Copula-Based Bivariate Flood Frequency Analysis in a Changing Climate——A Case Study in the Huai River Basin, China

Copula-based bivariate frequency analysis can be used to investigate the changes in flood characteristics in the Huai River Basin that could be caused by climate change. The univariate distributions of historical flood peak, maximum 3-day and 7-day volumes in 1961-2000 and future values in 2061-2100 projected from two GCMs（CSIRO-MK3.5 and CCCma-CGCM3.1） under A2, A1 B and B1 emission scenarios are analyzed and compared. Then, bivariate distributions of peaks and volumes are constructed based on the copula method and possible changes in joint return periods are characterized. Results indicate that the Clayton copula is more appropriate for historical and CCCma-CGCM3.1 simulating flood variables, while that of Frank and Gumbel are better fitted to CSIRO-MK3.5 simulations. The variations of univariate and bivariate return periods reveal that flood characteristics may be more sensitive to different GCMs than different emission scenarios. Between the two GCMs, CSIRO-MK3.5 evidently predicts much more severe flood conditions in future, especially under B1 scenario, whereas CCCma-CGCM3.1 generally suggests contrary changing signals. This study corroborates that copulas can serve as a viable and flexible tool to connect univariate marginal distributions of flood variables and quantify the associated risks, which may provide useful information for risk-based flood control.

面向洪水预报的雨量站网合理性评估与优化研究

【目的】雨量站作为专为收集降水资料而设计的观测点,是收集水情信息的重要来源。雨量站的合理布设可以及时、准确地反映流域降水情况,是洪水预报的必要信息。【方法】以山东省弥河流域为研究对象,基于锥体梯度法和泰森多边形理论,对现有雨量站网的合理性进行了评估。结合信息熵理论和最大信息最小冗余准则(MIMR),利用流域内22个地面雨量站的小时尺度降水序列,构建雨量站网优化模型,提出优化方案。【结果】结果表明,流域部分雨量站控制面积过大且部分雨量站之间相关性较差;雨量站间信息熵的变化规律表明:随着迭代次数的变化,联合熵逐渐变大并最终趋于稳定,互信息先增大后减小,冗余度越来越大,迭代17次后所选站点的信息量占信息总量的比值达98%;考虑到洪水预报的要求,建议在合理位置增设5个雨量站并改进修缮1个雨量站。【结论】优化后的雨量站网能更好地反映流域降雨信息。研究成果可为今后优化流域雨量站网提供理论依据。

气候变化对江西省主汛期降雨极值时空差异的影响研究

【目的】为了研究气候变化对江西省主汛期降雨极值分布的影响,【方法】以江西省1960—2017年的逐日降雨资料为基础,采用多种检验方法检测突变点,并对突变点的显著性进行检验,使用Fisher最优分割法对气候突变前后的汛期进行分期及确定主汛期时间域,并对气候突变前后主汛期降雨极值分布与设计降雨进行探讨。【结果】结果表明:(1)1960—2017年江西省降雨量突变年为1991年。(2)气候突变后最大一日降雨量、暴雨天数及大雨天数普遍较气候突变年前大,尤其在广昌地区最大一日降雨量显著增加,增幅可达到228 mm,广昌-樟树-南昌-玉山线以西区域内暴雨天数显著增加,波阳-南昌-修水线以北所在区域内大雨天数显著增加,增幅都可达到17 d。(3)气候突变前后韦布尔分布对降雨极值拟合最优,概率点距相关系数与和确定系数分别达到了0.994 8与0.988 9,且韦布尔分布得到的降雨极值大于P-Ⅲ分布,气候突变后的主汛期设计极端降雨值小于气候突变前主汛期设计极端降雨值。【结论】在对江西省主汛期降雨进行设计时,要注意对洪水的防范。

基于Copula函数的区域洪水频率分析

【目的】洪水频率分析为水利工程的规划、设计和运行提供了理论依据。传统的单变量频率分析方法已被广泛的研究和应用,但区域水文站点之间往往相互关联,单站点的独立洪水频率分析并不能满足实际工作的需求。因此,有必要考虑区域洪水变量间的相关关系,建立联合分布,采用多变量联合概率分析方法以提高洪水频率分析的可靠性。同时,由于区域洪水特性差异显著,需要探究Copula函数在不同区域洪水频率分析中的适用性。【方法】基于盘龙江区域的小河(中和)站、松华坝站、昆明站三个水文站以及长江上游区域的寸滩站、清溪场站、宜昌站三个水文站的洪水资料,建立站点年最大洪峰流量的边缘分布函数,用Kolmogorov-Smirnov法检验其拟合优度,分析站点洪水变量间的相关程度,进而利用嵌套Copula法和Copula函数表达式法构建区域三站点年最大洪峰流量的联合分布,采用分位数图法、均方根误差法和AIC信息准则法在选用的T-Copula、GH Copula、Frank Copula、以及Clayton Copula四类函数模型中进行拟合优度评价,通过优选的函数模型分析计算条件概率。【结果】结果显示:盘龙江和长江上游区域站点的年最大洪峰流量序列均可用P-Ⅲ型分布作为其边缘分布,且站点变量间的相关性良好,可运用Copula函数描述其相关关系,以此建立联合分布。其中,在盘龙江区域站点变量间,T-Copula函数拟合效果最优;在长江上游区域站点变量间,Frank Copula函数拟合效果最优。由优选的Copula函数模型预测下游站点的洪水遭遇量级,预测值与实测值的接近程度均达到85%以上。【结论】在区域站点洪水样本序列可求解其边缘分布,且变量间相关性显著的情况下,Copula函数能够较好描述变量间的相关关系。对于洪水特性差异较大的盘龙江和长江上游两个区域可优选出不同类型的Copula函数建立联合分布进行洪水频率分析,且计算结果能够准确的预测区域站点的洪水遭遇量级。研究成果可为区域联合防洪提供科学参考。

基于遗传算法的气候突变对江西省分期降雨极值分布的影响

为了研究气候变化对江西省内主汛期降雨极值分布的影响,以江西省1960~2017年的逐日降雨资料为基础资料,采用多种检验方法检测突变点并对突变点进行检验,使用遗传算法与Fisher最优分割法对气候突变前后的汛期进行分期,并对气候突变前后分期降雨极值分布与设计降雨进行探讨。结果表明,1960~2017年江西省降雨量突变年为1991年,广昌与鄱阳湖区域需重点关注极端强降雨的发生;遗传算法适用于汛期划分与分期,气候突变后(1991~2017年)江西省主汛期设计降雨值大于气候突变前(1960~1990年),也大于整时段(1960~2017年)所得设计降雨值,在以设计降雨为基础推求江西省设计洪水时,需考虑气候变化对设计降雨值的影响,加强对洪水的防范。

年最大洪水两变量联合分布研究

采用Von Mises分布拟合年最大洪水发生时间的概率分布,采用皮尔逊III型分布拟合年最大洪水量级的概率分布,选用能够较好反映年最大洪水发生时间和量级之间相关结构的Gumbel Archimedean Copula函数,建立两变量联合分布,并定义和分析条件频率、联合频率和两变量重现期。实例分析表明年最大洪水的两变量分布拟合较好,可挖掘更多信息,为洪水设计分析提供了一条新的途径。

基于Copula函数的设计洪水过程线方法

采用Copula函数构造边缘分布为PIII分布的联合分布,用以描述年最大洪峰和年最大时段洪量,并介绍两变量情形下的重现期定义,根据建立的联合分布和两变量的重现期提出基于两变量联合分布的设计洪水过程线推求方法.研究有助于进一步认识设计洪水过程线的推求方法,并为设计洪水过程线推求提供了一种新思路.

气候变化背景下蚌埠市暴雨与淮河上游洪水遭遇概率分析

利用6个全球/区域气候模式和VIC模型,预估了IPCC RCPs情景下2021—2050年淮河干流蚌埠水文站（吴家渡断面）的日流量过程。在此基础上,运用Copula函数构建了蚌埠市暴雨与淮河上游洪水遭遇概率模型,分析了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下不同重现期暴雨和洪水组合遭遇概率的变化趋势。结果表明,2021—2050年多模式预估上游洪水与城市暴雨遭遇的概率较基准期（1971—2000年）有所增大,具有较高的一致性,平均增幅46%-79%。暴雨与洪水遭遇概率的增大,将会增加未来蚌埠市防洪工作的难度。

基于GEV分布的天山开都河洪水频率特征分析

本文选择天山开都河流域为研究区,基于巴音布鲁克和大山口2个水文站1957—2011年的日径流量观测资料,采用年最大值法(AM)抽取径流序列样本,用线性趋势法、Mann-Kendall趋势检验和Pettitt检验分析年最大日流量、春季最大日流量和夏季最大日流量序列的变化规律;并运用广义极值分布(GEV)对标准他的最大日流量序列进行拟合,分析洪水频率的变化特征。结果表明:提取的6个最大日流量序列均不存在明显的趋势性,且突变点不显著,其中巴音布鲁克站年最大日流量、春季最大日流量和大山口站年最大日流量序列近似服从Frechet分布,而大山口站春季最大日流量、夏季最大日流量和巴音布鲁克站夏季最大日流量序列则服从Gumbel分布。1980年代以来,开都河流域洪水的发生频次明显增加;巴音布鲁克站夏季洪水次数持续增加,大山口站春季和夏季洪水次数均呈增加趋势,且春季洪水出现时间均有所提前。春季显著升温与冬季降水增加,是春季融雪性洪水出现时间和水量变化的主要原因;而夏季降雨量和降雨频率显著增加,是夏季洪水形成与频率变化的主导因素。

两变量防洪风险模型研究

针对传统设计洪水过程线推求方法所存在的局限性,采用Copula函数建立洪峰和洪量的两变量联合分布,对洪峰和洪量设计值进行联合随机模拟,同时根据随机模拟值与实测洪水过程特征量的相似性来选择典型洪水过程,并基于多变量重现期,建立了两变量防洪风险分析模型。以清江流域隔河岩水库为例,分析不同汛限水位对应的极限风险率和漫坝风险率。研究结果表明:1隔河岩水库汛期运行水位可确定为193.6m,在预报长江将发生大洪水时,可将水位提前降低至192.2m,不会增加水库的防洪风险;2当汛限水位继续抬高至194.0m时,尽管极限风险率变化不大,但漫坝风险率成倍增加。所提出的模型可以充分考虑洪水过程的随机性和不确定性,可为流域水库的防洪设计和安全运行提供参考。

基于Copula函数的东江博罗站年最大洪水联合分布研究

以东江博罗站1953—2013年长系列年最大洪峰流量及其峰现时间为基础,采用Von Mises函数拟合年最大洪水洪峰出现时间的分布特征,皮尔逊III型函数拟合年最大洪水洪峰流量的分布特征,采用Frank Copula函数构建了洪峰流量和峰现时间两变量的联合分布,分析了东江博罗站洪峰出现时间分布特性,年最大洪水事件联合重现期和条件重现期。结果表明:以Von Mises,皮尔逊III型及Frank Copula函数构建的联合分布函数均能较好拟合东江博罗站年最大洪水分布特征,可有效挖掘流域洪水信息,为流域防洪规划和风险管理提供参考。

基于Copula函数的长洲水利枢纽年最大洪水联合分布研究

年最大洪水量级和发生时间对水库安全防洪、综合效益发挥具有重要的意义。以长洲水利枢纽为例,采用Von Mises函数分布拟合洪水发生的时间概率分布,采用皮尔逊Ⅲ型函数拟合洪峰流量的概率分布,采用Frank Copula函数建立年最大洪水发生时间和洪峰流量两变量的联合分布,分析了长洲水利枢纽年最大洪水事件发生时间分布特征、联合重现期以及条件重现期。结果表明,Frank Copula函数建立的联合分布函数能够较好地拟合长洲水利枢纽年最大洪水两变量分布特征,可有效挖掘入库洪水信息,为水库优化调度和风险决策提供参考。

基于Copula函数的气候变化下洪水峰量联合分析

为研究气候变化对北江流域洪水特征发生频率的影响,采用分位数映射(Quantile Mapping,QM)后处理方法校正BCC_CSM1.1气候模式2种情景(RCP4.5和RCP8.5)下的气候数据,用于SWAT模型模拟历史(1965—2010年)和未来(2030—2064年、2065—2099年)的北江流域径流量,并采用单变量分析法和基于Copula函数的双变量联合分析法分别对各时期年最大洪峰流量Q和年最大7 d洪量W进行对比分析。结果表明:除RCP8.5下2065—2099年的W外,重现期(T≥50 a)越大,气候变化对Q和W的影响越大;RCP4.5下气候变化对Q和W的影响较RCP8.5下大;2种未来情景下,气候变化对Q的影响均大于对W的影响;对于同一重现期,双变量联合分析法推求的洪水特征设计值较单变量分析法的偏安全。该研究结合了气候变化和双变量联合分析,对变化环境下的洪水风险评价与管理具有一定的参考价值。

基于Copula函数的1977—2014年广东省年最大洪峰特征分析

基于广东省51个水文站的1977—2014年的年最大洪峰流量数据,分析了年最大洪峰流量序列的特征和趋势,综合运用MK和Pettitt等数理统计方法研究年最大洪峰流量的变化趋势,同时基于单变量和多变量Copula函数进一步分析洪水重现期及洪水联合分布,揭示土地利用对广东年最大洪峰流量频率的影响机制。研究结果表明:(1)广东省29(22)个站点年最大洪峰流量有增加(减小)的趋势,且北江的三水、石角、高道和西江的小罗年最大洪峰流量呈显著增加趋势,站点大多数集中于北江流域和西江流域;(2)Inverse Gaussian和Log-logistic是年最大洪峰流量拟合最优的单变量分布函数,Clayton Copula是年最大洪峰流量拟合最优的Copula函数;(3)在1977—2014年间,51个站点中有10个站点(其中六个集中在鉴江和漠阳江水系,其余集中在北江和西江水系)发生了百年一遇的洪水,有的甚至远远超过百年一遇,剩余的站点洪水的重现期多集中在20~30 a一遇;(4)选取考虑两站点(高道站与石角站、连平站与顺天站、马口站与三水站、潮安站与东桥园站、合江站和高州站)间年最大洪峰流量的联合分布情况,超过20 a一遇的洪水发生的概率很低,同时5种年联合分布情况下联合重现期和同现重现期随着流量增大而增大,同现重现期总体大于联合重现期。广东省51个站点中,无论是年最大洪峰流量的空间分布还是发生年份的时间分布上都受到了城市化进程下土地利用类型变化的影响,二者在空间和时间上存在一致性。

2020年主汛期我国暴雨洪涝灾害概况分析与初步思考

为分析我国暴雨洪涝灾害的变化情势,进一步加强暴雨洪涝灾害管理,利用水旱灾害公报等统计公报与新闻报道、网络媒体等多种途径结合获取的资料,梳理2020年主汛期发生的主要江河洪水编号事件与城市内涝事件,分析其时空分布特点,并对比历史灾害数据,探究我国暴雨洪涝灾害的情势特征。结果表明,2020年主汛期城市暴雨洪涝灾害事件的发生,时间上集中在7、8月中旬,空间上集中在西南、华东地区,其中四川省、安徽省尤为突出;2020年主汛期汛情严重,其呈现出极端性增强、流域洪水趋于严重的新特征,这反映了气候变化和人类活动条件下我国暴雨洪涝灾害管理方面面临的新挑战。

气候变化对水文季节性迁移的影响:以水库汛期分期和极值降水为例

气候变化影响下水利工程的可靠设计和安全运行是广大决策者、研究者和公众共同关注的热点问题。以清江流域为研究对象,首先采用模糊集合分析法对不同温室气体排放情景(A2、A1B和B1)下的逐日降水资料进行汛期分期,再通过广义极值分布(GEV)函数对各分期的极值降水序列进行频率分析。结果表明,降水季节性迁移直接影响汛期分期;3种排放情景下未来各时段(2011—2030年、2046—2065年和2080—2099年)的主汛期较基准期均推迟且有缩短趋势。对于极值降水量级,未来情景下明显小于基准期,且这种差距随着重现期的增大而增大;主汛期明显大于前汛期和后汛期,且在时段之间的差异明显大于排放情景之间的差异。

基于GEV分布的西营河流域洪水特性分析

根据西营河九条岭水文站1972—2019年逐年洪水水文要素摘录表,采用年最大值抽样法得到年最大日流量、春、夏季最大日流量共3个样本序列,用M-K检验法分析其变化趋势,并采用GEV分布对3组序列进行拟合分析,使用K-S法与PPCC检验法评价理论分布与实测序列的拟合精度。结果表明:GEV分布能够很好的拟合九条岭水文站的最大日流量序列。根据理论重现期分析,流域内春季发生洪水的次数在减少,夏季发生洪水的次数自1980s以来呈先减少后增加的趋势。山区径流受气候变化影响显著,增温变枯现象普遍。春季高频次的发生温度骤升现象,使得春季洪水发生时间提前,雪冰融水补给比例减少导致西营河流域春季发生洪水次数减少,夏季汛期降水量很大程度决定着流域内洪水大小,流域内年降水总量变化趋势与发生洪水事件的次数的年际变化趋势一致,均呈先升后降再升的波动趋势。

基于G-H Copula函数的惠州市龙门县留洞水库洪水设计研究

该文对惠州市龙门县留洞水库运用G-H类型Copula函数从洪峰、洪量二维特征出发进行联合设计,结果表明二维联合设计方案安全可行,有利于最大程度上防御汛限洪水。G-H Copula函数考虑了洪水事件过程峰量联合分布特征,是基于洪水过程与形态的设计方案,可为库区洪水设计提供可靠依据。

气候变化下极端水文事件的研究进展

气候异常变化导致洪涝灾害、干旱等极端水文事件的发生及其增加的水灾害风险正成为人类生存所面临的重大挑战。近年来,开展气候变化背景下流域极端水文事件的变化趋势、发生机理及其对气候变化的响应与预测研究正逐渐受到国内外众多学者的关注。本文从极端水文事件的定义、研究方法、水文极值分布函数、观测事实及模拟研究等方面分析评述了极端水文事件问题的研究现状和研究成果。在此基础上,讨论了研究现状存在的问题并对该领域未来研究方向进行了展望。

明清时期宝鸡地区旱涝灾害链及其对气候变化的响应

通过对明清时期宝鸡地区旱涝灾害资料的统计和整理,利用滑动平均、累积距平及小波分析等方法探讨分析了1368-1911年宝鸡地区旱涝灾害链及其对气候变化的响应。结果表明:1 1368-1911年,宝鸡地区共发生297次旱涝灾害事件,其中旱灾和涝灾分别发生191次和106次,占旱涝灾害发生总次数的64.31%和35.69%。2宝鸡地区旱涝灾害具有较为明显的阶段性特征,1368-1644年为偏旱阶段,1645-1804年为旱涝灾害波动阶段,1805-1911年为偏涝阶段,整体上呈现出干旱—湿润期的交替特征。旱涝灾害在时间尺度上大致存在70年、110年和170年左右3个振荡周期,与太阳黑子活动周期相对应。3旱涝灾害具有显著的空间差异性特征。渭河流域以北、以东地区既是旱灾的多发区,也是涝灾的多发区。4明清时期宝鸡地区旱涝灾害链的相继发生是对全球气候变化的响应。18世纪60年代以来,全球气候环境变化导致极端旱涝灾害事件频繁发生。