基于CEEMD的LSTM和ARIMA模型干旱预测适用性研究——以新疆为例

干旱的频繁发生对农业生产和经济发展造成了不可忽视的危害,准确预测干旱的发生具有重要的现实意义。基于1960—2019年新疆气象站点的逐日降水量数据,计算1、3、6、9、12个月及24个月时间尺度的标准化降水指数。建立差分自回归移动平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average,ARIMA）、长短期记忆网络（Long Short-Term Memory,LSTM）、互补集合经验模态分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD）-ARIMA组合模型和CEEMD-LSTM组合模型。通过4种模型对多时间尺度SPI序列进行预测,确定各模型在干旱预测中的适用性。结果表明：（1）4种模型的预测精度均随时间尺度的增加而逐渐提高,在24个月时间尺度时达到最高;（2）CEEMD能够有效平稳时间序列,各时间尺度下,组合模型均达到了较高的预测精度,相较单一模型更适用于干旱预测;（3）4种模型预测结果精度由低到高分别为：LSTM、ARIMA、CEEMD-LSTM、CEEMD-ARIMA（决定系...     

基于EMD和IDAR的灌区年降水量预测研究

针对降水量这样一种非线性、非平稳序列,研究经验模态分解方法(EMD)和信息扩散近似推理方法（IDAR）在年降水量预测中的组合应用,解决资料序列不充分情况下的区域降水量预测问题。首先,通过EMD方法对具有典型非线性与非平稳特征的年降水量时间序列进行处理,分解出包含原信号不同特征尺度的分量数据系列;然后应用信息扩散近似推理技术对各降水量分量间的复杂非线性关系进行描述,建立当前趋势以及相邻年份之间的预测规则,并进行预测。以文献案例灌区长系列降水资料为样本进行实例计算,并与其它预测方法进行了对比。结果表明：基于EMD和信息扩散近似推理的预测方法效果较好,误差绝对值和为1.30,优于人工神经网络、线性自回归方法以及单纯信息扩散近似推理的统计结果。同时,为了验证该方法的适用性,将该方法应用于文峪河灌区的降雨量预测,取得了满意的效果。研究中发现：信息扩散近似推理可将样本点转换成模糊集,部分弥补了由于数据的不完备性所造成的信息空白,并可将矛盾模式转换成兼容模式。而EMD方法可有效分解具有非线性、非平稳特征的降水序列,保留其原序列在空间（或时间）各种尺度上的分布规律。两者结合对解决样本不完备的非平稳序列的预测问题是非常有价值的。通过与其它预测方法比较,发现该模型能够很好地光滑样本数据以及能够较好地发掘知识,有较高的预测精度和推广应用价值。     

VMD-LSTM模型对不同预见期月径流的预测研究

为减小径流时间序列的非线性及非平稳性带来的预测误差,提高多种预见期下的月径流预测精度,将变模态分解（VMD）和长短期记忆神经网络（LSTM）模型相结合,建立了VMD-LSTM组合预测模型,并将大气环流因子作为模型输入的增加项,预测未来1~3个月的月径流。将模型应用于黄河流域上游唐乃亥、民和、享堂、红旗及折桥站的月径流预测以验证模型的适用性,并与VMD-BP（BP神经网络）、VMD-SVR（支持向量回归）及单一LSTM模型相比较。结果表明：VMD-LSTM组合模型的预测误差最小、精度最高,相比单一LSTM模型,其纳什效率系数（NSE）约从0.6~0.7提高到0.9以上;融合大气环流因子后VMD-LSTM模型预测精度进一步提高,NSE保持在0.91~0.96之间;随着预见期的增长,VMD-LSTM模型预测精度衰减较VMD-BP和VMD-SVR模型明显变缓,在3个月预见期时NSE仍能保持在0.84~0.95之间。VMD-LSTM模型是月径流预测的一种有效方法,结果可为研究区月径流预测提供参考。     

基于EEMD的杜尚别市1950-2013年降水多尺度分析

文中采用集合经验模态分解(EEMD)方法,对杜尚别市1950～2013年的降水量进行了多尺度分析.结果表明:过去64年杜尚别市年降水量存在明显的年际和年代尺度的变化,年际尺度的周期为4年和6.5年和年代尺度的周期为12年和27年,其中1950s ～1980s呈减少趋势,在1990s～2000s呈增加趋势,且后期的增幅大于前期的减幅.四季中,春季和夏季的降水量呈增加趋势,秋季和冬季的降水量呈减少趋势.     

玛纳斯河肯斯瓦特以上流域近55年降水量变化特性分析

根据玛纳斯河肯斯瓦特水文站1956～2010年逐月观测的降水资料,运用线性回归,5年滑动平均,累计距平,Mann-Kendall以及EMD的分析方法,分析了玛纳斯河流域降水量的年内、年际、年代际变化特征。结果表明:近55年来,玛纳斯河流域降水量年内分配不均匀,主要集中在4～8月份,占年降水量的70.19%;年际变化大,总趋势以4.42mm/10a的变化率增加,但该趋势在0.05水平上不显著,降水变化具有明显的阶段性;年降水量变化存在准6～8年、准10～14年、准23～26年、准52年的波动周期。     

秃尾河流域降水量权马尔可夫链模型预测研究

针对降水过程存在着大量不确定性、不精确性的特点,采用均值-标准差分级法将降水量分为雨涝、偏涝、正常、偏旱和干旱5个状态;针对降水量为相依随机变量的特点,采取规范化的各阶自相关系数为权重,用加权马尔可夫链模型预测未来降水的变化状况;最后以黄河中游秃尾河流域为例对该方法进行了检验,分析了其未来情况下降水的可能变化趋势.结果表明,2002年秃尾河流域降水量预测状态与实际相吻合.     

基于EEMD的新疆1971～2013年初、终霜日及霜期变化趋势分析

对国家气象信息中心整编的1971~2013年新疆50个气象站点逐日最低气温资料进行集合经验模态分解,分析新疆初、终霜日及霜期和无霜期的空间分布特征及变化趋势。结果表明:近43a新疆终霜日提前比初霜日推迟更明显,无霜期延长比霜期缩短趋势更显著;初霜日推迟、终霜日提前、霜期延长和无霜期缩短的趋势北疆均比南疆地区更显著;新疆初霜日变化趋势上升型占44%,终霜日变化趋势下降型占44%,霜期变化趋势下降型占72%,无霜期变化趋势上升型占42%。     

经验模态分解和RBF网络在径流预测中的应用

为提高径流预测的准确性,提出一种经验模态分解EMD(Empirical Mode Decomposition)与径向基函数RBF(radial basis function)神经网络的径流预测方法。该方法利用EMD将漳泽水库径流序列分解为5个固有模态函数和1个残余项,然后将各分量作为RBF网络的输入对径流进行预测。结果表明:通过EMD分解,预测效果有明显提高,满足规范要求,计算方法可行。预测结果可为漳泽水库防洪抗旱规划,水资源优化调度提供科学的依据。     

基于SPI指数的宁夏中部干旱带1960—2012年干旱特征研究

研究宁夏中部干旱带的干旱特征可为区域农牧业发展和防灾减灾提供科学决策依据.利用1960-2012年的各站点气象观测资料,计算标准化降水指数(SPI),并借助集合经验模态分解、功率谱分析和重新标度极差分析等方法,对近50年来的干旱特征和变化趋势进行了研究.研究结果表明,宁夏中部干旱带在1960-2012年间发生中旱以上的干旱事件达到了总干旱次数的30％以上;干旱波动周期的多尺度分解显示,该区域存在着0.5a尺度的轻旱,1 a尺度的中旱,3a尺度的重旱和10 a尺度的特旱;平均干旱强度的年际波动周期特征中,有平均超过65％的贡献来自于3.25-4 a左右的干旱周期波动,而平均超过14％的贡献来自于5.78-6.5 a左右的干旱周期波动;总体来看,宁夏中部干旱带的干旱趋势处于增强态势,且具有长程依赖性,即未来还将持续干旱,但不同季节的干旱趋势特征又表现出一定的差异.     

基于BP和LSSVM的径流分频预测模型构建

针对径流序列具有较强的随机性和波动性特征,提出一种短期月径流预测混合模型CEEMDAN-VMD-(BP, LSSVM)-LSSVM。首先利用自适应白噪声完整集成经验模态分解(CEEMDAN, complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise)将径流序列分解为高频、中频和低频分量,再利用变分模态分解(VMD, variational mode decomposition)方法进一步分解高频分量,并根据样本熵对两次分解得到的子序列进行整合,采用麻雀搜索算法优化的反向传播神经网络(BP, back-propagation neural network)和最小二乘支持向量机(LSSVM, least square support vector machine)分别预测高频分量和中低频分量,最后将不同频率分量训练期的拟合值作为LSSVM的输入,进行二次预测得到最终的径流预测结果。将提出的模型应用于黑河流域莺落峡站和祁连站的月径流预测,验证期相关系数和纳什效率系数均达到0.99以上,对比其他8组对照模型,该模型具有更高的预测精度,可以应用于实际的短期月径流预测。     

石河子地区年冻融指数的多尺度变化特征

基于石河子地区各气象站点1961─2013年的逐日平均气温数据,计算年冻融指数,并利用集合经验模态分解(EEMD)分析其多尺度变化特征。结果表明:在过去53 a,石河子地区冻结指数和融化指数的年际变化明显,其中冻结指数总体呈减少趋势,融化指数总体呈增加趋势,气候倾向率分别为-3.84℃·a-1和8.64℃·a-1。在年际变化上,冻结指数年际波动较大,其变幅为820~1 900.7℃;融化指数年际波动较小,变幅为3 518.8~4 577.9℃。在年代尺度上,冻结指数与气温呈明显的负相位,且两者的年际变化周期相同(3 a),年代尺度周期大致相当(10 a左右);融化指数与气温呈明显的正相位,且两者存在年际变化的同周期(3 a)。变化趋势特征表明,伴随着气温的增加,冻结指数呈非线性减少趋势,而融化指数呈非线性增加趋势。     

Monte-carlo与NNBR模型结合在年降水量预测中的应用

以内蒙古五原气象站近40 a的降水资料为例,从降水发生的随机性、统计规律性和统计相似性入手,将蒙特卡罗方法(Monte-carlo)和最近邻抽样回归模型(NNBR)结合,对降水量进行预报。Monte-carlo方法的预报结果虽能很好地体现研究区降水发生的随机性和统计的规律性,但却不能准确反映出降水序列之间的排列顺序,使预报序列具有多解性。利用NNBR模型对Monte-carlo的预报序列依据最相似理论重新排列,确定预报序列中各个成员之间的排列次序,从而实现预报序列不仅能体现出研究区内降水序列的统计规律性和相似性,同时也能反映出单一个体出现的随机性。通过检验证明模型具有合理性和较好的适用性。     

融合时空特征的GCN-LSTM西北地区沙尘天气预测模型研究

针对以往沙尘天气预测算法中时空特征提取不足的问题,文中提出一种基于融合时空特征的图卷积和长短期记忆网络(GCN-LSTM)的沙尘天气预测模型。以西北地区为研究对象,利用城市之间的植被指数和距离构建邻接矩阵,通过图卷积网络(GCN)对空间特征、长短期记忆网络(LSTM)对时间特征进行提取,将特征融合后用于预测各个城市的沙尘天气。与GCN、LSTM、时空因果卷积神经网络(STCN)模型相比,文中提出的GCN-LSTM模型的准确率分别提高6%、8%、2%,且其接收者操作特征曲线(ROC)、ROC曲线下的面积(AUC)、精确度-召回度曲线(P-R)评价指标表现更优。文中研究为沙尘天气发生采取防范措施、减少损失提供借鉴意义。     

黑河流域近2000年的旱涝与降水量序列重建

黑河流域有大量近2000年来旱涝史料记载资料,通过提取和处理旱涝记载信息,建立近2000年来的旱涝等级序列。利用统计分析得到黑河流域近2000年来旱涝阶段。近40年旱涝灾害与降水量具有较高的负相关性,相关系数为-0.892,建立旱涝等级与降水量距平百分率关系,依据黑河流域近2000年的旱涝序列重建2000年来降水量序列。得到结论:从1～5世纪降水量不断增加,5～15世纪降水量不断减少,15～20世纪降水量不断增加。     

中国天山山区近40a来的年气候变化

依据中国天山山区8站1959-2000年的气温降水资料,建立天山山区年平均气温、年降水量序列,利用距平分析、滑动平均、最大熵谱、经验正交、线性回归等方法,分析天山山区近40 a来气候变化的基本特征,结果表明:①天山山区年平均气温存在4暖3冷的冷暖变化阶段,最冷年与最暖年分别是1984年和1998年,其变化具有3 a和6 a的显著周期;天山山区年降水量具有3多3少的干湿变化阶段,降水最多年与最少年分别是1998年和1997年,年降水量变化具有2,4,9 a的显著周期.②天山山区年平均气温最主要的空间分布特征是大西沟、巴音布鲁克年平均气温与其余6站呈反向变化,其次是除新源外,其余7站年平均气温呈同向变化;天山山区年降水量的最主要空间分布特征是8站降水的同向变化,其次为昭苏、新源、大西沟、巴音布鲁克、巴伦台年降水与小渠子、天池呈反向变化.③20世纪60-80年代,天山山区年平均气温与30 a平均值相同, 90年代升温达到0.6 ℃;从60-90年代天山山区年降水表现为持续增多;90年代是4个年代中气温最高、降水最多的年代.④近42 a来,天山山区年平均气温存在着明显的线性升温趋势.     

1960-2018年博斯腾湖水位变化特征及其影响因素分析

结合博斯腾湖1960—2018年水位、出入湖径流以及气象站点实测资料,采用集合经验模态分解(Ensem?ble Empirical Mode Decomposition,EEMD)、水量平衡和气候弹性方法,对近60 a博斯腾湖水位变化及其影响因素进行了详细分析。结果表明:(1)1960—2018年博斯腾湖水位总体呈下降态势,具体表现为“下降-上升-下降-上升”四个阶段。(2)在年际尺度上水位存在准3~4 a、准8~9 a的周期性振荡,而年代际尺度上表现出准29~30 a和准33~34 a的周期性变化。(3)1960—2018年降水、气温和潜在蒸散发对开都河、黄水沟和焉耆径流的累积贡献率分别达85.1%、42.1%和23.8%,而下垫面、其他气象变量和人为等因素累积对径流的贡献率分别约为14.9%、57.9%和76.2%。(4)对不同阶段博斯腾湖水位变化原因分析:1960—1987年水位急剧下降的主要原因同入湖径流减少和湖面蒸发量大有关;气温升高和降水量增加导致入湖水量增加是1988—2002年水位显著升高的主要原因;入湖径流减少和出湖水量增多,导致2003—2014年水位显著下降;博斯腾湖入湖水量的显著增加及对出湖水量的严格控制是2015—2018年水位明显上升的主要原因。     

1961—2010年中国降水量变化分区及其区域特征

为研究中国近50 a(1961—2010年)降水量变化的空间分区及其区域特征,利用598个气象站1961—2010年逐旬降水资料,计算各站的降水量距平百分率,通过经验正交函数（ROF）和旋转经验正交函数（REOF）对降水量变化进行空间分析,进而对中国50 a降水量变化特征进行分区,同时采用线性趋势分析及5 a滑动平均分析方法,分析了全区及各个分区降水量变化特征。结果表明：根据1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3个时段可分别将中国分成12、11和11个降水量变化区。综合3个时间段降水量变化特征,可将中国分为江淮地区、东北中南部地区、中国北部地区、新疆地区、江南和华南东部地区、黄淮地区、西南地区东部和江南西部地区、东北北部地区、华南中西部、青藏地区、西南地区西部11个区域。通过降水量变化特征分析,近50 a中国降水呈现减少趋势,且存在区域差异。降水量减少幅度最大的是黄淮地区,气候倾向率为-13.9415 mm·10 a^-1,降水量增加幅度最大的是江南和华南东部地区,气候倾向率为23.2075 mm·10 a^-1。     

基于改进相对资源承载力模型的天山北坡可持续发展研究

某一区域人口可持续发展的重要保障在于这一区域的自然资源及经济资源禀赋条件,特定区域人口和经济的双重合理布局是可持续发展的基础。利用改进的相对资源承载力模型,计算2000-2010年天山北坡的相对资源人口承载力和相对资源经济承载力,探讨天山北坡各县市相对资源承载力的时空演变及差异特征。研究表明：① 以新疆为参照区,近10 a来天山北坡处于人口非常富余、经济超载或严重超载阶段。② 与全疆相比,水资源是天山北坡的优势资源,土地资源是制约天山北坡人口、经济发展的劣势资源。③ 以天山北坡为参照区,相对资源人口承载力非常富余度最大的是克拉玛依市,超载最严重的是博乐市;相对资源经济承载力超载最严重的是克拉玛依市,非常富余度最大的是奇台县。④ 依据相对资源人口、经济承载力的超载或富余状态,将天山北坡各县市归为4类资源承载力匹配区。     

基于Biome-BGC模型的天山北坡森林生态系统碳动态模拟

以天山北坡森林生态系统为对象,对Biome BGC模型的生理生态参数进行了校正,模拟了1959-2009年气候变化及不同气候变化情景下,研究区森林生态系统净初级生产力（NPP）、碳收支（NEP）和土壤呼吸的变化趋势。结果表明：[JP2]1959-2009年该区森林生态系统年均NPP为547.97 g·m-2·a-1,年均NEP为61.24 g·m-2·a-1,[JP]表现出适度的碳汇效应,但碳汇效应整体呈递减趋势;在设定的温度、降水情境下,NPP和NEP对降雨变化的敏感性,较其对气温升高的敏感性强;在平均气温升高、降雨量不变的情景下,森林生态系统NPP呈微弱增加态势,但NEP呈减少趋势,主要原因为气温升高,导致土壤呼吸增强。通过分析气温在干旱区的正负效应,表明气温升高促进了天山北坡森林生态系统的NPP;干旱胁迫在该区域不显著。