基于GAMLSS模型的青海省非平稳NSPEI干旱时空特征分析

[目的]识别气象变量在气候变化影响下出现的非平稳特征,揭示青海省气象干旱特征的时空演变规律,进而为青海省抗旱减灾提供一定的技术支持。[方法]基于GAMLSS模型构建以气候因子为解释变量的非平稳NSPEI,通过与传统SPEI对比遴选一种更适合青海省的气象干旱指数,并利用游程理论与Copula方法分析了不同情景下干旱重现期的分布特征。[结果]NSPEI较SPEI能更准确地识别青海省不同干旱程度,尤其对于较严重干旱事件。1961—2020年青海省干旱频率呈下降趋势且主要发生中度干旱和轻度干旱,干旱频率高发区为柴达木盆地西北部,青南牧区西南部为干旱低频区;干旱历时、干旱烈度分别以0.0189/a,0.0166/a的速率减小,两干旱特征时空变化较同步,均由西北向东北部递减。在中旱情景下,Tor平均为2.79 a一遇,Tand平均为7.52 a一遇;重旱Tor平均为4.11 a一遇,Tand平均为16.22 a一遇,青海省西南部是中、重旱高风险集中区,而东部农业区为重、中旱低风险集中区。[结论]青海省降水、气温序列的平稳性不复存在,考虑以气候因子为协变量NSPEI在揭示青海省时空变化趋势方面更有优势,可以用来预测未来青海省气象干旱的变化情况。

基于GAMLSS模型的云南省非一致性标准化降水指数分析

干旱指数对干旱的研究至关重要。随着气候变化和人类活动的影响,水文序列的频率分布随时间变化,因此需考虑干旱指数的非一致性。标准化降水指数SSPI认为降水服从Gamma分布,对应的分布函数参数通常稳定不变,而实际的分布函数参数与时间序列具有一定相关性,因此利用GAMLSS模型以时间序列为协变量构建了降水序列的非一致性Gamma分布模型,在此基础上计算出非一致性标准化降水指数N NSPI。以云南省为例,分别计算了1960~2019年的逐月N NSPI、SSPI,将两者进行对比分析,发现两者对干旱的识别结果总体趋势相近,但在1960~1985年N NSPI识别的干旱数量和等级强于SSPI,1986~2005年两者相近,而在2006~2019年,SSPI识别的干旱数量和等级逐渐超过N NSPI,进一步分析表明,考虑了分布函数参数随时间变化的N NSPI能更精确反映实际干旱情况。

基于GAMLSS-GLO及随机森林算法的土石坝渗流监测模型

根据土石坝渗流原型观测,厘清水位、降水等因素的影响,模拟大坝渗流的真实状态,合理评估其渗流监测结果,是土石坝安全监控亟待解决的关键问题。基于此,根据数理统计原理,采用随机森林算法构建无降水条件下渗流量与上下游水位的回归模型;考虑渗流量受前期累积降水的综合影响,引入广义可加模型(GAMLSS-GLO),模拟降水影响下土石坝渗流监测值的波动区间,并将其与渗流-水位回归模型叠加,预测土石坝渗流监测的可靠区间;最后,将该方法应用于糯扎渡心墙堆石坝的渗流监测。结果表明:所提模型方法对渗流的水位、降水响应表现出良好的适用性,显著提高了渗流模拟预测质量。同时求解了渗流量置信区间,有利于土石坝的运行工况判断及安全监控。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

基于GAMLSS模型的大渡河流域极值降水非一致性分析

以GAMLSS模型为基础,分析大渡河流域降水频率的非一致性特征,并将时间和多项气候因素作为解释变量进行参数拟合。结果表明,大渡河流域年最大日降水序列均呈现不显著变化的趋势,与一致性模型相比,大渡河流域降水序列的时间非一致性的特征不明显,而气候指标可以更好地反映大渡河流域降水非一致性的特征,表现为所有气象站点GAIC值与一致性模型的值相比明显减少。GAMLSS模型可以模拟水文序列的方差、偏态系数等其他统计参数非线性变化趋势,能够反映水文序列的非一致性特征。

基于GAMLSS模型的玛纳斯河设计年径流分析

玛纳斯河年径流在气候变化影响下发生了变异,传统径流频率分析方法的一致性假设遭到破坏,本文根据玛纳斯河上游出山口1956—2014年水文气象资料,采用遥相关分析法,并基于GAMLSS理论分别建立以时间、气候因子为协变量的时变矩模型,将其拟合效果与传统P-Ⅲ分布进行对比分析,利用最优分布模型进行年径流量设计。结果表明:北大西洋涛动指数(NAO)作为气候影响因子与年径流序列相关系数为-0.322,遥联性最佳;以累积气温亏损值、降雨量、NAO为协变量的LOGNO分布模型为最优分布模型,有效地描述了在气候变化影响下玛纳斯河年径流动态变化特征,并在不同设计保证率下设计年径流比传统P-Ⅲ分布偏大3.08%~16.10%,各月径流设计值与P-Ⅲ分布相差较大。其研究结果为玛纳斯河水资源的高效利用及科学管理提供参考依据。

珠江河口区复合洪水事件多要素非一致性的时变遭遇分析

利用1988—2017年珠江河口三灶站潮位、澳门风速、上游流量日极值数据,基于广义可加模型(GAMLSS)的非一致性频率计算方法与时变Copula函数,对上游洪水、台风和天文潮的复合洪水事件重现期及其主控因子展开研究,结果表明:1)珠江河口区潮位、风速、流量均为非一致性序列,构建的时变Copula模型相比传统恒定参数的Copula更符合实际情况。2)1988—2017年珠江河口区典型复合洪水事件发生周期随时间不断缩短,发生概率增大,未来极端复合洪水事件发生概率增强。“黑格比”台风引发的复合洪水事件重现期从1988年的13.06 a一遇减小到2017年的10.80 a一遇,“韦森特”“天兔”引发的复合洪水事件在1988—2017年重现期缩短了1.06和0.97 a;3)当3种因子重现期为5 a一遇时,珠江河口区复合洪水事件主要受台风风速影响较大;重现期为10、20、50 a一遇时,复合洪水事件主要受天文潮潮位影响较大。

基于GAMLSS模型的我国3~6岁幼儿BMI百分位数曲线参考标准及超重、肥胖临界值的研制

目的:建立我国3~6岁幼儿BMI百分位曲线参考标准和超重、肥胖临界值。方法:1)以2010年和2014年国家国民体质监测中心得到的全国除港澳台外的31个省(自治区、直辖市)101861名幼儿体质数据为建模对象,采用包含中位数、标准差、峰度和偏度4个参数的GAMLSS模型构建BMI的百分位数曲线。2)运用百分位曲线接轨法,与中国肥胖问题工作组(WGOC)推荐的7岁儿童超重、肥胖临界值接轨,划分我国3~6岁幼儿超重、肥胖临界线。结果:1)男女幼儿最优模型均为BCTo分布模型,自变量的幂转换系数ξ分别为0.6017和0.2501,参数总自由度分别为18.11和16.26,模型的拟合优度检验较优;以2018—2019年监测数据回代检验显示,各年龄组百分位标准曲线下的百分数与实际百分数的差异均在2%以内,说明模型有效性良好。研究最终得到了光滑度优良的我国3~6岁幼儿BMI百分位标准曲线及参考值。2)男幼儿超重、肥胖百分位曲线分别为C79.6和C91.5,女幼儿超重、肥胖百分位曲线分别为C85.4和C94.6。计算得出了表格和公式两种形式呈现的超重、肥胖临界值。结论:所建3~6岁幼儿BMI百分位曲线参考标准和超重、肥胖临界值代表性广、有效性高,可为我国幼儿生长发育评价和超重、肥胖的识别提供参考依据。

基于GAMLSS模型的三峡库区主汛期降雨非一致性分析

采用广义可加模型(GAMLSS),以时间t和4种气温形式(年平均气温T_(ave)、年平均最高气温T_(max)、年平均最低气温T_(min)和年平均温差ΔT)为协变量对三峡库区12个站点主汛期降雨量(Pmfs)的非一致性进行了研究,为变化环境下防洪、抗旱、水利工程安全评估等提供依据。结果如下:(1)以t为协变量拟合时,50%的站点的Pmfs呈现出非一致性特征。其中,库首秭归地区和库尾沙坪坝地区Pmfs的均值不断增大(秭归地区增速达29.6 mm/10 a),库尾江津地区Pmfs的方差不断增大,这些地区可能在未来引发洪涝、滑坡、干旱等自然灾害。(2)以气温为协变量拟合时,库区各站的Pmfs均呈现出非一致性,模型拟合效果总体优于前者且具有物理意义。库首以T_(ave)为协变量时,模型拟合效果最好;库腹、库尾总体上以ΔT为协变量时,拟合效果最好。此外,库首秭归地区Pmfs在1998年左右发生了均值突变,均值由从原来的480 mm突增至580 mm左右,可能是由于人类活动或气候变化导致T_(ave)变化引起的;库尾的江津地区Pmfs的方差逐渐增大,风险同以t为协变量的拟合结果。

分位数回归和GAMLSS模型在非一致性洪水频率分析中的比较

为了探索分位数回归模型在非一致性频率分析中的适用性,分别采用分位数回归模型和GAMLSS模型对渭河流域以及珠江流域5个站点的年最大洪水序列进行非一致性频率分析。模型概率覆盖率定性分析结果显示,分位数回归模型拟合效果优于GAMLSS模型;Filliben相关系数定量分析结果显示,GAMLSS模型拟合效果更好但优势不明显。综合分析可得,分位数回归模型的拟合优度整体优于GAMLSS模型。

基于多变量GAMLSS模型的洪水理论分布研究

为探讨水文数据非一致性对洪水频率分析的影响,提出基于位置、尺度、形状的广义可加模型(Generalized additive models for location,scale and shape,GAMLSS),从时间和降水两类因素出发,计算单变量、多变量洪水频率,分析经验点据与理论分位曲线拟合效果,选取不同变化条件下洪水适宜理论分布。以汤旺河流域为例,研究结果表明,单变量洪水频率最优分布选取较稳定,而受时间和降水因素影响,多变量洪水频率最优分布选取均不同。与前者相比,引入协变量使原序列参考时间连续性变化和降水极端信息,改进传统洪水频率计算方法。

基于GAMLSS模型的二氧化碳排放驱动因素分析

全球变暖与二氧化碳减排是各国关注的重要议题。综合研究碳排放影响因素,有效减少碳排放是亟待解决的重要任务。本文收集了我国2005~2017年30个省市的相关数据,构建GAMLSS模型进行非参数回归分析,探讨人口规模、经济水平、城市化水平和能源强度对二氧化碳排放的影响机制。分析结果显示,各因素从长期来看对二氧化碳排放具有线性正向效应,且人口规模、经济水平和城市化水平在一定范围内对二氧化碳排放呈现倒“U”型的非线性影响模式。基于研究结论,结合我国国情提出了关于二氧化碳减排的一些建议。

基于GAMLSS模型的英语考试成绩分析方法探讨

针对现阶段英语学习在我国教育的重要性,本文详细介绍了GAMLSS模型应用的广泛性和其理论基础。同时,本文借助统计软件并结合GAMLSS模型分析了不同教学模式下的英语考试成绩分布情况。结果表明:GAMLSS模型能够有效地分析不同教学模式下的英语成绩分布。对学校的英语教学改革起到了一定的促进和借鉴意义。

变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率演变规律

海河流域天然河川径流持续衰减,水文丰枯情势显著变化,亟需研究适用于非一致性水文序列的丰枯概率计算方法。基于标准化径流指数、GAMLSS模型等方法,提出一种不同等级丰枯水事件期望发生次数和期望等待时间的计算方法,研究变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率的演变规律。结果表明:(1)径流丰枯概率呈现出显著的枯增丰减趋势;(2)同传统的一致性分布等多类概率分布相比,以时间t为协变量的LOGNO分布拟合流域径流系列的效果最优,且基于该分布计算的期望发生次数更接近于历史实际;(3)非一致性最优模型不同情景条件下计算的流域极端枯水和极端丰水事件的期望等待时间分别为4.9~9.4 a、14.5~36.0 a,说明海河流域近期发生极端枯水的概率远大于极端丰水。

年最大日降水量序列非一致性分析——以长江中下游干流8站为例

全球气候变化环境下,极端降水序列一致性受到挑战,因此对其非一致性进行研究分析具有重要意义。本研究综合多种分析方法,对长江中下游干流8个站点1960—2020年间年最大日降水量序列的非一致性进行分析。采取滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验法和Pettitt突变点检验法对所选站点年最大日降水量序列进行趋势和突变分析,应用GAMLSS模型对所选站点的年最大日降水量序列分别以时间t和多气象因子作为协变量进行非一致性分析,挑选出最优的拟合函数,探究年最大日降水序列的规律。结果显示,宝山站、南通站未来年最大日降水量可能增大,荆州站未来年最大日降水量可能会减少并趋于平缓;相较于以时间t为单一协变量,以气象因子作为多重协变量的分布函数拟合结果,对年最大日降水序列的非一致性具有更好的描述效果。

泊松-逆伽玛分布假设下的GAMLSS回归模型

计数数据大量出现在医学、社会学、心理学、保险和交通等领域,是一类十分重要的数据类型。不过,计数数据常出现过度分散现象,使得普通的泊松回归模型无法解释,从而失去效用。本文研究一类混合泊松分布,专门用于拟合这种过度分散的计数数据。主要工作是基于现有的泊松-广义逆高斯分布、泊松-倒逆高斯分布和泊松-逆伽玛分布等三类混合泊松分布,利用广义可加模型(GAMLSS)的灵活性,构建泊松-逆伽玛分布假设下的GAMLSS模型。为验证模型性能,本文还将泊松-逆伽玛、泊松-倒逆高斯和负二项分布假设下的GAMLSS模型应用于车险索赔频率数据,并根据全局偏差、AIC和BIC等准则评估模型。结果表明,本文模型对过度分散的车险索赔频率数据的拟合明显优于负二项、泊松-倒逆高斯分布假设下的GAMLSS模型,是一个处理过度分散计数数据的有效模型。

黄河流域气候与农业种植面积变化对径流的影响

根据黄河流域1960—2005年5个水文站逐日流量、77个气象站1959—2013年逐日降水数据,结合流域内主要农作物种植面积及大型水库资料,全面探讨气候与农业面积变化及人类活动对黄河流域径流变化的影响.研究表明:黄河流域所有流量分位数总体呈下降趋势,并于1980s中后期到1990s中期发生突变.降水变化是黄河流域径流变化的主要影响因素.在考虑不同流量分位数情况下,农作物种植面积变化对不同分位数径流变化的影响也有差异性.花园口站农作物种植面积变化对径流量量级和可变性均有显著影响;其余4站各项气候变化与农作物种植指标参数较大,虽均未达到10%的显著性水平,但仍会对径流的量级变化产生影响.对唐乃亥站,农作物耕作面积的下降减少了灌溉用水,在0.5流量分位数时有高达60%增加径流量的间接作用.对于头道拐站,农作物耕作面积的增加使得流域总蒸发量增加,灌溉用水增加,在0.3流量分位数时有高达40%减少径流量的间接作用.该研究为气候变化与人类活动影响下黄河流域水资源优化配置提供重要理论依据.

淮河流域洪水极值非平稳性特征

基于淮河流域9个水文站的月径流量数据,采用Pettitt非参数检验法、GAMLSS模型与洪水频率分析模型等方法,揭示了淮河中上游洪水频率的演变规律,分析基于平稳性和非平稳性条件下的洪水发生强度及洪涝灾害所带来的影响.研究发现:潢川、横排头和蚌埠站点未发生明显变异,其余6个站点发生均值或方差变异,变异时间主要集中在2000年左右.淮河流域的最优拟合分布函数是Weibull;班台、蒋家集和横排头站适宜于非平稳性模型,其余站点选择平稳性模型.各站点非平稳性条件下10年和20年一遇设计流量值与平稳性条件下皮尔逊Ⅲ型分布设计流量值相差不大,但30年一遇、50年一遇和100年一遇的设计流量相差逐渐变大.横排头站和蚌埠站洪水放大因子随着时间增加呈上升趋势且大于1,百年一遇重现期不足80年.各站点年最大洪峰流量与淮河流域、安徽省水灾面积通过了95%或99%的显著性检验.

黄土高原典型流域输沙量变化及减沙贡献率分析

定量研究气候变化和人类活动的减沙贡献率,可为流域生态治理目标与措施精准布局提供科学依据。针对黄土高原无定河流域及其支流大理河流域,综合利用双累积曲线法、淤地坝减沙模型、Gamlss模型减沙贡献率分析法,开展一般降雨和极端降雨条件下减沙贡献率定量测算和水土保持措施的减沙效益分析。结果表明1960-2015年大理河输沙量以1960-1970年、1971-2002年和2003-2015年三个阶段呈现趋势性减少。人类活动是输沙量减少的主要原因。1971-2002年,沟道措施是主要减沙措施,占水土保持措施减沙量比例约为58%;2003-2015年,坡面措施为主要减沙措施,占水土保持措施减沙量比例约为67%,其中梯田30%,林草37%。水土保持措施在极端降雨条件下能够有效减少输沙量。相似极端降雨情景下,2017年无定河流域次洪输沙量较1977年减少53%。

山美水库流域极端降水时空变化及非平稳性特征

为探究极端降水的时空变化及其非平稳性特征,基于1972—2010年山美水库流域8个降水站点逐日降水数据,选取9个极端降水指数,利用Pre-Whitening Mann-Kendall(P-WM-K)方法分析流域极端降水的时空变化特征,并采用广义可加模型(generalized additive models for location,scale and shape,GAMLSS)检测极端降水的非平稳性特征。结果表明:在时间变化趋势上,极端降水频率指数中雨日数R_(10mm)和大雨日数R_(25mm)呈下降趋势,暴雨日数R_(50mm)呈上升趋势,且上升趋势达到0.05显著性水平;除降水总量P _(RCPTOT)外,其余强度指数呈上升趋势,且均达到0.05显著性水平,其中极端降水量R_(95p)线性倾向率达到30.5 mm/(10 a);在空间差异上,R_(50mm)和极端降水强度指数在流域东南部呈现上升趋势,且上升趋势显著,西北部P_(RCPTOT)下降较明显;R_(10mm)和R_(25mm)呈平稳特征,R_(50mm)全流域约50%的站点呈现非平稳特征,且以均值非平稳为主,除P_(RCPTOT)外,其余强度指数均以非平稳特征为主,且主要表现为均值非平稳。未来山美水库流域极端降水量和不确定性增加,灾害风险增大。