1、水利部水利水電規劃設計總院水利部水利水電規劃設計總院合肥工業大學合肥工業大學 2012年年2月月初步報告初步報告匯匯 報報 提提 綱綱一、研究背景一、研究背景一、研究背景一、研究背景（一）研究目的與意義（一）研究目的與意義 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（二）國內外研究進展（

2、二）國內外研究進展 一、研究背景一、研究背景（三）研究目標與工作內容（三）研究目標與工作內容 一、研究背景一、研究背景（三）研究目標與工作內容（三）研究目標與工作內容 一、研究背景一、研究背景經濟經濟社會資料社會資料自然地理資料自然地理資料水文氣象資料水文氣象資料旱情旱災資料旱情旱災資料干旱指標選擇和干旱特征變量提取（游程理論）干旱指標選擇和干旱特征變量提取（游程理論）干旱歷時干旱歷時干旱烈度干旱烈度基于基于copula函數函數的單個干旱指標的干旱頻率分析的單個干旱指標的干旱頻率分析多個干旱指多個干旱指標的干旱頻標的干旱頻率分析率分析基于小區域干旱頻率分基于小區域干旱頻率分析結果的大區域干旱重

3、析結果的大區域干旱重現期計算現期計算頻率分析計算結果頻率分析計算結果與區域實際旱情和與區域實際旱情和災情的對比分析災情的對比分析歷史旱情信息歷史旱情信息干旱發生頻率及重現期理論與應用研究的技術路線圖干旱發生頻率及重現期理論與應用研究的技術路線圖二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 （一）干旱發生頻率的概念分析（一）干旱發生頻率的概念分析（二）干旱過程識別理論（二）干旱過程識別理論 （三）基于（三）基于copula的干旱頻率分析理論的干旱頻率分析理論 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 （一）干旱發生頻率的概念分析（一）干旱發生頻率的概念

4、分析 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 （一）干旱發生頻率的概念分析（一）干旱發生頻率的概念分析 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 理論依據：理論依據：在給定閾值下運用游程理論從干旱指標過程中識別干旱特征在給定閾值下運用游程理論從干旱指標過程中識別干旱特征干旱歷時干旱歷時是指一次干旱過程開始到結束的時間是指一次干旱過程開始到結束的時間；干旱烈度；干旱烈度是指閾值指標與是指閾值指標與干旱指標之差的累積和

5、干旱指標之差的累積和難點：難點：指標閾值、干旱特征變量的確定，特征變量的樣本滿足頻率分析的指標閾值、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和樣本容量的要求基本假設和樣本容量的要求 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 干旱歷時干旱歷時D和干旱烈度和干旱烈度S一般可分別用指數分布和一般可分別用指數分布和GammaGamma分分布描述布描述當直接用當直接用樣本樣本數據估計各參數來確定特征變量的分布時，數據估計各參數來確定特征變量的分布時，往往會出現不符合實際的情況，造成計算結果的不合理往

6、往會出現不符合實際的情況，造成計算結果的不合理在基于在基于樣本樣本數據估計分布函數參數基礎上，通過適線法進數據估計分布函數參數基礎上，通過適線法進行參數估計的調整行參數估計的調整/()1edDFd10( ) e()ssSsFsds二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 相關性結構相關性結構 Copula函數函數C 干旱歷時和干旱烈干旱歷時和干旱烈度聯合分布度聯合分布 干旱烈度邊際干旱烈度邊際分布分布干旱歷時邊際干旱歷時邊際分布分布 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 1/,( , )( , ) exp ( ln )( ln ) DSFd

7、sCuvuv 1/,( , )( , )(1)D SFd sC u vuv,1(e1)(e1)(,)(,)ln 1(e1)uvDSFdsCuv 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 ( )0.44( )0.12om iP in211( )( ) ncoiR M S EPiPin二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 ,( )( )( , )1( )( )( , )aDSD SE LE LT d sP DdSsFdF sFd s二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 根據研究區域干旱的類型、成因特點，以及降水量、蒸發

8、量、根據研究區域干旱的類型、成因特點，以及降水量、蒸發量、徑流量、土壤含水量、地下水等干旱指標影響研究區域干旱的徑流量、土壤含水量、地下水等干旱指標影響研究區域干旱的重要性以及專家咨詢等信息，確定降水量和蒸發量、徑流量、重要性以及專家咨詢等信息，確定降水量和蒸發量、徑流量、土壤含水量等干旱指標的權重土壤含水量等干旱指標的權重用這些干旱指標的干旱頻率分析的重現期計算結果和這些干旱用這些干旱指標的干旱頻率分析的重現期計算結果和這些干旱指標的權重進行加權和，得到基于多個干旱指標的研究區域干指標的權重進行加權和，得到基于多個干旱指標的研究區域干旱頻率分析的干旱合成重現期計算結果旱頻率分析的干旱合成重現

9、期計算結果二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 綜合分析綜合分析專家咨詢專家咨詢干旱類型及干旱類型及成因特點成因特點單個干旱單個干旱指標頻率指標頻率分析結果分析結果Copula多個干旱多個干旱指標頻率指標頻率分析結果分析結果降水量降水量蒸發量蒸發量徑流量徑流量土壤含水量土壤含水量 根據各小區域（如縣）的面積、人口、根據各小區域（如縣）的面積、人口、GDPGDP、政治社會影響等指標、政治社會影響等指標以及專家咨詢等信息，確定各小區域的權重以及專家咨詢等信息，確定各小區域的權重用這些小區域的干旱合成重現期計算結果和這些小區域的權重進用這些小區域的干旱合成重現期計算結果和

10、這些小區域的權重進行加權和，得到大區域（如省）的干旱綜合重現期計算結果行加權和，得到大區域（如省）的干旱綜合重現期計算結果根據各級區域的干旱重現期計算結果，進行相應區域的抗旱管理根據各級區域的干旱重現期計算結果，進行相應區域的抗旱管理二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 專家咨詢專家咨詢子區域：面積、人子區域：面積、人口、口、GDP、政治社、政治社會影響等會影響等子區域權重子區域權重子區域干旱事子區域干旱事件重現期件重現期子區域：降水量、子區域：降水量、蒸發量、徑流量、蒸發量、徑流量、土壤含水量、地下土壤含水量、地下水埋深等水埋深等Copula理論理論大區域干旱大區

11、域干旱綜合重現期綜合重現期 二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 南方水文干旱試點區域（例如湖北邵陽、江西鄱陽湖）的南方水文干旱試點區域（例如湖北邵陽、江西鄱陽湖）的降水量和蒸發量、徑流量資料系列降水量和蒸發量、徑流量資料系列中部農業干旱試點區域（例如安徽）的降水量和蒸發量、中部農業干旱試點區域（例如安徽）的降水量和蒸發量、土壤含水量、地下水資料系列土壤含水量、地下水資料系列北方氣象干旱試點區域（例如遼寧）的降水量和蒸發量資北方氣象干旱試點區域（例如遼寧）的降水量和蒸發量資料系列料系列二、干旱發生頻率及重現期理論研究二、干旱發生頻率及重現期理論研究 三、干旱發生頻率

12、及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析 （六）基于干旱綜合（六）基于干旱綜合Z Z指數的干旱頻率分析指數的干旱頻率分析 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 兩個典型研究區域兩個典型研究區

13、域 邵陽市是中國南方山地丘陵地區，屬于湖南省邵陽市是中國南方山地丘陵地區，屬于湖南省“衡邵干旱走廊衡邵干旱走廊”的一部分，由于邵陽地區降雨時空分布不均，干旱災害頻繁的一部分，由于邵陽地區降雨時空分布不均，干旱災害頻繁 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 兩個典型研究區域兩個典型研究區域 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、靈璧和泗縣等山、蕭縣、靈

14、璧和泗縣等15個市縣。由于地處我國南北氣候的過渡帶，個市縣。由于地處我國南北氣候的過渡帶，此區域內的降水量年際變化大、年內分配不均，每年旱澇災害頻發此區域內的降水量年際變化大、年內分配不均，每年旱澇災害頻發宿州濉溪亳州蒙城靈璧渦陽利辛阜南蕭縣泗縣太和臨泉阜陽碭山界首降水量距平百分率反映的是一段時期內的降水量與常年同期降水量距平百分率反映的是一段時期內的降水量與常年同期平均降水量之間的關系，其表示為平均降水量之間的關系，其表示為三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 () /1 0 0 %aP

15、PPP根據邵陽市根據邵陽市15個雨量站的逐月降水資料，采用降水量距平百分率個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行識別，依據法對氣象干旱過程進行識別，依據氣象干旱等級氣象干旱等級確定干旱指確定干旱指標閾值分別為標閾值分別為R0取取0，R1取取- -30%，R2取取- -40%，下表為相應的氣，下表為相應的氣象干旱統計結果象干旱統計結果三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 邵陽市各雨量站干旱特征計算結果邵陽市各雨量站干旱特征計算結果站點站點干旱次干旱次數數干旱間隔干旱

16、間隔均值均值(月月)干旱歷時均干旱歷時均值值(月月)干旱烈度均干旱烈度均值值(mm)歷時最歷時最大值大值(月月)烈度最大值烈度最大值(mm)干旱歷時與烈度干旱歷時與烈度的的Kendall相關系相關系數數黃橋黃橋916.202.0148.028244.010.54高沙高沙876.431.9451.278268.720.45邵東邵東787.172.0951.858185.270.45諸甲亭諸甲亭806.992.1048.878189.840.53茅坪茅坪936.021.7548.135195.580.46羅家廟羅家廟906.221.9047.499219.330.54白毛坪白毛坪866.561.8

17、147.355132.670.41武岡武岡866.501.8549.0110208.280.49新寧新寧876.431.8353.039276.240.45小沙江小沙江806.991.9053.477209.360.49大河灘大河灘886.361.8951.969186.050.48回龍寺回龍寺916.151.7845.109216.820.47六都寨六都寨906.221.9251.926216.410.49黨坪黨坪975.771.7847.056180.470.42三門江三門江836.742.0747.959212.660.45三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理

18、論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 上表的邵陽市各雨量站干旱特征計算結果說明：上表的邵陽市各雨量站干旱特征計算結果說明：各站干旱歷時、干旱烈度均值及其各站干旱歷時、干旱烈度均值及其Kendall相關系數較為接近，說明各站的相關系數較為接近，說明各站的干旱平均水平大體相當干旱平均水平大體相當黨坪站干旱次數最多，而邵東站干旱次數最少，兩者相差黨坪站干旱次數最多，而邵東站干旱次數最少，兩者相差19次次各站的干旱歷時、烈度最大值有較大差異。茅坪站、白茅坪站的歷時最大值各站的干旱歷時、烈度最大值有較大差異。茅坪站、白茅坪站的歷時最大值僅為僅為5個月，而武岡站的

19、歷時最大值長達個月，而武岡站的歷時最大值長達10個月；新寧站的烈度最大值為個月；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，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，研究它們之間的關系對區域可見，各站的干旱特征具有顯著的空間差異性，研究它們之間的關系對區域干旱頻率分析具有重要意義干旱頻率分析具有重要意義 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 通過適線法確定各站中單個干旱特征變量的分布曲線，根據通過適線法確定各站中單個干旱特征變

20、量的分布曲線，根據Copula函數的估計函數的估計參數，選用參數，選用Gumbel-Hougaard（GH） Copula函數對邵陽市各雨量站典型干旱函數對邵陽市各雨量站典型干旱年份的重現期進行計算，結果見下表：年份的重現期進行計算，結果見下表：站名站名1956重現期重現期/a1960重現期重現期/a1963重現期重現期/a1985重現期重現期/a1998重現期重現期/a黃橋黃橋11.936.7866.173.1852.56高沙高沙23.022.0883.9621.9252.28邵東邵東15.3241.762.6919.4566.17諸甲亭諸甲亭10.987.105.866.5059.62茅坪

21、茅坪31.8252.722.9924.0123.63羅家廟羅家廟12.618.8225.596.0068.22白毛坪白毛坪18.512.555.893.1845.23武岡武岡21.532.5645.702.7362.61新寧新寧2.371.8548.823.7787.40小沙江小沙江1.543.3231.332.8013.80大河灘大河灘6.496.636.8816.007.06回龍寺回龍寺1.911.7447.509.0375.97六都寨六都寨8.6717.669.8210.1116.04黨坪黨坪5.021.5911.628.3823.12三門江三門江12.639.8951.504.7882

22、.63三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 上表的邵陽市各雨量站典型干旱年份的重現期計算結果說明：上表的邵陽市各雨量站典型干旱年份的重現期計算結果說明：1963、1998年邵陽市受旱嚴重，個別站點的干旱重現期超過了年邵陽市受旱嚴重，個別站點的干旱重現期超過了80年一年一遇遇對于同一年份，區域內各站干旱程度差異顯著。例如：對于同一年份，區域內各站干旱程度差異顯著。例如：1963年，干旱年，干旱嚴重區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；而嚴重區主要集中在邵陽市中部，西部和東部

23、的干旱程度則相對較輕；而1998年，邵陽市大部分地區干旱嚴重，南部各站的干旱重現期普遍高于年，邵陽市大部分地區干旱嚴重，南部各站的干旱重現期普遍高于北部的小沙江、六都寨和大河灘站北部的小沙江、六都寨和大河灘站1963(a)、1998(b)年邵陽市干旱重現期空間分布特征 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 為了更好地反映區域內各站在平均干旱水平下的干旱程度，由各站的干旱歷時為了更好地反映區域內各站在平均干旱水平下的干旱程度，由各站的干旱歷時均值、干旱烈度均值得干旱重現期，見下圖，結果表明：

24、均值、干旱烈度均值得干旱重現期，見下圖，結果表明：邵陽市南部的平均干旱程度相對較重邵陽市南部的平均干旱程度相對較重邵陽市邵陽市中部和東北部相對較輕中部和東北部相對較輕上述干旱空間特征分析結果可為區域干旱災害風險管理提供有效的科學依據上述干旱空間特征分析結果可為區域干旱災害風險管理提供有效的科學依據 平均干旱水平下的邵陽市干旱重現期空間分布特征 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （一）基于降水指標的干旱頻率分析（一）基于降水指標的干旱頻率分析 取羅家廟站取羅家廟站19562002年的降水量距平百分率樣本資料系列直接進行頻率分析，見下年的降水量距平百分率

25、樣本資料系列直接進行頻率分析，見下圖和下表，可見：基于圖和下表，可見：基于Copula的干旱歷時干旱烈度多變量頻率分析的計算結果較合理，的干旱歷時干旱烈度多變量頻率分析的計算結果較合理，降水量距平百分率單變量頻率分析的結果顯然不合理。例如：邵陽市降水量距平百分率單變量頻率分析的結果顯然不合理。例如：邵陽市1998年干旱程度年干旱程度顯然明顯比顯然明顯比1963年嚴重，年降水量不能表達因各月降水量分布不均而導致的干旱現象，年嚴重，年降水量不能表達因各月降水量分布不均而導致的干旱現象，無法識別干旱過程的起止時間，也無法用以判別干旱現象發生的重現期無法識別干旱過程的起止時間，也無法用以判別干旱現象發

26、生的重現期羅家廟站年降水量距平百分率指標下不同頻率分析方法的典型干旱年份的重現期羅家廟站年降水量距平百分率指標下不同頻率分析方法的典型干旱年份的重現期 年份年份干旱歷時干旱烈度多變量頻率分析干旱歷時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降水量距平百分率單變量頻率分析/a年降水量年降水量/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指數考慮了降水量指數考慮了降水量P與蒸發量與蒸發量E的比值，的比值，K

27、指數反映的是降水量相對變指數反映的是降水量相對變率與蒸發量相對變率之間的關系：率與蒸發量相對變率之間的關系：三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析 根據根據氣象干旱等級氣象干旱等級標準及干旱分類相關研究標準及干旱分類相關研究:當以降水量距平百分率當以降水量距平百分率Pa為干旱指標時，本專題選用單月距平百分率為為干旱指標時，本專題選用單月距平百分率為- -30%和和 - -40%時所對應的降水量分別作為閾值時所對應的降水量分別作為閾值R1、R2，而，而R0為月同期平均降為月同期平均

28、降水量水量當以當以K指數為干旱指標時，將所有指數為干旱指標時，將所有K指數序列中（從小到大進行排序）百分位指數序列中（從小到大進行排序）百分位數為數為50%、35%和和25%時所對應的指數值作為閾值時所對應的指數值作為閾值R0、R1和和R2當以當以P/E指數為干旱指標時，將單月指數序列中（從小到大進行排序）百分指數為干旱指標時，將單月指數序列中（從小到大進行排序）百分位數為位數為50%、35%和和25%和時所對應的指數值作為閾值和時所對應的指數值作為閾值R0、R1和和R2 EPK/根據邵陽市羅家廟站根據邵陽市羅家廟站19562002年的月降水量、月蒸發量，得年的月降水量、月蒸發量，得Pa指數、

29、指數、 K指數和指數和P/E指數。用干旱過程識別方法，確定在指數。用干旱過程識別方法，確定在Pa指數、指數、K指數和指數和P/E指數指數下的干旱次數及干旱特征變量，見下表下圖下的干旱次數及干旱特征變量，見下表下圖 ：三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析 干旱指數干旱指數干旱次數干旱次數干旱間隔均值干旱間隔均值(月月)干旱歷時均值干旱歷時均值(月月)干旱歷時最大值干旱歷時最大值(月月)干旱歷時與烈度的干旱歷時與烈度的Kendall相關系數相關系數Pa906.221.9090.54

30、K876.482.0380.59P/E876.482.0390.51不同干旱指數下各年份的干旱月數不同干旱指數下各年份的干旱月數 由上表和上圖可知：由上表和上圖可知：在在47年共年共564個月中，以個月中，以Pa指數、指數、K指數和指數和P/E指數為干旱指標識別得到指數為干旱指標識別得到的干旱月數分別為的干旱月數分別為171、177和和177，且，且3種指數下的干旱次數、干旱歷時均種指數下的干旱次數、干旱歷時均值和干旱歷時最大值都較為接近值和干旱歷時最大值都較為接近有有483個月為在個月為在3種指數下具有相同的識別結果（同為干旱或無旱），一種指數下具有相同的識別結果（同為干旱或無旱），一致性率

31、達致性率達85.64%Pa指數與指數與K指數、指數、K指數與指數與P/E指數、指數、Pa指數與指數與P/E指數的識別一致性率指數的識別一致性率分別為分別為90.07%、89.36%、91.84%可見，可見，3種干旱指數對研究區域的干旱指示程度具有較高的一致性，綜種干旱指數對研究區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果，可增強區域干旱頻率分析的合理性和可合考慮三者的干旱頻率分析結果，可增強區域干旱頻率分析的合理性和可靠性靠性 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱

32、頻率分析 3種干旱指數在不同干旱歷時和干旱烈度時的干旱重現期估計種干旱指數在不同干旱歷時和干旱烈度時的干旱重現期估計見下圖和下表，見下圖和下表，在干旱歷時分別為在干旱歷時分別為2個月、個月、3個月和個月和4個月的平均干旱水平下，個月的平均干旱水平下，K指數和指數和P/E指指數的相應于烈度均值的干旱重現期的計算結果相對接近，數的相應于烈度均值的干旱重現期的計算結果相對接近，Pa指數的相應結果指數的相應結果略微偏大略微偏大三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析 Pa指數 K指數 P/

33、E指數 干旱歷時干旱歷時(月月)Pa指數指數K指數指數P/E指數指數烈度均值烈度均值重現期重現期/年年烈度均值烈度均值重現期重現期/年年烈度均值烈度均值重現期重現期/年年245.962.760.602.130.932.46384.484.971.184.481.904.894119.168.751.467.542.317.78以以3種指數為干旱指標計算了羅家廟站典型干旱年份的重現期，見下表。由種指數為干旱指標計算了羅家廟站典型干旱年份的重現期，見下表。由該表可知：該表可知：3種指數對種指數對1956、1960、1985和和1998年的干旱重現期計算結果相近年的干旱重現期計算結果相近，其中，其中

34、，1956年的干旱重現期超過了年的干旱重現期超過了10 a，而，而1998年超過了年超過了60 a，干旱程度十分嚴重，干旱程度十分嚴重對于對于1963年，年，K指數和指數和P/E指數的干旱重現期計算結果相近，而指數的干旱重現期計算結果相近，而Pa指數相指數相對偏小。對偏小。通過綜合比較可知，通過綜合比較可知，K指數和指數和P/E指數具有相對一致的干旱頻率分指數具有相對一致的干旱頻率分析結果，由于它們包含了降水量和蒸發量兩個方面的信息，可進一步提高析結果，由于它們包含了降水量和蒸發量兩個方面的信息，可進一步提高區域干旱區域干旱頻率分析的可靠性頻率分析的可靠性 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研

35、究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析（二）基于降水和蒸發指標的干旱頻率分析 年份年份干旱重現期干旱重現期/年年PaKP/E195612.6114.0110.3019608.826.756.39196325.5936.8140.8919856.005.857.70199868.2264.7965.26根據根據19562002年邵陽市茅坪站逐月徑流資料，對該區域水文干旱頻率進行年邵陽市茅坪站逐月徑流資料，對該區域水文干旱頻率進行分析研究。選取徑流量距平百分率法（記為分析研究。選取徑流量距平百分率法（記為A識別法）和徑流量累積頻率法識別法）和徑流量累積頻率

36、法（記為（記為B識別法）兩種閾值標準來識別水文干旱過程：識別法）兩種閾值標準來識別水文干旱過程：根據根據水文情報預報規范水文情報預報規范中的標準，選取閾值中的標準，選取閾值R0為單月同期平均徑流量，為單月同期平均徑流量，而將單月徑流量距平百分率為而將單月徑流量距平百分率為- -20%和和- -40%時所對應的徑流量分別作為閾值時所對應的徑流量分別作為閾值R1、R2 徑流量序列一般認為服從徑流量序列一般認為服從P-型曲線。對于多年同一月份的徑流量序列，型曲線。對于多年同一月份的徑流量序列，當確定當確定p后即可得后即可得xp。在徑流量頻率分析的基礎上，本專題選用徑流量的閾。在徑流量頻率分析的基礎上

37、，本專題選用徑流量的閾值為值為R0 = x55%，R1 = x65%，R2 = x70% 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 A識別法和識別法和B識別法的干旱特征統計結果識別法的干旱特征統計結果三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 閾閾值值方方法法干旱干旱次數次數干旱間干旱間隔均值隔均值(月月)干旱歷干旱歷時均值時均值(月月)干旱烈度干旱烈度均值均值(m3/s)月月干旱歷時干旱歷時最

38、大值最大值(月月)干旱烈度最干旱烈度最大值大值(m3/s)月月干旱歷時與烈干旱歷時與烈度的度的Kendall相關系數相關系數A717.893.9444.6213217.710.67B698.102.7022.4113139.790.52由上表可知：由上表可知： 在在A、B兩種閾值標準下的干旱次數、干旱間隔平均值及兩種閾值標準下的干旱次數、干旱間隔平均值及Kendall相關相關系數都較為接近，都出現了最大歷時達系數都較為接近，都出現了最大歷時達13個月的干旱事件個月的干旱事件 A中平均干旱歷時、干旱烈度和干旱烈度最大值，均大于中平均干旱歷時、干旱烈度和干旱烈度最大值，均大于B的相應值。的相應值。

39、可見，在不同閾值標準下的水文干旱特性具有一定的差異性，而合理確可見，在不同閾值標準下的水文干旱特性具有一定的差異性，而合理確定干旱發生閾值是區域水文干旱頻率研究的關鍵點定干旱發生閾值是區域水文干旱頻率研究的關鍵點 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 005.1005.1G HC o p u la 理 論 聯 合 概 率經 驗 聯 合 概 率005.1005.1C la y to nC o p u la 理 論 聯 合 概 率經 驗 聯 合 概 率005.1005.1F ra n kC o

40、 p u la 理 論 聯 合 概 率經 驗 聯 合 概 率005.1005.1GH Copula 理 論 聯 合 概 率經驗聯合概率005.1005.1Clayton Copula 理 論 聯 合 概 率經驗聯合概率005.1005.1Frank Copula 理 論 聯 合 概 率經驗聯合概率三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 Copula函數函數A識別法識別法B識別法識別法適線前適線前適線后適線后適線前適線前適線后適線后Gumbel-Hougaard（GH）0.05090.0512

41、0.07720.0723Clayton0.05710.06810.08000.0890Frank0.04930.05620.07360.0809由上表可知：由上表可知： A中適線調整前后的中適線調整前后的Copula擬合最小誤差分別為擬合最小誤差分別為0.0493、0.0512，而，而B中中適線調整前的適線調整前的Copula擬合最小誤差為擬合最小誤差為0.0736，調整后為，調整后為0.0723。可見經適。可見經適線調整前后的線調整前后的Copula函數擬合效果相當，說明適線調整干旱特征變量的分函數擬合效果相當，說明適線調整干旱特征變量的分布曲線保證了布曲線保證了Copula函數計算的準確性

42、函數計算的準確性 3種種Copula函數都能較好反映干旱歷時與干旱烈度間的相關關系，其中函數都能較好反映干旱歷時與干旱烈度間的相關關系，其中GH及及Frank Copula函數擬合效果相對更優函數擬合效果相對更優三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （三）基于徑流指標的干旱頻率分析（三）基于徑流指標的干旱頻率分析 根據根據Copula函數的估計參數，選用函數的估計參數，選用Gumbel-Hougaard (GH) Copula函數，分函數，分別對別對A、B識別方法中各年份的干旱重現期進行求解，見下圖和下表：識別方法中各年份的干旱重現期進行求解，見下圖和下

43、表： 2種閾值標準下的干旱重現期計算結果大體上接近，基本能反映受旱嚴重種閾值標準下的干旱重現期計算結果大體上接近，基本能反映受旱嚴重年份的干旱特征年份的干旱特征 1963、1985年的干旱重現期都超過了年的干旱重現期都超過了40 a，受旱十分嚴重，屬特旱，受旱十分嚴重，屬特旱 年份（年）年份（年）實際受旱率（實際受旱率（%）干旱重現期（干旱重現期（a）A識別法識別法B識別法識別法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

44、區域，該區域內有周寨、葦子園、李選擇淮北平原最北部的碭山縣作為研究區域，該區域內有周寨、葦子園、李莊等共莊等共1111處地下水埋深觀測點處地下水埋深觀測點三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 自自19751975年以來，每年以來，每5d5d觀測觀測1 1次、每月觀測次、每月觀測6 6次地下水埋深，取次地下水埋深，取6 6次均值作為該月次均值

45、作為該月得平均地下水埋深，取得平均地下水埋深，取1111處觀測點的地下水埋深平均值作為研究區域地下水處觀測點的地下水埋深平均值作為研究區域地下水埋深。埋深。1111處觀測點，大多自處觀測點，大多自19751975年開始觀測（個別站點觀測年份稍遲于年開始觀測（個別站點觀測年份稍遲于19751975年，極年，極少數站點存在部分缺測數據）。這里取少數站點存在部分缺測數據）。這里取1975-20071975-2007年觀測數據進行分析，共年觀測數據進行分析，共3333年，年，396396（33331212）個月份）個月份地下水平均埋深數據。記第地下水平均埋深數據。記第i年第年第j月地下水埋深為月地下水

46、埋深為hij（i = 133，j = 112）。）。 第第i（i = 1 n）年第）年第j（j = 1 12）月的地下水埋深的變化）月的地下水埋深的變化hi,j記為記為 ,1,1,1,12(111)(11;12)i ji ji jiihhjhhhinj三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 基于地下水埋深變化的干旱識別及干旱特征變量確定的示意圖：基于地下水埋深變化的干旱識別及干旱特征變量確定的示意圖：當第當第j月地下水埋深的變化值月地下水埋深的變化值hi,j大于大于R1j時，則初步判斷此

47、月為干旱，即圖中有時，則初步判斷此月為干旱，即圖中有a、b、c和和d共共4個干旱過程個干旱過程對于歷時只有對于歷時只有1個時段的干旱（如個時段的干旱（如a，d），若），若hi,j大于大于R2j（如（如a），則此月最終被），則此月最終被確定為確定為1次干旱過程，反之不計為干旱（如次干旱過程，反之不計為干旱（如d）對于間隔為對于間隔為1個時段的兩次相鄰干旱過程（如個時段的兩次相鄰干旱過程（如b，c），若間隔期的），若間隔期的hi,j大于大于R0j，則這兩次相鄰的干旱過程可被視為則這兩次相鄰的干旱過程可被視為1次干旱過程，合并后的干旱歷時次干旱過程，合并后的干旱歷時D = db + dc + 1，烈

48、度，烈度S = Sb + Sc，否則為，否則為2次獨立干旱過程次獨立干旱過程上圖中共有上圖中共有2次水文干旱過程，即次水文干旱過程，即a和和b + c 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 統計分析碭山縣統計分析碭山縣1990 2007年共年共18年的旱情資料，發生旱情年的旱情資料，發生旱情的月份為的月份為41個月，頻率約為個月，頻率約為19 %。因此：。因此：分別選取累積頻率為分別選取累積頻率為20 %和和25 %對應的各月地下水埋深變對應的各月地下水埋深變化值作為閾值化值作為閾值R

49、1j（j = 1 12，分別記為累積頻率，分別記為累積頻率20 %法和累法和累計頻率計頻率25 %，下同），下同）根據謝五三等對安徽省干旱指標的研究成果，以累積頻率根據謝五三等對安徽省干旱指標的研究成果，以累積頻率為為15 %和和30 %對應的各月地下水埋深變化值作為閾值對應的各月地下水埋深變化值作為閾值R2j和和R0j（j = 1 12） 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱頻率分析 用上述識別方法得到的干旱歷時和烈度特征變量及其對應的頻率和重現期用上述識別方法得到的干旱歷時和烈度特征變量及

50、其對應的頻率和重現期 序序號號D(月月)S(m)T25%(年年)起始起始時間時間結束結束時間時間T20%(年年)起始起始時間時間結束結束時間時間120.557.71975.51975.68.61975.51975.6740.7334.91978.21978.530.71978.31978.41230.215.01983.61983.81940.5620.61989.81989.115.3/1.31989.89, 11113730.7731.22000.22000.437.62000.32000.43820.589.02001.42001.510.72001.42001.53920.081.92

51、001.82001.94520.162.02007.92007.103.32007.92007.10從上表可見，分別以累積頻率為從上表可見，分別以累積頻率為20%法和累積頻率法和累積頻率25%法，提取法，提取的干旱過程分別為的干旱過程分別為40次和次和45次，干旱總月數分別為次，干旱總月數分別為61和和86個月，個月，干旱發生頻次分別為干旱發生頻次分別為14.9%和和21.7%，與，與1990 2007年間旱情實際年間旱情實際發生頻次發生頻次19%接近接近 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （四）基于地下水指標的干旱頻率分析（四）基于地下水指標的干旱

52、頻率分析 據旱情統計，據旱情統計，1975 1994年間，安徽及淮北平原發生較大干旱年間，安徽及淮北平原發生較大干旱的年份分別為的年份分別為1976、1978、1985、1986、1987、1988、1989、1991和和1994年年據安徽省據安徽省淮委水利科學研究院對淮委水利科學研究院對1995 2007年碭山縣的旱情年碭山縣的旱情統計，其中統計，其中1995、1997、1998、1999、2000和和2001年發生較為嚴年發生較為嚴重的干旱重的干旱 由上述結果可知：由上述結果可知：1975 2007的干旱頻率計算結果的排序與實的干旱頻率計算結果的排序與實際旱情資料的排序很接近，說明所計算的

53、聯合概率和重現期是合際旱情資料的排序很接近，說明所計算的聯合概率和重現期是合理的理的三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（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域。根據資料條件，選擇宿州市宿縣閘土壤墑情以安徽淮北平原作為研究區域。根據資料條件，選擇宿州市宿縣閘土壤墑情觀測站的觀測數據作為研究對象：觀測站的觀測數據作為研究對象：該土壤墑情觀測站觀測的項目有該土壤墑情觀測站觀測的項目有050cm深度土壤含水率、地下水埋深、降深度土壤含水率、地下水埋深、降水量和水面蒸發量數據，每旬第水量和水面蒸發量數據，

54、每旬第1日觀測一次日觀測一次不同深度（不同深度（050cm，每隔，每隔10cm取土樣）土壤含水率和地下水埋深為每旬取土樣）土壤含水率和地下水埋深為每旬第第1日的日的8:00數據，降水量和蒸發量為旬總量數據，降水量和蒸發量為旬總量該站從該站從2002年開始觀測，至年開始觀測，至2010年，共有年，共有9年資料，資料中多數年份的年資料，資料中多數年份的1月、月、2月、月、11月中下旬和月中下旬和12月缺測。因此，采用每年的月缺測。因此，采用每年的3月上旬至月上旬至11月上旬的觀測月上旬的觀測數據作為建立模型和檢驗模型的依據，每年有數據作為建立模型和檢驗模型的依據，每年有25（旬）個時段（旬）個時段

55、 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析 因僅有因僅有9年觀測資料（全國大多數測站資料均較短），長度太短，不適于直接基于這年觀測資料（全國大多數測站資料均較短），長度太短，不適于直接基于這些資料進行土壤含水量的頻率統計分析，需對土壤含水量的資料進行延長。在具有降些資料進行土壤含水量的頻率統計分析，需對土壤含水量的資料進行延長。在具有降水、氣壓、濕度、風速、日照等常規氣象觀測數據的基礎上，根據研究區的水、氣壓、濕度、風速、日照等常規氣象觀測數據的基礎上，根據研究區的“降水降水土壤水土壤水地

56、表水地表水地下水地下水”轉化特點，采用區域水文模擬的方法，對土壤含水量進行轉化特點，采用區域水文模擬的方法，對土壤含水量進行模擬計算，得到長系列土壤含水量系列，是當今一種可行的基于土壤含水量的干旱頻模擬計算，得到長系列土壤含水量系列，是當今一種可行的基于土壤含水量的干旱頻率分析途徑率分析途徑 經氣象資料計算的旬水面蒸發經氣象資料計算的旬水面蒸發量與實測旬水面蒸發量比較圖量與實測旬水面蒸發量比較圖 模擬和實測的地下水埋深模擬和實測的地下水埋深 模擬和實測的土壤含水量 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（五）基于土壤含水

57、量的干旱頻率分析 基于以上模型，模擬了淮北平原基于以上模型，模擬了淮北平原19531953年以來的逐日地下水埋深和土壤含水量年以來的逐日地下水埋深和土壤含水量過程，見下圖：過程，見下圖：模擬的模擬的19532001年逐日地下水埋深年逐日地下水埋深 模擬的模擬的19532001年逐日土壤含水量年逐日土壤含水量 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析 受旱情和旱災資料限制，現有受旱情和旱災資料限制，現有1994年以后的旱情和旱災資料，下圖為模擬的年以后的旱情和旱災資料，下圖為模擬的1994年

58、后的逐日土壤含水量系列：年后的逐日土壤含水量系列： 由上圖可判別：由上圖可判別：1994、1995、1996、1999和和2001年均發生了較為嚴重的干旱，而宿州市旱情年均發生了較為嚴重的干旱，而宿州市旱情旱災資料（旱災資料（1994年年45、89月，月，1995年年24、911月，月，1996年年35、12月，月，1999年年12、4、79月，月，2000年年25月，月，2001年年35月、月、911月）也表明這些時間段月）也表明這些時間段發生了嚴重的干旱。這說明模擬系列可以較為可靠地反映實際的干旱過程發生了嚴重的干旱。這說明模擬系列可以較為可靠地反映實際的干旱過程基于土壤含水量的干旱頻率分

59、析：獲得干旱識別閾值和土壤含水量干旱指標基于土壤含水量的干旱頻率分析：獲得干旱識別閾值和土壤含水量干旱指標后，其頻率分析同降水量、地下水埋深的干旱頻率分析后，其頻率分析同降水量、地下水埋深的干旱頻率分析 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （五）基于土壤含水量的干旱頻率分析（五）基于土壤含水量的干旱頻率分析 在不考慮灌溉等區域抗旱能力措施條件下，基于模擬的土壤含在不考慮灌溉等區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（或重現期，如水量分析可得某干旱過程的頻率（或重現期，如20 a一遇）一遇）與該對應時段的實際土壤含水量（灌溉等

60、區域抗旱能力措施影與該對應時段的實際土壤含水量（灌溉等區域抗旱能力措施影響后）經干旱頻率分析，可得相應干旱過程的頻率（或重現期，響后）經干旱頻率分析，可得相應干旱過程的頻率（或重現期，如如10 a一遇）一遇）上述兩干旱過程的頻率之差，可作為區域抗旱能力的一種測度上述兩干旱過程的頻率之差，可作為區域抗旱能力的一種測度（干旱或重現期從（干旱或重現期從20 a一遇降為一遇降為10 a一遇）一遇） 三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究三、干旱發生頻率及重現期理論的應用研究 （六）基于干旱（六）基于干旱綜合綜合Z指數的指數的干旱頻率分析干旱頻率分析 當前已被廣泛運用的降水當前已被廣泛運用的降水Z指數，