基于SPI的渭河流域干旱特征演变研究

基于渭河流域21个气象站的1961-2010年的标准降水指数(SPI),采用Mann-Kendall趋势检验法研究了各个站点12个月份的SPI、干旱严重程度以及干旱历时的变化趋势,最后运用Copula函数计算了渭河流域两种典型干旱情景下的联合重现期。得到主要结论如下:(1)整个渭河流域干旱趋势明显,其中干旱化显著的月份主要有11、12以及1月,而有湿润化趋势的月份主要集中在7、8月份,此外,干旱严重程度与干旱历时的变化趋势均不显著;总的来说,该流域干旱季节越干旱而湿润季节越湿润的趋势进一步加大了水资源管理的难度,渭河流域存在较大的旱涝风险;(2)就"且"重现期而言,渭河流域发生典型中度干旱和典型重度干旱的联合重现分别为28.9年和53.1年一遇;整个渭河流域发生中度干旱的可能性大,流域西北部发生旱灾的概率要大于东南部。因此,相关部门应该加大渭河流域西北部干旱监测力度,提前做好防灾减灾的准备。     

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。     

基于月尺度马尔科夫模型的塔河流域洪旱灾害研究

基于月尺度马尔科夫链模型,系统研究了塔河流域各洪旱状态之间的转移概率、期望停留时间和平均首达时间,在此基础上,预测了未来该流域洪旱灾害状态发生的概率风险。研究表明:(1)塔河流域丰水月和枯水月变化显著,其中,阿拉尔4-9月份枯水发生平均概率最高,大山口枯水发生概率最低;(2)塔河流域10月至次年3月连续枯水频率最高,而开都河流域连续丰水事件发生频率最高,表明该流域有较大的大旱或大涝风险;(3)丰水事件重现期低值主要集中在开都河和阿克苏河,而和田河和叶尔羌河丰水事件重现期较高;(4)塔河流域4-5月份干旱影响较大,加剧了塔河流域的水资源短缺问题。     

基于作物水分亏缺指数的吉林省玉米不同生育时段干旱特征分析

利用吉林省1961-2015年46个气象站的逐日气象数据,结合Penman-Monteith方程,计算玉米生育期逐旬需水量(Et_c)、降水量以及作物水分亏缺指数(CWDI),根据干旱等级指标计算逐旬不同等级干旱频率、平均干旱强度以及干旱风险指数,并分析其空间分布和时间变化特征。结果表明:从玉米生长季水分供需状况看,西部地区整个玉米生长季水分亏缺最严重,玉米易遭受干旱威胁,中部发生干旱的威胁次于西部地区,东部发生干旱的威胁最小。西部地区干旱发生频率最高,其次是中部,东部地区干旱发生频率最低,平均干旱强度和干旱风险指数与此有相同的分布特征。各等级干旱基本上是在玉米生长的前期和后期发生频率较高,而在玉米生长的关键期,发生频率相对较小。除个别情况,各时段基本是轻旱发生频率最高,其次是中旱,而重旱发生频率较低,特旱发生频率最低。代表站各时段水分亏缺指数年际变化基本是中前期呈减少趋势,中后期呈增加趋势。不同时段各等级风险区空间分布也存在差异。     

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SPEI的豫东地区近50年干旱演变特征

干旱是我国发生最频繁、持续时间最长、波及面积最大的一种自然灾害。基于1961-2010年逐月平均气温和降水数据,应用标准化降水蒸散指数(SPEI)定量分析了商丘地区月尺度、季尺度和年尺度上的干旱发生频率和发生强度,揭示了该地区干旱发生的时空演变特征及干旱发生的原因。结果表明,SPEI值能够较好地反映商丘地区干旱的时空特征;随着时间尺度的增大,SPEI值波动幅度减小,干旱发生频率降低。近50年商丘地区历年、各季及月尺度均有干旱发生,干旱发生频率总体呈上升趋势,且各地区之间分布不均匀;四季中以冬、春两季干旱发生最为严重,其次为秋季。在干旱发生的年际变化方面,商丘地区在1966年、1968年和2008年发生了大范围的持续干旱。干旱发生强度分布呈现东部较高,中西部较低的特点。欧亚大气环流异常稳定、厄尔尼诺现象和气温的升高对干旱发生的贡献不可忽视。     

华北地区冬小麦干旱评估指标研究

干旱作为一种气象灾害,系以降水缺少并造成减产为特征。用三次多项式对历史产量序列进行处理,求出趋势产量和气象产量,然后对气象产量和降水距平的关系进行了相关分析。结果发现,气象产量与冬小麦全生育期和拔节期的降水距平有着十分密切的关系,尤其是前者。通过统计分析,建立了它们之间的回归方程,并与农业干旱划分标准相结合,确定了两套与轻旱、中旱、重旱和极端干旱相对应的干旱指标,即冬小麦全生育期降水负距平分别为小于15％,15％～35％,35％～55％和大于55％时,出现轻旱、中旱、重旱和极端干旱,产量分别减少小于10％,10％～20％,20％～30％和大于30％;拔节期降水负距平为小于30％,30％～65％和65％～100％时,分别出现轻旱、中旱和重旱,分别减产小于10％．10％～20％和20％～30％。可以看出,拔节期降水缺少对产量的影响,远远不如全生育期的降水影响大,因此评估中应以前者为主,后者为辅,相互配合使用。     

基于CI和强度分析方法的四川冬春季干旱事件变化特征

区域气象干旱动态变化过程和转换规律的研究对灾害预警与应对有重大意义。利用1985-2015年四川30个气象站点逐日20-20时降水量、平均气温资料,采用综合气象干旱指数(CI)与intensity analysis等方法,从干旱事件频次、干旱等级变化强度和干旱等级转换三个方面,分析了近30年四川冬春季干旱事件的变化特征,结果表明:1985年冬-2015年春四川冬春季干旱事件发生频率高、持续时间长、强度大;区域性干旱事件发生率高达77.78%,4月发生区域性干旱事件的频次最高;1985年冬-2015年春四川冬春季干旱等级变化强度表现出"快-慢-快"的变化特征;其中,2005年冬-2015年春较往年有变干趋势;1985年冬-2015年春四川冬春季干旱等级转换较活跃,各干旱等级的转换速率不尽相同,主要集中在轻旱、中旱、重旱三个等级,且有增加趋势。     

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。     

基于降水量距平百分率的中国西南和华南地区的冬旱特征

利用我国西南和华南地区131个测站近50a的降水资料和NECP资料,采用线性趋势分析、合成分析、小波分析、功率谱分析等方法,通过季尺度降水距平百分率将冬旱分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特重旱5个级别,分析了近50 a我国西南和华南地区各级别干旱的空间分布及时间变化特征。结果表明:在这一区域中,每一个级别的干旱都有从东向西增多的分布趋势;重旱、特重旱集中出现在川西南—云南、广东南部;各级别干旱都无明显的气候趋势,1963年是干旱最重的年份,主要在云南、广东等地,其次是1969年、2009年、1974年,但2010年末期干旱面积增大,强度增强。各级别的干旱具有2~3 a的周期,特重旱年有显著的6 a周期;干旱频率高的地方连旱频率也高,连旱年数增多,分布范围减小。     

基于标准化降水指数的锡林郭勒盟干旱特征分析

在全球气候变暖的大背景下,锡林郭勒盟干旱灾害频发,给农牧业生产和人民生活等造成了严重的影响和损失,分析其干旱的时空特征和规律,能为防灾减灾提供借鉴。基于全盟15个气象站点1960-2013年的逐月降水资料,计算了12个月和3个月尺度的标准化降水指数,分析了年度和季节干旱演变规律,并应用主成份分析和空间插值方法分析了干旱的空间特征。结果表明:(1)锡林郭勒盟的年度与季节的干旱均较为频繁且持续时间较长,各尺度干旱频率均为30%左右,干旱等级主要为轻旱和中旱,重旱和特旱频率较低;年度与夏季干旱站次比和干旱强度呈增加和增强趋势,春季、秋季和冬季的干旱站次比和干旱强度呈减少和减轻趋势。(2)前4个特征向量的空间分布与锡林郭勒盟4大类植被覆盖区域基本一致,即农牧交错区、荒漠草原区、典型草原区和草甸草原区,4个区域的干旱时段存在很强的一致性,且均存在干旱化趋势,干旱强度为荒漠草原区典型草原区农牧交错区草甸草原区,4个区域的干旱频率和干旱站次比基本一致。     

干旱频率计算的简化方法探讨——以齐齐哈尔市为例

提出用干旱历时重现期与干旱烈度重现期的最大值max{T_D,T_S}代替按Copula理论计算联合概率分布的干旱重现期T_ɑ(d,s)。在齐齐哈尔的应用结果表明:由游程理论识别的干旱过程和由Copula计算的联合分布及干旱频率判定的干旱程度与历史旱情相符;验证了max{T_D,T_S}与T_ɑ(d,s)具有很强的一致性,可用max{T_D,T_S}代替T_ɑ(d,s)以简化计算;所提方法可行、有效、合理,具有推广应用价值。     

淮河蚌埠闸以上地区冬小麦干旱对气象干旱的响应

本研究基于淮河蚌埠闸以上地区60个气象站点1961-2015年的日尺度数据,借助作物水分亏缺指数(Crop Water Deficit Index, CWDI)和相对湿润度指数(Relative Moisture Index, M)分别表征冬小麦干旱和气象干旱,分析2种干旱的时空演变特征,计算冬小麦干旱对气象干旱的时滞,最后探讨了冬小麦干旱时滞与下垫面地理因子之间的关系,得出结论:1)时间尺度上,对CWDI而言,除灌浆成熟期外,其余生育期的CWDI呈微弱下降趋势;对M而言,各生育期的年际趋势均无明显变化;空间尺度上,CWDI和M各站点中旱以上级别占比均呈现由北部向南部递减特征。2)冬小麦干旱对气象干旱的时滞在返青抽穗期最短,为3.21d,越冬期的时滞最长,为84.35d。3)各生育期的下垫面地理因子与冬小麦干旱时滞的关联度都较好,均在0.5以上。各下垫面地理因子与冬小麦干旱时滞关联度高值点多分布在土壤持水力较差、海拔较高、坡度较陡的山区,东及东北坡向的地区,降水较少、气温较低的北部地区。     

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。     

基于水分盈亏指数的四川省小麦生育期干旱风险评估

利用四川省135个气象台站1961~2014年逐日气象资料和29个农业气象观测站的小麦观测资料,选取水分盈亏指数作为干旱评估指标,分析了54年来四川小麦7大种植区不同生育期的各级干旱时空变化特征及其风险分布情况。结果表明:小麦各生育期发生干旱站均次数以川西南山地最多,其多年平均值达0.9以上,可谓十年九旱。各区干旱站均次数的时间变化趋势不明显。生育阶段以孕穗-抽穗期发生干旱频率较高,其次是拔节-孕穗期,最低的是抽穗-乳熟期。从干旱频率空间分布特征来看,川西南山地是发生轻旱频率最高的地区,川西高原中旱和重旱的发生频率要高于其它各区,盆地各区域中只有盆中和盆西部分区域发生干旱频率相对较高。小麦干旱风险分布情况为川西南山地以及川西高原的南部区域是干旱高风险区,大部分区域可达极重风险,盆地以盆中为干旱风险高发区。     

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。     

气候变化背景下辽宁省未来气象干旱危险性风险评估

利用第5次耦合模式国际比较计划CMIP5中的27个模式历史1 990 s数据、RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下的未来气象数据以及观测数据评估模型模拟气象要素性能。结果表明,CanESM2,CNRM-CM5,MIROC5以及MRI-CGCM3模式模拟降水性能最好。用上述4个气候模式的数据计算描述干旱危险性强度的指标——标准化降水蒸散指数(SPEI),基于信息扩散理论得到未来不同干旱等级的超越概率。在此基础上着重分析了多模式在不同典型浓度路径(RCPs)下对未来气候变化特征的预估。结果表明:未来时段较1 990 s的轻旱危险性风险变化最显著(P0.05)。各个干旱等级的超越概率增加率最大的地区位于西部以及南部环渤海地区。辽河流域西部是中度及重度危险性高值区,次高值区位于辽宁省南部地区包括环渤海地区;北部危险性变异程度较大,在不同未来情景下随时间表现的规律不同;东部及中部地区在各个情景下均较稳定,分别被超低和低以及低和中风险覆盖。     

基于混合Copula模型的灾害相关结构分析——以内蒙古中部强沙尘暴为例

为解决自然灾害发生频率评估中的偏差问题,利用内蒙古中部强沙尘区的植被返青期和春季大风事件资料,构建了单一类型和多类型混合的Copula函数模型,对比了拟合精度并进行了相关结构的分析,通过计算极端灾害事件对应的各变量的尾部阈值,评估了变量的尾部风险。结果表明:混合Copula函数比单一Copula函数更适合于构建两个特征变量的联合分布模型;两个特征变量具有非对称的尾部关系,且极端下尾有较强的正相关关系,出现极端低值时,两者具有更高的相关性;植被返青期早于90d和春季大风事件小于9次,以及植被返青期晚于223d和春季大风事件大于100次时,两个特征变量有较高的正相关关系,当两者同时取得尾部阈值时,发生强沙尘暴可能性更高。因此利用混合Copula函数能够有效提高灾害特征变量相关结构模型的拟合优度,改善灾害发生频率评估精度。     

近40a黄淮海地区夏玉米生长季干旱时空特征分析

干旱是制约黄淮海地区夏玉米产量稳定的主要农业气象灾害,明确粮食主产区农业干旱发生的演变规律,对于采取有效的防灾减灾对策意义重大。基于作物水分亏缺指数和夏玉米干旱等级指标,分析了黄淮海地区近40a夏玉米生长季干旱的时空变化规律。结果表明:夏玉米各生育阶段间比较,播种-出苗期水分亏缺指数和干旱发生概率最大。除播种-出苗期外,随着干旱等级的升高,干旱发生概率逐渐降低,但播种-出苗期则以特旱等级发生概率最大;各阶段水分亏缺指数无明显的时间变化趋势,但年际间波动较大,特别是夏玉米生长中后期,1997年是近40a干旱发生最为严重的年份,不仅干旱持续时间长,且发生范围也最大;水分亏缺指数空间分布范围在年代际间存在"缩小-增大-缩小"的变化规律,从各年代干旱等级及其分布范围看,1991-2000年干旱最严重,2001-2010年有所减轻。夏玉米各阶段水分亏缺指数及各等级干旱发生概率基本呈现为由东南向西北逐渐增大的变化趋势,河北大部、河南西部和北部以及山东的中西部地区是各阶段干旱概率的高值区。由于年际间的波动在增大,黄淮海地区夏玉米生长中后期极端干旱灾害发生的可能性较大,北部及西部地区更是干旱灾害的高发区,生产中仍需加强对干旱灾害的预测预报及防御工作。     

山西临汾市城区暴雨强度公式修订分析研究

本文利用临汾国家基本气象站1981-2013年的雨量资料,采用年最大值法进行雨样取样选取处理,通过对皮尔逊Ⅲ型和耿贝尔型分布函数曲线进行拟合试验,根据绝对误差和适线图结果,优选出误差最小的皮尔逊-Ⅲ型理论分布并推求出其雨强-历时-重现期(i~t~P)关系表。根据i~t~P表,由最小平方法得到暴雨强度公式中参数值,从而得到暴雨强度公式。暴雨强度公式拟合精度检验表明,重现期在2~100年间,绝对误差为0.026 mm/min,重现期在2~20年间绝对误差为0.024mm/min,其结果小于现行规范所规定的0.05 mm/min的绝对误差要求。新旧暴雨强度公式对比表明,除了低重现期短历时外,新暴雨强度公式雨强值比旧暴雨强度公式得到的雨强值大,且随着重现期增大,雨强值增加的幅度也增大。新暴雨强度公式可作为临汾市城区计算雨水排水设计流量、城市排水管网设计和城市规划设计重要依据。