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基于Copula函数和SPEI的广东北江流域干旱频率分析

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中山大学学报（自然科学版） 2014年第5期53卷 118-125页

作者：刘占明陈子燊黄强刘曾美中山大学水资源与环境系广东广州510275 华南理工大学水利水电系广东广州510640

选取广东北江流域18测站近50年日均温、日降水数据,计算出标准化降水蒸散指数(SPEI),通过游程理论确定干旱历时、烈度、烈度峰值等干旱变量;选用11种概率分布函数对干旱烈度和烈度峰值进行拟合,采用线性矩法估计参数,通过Kolmogorov-Smi... 详细信息

选取广东北江流域18测站近50年日均温、日降水数据,计算出标准化降水蒸散指数(SPEI),通过游程理论确定干旱历时、烈度、烈度峰值等干旱变量;选用11种概率分布函数对干旱烈度和烈度峰值进行拟合,采用线性矩法估计参数,通过Kolmogorov-Smirnov方法进行拟合优度检验,确定出最佳的概率分布函数,并在此基础上对干旱变量10年一遇设计值进行空间分析。通过Genest-Rivest方法及尾部相关性分析,本文选取具有上尾相关性的GH Copula作为干旱变量的联接函数,并采用相关性指标法估计参数;进而对流域干旱变量联合概率分布进行研究,以期为分析区域水量平衡及防灾减害的干旱风险管理提供科学依据。

关键词： Copula函数 SPEI 干旱频率分析北江流域广东

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重庆地区干旱频率分析

人民长江 2009年第19期40卷 62-64页

作者：翟劭燚张晓雪刘九夫张建云南京水利科学研究院江苏南京210029 水利部应对气候变化研究中心江苏南京210029

干旱是对人类社会影响最严重的气候灾害之一，其研究具有十分重要的现实意义。利用重庆地区1951—2007年年降水量资料，运用随机模拟方法建立了符合该地区的AR（1）模型并通过检验，然后随机模拟生成大量的降水量随机序列作为分析重庆... 详细信息

干旱是对人类社会影响最严重的气候灾害之一，其研究具有十分重要的现实意义。利用重庆地区1951—2007年年降水量资料，运用随机模拟方法建立了符合该地区的AR（1）模型并通过检验，然后随机模拟生成大量的降水量随机序列作为分析重庆地区干旱指标序列，从而对所研究地区干旱特征量负轮次和负轮长的频率特性进行分析，对已经发生的历史干旱事件的重现期进行分析。

关键词：年降水量序列随机模拟 AR(1)模型干旱频率分析负轮长负轮次和

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随机模拟方法在地区干旱频率分析中的应用

农业系统科学与综合研究 2007年第1期23卷 1-4页

作者：赵吴静金菊良张礼兵安徽水利水电职业技术学院安徽合肥230601 合肥工业大学土木建筑工程学院安徽合肥230009

地区干旱历时和干旱程度等特征量的频率特性分析是区域水安全管理的重要基础工作,目前适用的分析方法主要是随机模拟技术,其中的关键问题是建立合适的降雨过程随机模型。考虑到实测降雨序列本身就包含有降雨的地区特性、连续时段雨量的... 详细信息

地区干旱历时和干旱程度等特征量的频率特性分析是区域水安全管理的重要基础工作,目前适用的分析方法主要是随机模拟技术,其中的关键问题是建立合适的降雨过程随机模型。考虑到实测降雨序列本身就包含有降雨的地区特性、连续时段雨量的变化特性等重要信息,以随机分析原理和计算机数值模拟为基础,对年降雨量过程进行统计特性分析,建立了面向实用性的P-Ⅲ型分布AR(1)模型并通过了检验。应用结果表明,所建立的模型较为满意。该模型可用于生成大量的年降雨量模拟序列作为地区干旱指标序列,从而可对所研究地区干旱特征量的频率特性进行估计,对已发生的历史干旱事件的重现期进行识别。图2,表2,参8。

关键词：区域水安全管理干旱频率分析随机模拟年降雨过程实用性检验

基于Copula的干旱频率分析方法在唐乃亥流域中的应用

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陕西水利 2020年第6期 15-18,28页

作者：杨涛奚圆圆刘伟云南省水利水电勘测设计研究院云南昆明650021 云南水利水电职业学院云南昆明650021

以黄河源区唐乃亥水文站以上流域为研究对象,选取唐乃亥站45年(1956年~2000年)的逐月天然径流资料,运用游程理论识别出干旱历时和干旱烈度序列,在假定干旱历时服从指数分布、干旱烈度服从二参数Gamma分布条件下,用χ2检验其合理性,最后... 详细信息

以黄河源区唐乃亥水文站以上流域为研究对象,选取唐乃亥站45年(1956年~2000年)的逐月天然径流资料,运用游程理论识别出干旱历时和干旱烈度序列,在假定干旱历时服从指数分布、干旱烈度服从二参数Gamma分布条件下,用χ2检验其合理性,最后用copula函数构建干旱历时和干旱烈度的联合分布函数,优选出最适合唐乃亥站的联合分布函数,并计算干旱重现期。结果表明:Gumbel-Copula函数是用于研究唐乃亥站以上流域水文干旱特征的最佳分布概率函数,干旱联合重现期平均值为11个月。

关键词：干旱频率分析干旱历时干旱烈度 copula函数唐乃亥

干旱的频率分析及其对陆地生态系统水分利用效率的影响

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干旱的频率分析及其对陆地生态系统水分利用效率的影响

作者：姬亚东西北农林科技大学

学位级别：硕士

干旱是最复杂的自然灾害之一,干旱对生态系统的结构、组成、功能带来不可逆转的影响。作为水循环的间歇扰动,干旱会对陆地生态系统的碳循环带来不利后果,例如阻碍植被生长、造成植被凋亡、诱发森林火灾等。在气候变化背景下,干旱将变得... 详细信息

干旱是最复杂的自然灾害之一,干旱对生态系统的结构、组成、功能带来不可逆转的影响。作为水循环的间歇扰动,干旱会对陆地生态系统的碳循环带来不利后果,例如阻碍植被生长、造成植被凋亡、诱发森林火灾等。在气候变化背景下,干旱将变得更加频繁和严重,增加了生态系统的脆弱性。因此,确定干旱高风险区域以及探讨陆地生态系统碳水循环对干旱的响应将有助于生态系统的科学管理。本研究以陆地生态系统植被为研究对象,基于再分析数据和遥感数据,进行了全球干旱频率分析,展示了生态系统水分利用效率的时空演变特征,量化了干旱对生态系统水分利用效率的影响。首先,使用标准化土壤湿度指数(SSMI)来表征干旱,根据游程理论识别出历史干旱事件并提取对应的干旱变量,包括干旱历时、烈度、峰值,利用非参数的核密度估计(KDE)方法建立干旱变量的联合分布函数,在此基础上计算了干旱变量的联合发生概率和重现期。其次,从气候区和土地覆被类型两个角度出发,分析了总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)、水分利用效率(WUE)的年际变化和年内各月份的分配情况,探讨了GPP、ET、WUE的空间分布规律,基于森斜率(Sen’s slope)和改进的曼-肯德尔(MMK)方法评估了GPP、ET、WUE的趋势变化。最后,通过确定关键滞后月份下SSMI与WUE的相关性最高来揭示干旱对WUE的滞后效应,比较干旱期与非干旱期WUE的相对变化来量化干旱对WUE的影响,并使用一元线性回归方法估算GPP和ET对干旱的敏感性。论文得出的主要结论如下:(1)北美西部、巴西东北部、南美东南部、中亚和青藏高原的干旱风险较高。全球尺度下,澳洲北部发生的干旱事件次数最小仅33次,而阿拉斯加/加拿大西北部、北欧、北亚发生的干旱事件次数多达70次。干旱事件的历时、烈度、峰值的取值范围分别是:1.94.18个月、0.92.81、0.49.72。干旱变量间的相关系数平均值超过了0.73,说明干旱变量间的相关性较高,适合构建它们的联合分布函数。干旱变量的理论频率与经验频率的K-S检验与A-D检验统计量基本都通过了5%显著水平,并且RMSE取值范围在0.002到0.217之间,说明KDE的拟合优度较高。“或”情况下的联合重现期总是比“和”情况下的同现重现期要小,而单变量重现期的取值在两种情况之间。“或”情况下的干旱发生概率总是要大于“和”情况下的干旱发生概率,说明“或”情况下的干旱频率分析会高估干旱风险,而“和”情况下的干旱频率分析会低估干旱风险。干旱风险在北欧和北亚较低,而北美西部、巴西东北部、南美东南部、中亚、青藏高原属于干旱高风险区域。(2)1982018年间陆地生态系统的GPP、ET、WUE主要呈上升趋势。陆地植被平均每年的GPP、ET、WUE分别为1027.74 g C m-2、705.11 mm、1.05g C kg-1 H2O。GPP、ET、WUE通常在每年的七至八月份达到峰值,在北美东部、北欧、中欧等中高纬度区域呈“n”型单峰年内分布,而在美洲中部/墨西哥、亚马逊、东南亚等低纬度区域呈“w”型多峰年内分布。GPP、ET、WUE具有相似的空间分布特征,呈现出由赤道向两级递减的规律。在各气候区之间,亚马逊的GPP和ET取得最大值2765.38±636.88 g C m-2和1603.04±272.16 mm,而东南亚平均每年的WUE最大为1.67±0.29 g C kg-1 H2O。在各种土地覆被类型中,森林生态系统具有较高水平的GPP和WUE,平均每年达到1405.42±916.08 g C m-2和1.21±0.47 g C kg-1 H2O;混合植被每年的ET总量最大为836.31±416.03 mm。MMK趋势分析结果表明,陆地植被的GPP、ET、WUE表现出显著上升趋势的面积占比分别是46.74%、56.32%、35.95%,表现出显著下降趋势的面积占比分别是6.67%、5.20%、6.85%。相比于其他气候区,GPP在北欧的上升趋势最为明显当地面积占比为95.22%,而南欧/地中海的ET和WUE上升趋势最为明显,当地面积占比分别是91.40%和72.88%。(3)67.30%陆地植被面积的WUE在干旱期减少,而29.59%陆地植被面积的WUE在干旱期增加。干旱对70.87%的陆地植被WUE具有滞后效应,平均滞后月数为4.12个月。干旱对巴西东北部、南非、澳洲北部的生态系统WUE主要具有0个月的短期滞后效应,而对北美东部、中欧、西亚的生态系统WUE主要具有52个月的中长期滞后效应。干旱对森林生态系统WUE主要具有中期和长期滞后效应,而对灌丛和稀疏植被WUE主要具有短期滞后效应。SSMI与WUE之间的Rmax-lag在67.30%的陆地植被区域取值为正,在29.59%的陆地植被区域取值为负,说明干旱主要对WUE具有负面

关键词：干旱频率分析核密度估计 MMK趋势检验生态系统水分利用效率滞后效应

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旱灾风险定量评估总体框架及其关键技术

水科学进展 2014年第2期25卷 297-304页

作者：屈艳萍郦建强吕娟苏志诚邱冰李爱花中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 水利部水利水电规划设计总院北京100012

作为旱灾风险管理的核心内容和关键环节，旱灾风险评估逐渐成为旱灾研究的热点问题。从科学界定旱灾风险概念入手，辨析了干旱风险与旱灾风险之间的关系，并从机理上对旱灾风险形成机制进行了剖析和阐述；首次提出了旱灾风险定量评估总... 详细信息

作为旱灾风险管理的核心内容和关键环节，旱灾风险评估逐渐成为旱灾研究的热点问题。从科学界定旱灾风险概念入手，辨析了干旱风险与旱灾风险之间的关系，并从机理上对旱灾风险形成机制进行了剖析和阐述；首次提出了旱灾风险定量评估总体框架，即通过建立干旱频率～潜在损失～抗旱能力之间的定量关系实现对旱灾风险的定量评估，并探讨了该评估框架所涉及的干旱频率分析技术、灾损评估技术、抗旱能力评估技术和旱灾风险表征技术等关键技术及其难点。

关键词：旱灾风险定量评估干旱频率分析灾损评估抗旱能力

实际抗旱能力下的南方农业旱灾损失风险曲线计算方法

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水利学报 2014年第7期45卷 809-814页

作者：孙可可陈进金菊良郦建强许继军费振宇长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室湖北武汉430010 合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所安徽合肥230009 水利部水利水电规划设计总院北京100011

基于前期研究提出的4种假定灌溉条件下季节性干旱频率-旱灾损失率定量关系曲线,针对不同频率干旱发生时来水条件存在的差异与实际抗旱能力的不同,研究在变化的实际抗旱能力下,农业季节性干旱频率和旱灾损失率之间的定量关系,以此计算出... 详细信息

基于前期研究提出的4种假定灌溉条件下季节性干旱频率-旱灾损失率定量关系曲线,针对不同频率干旱发生时来水条件存在的差异与实际抗旱能力的不同,研究在变化的实际抗旱能力下,农业季节性干旱频率和旱灾损失率之间的定量关系,以此计算出实际抗旱能力下农业旱灾损失风险曲线。首先,以干旱期间供水满足需水的比例作为抗旱能力指标,分别建立抗旱能力指标-来水频率、干旱频率-干旱烈度保证率之间的关系曲线,以干旱烈度保证频率表征来水频率,进而得出各次干旱过程的抗旱能力指标与干旱频率的一一对应关系。然后,利用Copula函数计算干旱频率,通过EPIC模型模拟水稻产量并计算损失,建立干旱频率-假定灌溉水平-旱灾损失率三者间关系。最后,根据抗旱能力和干旱频率的对应关系,并以抗旱能力指标反映灌溉水平,可推得现状水平年实际抗旱能力下的干旱频率-旱灾损失率曲线。在湖南株洲市水稻旱灾损失风险计算的应用实例表明,实际抗旱能力下双季早稻夏季5—7月干旱频率-旱灾损失率之间,基本呈半对数函数趋势关系。对比历史旱灾损失调查结果,当发生2、5、10年一遇的干旱时,旱灾损失率的实际调查结果与理论计算值的相对差值分别为1.69%、-5.33%和-4.81%。

关键词：农业旱灾损失风险曲线抗旱能力干旱频率分析脆弱性水稻

基于Copula的区域干旱空间分布特征分析

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资源科学 2011年第12期33卷 2308-2313页

作者：徐春晓袁潇晨金菊良郦建强南京水利科学研究院南京210029 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 水利部水利水电规划设计总院北京100120

以邵阳市15个雨量站逐月降雨资料为基础,采用适线法估计干旱历时和干旱烈度的分布函数,利用3种Archimedean Copula函数分别构建了两干旱特征变量之间的联合分布,并比较了3种Copula函数的拟合效果,最后分析了邵阳市干旱重现期的空间分布... 详细信息

以邵阳市15个雨量站逐月降雨资料为基础,采用适线法估计干旱历时和干旱烈度的分布函数,利用3种Archimedean Copula函数分别构建了两干旱特征变量之间的联合分布,并比较了3种Copula函数的拟合效果,最后分析了邵阳市干旱重现期的空间分布特征。结果表明:Copula理论能够为多变量干旱特征分析提供有效的研究途径,Archimedean Copula函数中的Gumbel-Hougaard Copula和Frank Copula函数较好地描述各站干旱特征变量之间的相互关系;适线法避免了基于数据估计分布函数参数的不合理性,使基于Copula函数的频率分析结果更客观可靠;区域干旱具有显著的空间分布特性,各站干旱程度差异较大。

关键词：干旱频率分析 Copula函数适线空间分布干旱灾害风险管理

基于云模型理论的区域干旱危险性量化分析研究

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基于云模型理论的区域干旱危险性量化分析研究

作者：周立洋合肥工业大学

学位级别：硕士

干旱是当今全球一种严重的自然灾害,它具有发生频率高、持续时间长及影响范围广等特点。区域干旱危险性量化分析中,选取合适的干旱指数和干旱频率分析是两个关键点。干旱指数是干旱研究的基础,构建具有普适性的综合干旱指数是当前一项... 详细信息

干旱是当今全球一种严重的自然灾害,它具有发生频率高、持续时间长及影响范围广等特点。区域干旱危险性量化分析中,选取合适的干旱指数和干旱频率分析是两个关键点。干旱指数是干旱研究的基础,构建具有普适性的综合干旱指数是当前一项重要工作,也是干旱监测和干旱风险评价的重要基础。针对每类干旱均有单因素干旱指数提出,目前国内外常用的干旱指数有标准化降水指数（SPI）、标准化径流指数（SRI）、降水距平百分率（Pa）、标准化土壤湿度指数（SSI）等。但单因素干旱指数大多仅能反应一方面因素对干旱的影响,未能全面的反映受多种因素共同影响的区域干旱的特点。为此,采用基于云模型的不确定性推理方法,综合降水距平百分率（Pa）和土壤含水量距平百分率（SMAPI）两指数,构造了一种能够将以上两种指数识别特征同时兼顾的综合干旱指数DI,并将其用于安徽省1960-2007年干旱特征的识别与分析中。我国《水利水电工程设计洪水规范》中规定的皮尔逊III（P-III）型曲线和图解法是一种常用的推求指定频率水文值的方法,该方法中对经验频率的计算多沿用数学期望公式加以确定,但该公式存在一定的弊端,且对选择正确的经验频率公式这一问题长期以来也存在争议和混乱。降水量是一种重要的水资源补给和更新的方式,降水缺乏是引发气象干旱的主要原因,特别是对于少雨的干旱和半干旱地区,降水量等相关干旱指数的频率分析研究十分重要。本文提出一种基于云变换的新型经验频率计算方法,对皖北地区5个观测站年降水量序列加以分析,以完成对该种方法合理性的验证,并在此基础上进行基于综合干旱指数的皖北地区干旱频率分析研究。以上研究结果表明:（1）综合干旱指数DI在干旱过程识别中兼含气象干旱及农业干旱指数的共同优势,具有良好的准确性与适用性;（2）安徽省年内干旱以轻、中旱为主,季节干旱中秋季干旱发生频繁、等级高,且受灾范围广,冬季次之,春季存在发生重、特干旱的可能,夏季干旱程度最弱;（3）安徽省中南部地区轻旱发生相对较多,北部地区中、重、特旱相对较多,干旱风险自南向北逐渐增加。干旱重心自60年代到90年代从中部向西北方向移动,2000-2007年向南转移,形成环形逆时针路线;（4）采用Mann-Kendall趋势非线性检验方法对安徽省综合干旱指数DI序列趋势进行分析,得到年尺度检验值Z为-0.0756,呈下降趋势,其中春、秋两季为上升趋势,夏、冬两季为下降趋势;安徽省北部部分地区呈上升趋势,中南部大部分区域呈下降趋势;安徽省综合干旱指数DI变化第一主周期为25a,四季干旱指数变化第一主周期依次为6a、32a、20a、7a;（5）针对皖北地区5个站点的年降水量序列,可基于云变换的新型经验频率得出设计频率的降水值,结果与采用原期望公式得出的降水值较接近,其中一个站点处得到设计值较后者稍偏大,其余均为小于原期望公式所得设计频率降水值;（6）基于综合干旱指数对皖北地区干旱频率进行分析,得到各地市不同等级干旱强度发生概率,其结果与通过干旱发生频次统计得到概率值存在部分差异,但整体保持一致,皖北6地市秋季干旱危险性指数呈现出从南到北逐渐增大的趋势。

关键词：干旱危险性综合干旱指数干旱频率分析云模型云推理云变换安徽省