基于Copula函数的汉江流域水文干旱风险研究

研究汉江流域水文干旱风险及驱动因素,为区域干旱预警和水资源管理提供参考。选用1964—2016年汉江流域白河、黄家港和沙洋3个水文站逐月实测径流资料,采用标准化径流指数SRI进行水文干旱分析,基于游程理论进行干旱特征变量识别,运用Copula函数计算干旱特征变量之间的联合累积概率,分析了联合重现期和同现重现期。结果表明:(1)在1964—2016年,白河站共发生水文干旱事件54次,干旱发生频繁但旱情较轻; 黄家港和沙洋站分别发生干旱事件34,32次,发生频次相对较少但旱情较重,旱情总体呈现从上游向下游加重的趋势;(2)随着干旱特征变量值增大,联合累积概率值也增大,但增大趋势变缓;(3)两变量重现期随着单变量取值增大而增大,但在相同增幅情况下,同现重现期的增幅要明显高于联合重现期;(4)当白河站干旱历时和烈度达到最大时,水文干旱事件的联合重现期为50 a左右,同现重现期为1 600 a左右,黄家港与沙洋站呈现出与白河站大致相同的趋势;(5)人类活动是1991年以来汉江流域径流减少的主要原因,对白河和沙洋站径流变化的贡献率分别为59.6%和69.2%,是汉江流域水文干旱加重的主导因素。研究显示汉江流域下游旱情较上游重,且持续受人类活动影响,应增强变化环境下区域干旱风险应对能力。     

不同时间尺度下气象干旱向水文干旱传播过程

利用黔中地区1970—2016年逐月降水以及径流计算标准化降水指数（SPI）和标准化径流指数（SSI）,分别表征气象、水文干旱,采用游程理论等方法分析了该地区不同时间尺度的气象水文干旱动态变化特征,并以交叉关联函数以及干旱传播阈值等方法探求不同时间尺度上气象干旱向水文干旱传播时间。结果表明：（1）黔中地区气象水文干旱化态势以上升趋势为主,重度和极端干旱发生的频数增加,长时间尺度上,气象与水文干旱特征具有一定的同步性。（2）不同季节上干旱传播时间（PT）不同,春季PTs在1~5个月,夏季PTs在1~3个月,秋季PTs在1~4个月,冬季PTs为1~3个月。（3）在地形地貌影响下,不同时间尺度的PTs不同。3个月时间尺度下,阳长、高车和麦翁的PTs为1.36,2.00,1.58个月;6个月时间尺度下,PTs为2.75,2.55,3.00个月;12个月时间尺度下,PTs为3.33,2.56,7.17个月。     

黔中地区气象水文干旱演变特征及其响应关系

黔中因其地形地貌特殊,干旱情势复杂,研究其干旱特征以及传播过程,能有效预防干旱延续,为该区域干旱监测和预警提供科学依据。基于黔中地区1970—2016年的降水以及径流数据,计算标准化降水指数(SPI)与标准化径流指数(SSI),采用相关分析方法,分析该地区气象水文干旱的演变特征以及两者之间的响应关系。结果表明:(1)不同时间尺度的SPI与SSI具有不同的时间振荡频率。在较短的时间尺度上干湿交替频繁,而较长的时间尺度可以检测连续的干旱与潮湿时期。(2)近47年来,黔中地区干旱化态势增强,干旱发生的频率上升,重度干旱以及极端干旱频率增加明显。(3)该地区气象与水文干旱在不同年代际呈现不同的空间分布特征,气象干旱主要发生在黔中南部、中部和西部等地区。20世纪水文干旱化态势最明显的地区主要在黔中中部,而21世纪最明显的干旱化地区则在黔中西北部。(4)SSI—SPI相关性显著,不同时间相关系数的变化趋势不一致,并且它们的响应关系呈季节变化,其相关系数为夏季>秋季>冬季>春季,这与黔中地区降水的时空分布不均以及地貌特征有关。综上,黔中地区气象水文干旱日趋严重,极端干旱频发,气象干旱加剧了水文干旱旱情,两者关系密切。     

基于高维Copula函数的逐日潜在蒸散量及气象干旱预测

尝试引入高维Copula函数对影响参考作物蒸散量ET₀的气象因素进行联合分布构建,揭示不同变量间的相关结构,建立多元气象因素对ET₀的联合分布模型,对逐日ET₀及短期干旱等级进行预测,并将枯季1—4月份的多维Copula联合分布预测模型的系统性偏差构造成修正函数,代回ET₀预报模型以改善预报效果,利用洱海流域内大理站1954—2018年逐日气象观测数据,以FAO Penman-Monteith方程为标准值对比分析。结果表明:1)平均气温(T)和最高气温(T_max)2个气象因子组合时,二维Normal Copula模型对逐日ET₀预测的精度最高,叠加上修正函数项之后,相对误差小于10%、15%、20%、25%的样本比例分别提高到71.6%、84.4%、91.4%、96.5%,全年符合指数IA变化范围为0.98～0.99,平均偏差ME为0.17～0.30,均方根误差RMSE为0.54～0.64,Nash-Sutcliffe效率系数为0.90～0.98;2)将逐...     

气象干旱-水文干旱传播过程特征及其影响因素——以贵州黔中水利工程区为例

为探究喀斯特区域气象干旱向水文干旱传播过程特征,使用SPI与SRI标准化指数识别区域干旱,采用交叉小波、小波相干、状态转移概率等方法探讨传播强度、响应率等干旱传播特征。结果表明:(1)上世纪60 s和70 s气象干旱、水文干旱的干旱持续时间较短,而80 s与21世纪初期区域干旱持续时间较长;SPI与SRI间呈显著的正相关关系,气象干旱向水文干旱传播的过程需要1.5个月。(2)喀斯特区域的干旱传播强度DPI>1,且响应率偏高,水文干旱对气象干旱的发生极为敏感,尤其是在地表切割深度较浅、岩溶发育较为强烈的区域。(3)传播过程主要受地表切割深度的影响较大,各下垫面条件对干旱传播过程的影响程度依次为地表切割深度>岩溶发育强度>高程>地形地貌,其中,干旱传播特征与地表切割深度呈显著的负相关,与岩溶发育强度、高程、地形地貌呈正相关;在浅切割、中等切割或海拔较低、岩溶发育强烈的区域,各等级间的DPI、Rr的转移较为活跃,整体上传播特征在57年间呈增强的趋势。研究结果旨在为区域干旱防治与监测提供理论依据,尤其是为喀斯特生态环境脆弱区的可持续发展规划提供理论参考。     

基于游程理论和Copula函数的干旱特征分析及应用

干旱是一种复杂的自然灾害现象,理解和掌握干旱事件的发生发展状况对防治其危害具有重要意义。选用1960—2015年间陕北黄土高原9个地面气象观测站的月降水数据集,基于游程理论从标准化降水指数中提取出干旱事件的历时和强度,采用拟合优度最高的Copula函数对干旱特征变量进行拟合,分析干旱特征变量的联合累计概率和干旱事件的联合重现期,并基于30 a时间间隔的滑动窗口分析联合重现期变化曲线,最后将研究结果运用到陕北地区1995—2010年间干旱实际受灾面积中,进一步分析干旱事件联合重现期与农作物旱灾损失之间的联系。结果表明:1)1960—2015年间陕北黄土高原出现的最低干旱事件频次为94次,最高103次,榆林东部和延安的北部是主要的干旱灾害频发区,延安的东南部和铜川干旱事件发生频次相对较小;2)干旱历时和干旱强度具有较强的相关性,随着干旱历时和干旱强度的不断增大,二者的联合累计概率和联合重现期也不断增大;3)研究区内不同站点的相同历时不同强度和相同强度不同历时的联合重现期变化曲线变化趋势不尽相同;4)陕北地区农作物实际受旱灾面积与干旱历时和强度密切相关,不同类型干旱事件联合重现期的拟合能够反映该区域实际干旱受灾情况,根据游程理论提取出干旱事件的干旱特征与实际干旱特征较为接近的情况下,理论重现期与实际重现期的误差范围仅在0.1~0.3 a之间。研究可为旱作农业生态管理提供依据。     

基于Copula的横断山区非平稳性气象干旱特征

为评估气候变化背景下横断山区的干旱时空演变特征规律,基于1961—2019年横断山区94个气象站逐月气象数据计算得到非平稳的标准化降水蒸散指数(NSPEI)表征气象干旱,并利用游程理论、单变量和多变量Copula方法,揭示干旱特征在不同重现期下的联合分布特征。结果表明:(1)横断山区发生干旱的频次在33%～80%,南部高于北部,对于不同干旱程度,轻旱比极旱高48%左右,重旱和极旱主要集中在南部,轻旱和中旱基本上在整个横断山区都发生过,但是依然南部高于北部。横断山区不同月尺度的干旱程度存在空间差异性。秋季和夏季的干旱程度小于冬季和春季,3月份的干旱程度要高于其他月份,干旱程度为20.97～38.10。(2)广义帕累托分布函数(GP)是干旱历时的拟合最优单变量分布函数,广义极值分布函数(GEV)是干旱烈度的拟合最优单变量分布函数,Gaussian函数是拟合效果最优的Copula分布函数。(3)干旱烈度的空间分布特征和干旱历时几乎一致,横断山区出现长历时、高烈度概率南部小于北部。大于10年一遇的干旱历时可以超过一年,大于50年一遇的干旱烈度可以达到100。空间分布上,横断山区北部呈现东西向分布,受到纬度影响,在中部和南部呈现南北向的分布主要受到纵向岭谷的地形制约。(4)干旱历时>10.07,干旱烈度>36.96的联合重现期>0.01,同现重现期<0.01,即联合重现期>预定重现期>同现重现期,联合重现期横断山区的中西部缘区和中南部的部分地区联合重现期高于横断山区的其他区域,同现重现期的空间分布与联合重现期相反。总体而言,从干旱频次上来看,横断山区总体上南部要高于北部,而干旱程度北部要高于南部,同时在不同的重现期下,北部干旱风险要高于南部,因此未来在干旱风险防范方面要关注到横断山区的北部地区。     

北洛河流域气象干旱百年演化特征研究

[目的]揭示黄土高原典型区域百年尺度干旱演化特征，与地貌类型耦合阐明气象干旱的时空变化规律，进而为北洛河流域综合治理提供科技支撑。[方法]基于1915—2020年北洛河流域1 km分辨率的平均气温及降水数据，计算了年际标准化降水蒸散指数(SPEI),并结合Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验、小波分析、反距离权重插值(IDW)等方法，分析了流域内100余年不同地貌类型区的气象干旱时空演变特征。[结果](1)北洛河流域降水量及平均气温的空间分布差异较大，总体呈现东南向西北递减的特点；降水量多呈条带状分布，平均气温沿河道自上而下梯度增加，上游区(丘陵沟壑区)降水量相对较少，下游区(阶地平原区)平均气温相对偏高；(2) 1915—2020年北洛河流域SPEI-12震荡明显，干旱事件交替出现且弱减，下降速率为-0.04/10 a, 1942年，1990年和2010年为旱势转折年，并以1990年最为明显；周期变化大致可从1960年分为两个时期，之前以10 a, 17 a为主，其后为3 a, 7 a, 30 a左右，10 a和30 a周期在不同时期干旱变化中起主导...     

基于Copula函数的泾河流域水沙丰枯遭遇频率分析

流域水沙关系变化是洪旱灾害防治、重大水利工程布局的重要理论基础,同时又对人们的生产、生活产生重大影响。根据泾河流域主要控制水文站的年径流量和年输沙量数据,采用P-Ⅲ型曲线分别拟合计算得到各水文站的径流量和输沙量序列的边缘分布函数,然后采用Copula函数建立了泾河流域水沙联合分布模型,计算泾河流域各水文站水沙丰枯遭遇频率。结果表明:(1)Clayton Copula,Frank Copula,Gumbel copula函数均能较好地拟合泾河流域各水文站的水沙数据,根据拟合优度评价结果选用Frank Copula函数拟合各站的水沙联合分布;(2)在所研究的泾河流域8个控制水文站水沙丰枯遭遇均表现为水沙丰枯同步频率大于异步频率。在水沙丰枯同步频率中,同丰的遭遇频率基本与同枯的遭遇频率相同,二者均大于同平的遭遇频率。(3)在水沙丰枯异步遭遇频率中,丰枯遭遇频率最小的组合是水枯沙丰和水丰沙枯。该水沙联合分布模型对流域治理规划、防灾减灾及生态恢复等具有重要意义。     

基于分形理论的湘江流域洪水分期研究

洪水点据序列具有随机性、非线性、确定性和相似性,这些特性与分形理论研究的对象一致,因此可应用分形理论进行洪水分期的研究。以湘江流域为例,通过分析湘潭水文站洪水散点序列,计算容量维数,确定洪水分期数目,最终划定了湘江流域的洪水分期,并与传统洪水分期方法进行了比较。结果表明,用分形分析法得到的湘江汛期洪水分期和传统方法结果基本一致,但分形理论计算较为客观,说明分形理论在洪水分期中是可行的,值得深入探讨和应用。     

基于图像三维连通性识别方法的长江流域干旱事件特征

全球变化背景下,干旱事件频发给区域水资源管理和社会经济可持续发展带来了巨大挑战,科学合理地辨识干旱发生发展过程一直是干旱研究领域的前沿与难点.该研究将图像三维连通性识别方法应用于气象干旱事件的识别和提取.在长江流域的应用表明此方法识别出的干旱事件与历史记录的吻合度较高,能有效识别气象干旱事件.基于1960—2015年标...     

湘江流域土地利用多功能性评价及障碍因子识别

为了促进湘江流域土地可持续利用,以湖南省湘江流域为研究区域,构建基于生产、生活以及生态功能的土地利用多功能性评价指标体系,采用改进TOPSIS模型评估湖南省湘江流域在2010—2018年土地利用多功能状况,采用障碍度模型识别影响土地利用多功能性提高的障碍因子,并提出了优化土地利用多功能的路径。结果表明:(1)湘江流域土地利用多功能总体上呈增强的趋势,其中生产功能和生活功能在增强,生态功能在减弱,2010—2018年土地利用多功能值由0.392 5增加到0.574 5,土地利用多功能程度经历了从中等到较强的过程;(2)2010—2013年,PM2.5浓度、第三产业产值、人口密度、人均社会消费品零售额等指标是制约土地利用多功能提升的主要障碍因子,2014—2018年单位面积生态系统服务价值、乡村从业人口、人均耕地面积、生境丰度指数等指标是制约土地利用多功能提升的主要障碍因子;(3)2010—2018年生态功能对湘江流域土地利用多功能性提高的制约在升高,生产和生活功能的制约在降低。湘江流域未来应优先保护生态用地,严格耕地保护,增加乡村从业人口,从而促进区域可持续发展。     

基于SWAT模型的湘江流域土地利用变化情景的径流模拟研究

土地利用变化对径流产生重要影响, 显著影响到流域生态的可持续发展。本文应用流域分布式水文模型SWAT, 对湘江流域内5个水文站点(湘潭、株洲、衡山、衡阳、归阳)的月径流进行了模拟。选取1998~2002年作为模型校准期, 以Nash-Sutcliffe效率系数(NSI)和决定系数(R²)为评价指标, 率定出7个模型敏感参数, 并用2003~2007年的月径流进行模型验证。研究表明, 除归阳站点外, 其余4个站点月径流模拟的R²和NSI都高于0.82, 有的甚至达到0.92, 说明模拟效果较好。在此基础上, 以《湖南省土地利用总体规划(2006-2020)》为依据, 设置了3种土地利用情景模式, 以研究不同土地利用方式对径流的影响程度。结果显示, 土地利用变化对水文过程影响比较显著, 情景1中, 随着165.40 km²的耕地转为林地以及793.91 km²的耕地转为草地, 径流深模拟输出减小1.28 mm; 情景2中, 随着8 173.96 km²的林地转为耕地以及337.56 km²的耕地转为建设用地, 径流深模拟输出增加15.61 mm; 情景3中, 随着500.02 km²的未利用地转为耕地, 径流深模拟输出增加1.16 mm。因此, 增加林地和草地面积将减少径流, 而耕地和建设用地的增加导致径流的增加。在对湘江流域进行土地利用规划时需要综合考虑水文效应和经济效益, 充分认识人类活动对水资源的影响。     

1960—2020年珠江流域跨季节尺度干旱时空变化

全球气候变化背景下,珠江流域干旱事件尤其是跨季节干旱事件频发,研究珠江流域不同时间尺度下的干旱时空特征对于流域水资源配置和农业结构调整至关重要。为了了解珠江流域跨季节干旱时间时空变化特征,研究基于1960—2020年珠江流域44个气象站逐日气象观测数据,计算不同时间尺度下的标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）,结合线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验以及Morlet小波分析,分析了近60 a来珠江流域跨季节干旱时空变化特征。结果表明：1）1960—2020年间珠江流域跨季节干旱事件中,秋冬及秋冬春连旱化趋势显著,呈弱干旱化趋势,且干旱化频率有所上升,连旱强度以中旱和轻旱为主,连旱影响范围以局域性为主,其次为全域性,秋冬春季节连旱在1962年和1997年分布出现由干转湿和由湿转干的突变。2）珠江流域秋冬及秋冬春季节连旱普遍存在9～14 a变化周期,相关分析表明珠江流域干湿变化与同期厄尔尼诺现象显著相关。3）珠江流域秋冬及秋冬春季节连旱尺度下大致呈东西干而中间湿的空间分布格局,红水河至左江及郁江流域连旱化趋势减弱,但连旱化频率仍较高,东江流域秋冬季节连旱化频率高且呈弱连旱化趋势,湿润化速率自西南向东北递减,未来发生季节连旱风险高。研究结果可为珠江流域干旱监测与防灾减灾措施提供指导和建议。     

1982—2020年黄河流域多时间尺度气象干旱对植被影响

[目的]深入研究黄河流域不同时间尺度的气象干旱对植被的时空响应特征,为生态保护、水资源管理和气候变化适应性提供宝贵信息,能够减轻干旱引发的环境和经济问题。[方法]基于黄河流域1982—2020年的标准化降水蒸散指数SPEI和归一化植被指数NDVI,采用逐像元线性回归模型、Sen’s趋势分析和Mann-Kendall检验等方法研究黄河流域不同时间尺度气象干旱的时空分布特征及其对植被影响。[结果](1)1982—2020年黄河流域呈不显著的变干趋势,不同时间尺度SPEI变化趋势为负值的区域主要集中在黄河流域的西部龙羊峡至兰州区域、黄河流域的南部及河套平原周围区域。(2)黄河流域多年平均植被覆盖度的空间分布特征呈南高北低、由东南向西北递减的趋势,研究区内植被覆盖度呈显著增加的区域(61.94%)大于植被覆盖度呈显著减少的区域(5.43%)。(3)黄河流域大部分地区干旱状况与植被状态呈正相关,流域内呈显著正相关区域主要集中在黄河流域西北部和最北端区域,说明这些区域的植被受干旱的影响最为严重。(4)草地和耕地对6个月时间尺度的干旱响应最强,林地和未利用地较其他土地类型更易受长期干旱影响。4种地貌...     

基于DSSAT-Canegro模型的广西来宾市甘蔗生长对气象干旱的响应

旱灾是制约甘蔗高产高糖的主要自然灾害之一,研究甘蔗生长过程对气象干旱的响应机制是实现其旱灾风险智慧管理、提高中国蔗糖业发展的一个关键科学问题.该研究基于来宾市1979—2018年0.1°格点及地面气象站点的多源气象要素数据,计算逐日标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotr...     

玛纳斯河流域NDVI时空变化及对气象因子的响应

基于MODIS-NDVI数据和同期的气象资料,运用趋势分析、R/S分析、偏相关分析等方法,在区域和像元两个尺度上研究玛纳斯河流域的植被空间变化特征。结合趋势分析结果和Hurst指数,研究玛纳斯河流域NDVI变化的可持续性特征,并从气温和降水量2个因素分析了NDVI对气象因子的响应。结果表明:(1)2000—2015年玛纳斯河流域NDVI变化呈微弱增长趋势,增长速率为0.044/10a。(2)玛纳斯河流域植被覆盖状况改善的区域占总面积的42.03%,没有发生显著变化的区域占总面积的55.88%,显著退化的区域仅占总面积的2.09%,研究区整体生态环境有所改善。(3)从Hurst指数来看,研究区大部分地区NDVI变化具有可持续性,但局部地区具有反持续性。持续性改善区域占总面积的52.81%,持续退化的面积比重为29.54%,15.87%面积的区域未来变化趋势无法确定。(4)相关性分析结果显示:NDVI与年降水量呈正相关,与平均温度呈负相关,降水对NDVI的影响高于平均温度。     

冬小麦干旱的下垫面孕灾环境研究——以淮河流域为例

基于1961—2019年淮河流域140个气象站点的日尺度降水数据和2000—2016年的月尺度的地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)数据,利用表征气象干旱的标准化降水指数(SPI)挑选确定冬小麦不同生长期的典型干旱年份;利用表征农业干旱温度植被干旱指数(TVDI),借助Landsat-8数据提取淮河流域冬小麦...