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。     

淮河流域极端降水空间分布及概率特征

利用淮河流域110个气象站点1959年1月1日至2008年12月31日的日尺度降水数据,建立了AM及POT极端降水序列,通过4大类33种概率分布函数对其进行了拟合,以建立最优概率分布模型,并利用其参数分析淮河流域极端降水的空间分布及概率特征。研究发现:(1)淮河流域1959-2008年日极端降水的空间分布为东西两端高并逐渐向流域中心降低,且有淮河上游地区及沂沭泗流域东部两处强降水中心;(2)经K-S法检验,Wakeby函数是AM及POT序列的最优概率分布函数。50a一遇的日极端降水预估值与1959-2008年实际最大日极端降水值的误差率随着实际降水量的增加而增大,且大多数站点的误差率在20%以下;(3)通过对最优概率分布模型参数的分析,得出河南省驻马店地区、安徽省阜南和淮南地区以及皖鲁苏交界地区的极端降水发生概率较大,淮河中上游干流周边地区及下游地区的极端降水变化不稳定;(4)以最优概率分布模型的形状、尺度参数为指标,绘制了淮河流域极端降水风险图,为极端降水风险管理与预警工作提供参考。     

黄淮流域夏半年旱涝概率时空分布的研究

利用Γ分布模式拟合区域降水百分率的概率分布,由此推求黄淮流域夏半年（４～１０月）旱涝概率,并探讨该区出现各级旱涝概率的时空分布特征。结果表明,该方法具有相当的客观性,为旱涝灾害研究提供了一条新途径。各级旱涝概率的空间分布反映了各地旱涝频发程度的区域特征和季节变动,揭示了大旱大涝灾害的脆弱区分布特点。文中推导的区域旱涝概率与Γ分布参数α的经验关系,为推断无资料地区旱涝概率提供了可能性。     

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。     

福建沿海输电线路设计风速取值探讨

根据福建省崇武气象台1973~2006年的风速资料,分别采用极值Ⅰ型Gumbel分布、极值Ⅱ型Frechet分布、极值Ⅲ型Weibull分布对该地区的风速进行了统计分析。结果表明,该地区发生强风的概率很大,受台风的影响,年最大风速一般发生在7~10月份,且其风速值随着年代的推后有下降的趋势;经柯尔莫格洛夫拟合优度检验,极值Ⅰ型Gumbel分布是该地区的风速概率分布的最优曲线;极端风速是影响沿海输电线路安全的一个重要因素,可采用差异化的设计方法予以考虑。     

春季东北地区森林火险气象指数及其极值重现期特征

以1961-2010年间东北地区逐日气象观测数据为基础,计算春季逐日森林火险气象指数(FFDI)并用广义帕累托分布(GPD)模型对FFDI极值进行了拟合,结果表明:东北地区春季FFDI高值区分布于吉林西部、辽宁西部和内蒙东四盟市南部区域,高值区基本位于山脉背风坡一侧。春季各站FFDI值的趋势变化大致以大兴安岭山脊为界,山脊以东站点的FFDI趋势系数大部分为负值,其中部分站点趋势系数通过了95%置信水平检验,山脊以西站点趋势系数为正值,但趋势均不显著。GPD模型的概率分布能很好的拟合FFDI极值,96.5%站点的FFDI极值经验分布和理论分布相一致。20年一遇和50年一遇的FFDI极值空间分布大体一致,在50年一遇极值高值区中FFDI值超过40,低值区的FFDI值普遍低于25。     

海啸波高重现值的统计推算

地震海啸是一种破坏性极其严重但发生次数较少的地震次生海洋灾害。如何确定地震海啸波高重现值,对于海岸地区海啸的防灾减灾规划与工程设计具有重要意义。以美国Crescent海岸地区实测海啸过程中出现的最大波高序列为例,首先采用5种极值分布(Gumbel、Weibull、Pearson III型、对数正态和广义极值分布)对海啸波高进行拟合,选取拟合较好的分布型式;然后考虑海啸发生过程的泊松分布,采用4种泊松复合分布(Poisson-Weibull、Poisson-Pearson III型、Poisson-对数正态和Poisson-广义极值分布)计算了地震海啸波高重现值,实现了对海啸波高的长期统计分析。计算结果表明:考虑地震海啸发生次数的泊松分布,采用泊松复合极值分布,可以很好地估计海啸最大波高的重现值。     

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...     

区域自然灾害风险综合区划——以广东台风灾害人口与经济风险区划为例

针对广东台风灾害人口与经济风险,基于区域灾害系统、地域分异和自然灾害区划相关理论,从“多尺度-多要素-多情景”的角度系统性开展了区域台风灾害风险区划,构建了基于自下而上思想的G-BU-BZ定量综合区划工具,结合先验知识和广东台风风险分析结果,使用5个重现期情景(5年、10年、20年、50年、100年一遇)的分区图,以5个重现期情景下的分区方案图谱形式形成系统的综合区划方案：一级区表达宏观上台风灾害风险形成的环境分异,所有重现期情景均划分为6个区域,包括沿海平原区、粤西平原区、粤西-中部平原丘陵区、粤北-粤东山地丘陵区、粤东平原区、珠三角平原区;二级区表达台风综合致灾因子强度分异,5个重现期情景下分别划分出13、16、18、14、12个二级分区;三级分区表达综合风险分异,5个重现期情景下分别划分出55、67、68、64、51个三级分区。     

中国东南沿海城市海啸灾害风险评估

中国东南沿海地区是人口聚集、经济发达的区域,但附近海域存在有多个潜在海啸源,海啸灾害风险不容忽视。基于灾害系统理论,本文应用概率海啸危险性分析（PTHA）模拟沿海地区在不同重现期下的最大海啸波幅分布。同时构建了东南沿海地区承灾体暴露性和脆弱性评价指标体系,综合考虑海啸危险性以及承灾体暴露性和脆弱性的分析结果作为海啸灾害风险评估方案。结果表明,珠江三角洲地区沿海城市处于海啸高风险,如香港、澳门,重现期为2000年时,最大海啸波幅接近3 m,承灾体的暴露性属于最高水平,脆弱性水平较低。靠近台湾海峡的福建省区域部分城市处于较高风险水平,如泉州、厦门等,重现期为2000年时,最大海啸波幅超过2 m,承灾体的暴露性和脆弱性都属于较高水平。     

台风灾害下复杂海域桥址区波高特性研究

台风带来的巨浪对位于复杂海域海洋桥梁的建设和运营构成严重威胁。某在建跨海大桥位于福建沿海台风灾害高发区,桥址区岛屿众多,地形复杂,海洋环境恶劣。为研究复杂海域桥址区的台风期波高特性,现场实测了该海域在台风"杜鹃"期间的60h波面数据。通过对实测波面数据进行错误数据和潮位趋势剔除,缺失数据重构等步骤,得到了台风期间实测波高数据。通过对实测波高数据进行线性回归,计算了各个统计波高的比值,并与规范值进行比较。此外,还研究并讨论了适宜于该海域波高的概率分布形式。结果表明:(1)该区域台风期统计波高比值与《港口与航道水文规范》中的相近,但具体到每个小时,具有较强随机性;(2)Gumbel分布与台风期复杂海域桥址区的实测经验波高分布吻合较好。该研究对海洋桥梁设计、施工和极端波浪防灾具有指导意义和参考价值。     

中国极端高温未来情景下的公路暴露度分析

采用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中20个气候模式的试验数据,以及OpenStreetMap的中国公路数据,采用极值分布对年最高气温进行拟合,预估2030年和2050年RCP4.5和RCP8.5两种情景下不同重现期的极端高温分布及其变化,分析极端高温下中国公路网暴露度的时空格局,并对不同阈值下的暴露度敏感性进行分析。研究表明:①中国极端高温呈明显上升趋势,2050年与2030年的中国极端高温空间分布差异将大于2030年与2015年的差异,且RCP8.5与RCP4.5情景的差异随着时间的增长不断扩大;②相比于基准时间(2015年),中国公路对极端高温的暴露度无论在何种情景都将增长,且增速随着时间增大;③不同高温影响阈值下的公路暴露度具有显著空间分布差异;④公路暴露热点区域范围将由华北向南逐渐扩张,由数个小区域逐渐融合为一个大区域,公路暴露度东部区域较西部区域严重,京津冀地区暴露度尤其高。     

油茶气象灾害普查和风险区划研究——以湖南为例

基于2006—2016年湖南油茶测产数据和同期临近气象站逐日气象观测数据,采用极端天气气候事件影响判识、气象灾害指标独立性检验和相关检验等方法筛选构建湖南油茶主要气象灾害指标;采用气象灾害发生概率与油茶减产率乘积之和构建气象灾害综合指数,基于1961—1990年、1991—2020年湖南500 m×500 m历史气象资料小网格数据和2021—2050年气候变化预估网格数据,分别统计各网格点气象灾害综合指数,绘制不同气候背景下油茶气象灾害综合区划图和油茶气象灾害综合风险区划图。结果表明：影响湖南油茶的主要气象灾害为春梢萌动期低温多雨、盛花期低温阴雨、幼果期低温、果实膨大高峰期干旱、油脂转化和积累高峰期高温、果实成熟期阴雨,综合影响等级除高山区外,大部地区为气象灾害低影响区,对湖南大力发展油茶有利。通过该研究方法得到的结果较现有研究有了新的发现：(1)气象条件对油茶产量的影响需从当年追溯至上年的春梢萌动期;(2)油茶果实膨大高峰期干旱指标有效降水日数较降水总量更重要;(3)油脂转化和积累高峰期的主要气象灾害是高温;(4)在气候变化大背景下,油茶气象灾害高影响等级在减轻,但中、低风险区范围明...     

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。     

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。     

我国沿海风暴潮灾害发生频率空间分布研究

基于我国沿海验潮站和水文站典型重现期数据,综合考虑风暴增水和超警戒潮位,分析了我国沿海一般潮灾、较大潮灾、严重潮灾、特大潮灾的发生频率,揭示了不同等级潮灾的发生频率在我国沿海空间分布特征。结果表明我国沿海大部分地区受风暴潮灾害影响,鸭绿江口沿岸、河北秦皇岛和唐山北部沿岸、成山头-青岛沿岸、广西防城港沿岸、海南东南部和南部沿岸风暴潮灾害发生的强度和频率都不大;渤海湾、莱州湾、长江口、杭州湾等区域是风暴潮易发区,发生特大潮灾概率较低但严重潮灾发生的频率较高;福建北部福州到浙江南部台风沿岸、广东珠江口到阳江沿岸、雷州半岛东部沿岸是风暴潮灾害严重区,特大潮灾发生频率最高。基于不同等级潮灾发生频率的空间分布提出了我国沿海风暴潮灾害防御对策与建议。     

北京市极端降水事件和应对策略分析

随着北京城市化进程的不断发展,极端降水造成的灾害性损失也越来越严重,有针对性的制定极端降水应急管理对策是降低灾害性损失的有效办法。基于1981-2014年北京地区20个常规气象站逐日降水资料,采用百分位法确定20个站点各自极端降水阈值,定义4个极端降水指数,对北京地区极端降水事件进行分析。结果表明:极端降水阈值的分布和极端降水量、极端降水强度、年最大日降水量的分布十分接近,大值区都分布在北京市城区(海淀、朝阳、丰台)和城区东北部(顺义、怀柔、密云、平谷),这些地区因极端降水强度大,面临的灾害性风险最高,是灾害应急管理重点关注的地区;北京市西部(斋堂、霞云岭)和西北部山区(佛爷顶、汤河口)虽然是极端降水日数的大值区,但由于北京地区特殊的地形和人口分布规律,这些地区并没有因为极端降水出现概率高而导致过大的灾害性损失。结合北京市极端降水灾害应急管理现状,提出从提高预报预警能力、加强城市基础设施建设、提高全民应急避险能力几个方面应对极端降水灾害的策略。     

降水概率模型在旱涝监测评价中的应用研究

选择正态、准正态和偏态Gamma多种理论概率分布模型对河南年、月、旬不同统计时段降水概率进行了模型拟合试验，推求了准正态概率分布密度函数的通用公式，提出了二参数Gam—ma分布参数Thom估计方法的修正方案，并对旱涝监测评价分析中有关概率特征量的数值计算方法进行了试验研究。     

基于GIS的华东地区高温灾害危险性分析

基于高温灾害危险性分析基本思路,运用Pearson-Ⅲ型概率模型进行高温强度—频率估算;借助ArcGIS地统计分析和栅格重分类工具开展华东地区高温灾害危险性评估与分区。研究表明:100年一遇情景下,华东7省市高温强度分布在0～73.25 d/a,且以35～65 d/a最为集中;高温灾害强度在空间上呈现出"中心—外围扩散"模式,即以福建省的南平和永安为高温中心,依次向外围递减;到江苏省和山东省则出现明显的高温"低值"区域。高温高危险等级分布在江西、福建和浙江交汇区域,低危险等级广泛分布在江苏、安徽和山东等地;随着重现期降低,高温危险等级逐渐降低,高危险区域面积逐渐减少。