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。     

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。     

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函数的沿海城市雨潮复合灾害风险研究

沿海城市极易受到极端降水和风暴增水引发的复合洪涝灾害影响。定量分析极端降水和风暴增水之间的结构依赖,准确评估雨潮复合洪涝灾害风险,对沿海城市防洪除涝及应对措施的制定具有重要指导意义。本研究以上海市为例,利用研究区1979-2014(36a)年日累积降水与吴淞口风暴增水数据,通过K-S、AIC和BIC检验方法优化边缘分布函数,并采用Copula函数定量评估了不同联合重现期下降水和风暴增水组合的复合洪涝风险。研究表明：（1）上海市36a最大日降水量和吴淞口相应风暴增水均适合运用GEV分布进行拟合,Frank Copula函数对雨潮遭遇联合分布特征拟合效果最好;（2）上海市在5、10、20、50和100a雨潮联合重现期下,降水风暴增水遭遇的联合概率是同现概率的4.12、7.51、14.21、34.27、67.72倍;（3）100a联合重现期下的降水与风暴增水分别约为276 mm和3.5m,说明上海市沿海地区要预防百年一遇的强降水或风暴增水,须在考虑天文大潮的基础上,设计构筑至少3.5 m的防汛墙。此研究表明二元Copula函数能够较为准确地计算出不同联合重现期下的设计降水和风暴增水,为优化防...     

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。     

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。     

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。     

高州市不同历时降雨组合的风险概率研究

基于目前水文频率分析中的不确定性问题,以高州市马贵站1965-2016年的降雨资料为例,利用P-Ⅲ型曲线对高州市年最大1 h降雨量与相应各历时下降雨量进行了频率分析;构建年最大1 h与相应6 h、12 h、24 h降雨量的联合分布模型,并计算三种组合下的两种风险率大小。结论指出:条件概率P2均明显大于条件概率P1;各降雨组合的P1和P2随年最大1 h降雨量的增加而增大,即当H1为117.45 mm取得最大值,其中P1(HH6|HH1)与P2(HH6|HH1)达到最大值48.5%和71.2%。在设计重现期增至10年及以上时,其所对应的风险率均显著降低至20%以下。因此在推求设计暴雨和设计洪水时,利用Copula函数估算不同降雨组合的风险概率,对于准确合理预测遭遇强降雨事件,准确计算设计暴雨值,保证居民财产安全有着重要的意义。     

热带气旋降水重现期估算研究

强降水是热带气旋灾害的重要致灾因子,热带气旋的降水重现期估算对灾害管理具有重要的意义。首先,基于《热带气旋年鉴》(1951-2009年)中存档的纸质总降水等值线图,在GIS系统中进行了数字化,并利用距离平方反比法插值得到了784场1 km×1 km网格的热带气旋的降水栅格分布图。其次,基于极值理论,估算了全中国和各1 km×1 km网格热带气旋各重现期下的年总降水量(ATP)和年最大降水量(AMP)。结果表明,ATP和AMP呈自东南沿海向西北内陆递减。然后,定量探讨了可能影响重现期估算结果的因素。结果表明,Gumbel分布函数能较好地估算重现期;样本量越大,重现期估计可靠性越高;相同重现期样本下,样本的采样时段差异会引起结果估计的差异;1km-ATP重现期估计值在沿海地区及晋-冀-辽-蒙地区对样本选取较为敏感,而1 km-AMP在晋-冀-辽-蒙一带、浙北-苏南、辽东以及长江以南等斑块区域对样本较为敏感。     

基于综合干旱指数的黄河流域干旱多变量概率特征研究

变化环境下,全面掌握干旱演变特征对流域水资源管理具有重要意义。基于黄河流域1952-2012年月降水和径流资料,采用Copula函数和综合干旱指数(MSDI)分析了干旱多属性概率特征及其动态变化,运用交叉小波变换,探究了太阳黑子、大气环流异常因子(AO、ENSO)和植被覆盖指数(NDVI)对黄河干旱的影响。结果表明:(1)MSDI综合了SPI和SRI的优势,能够系统全面地反映流域干旱情况;(2)流域上游和中游部分分区不仅容易受到干旱的侵扰,且干旱风险还在加剧;(3)太阳活动、AO、ENSO以及NDVI都对黄河流域干旱有影响,其中太阳活动不仅直接影响MSDI的变化,也通过影响AO和ENSO间接影响MSDI的变化。     

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。     

基于泊松-对数正态复合极值模型的洪水灾害损失分析

在国际紧急灾害数据库的支持下,得到了中国在1980-2008年间发生的年洪水灾害发生次数、年单次洪水灾害经济损失极大值和年洪水灾害经济总损失3个统计指标;根据复合极值理论,利用泊松-对数正态复合极值模型对洪水灾害经济损失进行了分析。研究结果表明:(1)洪水灾害经济损失遵从对数正态分布;(2)单次极值经济损失与年经济总损失具有高度相关性;(3)复合极值方法可有效地用于洪水极值重现期的重建;(4)与传统的经验频率计算方法相比,该方法能克服因资料年限短、数据不足而造成的洪灾重现周期估算困难。     

基于Landsat 8数据和温度-植被指数的干旱监测

结合Landsat 8数据特征提高遥感反演土壤水分的精度,对旱灾的监测具有重要意义。主要是利用Landsat 8数据,基于植被指数(NDVI)-地表温度(T_s)特征空间理论,通过对植被指数和"干边"的修订,分别计算温度植被干旱指数(TVDI)、干边修订的改进型温度植被干旱指数(MDTVDI);并结合当地气象数据、野外实测土壤水分数据,对计算结果进行了对比。结果表明:在使用Landsat 8OLI和TIRS数据时,TVDI,MDTVDI与地表土壤水分线性相关显著(α=0.05),两者都能表征地表的干旱分布情况;同时,MDTVDI与实测土壤水分的相关性和反演的土壤水分精度略高于TVDI,因此MDTVDI能够更好地反映区域土壤水分状况,更适于区域干旱监测。     

APPENDICE 1 DESCRIZIONE DEI PROFILI 1-6

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变化环境下渭河流域农业干旱形成与发展过程的时空特征研究

本研究采用3个月尺度的标准化降水指数(SPI3)表征农业干旱,对渭河流域的农业干旱发展过程包括干旱发生、结束及其转化期和持续时间的演变特征进行了研究。此外,通过交叉小波探究了太阳黑子和大气环流异常因子与SPI3指数之间的相关性。结果表明:(1)渭河流域农业干旱发生和结束的偏好季节均为夏季;(2)渭河流域干旱持续时间、发生和结束的转化期的趋势变化并不明显;渭河流域平均干旱持续时间约为3. 6个月,明显长于渭河流域的干旱发生转化期和结束转化期;(3)太阳黑子对于渭河流域农业干旱发展过程的影响最为强烈,厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)和北极涛动(AO)次之,太平洋10年涛动(PDO)最弱。研究结果有助于揭示农业干旱的形成机理,为建立可靠的农业干旱早期预警系统提供一定的科学依据。     

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。     

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。     

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。     

黑龙江省玉米生长期冷害与干旱混合发生对产量的影响

基于1981-2016年黑龙江省玉米农业气象观测站资料,利用国家气象行业标准中≥10℃积温距平、水分亏缺指数(K_(CWDI))指标分别判识玉米出苗-抽雄期冷害、干旱,规定同一站点同一年份内冷害、干旱均有发生为2种灾害混合发生,分析其时空分布特征,以逐步回归方法构建积温距平、K_(CWDI)与玉米单产的关系,并探讨2种灾害混发逆境对玉米产量的影响。结果表明:1981-2016年间,研究区玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平对气候变暖具有明显响应,呈显著增加趋势(P0.01),空间上呈北低南高特征;K_(CWDI)随时间呈波动式下降变化(P0.05),空间上表征为西多东少趋势,较好反映研究区水分资源配置特征;在分析期内,各站玉米出苗-抽雄期冷害、干旱混合发生年数为2～12年,研究区累计发生94年,两种灾害混合发生随时间呈减少趋势,1990年代中期以前密集发生,之后发生频率下降,空间上,两种灾害混合发生表现为由西至东减少趋势,松嫩平原西部为频发区;玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平、K_(CWDI)与玉米单产存在显著或极显著的相关关系(P0.05或P0.01),≥10℃积温距平下降、K_(CWDI)增大,玉米产量呈下降趋势;玉米出苗-抽雄期冷害与干旱混发逆境对玉米产量以负效应影响为主。     

基于SWMM模型的城市洪涝过程模拟及风险评估

以SWMM模型作为研究基础,建立了西安市沣西新城区洪涝过程模型,对由暴雨强度公式和芝加哥降雨过程线合成的不同重现期、历时120 min、雨峰系数为0.4的降雨情景开展洪涝过程及其风险评估研究。计算结果表明:该区域设计的排水管网可抵御3年一遇暴雨,但高于此重现期的暴雨会出现不同程度的内涝;溢流最严重的节点在重现期为T=10年暴雨中最大积水深约0.20 m,对城市影响程度不大,但在T=20年暴雨中最大积水深可达0.56 m,可引起严重灾情。根据积水深度模拟结果,可初步判断出在T=20年暴雨过程的特定时段(75~105 min)内,积水会导致以溢流节点为中心10 m范围内的行人和车辆失稳。