基于时变参数和阈值的非平稳水文干旱评估方法构建

变化环境下,气候变化和人类活动的双重影响导致径流过程出现非平稳特征,需构建非平稳水文干旱评估方法。选取渭河流域为研究区,基于平稳性、突变性和趋势性分析方法,分析径流过程非平稳特征;分别采用基于位置、尺度和形状参数的广义可加模型和完全自适应噪声集合经验模态分解法,构建考虑径流过程非平稳变化的时变参数标准化径流指数和时变阈值法,开展非平稳水文干旱事件评估;结合标准化降水指数和历史记载干旱事件验证两种非平稳干旱评估方法的合理性。结果表明:渭河流域年径流序列突变点出现在1990年前后,且径流序列在突变点后(1991—2020年)呈显著(α<0.05)上升趋势;不同设计方案间的对比结果表明,时变参数标准化径流指数和时变阈值法具备更强的稳健性,可合理刻画出径流过程的旱涝动态变化;构建的两类非平稳评估方法与标准化降水指数及历史记载干旱事件表征的旱涝过程有较高的一致性,更适应于变化环境下的水文干旱评估。

干旱事件重现期计算问题研究

干旱重现期大小是用于评价干旱事件严重程度的重要指标。干旱重现期的计算涉及给定阈值下干旱过程划分(识别)、样本系列分布函数拟合等关键环节,其中干旱阈值的确定是前提。提出以干旱事件的最长调查期为约束条件确定干旱阈值的思路,即根据样本计算的干旱事件最大重现期不应超过最长调查期,以此为据确定干旱阈值并从样本序列中识别干旱事件。同时,针对因干旱历时样本经验点据"平台式"过度集中而导致的频率曲线适线困难问题,建议采用基于游程理论的游程长度分布函数估计干旱历时概率分布。以青海民和县1932年-2010年的月降雨资料为例,对上述方法进行了应用研究,结合Copula函数计算了干旱事件的重现期。

基于联合干旱指数的黄河流域干旱时空特征

依据黄河流域100个气象站1961—2013年的降水数据,采用高斯Copula函数并联合5个时间尺度的标准降水指数(SPI),构建了联合干旱指数(JDI),进而剖析流域干旱时空演变特性和评估历史时期干旱特征(历时、烈度)及联合特征分布规律。结果表明:JDI具备短时间尺度SPI对干旱事件开始时刻的快速捕捉能力,同时考虑到长时间尺度SPI的时间滞后性,在捕捉干旱传播及演变过程方面体现出较大优势;从时空分布特征来看,黄河流域中南部地区在20世纪90年代存在明显的干旱高频区,渭河、泾河、洛河流域存在以年代为周期的旱涝交替现象;黄河流域西北部地区、北部河套平原和大黑河子流域及中南部少数地区比其他地区更易发生长历时、大烈度干旱事件;变动阈值水平能引起历时和烈度较大的变化幅度,而联合特征对阈值水平变化的响应不敏感。

衡邵干旱走廊干旱监测评估方法探讨

基于衡邵干旱走廊1961—2018年干旱灾情数据,利用气象干旱综合监测指数(MCI),对衡邵干旱走廊的干旱监测评估方法进行研究。结果表明:(1)在农作物需水高峰期(6—10月),满足区域MCI指数加权均值(DI指数)小于等于-0.5,且过程持续时间大于等于16 d的干旱事件纳入统计,计算DI指数的极端强度、累加强度、持续时间三要素用于区域干旱年度评估最优。基于DI指数三要素,采用TOPSIS法计算的区域干旱年度评估指数(MCI_(e))最好。(2)对MCI_(e)序列采用平均值和标准差组合的分级方式,得出正常、干旱、大旱、特旱的干旱等级阈值,检验发现MCI_(e)指数对衡邵区特旱年和正常年有较强的评估能力,且2019年和2020年评估结果与实际相符;对2013年特旱年进行模拟,发现MCI_(e)指数能较好地拟合衡邵区干旱灾情变化,可以为衡邵区旱情快速评估和预警提供一定参考。

人类活动对水文干旱影响的量化评估方法

人类活动对全球水资源及水文过程的影响与日俱增,其对区域水文干旱的影响成为目前水文学领域研究的热点。提出基于“实测-模拟”对比的评估框架,定量分析人类活动对水文干旱过程的影响。首先利用趋势及突变检验方法,分析流域内降水、气温、径流等水文气象要素的变化情况;然后基于水文模型还原自然径流过程,结合变阈值方法与游程理论对实测和自然径流序列进行水文干旱识别,并通过比较两序列干旱特征值量化人类活动对水文干旱过程的影响。选取中国北方受人类活动影响明显的老哈河流域对量化评估框架开展应用研究,结果表明:自1979年以来,人类活动导致老哈河流域水文干旱历时、水分亏缺量、峰值较自然条件下分别增加了173.2%~309.1%,38.4%~53.8%和34.0%~99.3%。