水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院合肥工業(yè)大學(xué)2012年2月專題：干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論與應(yīng)用研究水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)201001043)“抗旱能力評價(jià)及干旱風(fēng)險(xiǎn)管理研究”一、研究背景

（一）研究目的與意義（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展（三）研究目標(biāo)與工作內(nèi)容（四）技術(shù)路線二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究

（一）干旱發(fā)生頻率的概念分析（二）干旱過程識(shí)別理論（三）基于copula的干旱頻率分析理論三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究

（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析四、專題取得的研究成果

匯報(bào)提綱一、研究背景（一）研究目的與意義（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展（三）研究目標(biāo)與工作內(nèi)容（四）技術(shù)路線一、研究背景（一）研究目的與意義

干旱頻率分析從水文氣象要素（降雨、徑流等）的隨機(jī)性入手，對干旱歷時(shí)、干旱烈度和影響面積等特性進(jìn)行概率描述，以揭示干旱的發(fā)生頻次和時(shí)空分布特征。它是水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理、旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)在抗旱規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的作用：根據(jù)抗旱工程規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用干旱頻率分析結(jié)果，可確定對應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的干旱歷時(shí)、干旱烈度等干旱特征值，據(jù)此確定抗旱工程的規(guī)模（如“抗旱庫容”），也可作為布設(shè)干旱監(jiān)測站點(diǎn)、確定干旱特征值等的重要依據(jù)在應(yīng)急抗旱中的作用：根據(jù)區(qū)域當(dāng)前干旱指標(biāo)值的演變態(tài)勢，利用干旱頻率分析判別面臨干旱的重現(xiàn)期，據(jù)此判別抗旱預(yù)案的響應(yīng)級(jí)別在旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理的作用：干旱頻率分析是干旱災(zāi)害危險(xiǎn)性分析的核心內(nèi)容，是干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的重要組成部分一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展干旱定義：干旱定義已近百種，歸為概念式和定量描述式兩類概念式的定義主要從其內(nèi)涵和外延界定什么是干旱，闡明干旱的內(nèi)涵。常見的干旱定義有：降雨量長時(shí)間的不足、顯著低于多年的正常水平，很長時(shí)間內(nèi)沒有降雨并影響到作物生長等定量描述式定義主要包括干旱發(fā)生的判別標(biāo)準(zhǔn)和方法、干旱特征的定義與計(jì)算等內(nèi)容。常用游程理論定義，它給出了干旱判別方法，采用起止時(shí)間、干旱歷時(shí)、干旱烈度(干旱累計(jì)缺水量)等干旱特征變量來描述一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展干旱定義：美國氣象學(xué)會(huì)提出了一種被廣泛采用的定義：將干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4類：氣象干旱是指與正常年份或者多年平均情況相比的一種干燥現(xiàn)象。長時(shí)間的降雨量不足是氣象干旱的主要原因，常見的氣象干旱定義有某個(gè)時(shí)間尺度（例如，月、季、水文年和日歷年等）的降雨量小于相應(yīng)的多年均值或者某一閾值的自然現(xiàn)象農(nóng)業(yè)（農(nóng)作物）干旱是由氣候干燥導(dǎo)致土壤水含量不足，導(dǎo)致作物生長需水量得不到滿足的現(xiàn)象水文干旱是由于降水量長期不足導(dǎo)致地表水、地下水的短缺現(xiàn)象，可通過河川徑流量、水庫蓄水和地下水位等來描述社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱是指由自然系統(tǒng)與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中水資源供需不平衡造成的異常水分短缺現(xiàn)象，如由于用水管理的實(shí)際操作或設(shè)施的破壞引起的缺水一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展干旱識(shí)別方法干旱指標(biāo)的閾值（截取水平）選?。翰捎脧搅鳌⒔涤甑雀珊抵笜?biāo)時(shí)，就存在如何合理確定閾值這一問題。一般而言，閾值依據(jù)研究目的確定，反映多年的平均水平和水分的需求。閾值既可采用固定值也可依據(jù)季節(jié)變動(dòng)，既可采用長序列的均值，也可取某個(gè)頻率的設(shè)計(jì)值或低于均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差等干旱指標(biāo)的時(shí)間尺度選擇：干旱識(shí)別必須反映干旱的動(dòng)態(tài)性。時(shí)間尺度的選取可據(jù)研究目的、樣本容量、滿足頻率分析的基本假設(shè)這3個(gè)方面權(quán)衡決定小干旱合并：干旱識(shí)別時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)重干旱被一些歷時(shí)很短的非干旱期打斷，被人為分割成干旱特征統(tǒng)計(jì)相關(guān)的多個(gè)一般干旱的情況。這會(huì)造成干旱識(shí)別的結(jié)果不能反映實(shí)際干旱狀況，因此需要按照一定的準(zhǔn)則和方法對這些一般干旱進(jìn)行合并。目前提出了干旱時(shí)間間隔準(zhǔn)則、水量準(zhǔn)則、綜合考慮時(shí)間間隔和水量兩個(gè)準(zhǔn)則三類干旱合并方法一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展點(diǎn)干旱頻率分析方法：主要包括樣本的獲取、樣本統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分析、統(tǒng)計(jì)模型建立和依據(jù)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行推斷和預(yù)測4方面內(nèi)容樣本獲取主要涉及抽樣方式，如年最大抽樣、超定量選樣、季節(jié)性抽樣和簡單抽樣樣本統(tǒng)計(jì)規(guī)律主要體現(xiàn)在樣本服從的頻率分布，如干旱歷時(shí)和干旱累積缺水量頻率分布通常采用指數(shù)分布、幾何分布、兩參數(shù)gamma分布、三參數(shù)gamma分布、P-Ⅲ分布、通用Pareto分布、通用logistic分布、通用極值分布、對數(shù)正態(tài)分布以及對數(shù)P-Ⅲ等統(tǒng)計(jì)模型的建立主要涉及頻率分布模型的確定和模型參數(shù)的估計(jì)水文頻率分析主要利用頻率分布來計(jì)算洪水和干旱的發(fā)生頻率并依據(jù)重現(xiàn)期公式來設(shè)計(jì)洪水、干旱。點(diǎn)干旱頻率分析是通過以上步驟來描述各站點(diǎn)干旱特征的概率特征，計(jì)算干旱發(fā)生概率、重現(xiàn)期、得到設(shè)計(jì)干旱成果一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展點(diǎn)干旱頻率分析方法：僅針對單個(gè)干旱特征進(jìn)行干旱頻率分析不能很好地描述干旱特征。例如對于干旱歷時(shí)重現(xiàn)期分別為Td1與Td2且Td1>Td2，而干旱烈度（累積缺水量）重現(xiàn)期分別為Ts1與Ts2但Ts1<Ts2的兩場干旱，單變量的頻率分析無法回答究竟那一場干旱的重現(xiàn)期更大，干旱更嚴(yán)重；而多變量干旱頻率分析則考慮了多個(gè)干旱特征，通過聯(lián)合分布來全面地描述干旱的概率特性。構(gòu)造聯(lián)合分布的方法目前有：樣本條件概率法非參數(shù)方法Copula函數(shù)方法：具有可以構(gòu)造任意類型邊緣分布的聯(lián)合分布、可描述變量間復(fù)雜的相關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是可以捕捉到非正態(tài)、非對稱分布的尾部信息，而且參數(shù)估計(jì)也較為方便等特點(diǎn)，目前它已成為多變量分析中最為廣泛應(yīng)用的方法，也是多變量干旱頻率分析中使用最多的方法

一、研究背景（二）國內(nèi)外研究進(jìn)展區(qū)域干旱頻率分析方法：力求反映干旱的影響面積大、空間分布和區(qū)域性，能全面地描述干旱特性，它在點(diǎn)干旱頻率分析的基礎(chǔ)上，加入了干旱面積這一特性并力求反映干旱的空間分布規(guī)律和區(qū)域特征。已提出了以下三類具有代表性的區(qū)域干旱頻率分析主要途徑：通過水文氣象要素或者干旱特征的等值線圖等空間分布圖來描述干旱在空間上的分布特征。水文氣象要素：各個(gè)站點(diǎn)的降雨、徑流、土壤水含量和溫度等距平值等。干旱特征：干旱指數(shù)值、干旱歷時(shí)、累積缺水量、干旱重現(xiàn)期。該途徑能定性、粗略地描述干旱的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律關(guān)注整個(gè)區(qū)域總的干旱特征，以區(qū)域干旱面積、區(qū)域干旱累積缺水量和區(qū)域干旱強(qiáng)度等作為區(qū)域干旱特征，對區(qū)域總的干旱特征進(jìn)行頻率分析。該途徑過于籠統(tǒng)、無法反映干旱空間分布在單站干旱頻率分析基礎(chǔ)上，將研究區(qū)域劃分成多個(gè)一致區(qū)，對各一致區(qū)分別進(jìn)行區(qū)域頻率分析。主要包括一致區(qū)劃分和區(qū)域頻率分析兩個(gè)步驟。一致區(qū)劃分主要采用基于各種水文、氣象、地形、地貌、干旱特征指標(biāo)的聚類方法。該途徑能大致反映干旱的空間分布和特性，也能較好地反映干旱的區(qū)域特性，若能進(jìn)一步配合有關(guān)干旱特性的數(shù)量指標(biāo)的等值線圖等，則可望能很好地描述區(qū)域干旱特征一、研究背景（三）研究目標(biāo)與工作內(nèi)容研究目標(biāo)根據(jù)干旱的特點(diǎn)、特征和影響因素，利用多個(gè)干旱特征變量對研究區(qū)域干旱事件進(jìn)行描述經(jīng)干旱過程識(shí)別，獲得多個(gè)干旱特征變量的樣本系列針對干旱特征變量的統(tǒng)計(jì)特性，研究分析干旱特征變量的概率分布建立基于Copula理論的多變量干旱頻率表達(dá)方式和計(jì)算方法通過選擇試點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行干旱頻率分析的應(yīng)用研究，解析區(qū)域干旱空間分布及演變特征，為干旱區(qū)劃和旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理提供相關(guān)指標(biāo)一、研究背景（三）研究目標(biāo)與工作內(nèi)容工作內(nèi)容

在研究國內(nèi)外干旱頻率分析研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，針對不同干旱類型的典型區(qū)域，分析其干旱的成因和特點(diǎn)根據(jù)干旱的成因，選取合適的干旱指標(biāo)，提取相應(yīng)的干旱特征變量分析單個(gè)干旱特征變量和由多個(gè)干旱特征變量組成的干旱特征變量組的統(tǒng)計(jì)分布特性在實(shí)現(xiàn)單個(gè)干旱指標(biāo)干旱頻率分析的基礎(chǔ)上，研究多個(gè)干旱指標(biāo)表達(dá)的干旱頻率和重現(xiàn)期，并實(shí)現(xiàn)由觀測點(diǎn)（站）的干旱頻率分析到區(qū)域的干旱頻率分析的轉(zhuǎn)換將干旱頻率分析的研究成果，應(yīng)用到試點(diǎn)區(qū)域、干旱區(qū)劃和旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析中

一、研究背景（四）技術(shù)路線經(jīng)濟(jì)社會(huì)資料自然地理資料水文氣象資料旱情旱災(zāi)資料干旱指標(biāo)選擇和干旱特征變量提?。ㄓ纬汤碚摚└珊禋v時(shí)干旱烈度基于copula函數(shù)的單個(gè)干旱指標(biāo)的干旱頻率分析多個(gè)干旱指標(biāo)的干旱頻率分析基于小區(qū)域干旱頻率分析結(jié)果的大區(qū)域干旱重現(xiàn)期計(jì)算頻率分析計(jì)算結(jié)果與區(qū)域?qū)嶋H旱情和災(zāi)情的對比分析歷史旱情信息干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論與應(yīng)用研究的技術(shù)路線圖二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（一）干旱發(fā)生頻率的概念分析（二）干旱過程識(shí)別理論（三）基于copula的干旱頻率分析理論

二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（一）干旱發(fā)生頻率的概念分析

干旱定義：是由水分的收與支或供與需不平衡形成的土壤和河流持續(xù)性水分短缺及空氣干燥現(xiàn)象。本次主要研究自然條件下的干旱頻率，以水文干旱為主，輔以氣象干旱氣象干旱主要以降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)等干旱指標(biāo)來定量描述；水文干旱則與徑流、地下水、水庫蓄水、土壤含水量等有關(guān)干旱頻率分析，就是根據(jù)干旱現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)特性和干旱指標(biāo)（如降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、徑流）的樣本資料系列，通過干旱過程識(shí)別方法，確定干旱特征（干旱歷時(shí)、干旱烈度、受旱面積）樣本系列，用聯(lián)合概率分布函數(shù)分析這些干旱特征與出現(xiàn)頻率之間的定量關(guān)系，據(jù)此關(guān)系得到某一干旱頻率對應(yīng)的干旱特征值、判別典型干旱年的重現(xiàn)期二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（一）干旱發(fā)生頻率的概念分析

分析區(qū)域干旱現(xiàn)象確定干旱指標(biāo)確定干旱特征變量估計(jì)干旱特征的概率分布函數(shù)判別典型干旱年的重現(xiàn)期干旱頻率分析流程圖（二）干旱過程識(shí)別理論

（1）確定干旱指標(biāo)（2）識(shí)別干旱過程、確定干旱特征變量

二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（二）干旱過程識(shí)別理論

（1）確定干旱指標(biāo)根據(jù)區(qū)域干旱災(zāi)害的物理成因分析和干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理要求，對以降水、蒸發(fā)、土壤墑情、來水、供水及其組合等表示的干旱指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)和篩選，確定適用于研究區(qū)域干旱特征頻率分析的主要干旱指標(biāo)二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究設(shè)定干旱指標(biāo)的閾值R0、R1和R2：當(dāng)干旱指標(biāo)小于R1時(shí)初步判斷此時(shí)段為干旱在此基礎(chǔ)上，對于歷時(shí)只有1個(gè)時(shí)段的干旱（如下圖a，d），若其干旱指標(biāo)值小于R2

（如a），則此時(shí)段最終被確定為1次干旱過程，反之不計(jì)為干旱（如d）而對于間隔為1個(gè)時(shí)段的兩次相鄰干旱過程（如b，c），若間隔期干旱指標(biāo)值小于R0，則這兩次相鄰干旱可被視為1次干旱過程，否則為2次獨(dú)立干旱過程（二）干旱過程識(shí)別理論

（2）識(shí)別干旱過程、確定干旱特征變量二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究理論依據(jù)：在給定閾值下運(yùn)用游程理論從干旱指標(biāo)過程中識(shí)別干旱特征干旱歷時(shí)是指一次干旱過程開始到結(jié)束的時(shí)間；干旱烈度是指閾值指標(biāo)與干旱指標(biāo)之差的累積和難點(diǎn)：指標(biāo)閾值、干旱特征變量的確定，特征變量的樣本滿足頻率分析的基本假設(shè)和樣本容量的要求（二）干旱過程識(shí)別理論

（2）識(shí)別干旱過程、確定干旱特征變量二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（三）基于copula的干旱頻率分析理論（3）用適線法確定干旱特征變量分布（4）用Copula理論計(jì)算干旱特征變量之間聯(lián)合概率分布（5）由聯(lián)合概率分布計(jì)算干旱重現(xiàn)期（6）基于多個(gè)干旱指標(biāo)的干旱合成重現(xiàn)期的估計(jì)（7）大區(qū)域干旱綜合重現(xiàn)期的估計(jì)（8）區(qū)域干旱頻率分析的試點(diǎn)研究

二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究干旱歷時(shí)D和干旱烈度S一般可分別用指數(shù)分布和Gamma分布描述當(dāng)直接用樣本數(shù)據(jù)估計(jì)各參數(shù)來確定特征變量的分布時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不符合實(shí)際的情況，造成計(jì)算結(jié)果的不合理在基于樣本數(shù)據(jù)估計(jì)分布函數(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過適線法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的調(diào)整（三）基于copula的干旱頻率分析理論(3)用適線法確定干旱特征變量分布二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究Copula函數(shù)類型眾多，需要結(jié)合樣本的相關(guān)結(jié)構(gòu)選擇合適的類型；通過試點(diǎn)區(qū)域的分析驗(yàn)證，找出適宜的Copula函數(shù)類型相關(guān)性結(jié)構(gòu)Copula函數(shù)C干旱歷時(shí)和干旱烈度聯(lián)合分布干旱烈度邊際分布干旱歷時(shí)邊際分布

（三）基于Copula的干旱頻率分析理論(4)用Copula理論計(jì)算干旱特征變量之間聯(lián)合概率分布二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究選用Gumbel-Hougaard（GH）、Clayton和FrankCopula函數(shù)研究干旱歷時(shí)與干旱烈度間的理論聯(lián)合概率分布。令u=FD(d)，v=FS(s)，則它們可分別表示為其中θ為參數(shù)，可通過干旱歷時(shí)與干旱烈度間的Kendall相關(guān)系數(shù)確定

（三）基于Copula的干旱頻率分析理論

(4)用Copula理論計(jì)算干旱特征變量之間聯(lián)合概率分布二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究將Copula計(jì)算的理論聯(lián)合概率分布值與經(jīng)驗(yàn)聯(lián)合概率分布值進(jìn)行比較，尋找擬合效果較優(yōu)的Copula函數(shù)。擬合優(yōu)劣指標(biāo)采用均方根誤差（RMSE）的計(jì)算式選用其中Pc(i)是由Copula函數(shù)計(jì)算得到的第i個(gè)聯(lián)合觀測值(di,si)的理論聯(lián)合概率分布值，經(jīng)驗(yàn)聯(lián)合概率分布值Po(i)公式為

m(i)表示聯(lián)合觀測值樣本中滿足條件D≤di且S≤si的聯(lián)合觀測值的個(gè)數(shù)，n為聯(lián)合觀測值樣本總數(shù)目。（三）基于Copula的干旱頻率分析理論(4）用Copula理論計(jì)算干旱特征變量之間聯(lián)合概率分布二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究根據(jù)由Copula計(jì)算得的理論聯(lián)合概率分布，當(dāng)干旱歷時(shí)D>d、干旱烈度S>s時(shí)的干旱重現(xiàn)期為

其中：E(L)是干旱間隔的數(shù)學(xué)期望，F(xiàn)D(d)是干旱歷時(shí)的概率分布，F(xiàn)S(s)是干旱烈度的概率分布，F(xiàn)D,S(d,s)為干旱歷時(shí)與干旱烈度的聯(lián)合概率分布（三）基于Copula的干旱頻率分析理論（5）由聯(lián)合概率分布計(jì)算干旱重現(xiàn)期二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（三）基于Copula的干旱頻率分析理論（6）基于多個(gè)干旱指標(biāo)的干旱合成重現(xiàn)期的估計(jì)根據(jù)研究區(qū)域干旱的類型、成因特點(diǎn)，以及降水量、蒸發(fā)量、徑流量、土壤含水量、地下水等干旱指標(biāo)影響研究區(qū)域干旱的重要性以及專家咨詢等信息，確定降水量和蒸發(fā)量、徑流量、土壤含水量等干旱指標(biāo)的權(quán)重用這些干旱指標(biāo)的干旱頻率分析的重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果和這些干旱指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)和，得到基于多個(gè)干旱指標(biāo)的研究區(qū)域干旱頻率分析的干旱合成重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究綜合分析專家咨詢干旱類型及成因特點(diǎn)單個(gè)干旱指標(biāo)頻率分析結(jié)果Copula多個(gè)干旱指標(biāo)頻率分析結(jié)果降水量蒸發(fā)量徑流量土壤含水量……（三）基于Copula的干旱頻率分析理論（7）大區(qū)域干旱綜合重現(xiàn)期的估計(jì)

根據(jù)各小區(qū)域（如縣）的面積、人口、GDP、政治社會(huì)影響等指標(biāo)以及專家咨詢等信息，確定各小區(qū)域的權(quán)重用這些小區(qū)域的干旱合成重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果和這些小區(qū)域的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)和，得到大區(qū)域（如?。┑母珊稻C合重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果根據(jù)各級(jí)區(qū)域的干旱重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的抗旱管理二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究專家咨詢子區(qū)域：面積、人口、GDP、政治社會(huì)影響等子區(qū)域權(quán)重子區(qū)域干旱事件重現(xiàn)期子區(qū)域：降水量、蒸發(fā)量、徑流量、土壤含水量、地下水埋深等Copula理論大區(qū)域干旱綜合重現(xiàn)期選取氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱等不同干旱類型或不同農(nóng)業(yè)分區(qū)（灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)、草原牧業(yè)區(qū)）的試點(diǎn)區(qū)域，或試點(diǎn)流域的試點(diǎn)區(qū)域，分別選取降水量和蒸發(fā)量、徑流量、土壤含水量等為主的干旱指標(biāo)，進(jìn)行試點(diǎn)區(qū)域典型干旱年的重現(xiàn)期估計(jì)（三）基于copula的干旱頻率分析理論（8）區(qū)域干旱頻率分析的試點(diǎn)研究

二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究（三）基于copula的干旱頻率分析理論（8）區(qū)域干旱頻率分析的試點(diǎn)研究試點(diǎn)研究所需資料收集

南方水文干旱試點(diǎn)區(qū)域（例如湖北邵陽、江西鄱陽湖）的降水量和蒸發(fā)量、徑流量資料系列中部農(nóng)業(yè)干旱試點(diǎn)區(qū)域（例如安徽）的降水量和蒸發(fā)量、土壤含水量、地下水資料系列北方氣象干旱試點(diǎn)區(qū)域（例如遼寧）的降水量和蒸發(fā)量資料系列二、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論研究三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究兩個(gè)典型研究區(qū)域邵陽市是中國南方山地丘陵地區(qū)，屬于湖南省“衡邵干旱走廊”的一部分，由于邵陽地區(qū)降雨時(shí)空分布不均，干旱災(zāi)害頻繁

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究兩個(gè)典型研究區(qū)域淮北平原位于安徽省北部，主要包括界首、臨泉、太和、阜南、阜陽、亳州、渦陽、利辛、蒙城、淮北、濉溪（包括淮北）、宿州、碭山、蕭縣、靈璧和泗縣等15個(gè)市縣。由于地處我國南北氣候的過渡帶，此區(qū)域內(nèi)的降水量年際變化大、年內(nèi)分配不均，每年旱澇災(zāi)害頻發(fā)降水量距平百分率反映的是一段時(shí)期內(nèi)的降水量與常年同期平均降水量之間的關(guān)系，其表示為三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

根據(jù)邵陽市15個(gè)雨量站的逐月降水資料，采用降水量距平百分率法對氣象干旱過程進(jìn)行識(shí)別，依據(jù)《氣象干旱等級(jí)》確定干旱指標(biāo)閾值分別為R0取0，R1取-30%，R2取-40%，下表為相應(yīng)的氣象干旱統(tǒng)計(jì)結(jié)果三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

邵陽市各雨量站干旱特征計(jì)算結(jié)果站點(diǎn)干旱次數(shù)干旱間隔均值(月)干旱歷時(shí)均值(月)干旱烈度均值(mm)歷時(shí)最大值(月)烈度最大值(mm)干旱歷時(shí)與烈度的Kendall相關(guān)系數(shù)黃橋916.202.0148.028244.010.54高沙876.431.9451.278268.720.45邵東787.172.0951.858185.270.45諸甲亭806.992.1048.878189.840.53茅坪936.021.7548.135195.580.46羅家廟906.221.9047.499219.330.54白毛坪866.561.8147.355132.670.41武岡866.501.8549.0110208.280.49新寧876.431.8353.039276.240.45小沙江806.991.9053.477209.360.49大河灘886.361.8951.969186.050.48回龍寺916.151.7845.109216.820.47六都寨906.221.9251.926216.410.49黨坪975.771.7847.056180.470.42三門江836.742.0747.959212.660.45三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

上表的邵陽市各雨量站干旱特征計(jì)算結(jié)果說明：各站干旱歷時(shí)、干旱烈度均值及其Kendall相關(guān)系數(shù)較為接近，說明各站的干旱平均水平大體相當(dāng)黨坪站干旱次數(shù)最多，而邵東站干旱次數(shù)最少，兩者相差19次各站的干旱歷時(shí)、烈度最大值有較大差異。茅坪站、白茅坪站的歷時(shí)最大值僅為5個(gè)月，而武岡站的歷時(shí)最大值長達(dá)10個(gè)月；新寧站的烈度最大值為276.24mm，而白茅坪站的烈度最大值僅為132.67mm可見，各站的干旱特征具有顯著的空間差異性，研究它們之間的關(guān)系對區(qū)域干旱頻率分析具有重要意義三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

通過適線法確定各站中單個(gè)干旱特征變量的分布曲線，根據(jù)Copula函數(shù)的估計(jì)參數(shù)，選用Gumbel-Hougaard（GH）Copula函數(shù)對邵陽市各雨量站典型干旱年份的重現(xiàn)期進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見下表：站名1956重現(xiàn)期/a1960重現(xiàn)期/a1963重現(xiàn)期/a1985重現(xiàn)期/a1998重現(xiàn)期/a黃橋11.936.7866.173.1852.56高沙23.022.0883.9621.9252.28邵東15.3241.762.6919.4566.17諸甲亭10.987.105.866.5059.62茅坪31.8252.722.9924.0123.63羅家廟12.618.8225.596.0068.22白毛坪18.512.555.893.1845.23武岡21.532.5645.702.7362.61新寧2.371.8548.823.7787.40小沙江1.543.3231.332.8013.80大河灘6.496.636.8816.007.06回龍寺1.911.7447.509.0375.97六都寨8.6717.669.8210.1116.04黨坪5.021.5911.628.3823.12三門江12.639.8951.504.7882.63三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

上表的邵陽市各雨量站典型干旱年份的重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果說明：1963、1998年邵陽市受旱嚴(yán)重，個(gè)別站點(diǎn)的干旱重現(xiàn)期超過了80年一遇對于同一年份，區(qū)域內(nèi)各站干旱程度差異顯著。例如：1963年，干旱嚴(yán)重區(qū)主要集中在邵陽市中部，西部和東部的干旱程度則相對較輕；而1998年，邵陽市大部分地區(qū)干旱嚴(yán)重，南部各站的干旱重現(xiàn)期普遍高于北部的小沙江、六都寨和大河灘站1963(a)、1998(b)年邵陽市干旱重現(xiàn)期空間分布特征

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

為了更好地反映區(qū)域內(nèi)各站在平均干旱水平下的干旱程度，由各站的干旱歷時(shí)均值、干旱烈度均值得干旱重現(xiàn)期，見下圖，結(jié)果表明：邵陽市南部的平均干旱程度相對較重邵陽市中部和東北部相對較輕上述干旱空間特征分析結(jié)果可為區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供有效的科學(xué)依據(jù)平均干旱水平下的邵陽市干旱重現(xiàn)期空間分布特征

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（一）基于降水指標(biāo)的干旱頻率分析

取羅家廟站1956～2002年的降水量距平百分率樣本資料系列直接進(jìn)行頻率分析，見下圖和下表，可見：基于Copula的干旱歷時(shí)干旱烈度多變量頻率分析的計(jì)算結(jié)果較合理，降水量距平百分率單變量頻率分析的結(jié)果顯然不合理。例如：邵陽市1998年干旱程度顯然明顯比1963年嚴(yán)重，年降水量不能表達(dá)因各月降水量分布不均而導(dǎo)致的干旱現(xiàn)象，無法識(shí)別干旱過程的起止時(shí)間，也無法用以判別干旱現(xiàn)象發(fā)生的重現(xiàn)期羅家廟站年降水量距平百分率指標(biāo)下不同頻率分析方法的典型干旱年份的重現(xiàn)期年份干旱歷時(shí)干旱烈度多變量頻率分析/a降水量距平百分率單變量頻率分析/a年降水量/mm195612.612.361182.719608.824.241092.5196325.59111.11917.419856.005.631062.5199868.226.501049.3羅家廟站年降水量頻率曲線

P/E指數(shù)考慮了降水量P與蒸發(fā)量E的比值，K指數(shù)反映的是降水量相對變率與蒸發(fā)量相對變率之間的關(guān)系：三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)及干旱分類相關(guān)研究:當(dāng)以降水量距平百分率Pa為干旱指標(biāo)時(shí)，本專題選用單月距平百分率為-30%和

-40%時(shí)所對應(yīng)的降水量分別作為閾值R1、R2，而R0為月同期平均降水量當(dāng)以K指數(shù)為干旱指標(biāo)時(shí)，將所有K指數(shù)序列中（從小到大進(jìn)行排序）百分位數(shù)為50%、35%和25%時(shí)所對應(yīng)的指數(shù)值作為閾值R0、R1和R2當(dāng)以P/E指數(shù)為干旱指標(biāo)時(shí)，將單月指數(shù)序列中（從小到大進(jìn)行排序）百分位數(shù)為50%、35%和25%和時(shí)所對應(yīng)的指數(shù)值作為閾值R0、R1和R2根據(jù)邵陽市羅家廟站1956～2002年的月降水量、月蒸發(fā)量，得Pa指數(shù)、

K指數(shù)和P/E指數(shù)。用干旱過程識(shí)別方法，確定在Pa指數(shù)、K指數(shù)和P/E指數(shù)下的干旱次數(shù)及干旱特征變量，見下表下圖：三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析干旱指數(shù)干旱次數(shù)干旱間隔均值(月)干旱歷時(shí)均值(月)干旱歷時(shí)最大值(月)干旱歷時(shí)與烈度的Kendall相關(guān)系數(shù)Pa906.221.9090.54K876.482.0380.59P/E876.482.0390.51不同干旱指數(shù)下各年份的干旱月數(shù)由上表和上圖可知：在47年共564個(gè)月中，以Pa指數(shù)、K指數(shù)和P/E指數(shù)為干旱指標(biāo)識(shí)別得到的干旱月數(shù)分別為171、177和177，且3種指數(shù)下的干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)均值和干旱歷時(shí)最大值都較為接近有483個(gè)月為在3種指數(shù)下具有相同的識(shí)別結(jié)果（同為干旱或無旱），一致性率達(dá)85.64%Pa指數(shù)與K指數(shù)、K指數(shù)與P/E指數(shù)、Pa指數(shù)與P/E指數(shù)的識(shí)別一致性率分別為90.07%、89.36%、91.84%可見，3種干旱指數(shù)對研究區(qū)域的干旱指示程度具有較高的一致性，綜合考慮三者的干旱頻率分析結(jié)果，可增強(qiáng)區(qū)域干旱頻率分析的合理性和可靠性

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析3種干旱指數(shù)在不同干旱歷時(shí)和干旱烈度時(shí)的干旱重現(xiàn)期估計(jì)見下圖和下表，在干旱歷時(shí)分別為2個(gè)月、3個(gè)月和4個(gè)月的平均干旱水平下，K指數(shù)和P/E指數(shù)的相應(yīng)于烈度均值的干旱重現(xiàn)期的計(jì)算結(jié)果相對接近，Pa指數(shù)的相應(yīng)結(jié)果略微偏大三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析Pa指數(shù)

K指數(shù)

P/E指數(shù)

干旱歷時(shí)(月)Pa指數(shù)K指數(shù)P/E指數(shù)烈度均值重現(xiàn)期/年烈度均值重現(xiàn)期/年烈度均值重現(xiàn)期/年245.962.760.602.130.932.46384.484.971.184.481.904.894119.168.751.467.542.317.78以3種指數(shù)為干旱指標(biāo)計(jì)算了羅家廟站典型干旱年份的重現(xiàn)期，見下表。由該表可知：3種指數(shù)對1956、1960、1985和1998年的干旱重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果相近，其中，1956年的干旱重現(xiàn)期超過了10a，而1998年超過了60a，干旱程度十分嚴(yán)重對于1963年，K指數(shù)和P/E指數(shù)的干旱重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果相近，而Pa指數(shù)相對偏小。通過綜合比較可知，K指數(shù)和P/E指數(shù)具有相對一致的干旱頻率分析結(jié)果，由于它們包含了降水量和蒸發(fā)量兩個(gè)方面的信息，可進(jìn)一步提高區(qū)域干旱頻率分析的可靠性

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（二）基于降水和蒸發(fā)指標(biāo)的干旱頻率分析年份干旱重現(xiàn)期/年P(guān)aKP/E195612.6114.0110.3019608.826.756.39196325.5936.8140.8919856.005.857.70199868.2264.7965.26根據(jù)1956～2002年邵陽市茅坪站逐月徑流資料，對該區(qū)域水文干旱頻率進(jìn)行分析研究。選取徑流量距平百分率法（記為A識(shí)別法）和徑流量累積頻率法（記為B識(shí)別法）兩種閾值標(biāo)準(zhǔn)來識(shí)別水文干旱過程：根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)，選取閾值R0為單月同期平均徑流量，而將單月徑流量距平百分率為-20%和-40%時(shí)所對應(yīng)的徑流量分別作為閾值R1、R2徑流量序列一般認(rèn)為服從P-Ⅲ型曲線。對于多年同一月份的徑流量序列，當(dāng)確定p后即可得xp。在徑流量頻率分析的基礎(chǔ)上，本專題選用徑流量的閾值為R0=x55%，R1=x65%，R2=x70%三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析A識(shí)別法和B識(shí)別法的干旱特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析閾值方法干旱次數(shù)干旱間隔均值(月)干旱歷時(shí)均值(月)干旱烈度均值[(m3/s)·月]干旱歷時(shí)最大值(月)干旱烈度最大值[(m3/s)·月]干旱歷時(shí)與烈度的Kendall相關(guān)系數(shù)A717.893.9444.6213217.710.67B698.102.7022.4113139.790.52由上表可知：在A、B兩種閾值標(biāo)準(zhǔn)下的干旱次數(shù)、干旱間隔平均值及Kendall相關(guān)系數(shù)都較為接近，都出現(xiàn)了最大歷時(shí)達(dá)13個(gè)月的干旱事件A中平均干旱歷時(shí)、干旱烈度和干旱烈度最大值，均大于B的相應(yīng)值?？梢姡诓煌撝禈?biāo)準(zhǔn)下的水文干旱特性具有一定的差異性，而合理確定干旱發(fā)生閾值是區(qū)域水文干旱頻率研究的關(guān)鍵點(diǎn)

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析用A識(shí)別方法各Copula函數(shù)擬合干旱特征變量間聯(lián)合概率分布的效果用B識(shí)別方法各Copula函數(shù)擬合干旱特征變量間聯(lián)合概率分布的效果

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析不同干旱識(shí)別法下適線調(diào)整前后Copula函數(shù)的聯(lián)合概率分布擬合誤差對比

Copula函數(shù)A識(shí)別法B識(shí)別法適線前適線后適線前適線后Gumbel-Hougaard（GH）0.05090.05120.07720.0723Clayton0.05710.06810.08000.0890Frank0.04930.05620.07360.0809由上表可知：A中適線調(diào)整前后的Copula擬合最小誤差分別為0.0493、0.0512，而B中適線調(diào)整前的Copula擬合最小誤差為0.0736，調(diào)整后為0.0723。可見經(jīng)適線調(diào)整前后的Copula函數(shù)擬合效果相當(dāng)，說明適線調(diào)整干旱特征變量的分布曲線保證了Copula函數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性3種Copula函數(shù)都能較好反映干旱歷時(shí)與干旱烈度間的相關(guān)關(guān)系，其中GH及FrankCopula函數(shù)擬合效果相對更優(yōu)三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（三）基于徑流指標(biāo)的干旱頻率分析根據(jù)Copula函數(shù)的估計(jì)參數(shù)，選用Gumbel-Hougaard(GH)Copula函數(shù)，分別對A、B識(shí)別方法中各年份的干旱重現(xiàn)期進(jìn)行求解，見下圖和下表：2種閾值標(biāo)準(zhǔn)下的干旱重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果大體上接近，基本能反映受旱嚴(yán)重年份的干旱特征1963、1985年的干旱重現(xiàn)期都超過了40a，受旱十分嚴(yán)重，屬特旱

年份（年）實(shí)際受旱率（%）干旱重現(xiàn)期（a）A識(shí)別法B識(shí)別法195633.279.2512.13196029.056.657.61196338.0845.0745.17198548.3448.7449.50199827.1116.5813.82選擇淮北平原最北部的碭山縣作為研究區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有周寨、葦子園、李莊等共11處地下水埋深觀測點(diǎn)三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析自1975年以來，每5d觀測1次、每月觀測6次地下水埋深，取6次均值作為該月得平均地下水埋深，取11處觀測點(diǎn)的地下水埋深平均值作為研究區(qū)域地下水埋深。11處觀測點(diǎn)，大多自1975年開始觀測（個(gè)別站點(diǎn)觀測年份稍遲于1975年，極少數(shù)站點(diǎn)存在部分缺測數(shù)據(jù)）。這里取1975-2007年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共33年，396（33×12）個(gè)月份地下水平均埋深數(shù)據(jù)。記第i年第j月地下水埋深為hij（i=1~33，j=1~12）。第i（i=1~n）年第j（j=1~12）月的地下水埋深的變化Δhi,j記為基于地下水指標(biāo)的干旱過程識(shí)別三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析基于地下水埋深變化的干旱識(shí)別及干旱特征變量確定的示意圖：當(dāng)?shù)趈月地下水埋深的變化值Δhi,j大于R1j時(shí)，則初步判斷此月為干旱，即圖中有a、b、c和d共4個(gè)干旱過程對于歷時(shí)只有1個(gè)時(shí)段的干旱（如a，d），若Δhi,j大于R2j（如a），則此月最終被確定為1次干旱過程，反之不計(jì)為干旱（如d）對于間隔為1個(gè)時(shí)段的兩次相鄰干旱過程（如b，c），若間隔期的Δhi,j大于R0j，則這兩次相鄰的干旱過程可被視為1次干旱過程，合并后的干旱歷時(shí)D=db+dc+1，烈度S=Sb+Sc，否則為2次獨(dú)立干旱過程上圖中共有2次水文干旱過程，即a和b+c

基于地下水指標(biāo)的干旱過程識(shí)別三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析統(tǒng)計(jì)分析碭山縣1990~2007年共18年的旱情資料，發(fā)生旱情的月份為41個(gè)月，頻率約為19%。因此：分別選取累積頻率為20%和25%對應(yīng)的各月地下水埋深變化值作為閾值R1j（j=1~12，分別記為累積頻率20%法和累計(jì)頻率25%，下同）根據(jù)謝五三等對安徽省干旱指標(biāo)的研究成果，以累積頻率為15%和30%對應(yīng)的各月地下水埋深變化值作為閾值R2j和R0j（j=1~12）三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析用上述識(shí)別方法得到的干旱歷時(shí)和烈度特征變量及其對應(yīng)的頻率和重現(xiàn)期序號(hào)D(月)S(m)T25%(年)起始時(shí)間結(jié)束時(shí)間T20%(年)起始時(shí)間結(jié)束時(shí)間120.557.71975.51975.68.61975.51975.6740.7334.91978.21978.530.71978.31978.41230.215.01983.61983.81940.5620.61989.81989.115.3/1.31989.8~9,11~113730.7731.22000.22000.437.62000.32000.43820.589.02001.42001.510.72001.42001.53920.081.92001.82001.94520.162.02007.92007.103.32007.92007.10從上表可見，分別以累積頻率為20%法和累積頻率25%法，提取的干旱過程分別為40次和45次，干旱總月數(shù)分別為61和86個(gè)月，干旱發(fā)生頻次分別為14.9%和21.7%，與1990~2007年間旱情實(shí)際發(fā)生頻次19%接近三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（四）基于地下水指標(biāo)的干旱頻率分析據(jù)旱情統(tǒng)計(jì)，1975~1994年間，安徽及淮北平原發(fā)生較大干旱的年份分別為1976、1978、1985、1986、1987、1988、1989、1991和1994年據(jù)安徽省·淮委水利科學(xué)研究院對1995~2007年碭山縣的旱情統(tǒng)計(jì)，其中1995、1997、1998、1999、2000和2001年發(fā)生較為嚴(yán)重的干旱由上述結(jié)果可知：1975~2007的干旱頻率計(jì)算結(jié)果的排序與實(shí)際旱情資料的排序很接近，說明所計(jì)算的聯(lián)合概率和重現(xiàn)期是合理的三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析

以安徽淮北平原作為研究區(qū)域。根據(jù)資料條件，選擇宿州市宿縣閘土壤墑情觀測站的觀測數(shù)據(jù)作為研究對象：該土壤墑情觀測站觀測的項(xiàng)目有0—50cm深度土壤含水率、地下水埋深、降水量和水面蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，每旬第1日觀測一次不同深度（0—50cm，每隔10cm取土樣）土壤含水率和地下水埋深為每旬第1日的8:00數(shù)據(jù)，降水量和蒸發(fā)量為旬總量該站從2002年開始觀測，至2010年，共有9年資料，資料中多數(shù)年份的1月、2月、11月中下旬和12月缺測。因此，采用每年的3月上旬至11月上旬的觀測數(shù)據(jù)作為建立模型和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊罁?jù)，每年有25（旬）個(gè)時(shí)段三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析

因僅有9年觀測資料（全國大多數(shù)測站資料均較短），長度太短，不適于直接基于這些資料進(jìn)行土壤含水量的頻率統(tǒng)計(jì)分析，需對土壤含水量的資料進(jìn)行延長。在具有降水、氣壓、濕度、風(fēng)速、日照等常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)的“降水—土壤水—地表水—地下水”轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，采用區(qū)域水文模擬的方法，對土壤含水量進(jìn)行模擬計(jì)算，得到長系列土壤含水量系列，是當(dāng)今一種可行的基于土壤含水量的干旱頻率分析途徑經(jīng)氣象資料計(jì)算的旬水面蒸發(fā)量與實(shí)測旬水面蒸發(fā)量比較圖模擬和實(shí)測的地下水埋深模擬和實(shí)測的土壤含水量

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析

基于以上模型，模擬了淮北平原1953年以來的逐日地下水埋深和土壤含水量過程，見下圖：模擬的1953~2001年逐日地下水埋深模擬的1953~2001年逐日土壤含水量三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析

受旱情和旱災(zāi)資料限制，現(xiàn)有1994年以后的旱情和旱災(zāi)資料，下圖為模擬的1994年后的逐日土壤含水量系列：由上圖可判別：1994、1995、1996、1999和2001年均發(fā)生了較為嚴(yán)重的干旱，而宿州市旱情旱災(zāi)資料（1994年4~5、8~9月，1995年2~4、9~11月，1996年3~5、12月，1999年1~2、4、7~9月，2000年2~5月，2001年3~5月、9~11月）也表明這些時(shí)間段發(fā)生了嚴(yán)重的干旱。這說明模擬系列可以較為可靠地反映實(shí)際的干旱過程基于土壤含水量的干旱頻率分析：獲得干旱識(shí)別閾值和土壤含水量干旱指標(biāo)后，其頻率分析同降水量、地下水埋深的干旱頻率分析

三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析

在不考慮灌溉等區(qū)域抗旱能力措施條件下，基于模擬的土壤含水量分析可得某干旱過程的頻率（或重現(xiàn)期，如20a一遇）與該對應(yīng)時(shí)段的實(shí)際土壤含水量（灌溉等區(qū)域抗旱能力措施影響后）經(jīng)干旱頻率分析，可得相應(yīng)干旱過程的頻率（或重現(xiàn)期，如10a一遇）上述兩干旱過程的頻率之差，可作為區(qū)域抗旱能力的一種測度（干旱或重現(xiàn)期從20a一遇降為10a一遇）三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

當(dāng)前已被廣泛運(yùn)用的降水Z指數(shù)，是通過假定某一時(shí)段內(nèi)的降水量服從P-Ⅲ型分布，然后將其轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布進(jìn)行分析。同樣，地下水埋深變化量也可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的Z指數(shù)，將降水量Z指數(shù)Zp結(jié)合地下水埋深變化量Z指數(shù)Zh，進(jìn)而可構(gòu)成區(qū)域干旱綜合Z指數(shù)（DCZI）：選擇淮北平原亳州市的渦陽縣作為研究子區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有義門、新興和渦陽3處觀測點(diǎn)，將這些測點(diǎn)的降水量均值、地下水埋深變化量均值分別代表區(qū)域降水量、區(qū)域地下水埋深變化量，取1975~2006共32年的資料用于區(qū)域干旱頻率分析研究由國家《氣象干旱等級(jí)》及其在安徽省的應(yīng)用成果中采用的干旱判別標(biāo)準(zhǔn)，在此確定干旱識(shí)別過程中的閾值如下：

當(dāng)以降水量為干旱指標(biāo)時(shí)，閾值R0為單月同期平均降水量，而將單月距平百分率為-35%和-45%時(shí)所對應(yīng)的降雨量分別作為閾值R1、R2

當(dāng)以DCZI為干旱指標(biāo)時(shí)，R0、R1和R2分別為0，-0.4和-0.6三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

利用Copula函數(shù)分別估計(jì)了以DCZI、地下水埋深變化量Z指數(shù)Zh、降水Z指數(shù)Zp為干旱指標(biāo)的干旱事件重現(xiàn)期，以進(jìn)行相互比較：在1983年11月至1984年4月期間，地下水埋深變化量累計(jì)達(dá)到1.48m，降水量較常年同期累計(jì)減少115.31mm，根據(jù)DCZI的估計(jì)結(jié)果，其干旱重現(xiàn)期為31a（以Zp為干旱指標(biāo)時(shí)，干旱重現(xiàn)期估計(jì)值為33a，而以Zh為干旱指標(biāo)時(shí)，識(shí)別出的干旱期為1984.2~1984.4）在1985年11月至1986年2月期間，地下水埋深變化量累計(jì)達(dá)到1.97m，降水量較常年同期累計(jì)減少53.64mm，根據(jù)DCZI的估計(jì)結(jié)果，其干旱重現(xiàn)期為43a（以Zh為干旱指標(biāo)時(shí)，干旱重現(xiàn)期估計(jì)值為54a，而以Zp為干旱指標(biāo)時(shí)，未識(shí)別出1985年12月為干旱期）可見，DCZI指標(biāo)是區(qū)域干旱的綜合反映，它避免僅從氣象如Zp或水文如Zh單一方面對區(qū)域干旱進(jìn)行分析的片面性和局限性三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

以DCZI為干旱指標(biāo)時(shí)淮北平原15市縣干旱特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果站點(diǎn)干旱次數(shù)干旱歷時(shí)均值(月)干旱烈度均值歷時(shí)最大值(月)烈度最大值界首761.621.0364.22臨泉611.971.1389.17阜南681.971.0877.91阜陽701.890.9676.89太和601.871.1897.82亳州651.861.16104.85渦陽721.820.9663.56利辛711.870.9474.36蒙城741.840.9463.23濉溪682.031.0464.17碭山682.031.1364.79蕭縣681.911.1665.36宿州741.860.9964.32靈璧662.081.1263.96泗縣751.791.1566.95三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

以DCZI為干旱指標(biāo)時(shí)淮北平原15市縣干旱特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明：總體上，各市縣的干旱歷時(shí)和干旱烈度均值較為接近，說明各站的干旱平均水平大體相當(dāng)其中界首發(fā)生干旱次數(shù)最多，太和的干旱次數(shù)最少，兩者相差了16次各市縣的歷時(shí)、烈度最大值有較大差異，亳州的干旱歷時(shí)最大值長達(dá)10個(gè)月，但其烈度最大值只有4.85，而臨泉的干旱烈度最大值高達(dá)9.17?？梢?，各市縣的干旱特性具有顯著差異性三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

干旱歷時(shí)3個(gè)月時(shí)淮北平原各市縣的干旱烈度均值及其重現(xiàn)期

站點(diǎn)干旱烈度重現(xiàn)期/a站點(diǎn)干旱烈度重現(xiàn)期/a界首1.867.81蒙城1.284.62臨泉1.894.35濉溪1.403.97阜南1.344.22碭山1.384.07阜陽1.304.18蕭縣2.224.80太和1.595.36宿州1.554.29亳州2.005.05靈璧1.443.72渦陽1.765.40泗縣1.614.54利辛1.164.27三、干旱發(fā)生頻率及重現(xiàn)期理論的應(yīng)用研究（六）基于干旱綜合Z指數(shù)的干旱頻率分析

淮北平原在干旱歷時(shí)3個(gè)月的平均干旱水平下的重現(xiàn)期空間分布圖四、專題取得的研究成果

（一）出版專著（二）發(fā)表論文（三）專利申請（四）培養(yǎng)研究生（五）獲獎(jiǎng)情況四、專題取得的研究成果

（一）出版專著

[1]宋松柏,蔡煥杰,金菊良