甘肃省河东地区气象-水文干旱时空演变特征

干旱半干旱区是气候变化和人类活动的敏感和脆弱区,研究地区干旱时空演变特征有助于成灾机理分析。甘肃省河东地区是我国典型干旱半干旱区,主要依靠自然降水维持农业生产,旱灾尤为突出。基于标准化降水指数和标准化径流指数探讨河东地区气象-水文干旱的时空演变特征,结果表明：（1）气象干旱多发生于春夏两季及陇东地区,较少发生季节型以上气象干旱;（2）水文干旱较气象干旱历时更长,多年尺度干旱时有发生;（3）不同季节气象-水文干旱滞时不同,春夏两季几乎无滞后,秋季约滞后1个月,冬季约滞后4个月;（4）陇中和陇东地区历史受灾/成灾面积较大。本研究可为干旱半干旱区的旱灾预警评估和旱灾防控工作提供参考。     

气候变化对澜湄流域气象水文干旱时空特性的影响

受全球气候变化影响,澜沧江-湄公河流域气象水文干旱发生了较大变化,预测未来流域干旱的时空变化与传播特征是应对气候变化、开展澜湄水资源合作的基础。利用SWAT模型通过气陆耦合方式模拟了澜沧江-湄公河流域历史（1960—2005年）和未来时期（2022—2050年,2051—2080年）的水文过程,采用标准化降水指数和标准化径流指数预估并分析了流域未来气象水文干旱时空变化趋势。结果表明:①澜沧江-湄公河流域未来降水呈增长趋势,气象干旱将有所缓解,但降水年内分配不均与流域蒸发的增加,将导致水文干旱更为严峻,干旱从气象到水文的传播过程加剧;②水文干旱具有明显的空间异质性,允景洪和清盛站的水文干旱最为严重,琅勃拉邦、穆达汉和巴色站次之,万象站最弱;③未来流域水文干旱事件发生频次略有减少,但其中重旱、特旱事件占比增加,极端干旱将趋多趋强,且空间变化更加显著。     

水文干旱研究进展

水文干旱是自然干旱中的一种重要类型,影响自然界水循环过程中蒸发、下渗和径流三大环节,关系着水文循环和水量平衡。当前的干旱研究多集中在气象干旱、农业干旱上。鉴于水文干旱研究的重要性和目前水文干旱研究的不足,对当前水文干旱研究进行了分类评述,提出了研究中存在的问题及主要发展方向,可为水文干旱的进一步研究提供参考。     

基于概率矩阵的干旱等级变化评估及应用

干旱等级具有多级和跃迁性质,有必要提出一种既能反映不同干旱等级变化特征,又能体现干旱总体变化特征的定量评估方法。通过构建干旱等级变化的概率矩阵,引入变化率乘子和变化程度乘子,推导干旱等级变化率和变化程度计算公式,提出干旱等级变化的综合定量评估方法;借助标准化降水蒸散指数和标准化径流指数,应用于东江流域评估月、季和年尺度的气象干旱向水文干旱传递过程中干旱等级变化及水库影响下水文干旱等级变化。结果表明:①气象干旱向水文干旱传递过程中干旱总体变化程度较小,但干旱等级变化明显,月、季和年尺度的总体变化率分别达到了45.9%、46.8%和34.9%;②干旱在10月下降了约1.4个等级,在春季上升了约1.3个等级;③水库径流调节对于缓解月、季尺度水文干旱作用显著,干旱等级总体变化率均约为33%,其中春季干旱程度下降了约1个等级。该方法不仅适用于评估干旱变化,也可应用于评估具有分级特征的其他灾害变化。     

基于贝叶斯理论的水文干旱预测

以1960—2010年的潘家口水库流域的入库径流序列,计算得到12个时间尺度的水文干旱指数SRI序列。基于水文干旱指数SRI时间序列,分别采用传统的极大似然法和改进的贝叶斯方法构建时间序列模型ARMA,并对比基于极大似然法和贝叶斯方法构建的两种ARMA模型的模拟和预测精度。结果表明,基于贝叶斯方法构建的模型在模拟和预测期的模拟效果较优。随着预测期的延长,两种模型的模拟精度均呈现降低趋势。     

基于气象水文因子的呼伦湖湿地消长综合模型研究

利用1961-2005年呼伦湖湿地的气象及水文资料, 基于水量平衡方程, 以湿地各年水量盈亏累积量(∑ΔW)为因子, 建立了呼伦湖湿地水域面积和水位高程的消长对气象及水文因子协同作用的响应模型, 分析了湿地水域面积和水位高程的消长对影响因子的响应特征.结果表明:呼伦湖湿地消长对气象及水文因子的年代际变化有很好的响应.年平均气温每增加1 ℃, 湿地水域面积和水位高程分别减少134.5 km²和93.44 cm; 年降水量每增加10 mm, 二者分别增加10.2 km²和7.1 cm; 年蒸发量每增加10 mm, 二者分别减少1.1 km²和0.9 cm; 年径流量每增加1×10⁸m³, 二者分别增加4.8 km²和3.3 cm. 年平均气温的升高和年降水量的减少变化对湿地消减的贡献率分别为13.6%和86.4%, 当前降水量的变化在湿地消长中占主导作用.如果不考虑人类活动的影响, 根据未来较低排放(SRES-B2)情景下气候预测, 初步估算2040、 2070和2100年湿地水域面积将分别减少275.8 km²、 442.8 km²和583.6 km², 水位高程分别下降191.6 cm、 307.6 cm和405.4 cm, 未来气温的变化在湿地消长中占主导作用.呼伦湖湿地在未来暖干化趋势下, 湿地水资源短缺加剧, 湿地水域面积萎缩和水位高程下降将加快.     

人类活动对水文干旱形成与发展的影响研究进展

在高强度人类活动对地球系统产生全方位深刻影响下,干旱灾害已经不再是严格意义上的自然灾害,而成为自然-人为复合灾害。人类活动通过改变大气成分(主要通过温室气体排放)引起全球或区域性水循环过程的变化,导致气象干旱时空特性变化,从而间接影响到水文干旱的形成发展;通过改变河流蓄存状态与水力联系(主要通过蓄、引、提、调水工程)以及用水特性变化,改变河流与地下水系统调蓄功能与产汇流过程,从而直接影响到气象干旱向水文干旱的传递过程以及水文干旱的发展过程。考虑自然和社会水循环之间复杂的相互作用过程,揭示人类活动对干旱形成与发展的影响是干旱研究的重要发展方向。     

变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m3和715.0万~929.0万m3。     

区域气象干旱评估分析模式

为应对全球范围内日益严重的干旱问题,对区域气象干旱相对完整的评估分析模式开展了探讨。提出了从区域气象干旱识别到干旱特征值计算,再到干旱特征多变量分析的3个分析评估步骤。并以渭河流域为例,对研究区域进行了矩形干旱评估单元划分,选取了RDI（Reconnaissance Drought Index）为评估指标对区域内各单元各时段的干旱状态进行了识别,结果与历史记载的干旱年份吻合较好。分别采用了分布拟合、相关系数和Copula函数等统计学方法对区域干旱的干旱特征值（干旱历时、干旱面积、干旱强度和干旱频率）进行了特征分析,得出了一系列的单变量、双变量及多变量特征分析对比结果。通过对各类分布函数的计算和绘图,得到了渭河流域干旱事件发生的条件概率和重现期,形成了一套相对完整的区域干旱评估分析模式。     

Archimedean族Copulas函数在多变量干旱特征分析中的应用

以甘肃省陇西站月降水资料为例,应用9种3维Archimedean Copulas函数构造了干旱历时、干旱烈度和烈度峰值的联合概率分布,并进行了多变量的拟合优度评价,利用优选出的3维非对称型M12 Copula函数,计算联合分布的重现期以及不同组合下的条件概率与条件重现期。结果表明,M12Copula函数可以描述干旱历时、干旱烈度和烈度峰值间的联合分布。由于Copula函数能够用来构建不同边缘分布的联合分布,可以获得变量间不同组合下的重现期,因而能够更全面客观地反映干旱的特征,是描述干旱多变量分布的一种有效途径。     

基于CI指数的甘肃省黄土高原地区气象干旱的变化趋势分析

基于甘肃省黄土高原区33个气象站1962-2010年气象资料, 利用综合气象干旱指数(CI)对其近50 a的干旱频率和平均持续时间的空间分布、 干旱强度趋势变化和极端干旱事件频次进行了分析, 此基础上应用基于分型理论的R/S方法对干旱强度未来变化趋势进行了预测. 结果表明: 甘肃省黄土高原区干旱发生频率和多年平均持续天数在兰州-靖远一带和庆阳北部属于高值区, 而岷县、 渭源一带属于低值区; 106° E以西"临洮-通渭-天水"一带和庆阳东南部是干旱变幅最大的地方. 20世纪90年代以来, 干旱强度增大的较快, 四季均呈现出干旱强度变大的趋势, 其中春、 秋季干旱强度加剧的趋势明显, 夏季近10 a都处于非常严重的干旱状态, 但未通过0.01的显著性检验; 20世纪60年代至今, 极端干旱事件发生频次快速增多. 四季干旱强度Hurst指数H 均大于0.5, 同时分维数D 均小于1.5, 因此, 未来一段时间干旱强度仍然保持与过去相一致的变化趋势. 研究结果可为相关部门制定相应抗旱对策提供科学依据.     

基于SPI模型的江汉平原旱涝分布及其变化规律的研究

近年,江汉平原受旱涝灾害影响日趋严重。利用监利水文站1954~2010年的月降水资料并结合SPI模型对江汉平原的旱涝分布及其变化规律做了典型性分析和研究。结果表明:运用SPI模型分析得到的监利地区多时间尺度的旱涝分布及其变化规律与实际基本相符,即该地区旱涝灾害频繁且呈交替发生。将SPI模型应用于旱涝分布及其变化规律的研究具有很好的实用性。     

多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究

通过分析我国东北、华北、西北地区东部、西南以及黄淮、江淮和江汉5个区域不同时间尺度气象干旱指数与20 cm土壤相对湿度的相关关系, 探讨了前期气象干旱对后期土壤湿度的影响, 并利用多元线性回归方法分区域、分季节建立了土壤湿度预测模型.结果表明: 春季, 东北地区土壤湿度主要受前5~6个月, 尤其是上年秋末冬初的降水的影响, 而其他4个区域土壤湿度主要受前1~2个月大气水分的影响;各区域夏季土壤湿度与前1~2个月时间尺度上的大气水分相关最密切;秋季, 东北地区20 cm土壤湿度主要受前2~4个月的气象干旱的影响, 其余区域土壤湿度仍与前1~2个月尺度的大气水分相关最密切.基于前期气象干旱指数建立的各区域、各季节的土壤湿度回归模型对当地土壤湿度具有一定的拟合能力, 平均估计偏差在10.1%~13.9%之间, 其中, 西北地区东部和华北地区春、夏季偏差较大, 2008-2011年间干旱等级拟合准确率在65%~74.9%之间;东北、西南、黄淮、江淮和江汉区域拟合较好, 拟合准确率在88%以上.     

信息熵在新安江模型和NAM模型比较中的应用

选取资水流域新宁水文站以上集水面积为研究区域,基于空间分辨率为30s的数字高程模型数据构建数字流域水系,运用新安江模型和NAM模型分别对新宁站的日径流过程进行模拟。采用确定性系数和信息熵对两个模型的模拟结果进行比较分析。在信息熵计算过程中,以实测流量为标准序列,计算两种日模型模拟结果与实测序列残差,然后进行归一化,计算潜在信息测度和信息熵相对测度。信息熵越大表明流量计算序列与实测序列过程线在垂向上相似性强,但这并不代表确定性系数大、径流深相对误差小。     

水面蒸发量与各气象因素关系的通径分析

从表面看,影响水面蒸发量的气象因素有日均气温、日最高气温、日最低气温和日均风速及日均相对湿度。通径分析表明,平均气温是水面蒸发量的主要的影响因素,其它气象因素大多通过平均气温对水面蒸发量起作用。与此同时,本文根据影响水面蒸发量的最主要因素,建立了相应的多元回归模型。结果表明,该模型具有较高精度和良好可靠性。     

区域干旱统计特征初步分析

提出了区域干旱指标和分级,并在此基础上,初步分析了流域、南北方地区和全国不同层次地区近500年和分世纪的干旱事件发生的阶段性、持续性与各区干旱遭遇的可能性.文中对近500年来上述地区干旱笼罩面积的历时分布和历史上最严重的12个典型干旱年的地区分布进行统计和分析.     

吉林西部季节性气象干旱的时空演化特征

为减轻季节性干旱对吉林西部农业生产造成的影响,以吉林西部6个气象站1957-2010年的月降水量资料为基础,采用标准化降水指数(SPI)作为气象干旱指标。利用Daubechies小波分析法、重标极差分析法(R/S)和干旱频率法对吉林西部SPI时空演化特征进行了研究。结果表明:研究区各站点冬旱整体上有减轻趋势,而秋旱有加重趋势;各站点气象干旱状况呈现出持续性特征,乾安(夏季和秋季)、前郭(夏季)、通榆(春季、夏季和秋季)、长岭(夏季)干旱持续性更加强烈。研究区春旱高频区为扶余,夏旱高频区为扶余和白城,秋旱高频区为白城、通榆、乾安、前郭和长岭,冬旱高频区为扶余、长岭和白城。研究结果可为吉林西部防旱减灾提供参考。     

基于Copula函数的组合变量联合概率分布研究及应用

基于Copula函数原理,利用武江流域实测水文资料,以广义GDP为洪峰洪量边缘分布,构建了流域组合变量Copula概率分布模型,分析了洪峰与洪量、洪量与洪水历时、洪峰与洪水历时的联合概率分布,绘制各种变量组合下的联合分布图及重现期等值线图,并比较了同重现期条件下,洪水单变量设计值与多维联合设计值的区别。结果表明:广义GDP分布能很好的描述洪峰、洪量边缘分布,而基于广义GDP分布和指数分布构建的两变量Copula联合概率分布模型不限定变量的边缘分布,对各种类型的水文变量联合分布拟合效果较好;能全面反映洪水各特征属性不同等级下的联合发生频率,对同一频率下联合分布推求的洪水设计值比单变量设计值偏于安全。基于Copula函数的组合变量概率分布模型描述洪峰流量、洪量、洪水历时等特征的联合分布,较为全面地反映组合特征的洪水发生的概率和重现期,进一步反映洪水风险。