一种冰川融水补给区干旱预警方法技术

本发明专利技术公开了一种冰川融水补给区干旱预警方法，方法步骤如下：步骤1建立数据库；步骤2构建干旱评价模型；步骤3预测预见期气温变化；步骤4判定预见期内旱情。与现有技术相比较，本发明专利技术所构建的干旱评价模型是从水资源系统的角度出发，综合考虑了供水和需水之间的关系，且当前的监测数据能满足建模需求，所构建的干旱预警指标，最终仅需要预测的气温来驱动，结构简单，适用于冰川融水补给区干旱预警。

Drought early warning method for glacial meltwater supply area

The invention discloses a glacier area drought early warning method, the method includes the following steps: Step 1 step 2 to establish the database; construction of drought evaluation model; step 3 forecast forecast period of temperature change; step 4 determine the foreseeable period of drought. Compared with the prior art, the invention of drought evaluation model is constructed starting from the perspective of the water resources system, considering the relationship between water supply and water demand, and the current monitoring data can meet the modeling requirements, drought early warning indicators of the final only need to predict the temperature to drive, simple structure, suitable for in glacier area drought warning.

【技术实现步骤摘要】
一种冰川融水补给区干旱预警方法
本专利技术涉及一种统计水文分析领域，尤其涉及一种冰川融水补给区干旱预警方法。
技术介绍
IPCC第五次气候变化评估报告指出：自上世纪以来，全球大部分地区都经历了以升温为主要特征的气候变化过程。气温的增加将加速大气环流和水文循环过程，因而水资源的存量减少，通量增加，导致极端气候事件呈现出广发、频发的态势。我国西北干旱区地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，是全球气候变化下的敏感地区。这里水资源环境特殊，生态环境较为脆弱，地下水与地表水交换频繁，水资源成为制约社会经济发展、影响生态安全的关键要素，对未来经济社会可持续发展起着至关重要的作用。在气候变化的影响下，西北干旱区以山区降水和冰雪融水补给为基础的水资源系统更为脆弱，极端水文事件增加、干旱频率变化也呈现出明显的地区差异和时间差异。因此，评估和预估干旱发展的变化可为风险应对与管理提供支撑。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种解决了上述问题，从水资源系统的角度出发，综合考虑了供水和需水之间的关系和监测数据，所构建的冰川融水补给区干旱预警方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种冰川融水补给区干旱预警方法，方法步骤如下：步骤1、建立数据库：获取一定时期内区域历史气象、水文资料，下垫面信息；步骤2、构建干旱评价模型：获取一定时期内所述研究区水资源供水量和需水量，构建水资源短缺量与干旱指数之间的函数关系，建立水资源干旱评估指标；步骤3、预测预见期气温变化：根据平均气温，建立统计预测模型，对预见期内气温进行预测；步骤4、判定预见期内旱情：根据上述一定时期内的气温、供水量、需水量，分别建立气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系；利用所述预见期内的气温，结合所述气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系，预测所述的预见期内的水资源短缺量；结合所述的干旱评价模型，预测所述的预见期内旱情。作为优选，步骤2中所述的供水量为广义水资源量，即可被生态系统有效利用的大气降水以及水利工程供水等径流性水资源量之和，可认为是有效降水量，采用如下公式计算：P有效＝αP式中，P有效为有效降水量；α降水有效利用系数，P某次实测降水量。所述的需水量为农业需水量，即主要参考作物的实际蒸散发量，采用如下公式计算：式中：i为作物类型(如棉花、小麦等)；n为作物总分类数；fi为各种作物类型面积百分率(％)；ETci是各种作物类型的实际需水量；ET0i为各种作物类型的参考作物需水量，可采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith模型计算；Kci是研究区主要作物的作物系数；Kθi为各种作物类型的土壤水分影响函数。作为优选，所述步骤2中所述的水资源短缺量只是从数值角度表征了研究区内缺水的既定事实，并不能满足在干旱分析中对于时空对比的要求，因此，需引入水资源短缺量修正系数K，反映不同时空背景下的水资源短缺差异：式中，k是K的一阶近似值；为月平均需水量；为月平均供水量。在此基础上可得到可进行时空对比的水资源短缺指数Z：Z＝K×D式中：D为水资源短缺量。所述的水资源短缺量仅是干旱发生的原因之一，但同时它还要受到水资源累积短缺量的影响，因此需进一步修正所述水资源短缺指数Z，使其可以表达干旱历时与干旱程度的关系。以月为时间尺度，从长序列水资源短缺指数中选取值为负的序列，绘制∑Z～t图。取(t，∑Z)点集外包线，假定这条外包线为极端干旱的临界值，可令其干旱评估指标DI＝-4，该直线则表示在各种长度的极干期内，Z值以所观察到的近似最大速率累积的累计值。将纵坐标从正常到极端四等分，还可以绘制3条直线，这些直线可依次表示严重干旱、中度干旱和轻度干旱。令其干旱评估指标分别为-3.0、-2.0和-1.0，由此得到第i个月干旱评估指标DIi为：式中：a和b为待定系数，根据∑Z～t图中极端干旱直线确定。作为优选，不同时期水资源短缺指数Z的代数和不能反映持续干旱与其中某一较湿润月的关系，因此应考虑将前期因子作为对干旱累积结果的间接因子，从而提高干旱指数评估精度。当i＝t＝1时，DI1＝Z1/(a+b)，令ΔDI1＝DI1-DI0＝Z1/(a+b)对于一次极端干旱，若之后的月均为正常，则这一次的极端干旱将终止。因此，为了维持某一干旱程度，即为了保持DI为恒定值，则指数Z必须以某一速率增加，这个速率取决于所要保持的DI值的大小。因此，引入系数c，即ΔDIi＝Zi/(a+b)+cDIi-1式中：ΔDIi＝DIi-DIi-1。上式可用来计算各旬对干旱程度的贡献，这些增量的总和即为干旱严重程度，即：DIi＝(1+c)DIi-1+Zi/(a+b)式中：a、b、c为系数。作为优选，所述的水资源短缺修正系数只考虑了平均供水量和平均需水量的关系，但在实际分析中水资源短缺修正系数还与水资源短缺量的绝对值成反比，为了保证干旱评估指标DI在不同空间内的可比性，仍需进一步修正k值。取评估单元内最干旱12个月，假定这12个月对于任何评估单元都表示极端干旱，即DI＝-4.0，即可得到该评估单元累积水资源短缺指数，再除以该评估单元12个最干旱月的水资源短缺总量，即可得到该评估单元12个月期间极端干旱平均修正系数：绘制得到K’的回归方程，此时K’为K的二级近似。如果此时的K’可以满足干旱指数在不同空间的可对比性，那么每个评估单元应该相等，但这种情况大部分时候并不能实现，若不相等，则需进一步修正，才能得到水资源短缺量的修正系数K：式中，α、β、γ为系数。作为优选，步骤3中所述的统计预测模型为灰色季节性指数自记忆模型，在建模之前，需先对数据进行平滑处理：式中，{xt}，t＝1～n，为原始气温序列，MA为滑动平均值，CMA为中心滑动平均值，Ra为季节性指数，T为时间序列的波动周期，取12(月)。将原始气温序列分别除以对应月份的季节性指数，得到一组新的时间序列，作为模型构建的输入数据。作为优选，所述的预处理之后的气温数据的一次累加序列呈现出近似的指数增加规律，且变化较为平稳，因此可应用GM(1，1)模型对其建模：设预处理之后的气温时间序列为：一次累加生成的新序列为：式中：GM(1，1)模型的白化方程为：将其写成：式中，参数α和μ可采用最小二乘法求得。作为优选，在所述的GM(1，1)模型的白化方程引入自记忆函数，应用内积运算、分部积分和中值定理等数学方法，可构建一种新的时间序列模型：式中，p为回溯阶数，代表预测值，代表初始值，代表回溯值，自记忆模型的参数a-p～a1可采用最小二乘法求得，将模型预测得到的数值进行还原，并乘以所述的对应月份的季节性指数，则得到预测的气温。作为优选，步骤4中所述的干旱预警指数(IAEW)可表示为：IAEW＝Z(Q取水，W水库，FW×S农业)式中，Q取水为流域可取水水量，W水库为地区水库可供水量，FW为主要农作物实际蒸散发量，S农业为主要作物面积。作为优选，所述的取水量在冰川融水补给区与上游来水和下游气温之间存在一定的函数关系：下游气温(T)与上游来水(Q来水)之间的关系：下游气温(T)与取水量(Q取水)之间的关系：式中，α1、α2、β1、β2、b、k、λ和T0为参数。由于根据所述的下游气温(T)与取水量(Q取水)之间的关系，可将IAEW进一步写成：IAEW＝Z(T，W水库，FW×S农业本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、建立数据库：获取一定时期内区域历史气象、水文资料，下垫面信息；步骤2、构建干旱评价模型：获取一定时期内所述研究区水资源供水量和需水量，构建水资源短缺量与干旱指数之间的函数关系，建立水资源干旱评估指标；步骤3、预测预见期气温变化：根据平均气温，建立统计预测模型，对预见期内气温进行预测；步骤4、判定预见期内旱情：根据上述一定时期内的气温、供水量、需水量，分别建立气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系；利用所述预见期内的气温，结合所述气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系，预测所述的预见期内的水资源短缺量；结合所述的干旱评价模型，预测所述的预见期内旱情。

【技术特征摘要】
1.一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、建立数据库：获取一定时期内区域历史气象、水文资料，下垫面信息；步骤2、构建干旱评价模型：获取一定时期内所述研究区水资源供水量和需水量，构建水资源短缺量与干旱指数之间的函数关系，建立水资源干旱评估指标；步骤3、预测预见期气温变化：根据平均气温，建立统计预测模型，对预见期内气温进行预测；步骤4、判定预见期内旱情：根据上述一定时期内的气温、供水量、需水量，分别建立气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系；利用所述预见期内的气温，结合所述气温与供水量、气温与用水量之间的函数关系，预测所述的预见期内的水资源短缺量；结合所述的干旱评价模型，预测所述的预见期内旱情。2.根据权利要求1所述的一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，所述步骤2中，构建水资源短缺量与干旱指数之间的函数关系，所述水资源短缺量需引入水资源短缺量修正系数K，使其满足在干旱分析中对于时空对比的要求，反映不同时空背景下的水资源短缺差异，所述水资源短缺量修正系数K：式中，k是K的一阶近似值；为月平均需水量；为月平均供水量；以此得到可进行时空对比的水资源短缺指数Z：Z＝K×D式中：D为水资源短缺量。3.根据权利要求2所述的一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，以月为时间尺度，从长序列水资源短缺指数中选取值为负的序列绘制图，对所述水资源短缺指数Z进一步修正，使其可以表达干旱历时与干旱程度的关系，由绘制图得到第i个月干旱评估指标DIi为：式中：a和b为待定系数，根据图中极端干旱直线确定。4.根据权利要求3所述的一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，将前期因子作为对干旱累积结果的间接因子提高干旱指数评估精度，当i＝t＝1时，DI1＝Z1/(a+b)，令ΔDI1＝DI1-DI0＝Z1/(a+b)对于一次极端干旱，若之后的月均为正常，则这一次的极端干旱将终止；指数Z须以某一速率增加，这个速率取决于所要保持的DI值的大小，因此引入系数c保持DI为恒定值，即ΔDIi＝Zi/(a+b)+cDIi-1式中：ΔDIi＝DIi-DIi-1通过上式计算各旬对干旱程度的贡献，增量的总和即为干旱严重程度，即：DIi＝(1+c)DIi-1+Zi/(a+b)式中：a、b、c为系数。5.根据权利要求4所述的一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，为了保证干旱评估指标DI在不同空间内的可比性，进一步修正k值，取评估单元内最干旱12个月，假定这12个月对于任何评估单元都表示极端干旱，即DI＝-4.0，即可得到该评估单元累积水资源短缺指数，再除以该评估单元12个最干旱月的水资源短缺总量，即可得到该评估单元12个月期间极端干旱平均修正系数：绘制得到K’的回归方程，此时K’为K的二级近似，如果此时的K’可以满足干旱指数在不同空间的可对比性，那么每个评估单元应该相等。6.根据权利要求5所述的一种冰川融水补给区干旱预警方法，其特征在于，若此时每个评估单元不相等，则进一步修正水资源短缺量的修正系数K：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志勇，袁喆，冯杰，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11