基于区间数的灾害等级评估新模型。首先,给出区间数距离的新定义,该定义能够充分利用区间数所携带的信息;然后,利用线性加权评价函数计算评估对象与评价标准之间的综合相对距离测度,评估对象隶属于综合距离测度最小值所对应的灾害等级。该模型建模过程思路清晰,物理意义明确,计算过程简捷,评估结论符合实际。最后,用实例说明模型的应用方法。     

年度洪涝灾害风险评估模型及其应用——以湖南为例

依据灾害概率风险评估理论,考虑汛期降水的可预报性,基于历史洪涝灾害事件,尝试性地构建了年度洪涝灾害风险评估模型,以湖南为例,对评估模型进行了检验与应用。结果表明:模型建立了前期海温和环流指数等因子与汛期区域降水时空分布的回归预报方程,应用概率风险分析得到年度不同降水下直接经济损失分布,结合蒙特卡洛仿真模拟求解损失的超越概率曲线,评估年度洪涝灾害单次最大可能损失、年度总损失以及年期望损失;模型集"未来年度汛期降水预测"、"降水与损失分布关系拟合"、"损失超越概率评估"于一体,是对全过程年度洪涝灾害风险评估方法的新探索;湖南年度洪涝灾害评估案例表明该模型可操作,结果与实际情况相符。研究可为完善灾害风险评估内容与技术方法提供新视角,亦可为开展业务实践提供方法借鉴。     

考虑结构极限状态随机性的多维易损性分析

本文同时考虑结构在地震激励下响应的随机性和极限状态的随机性,将概率-凸集混合模型应用于结构的多维易损性分析。以最大层间位移、最大层加速度作为反映结构性能和非结构性能的两种工程需求参数,并视为符合对数正态分布的随机变量,两种需求参数的阈值被视为非概率凸集变量,分别建立阈值的椭球模型和区间模型,建立同时包含凸集变量和概率变量的二维联合性能极限状态方程;根据凸集模型和概率模型之间的相容性,提出一种混合模型下基于克里金模型的蒙特卡洛法用于求解超越概率的上、下界,得到反映超越概率区间的易损性曲线。研究表明:区间模型建立的易损性曲线较为保守;在罕遇地震作用下,不考虑阈值随机性会会低估结构的抗震能力。     

极端灾害天气对港口锚地的影响研究——以河北秦皇岛港为例

当前全球变暖趋势愈发明显,极端天气出现的概率以及强度都不断提升。诸多极端天气都影响了沿海地区的发展。以河北秦皇岛港口为例,采用综合干旱指数、EMD分解、回归分析等方法,探讨秦皇岛港区的极端天气灾害特征及其对港口锚地的影响。研究结果表明:1秦皇岛港区历年干旱发生频率约为48%,春季干旱发生频率在45%左右,四季中春旱发生频率最高。近60年以来,秦皇岛港区的干旱持续时间和干旱强度虽存在明显的年际波动,但线性变化趋势不明显。2秦皇岛港区年降水量总体来说振幅逐渐变小,而平均周期由短变长。暴雨序列与年降水量序列周期对应关系较好,准6年周期是秦皇岛港区暴雨灾害的主周期。3极端天气因子中高温天数、年均降水量以及大雨天数为主要影响因子,会影响秦皇岛港货物吞吐量,且均与吞吐量呈负相关。