一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法技术

本发明专利技术公布了一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法，包括以下步骤：计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和标准化径流指数(SRI)，确定气象干旱向水文干旱的传播时间；识别气象干旱和水文干旱事件，并匹配水文和气象干旱事件；计算降水短缺序列，提取水文干旱历时、烈度；选取适当的边缘分布函数分别拟合降水短缺序列和水文干旱历时、烈度，并估计其参数；采用Copula函数分别构建降水短缺序列和水文干旱历时、烈度的二维联合概率分布函数，并估计函数参数；利用条件概率分布表达式计算得到水文干旱历时和烈度的缺水阈值。本发明专利技术提出了一种水文干旱预警方法，以实现更精确和易监测的水文干旱预警，可为主动抗旱提前预警提供重要的科学依据。科学依据。科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法

：
[0001]本专利技术涉及干旱管理与应对的
，属于水文干旱研究
，特指一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法。

技术介绍
：
[0002]由长期降水亏缺引发的气象干旱可能通过水循环过程进一步导致径流、湖泊和水库不足，从而可能诱发水文干旱。水文干旱一旦发生，将对居民生活用水、农业灌溉用水和生态环境用水等方面产生直接影响，严重的水文干旱将会造成巨大的经济损失。因此，开展水文干旱预警研究可以有效的提高旱灾防范能力，减少旱灾损失。
[0003]水文干旱通常由气象干旱引发，两者关系密切，这为通过气象干旱预警水文干旱提供可能。目前，常用的水文干旱预警方法是通过建立气象干旱和水文干旱特征值之间的响应模型。但相关的研究在水文干旱预警中存在一定的局限性，一方面，缺少对水文干旱事件归因的探索，将人类扰动主导的水文干旱事件纳入分析中，导致干旱事件样本存在过度匹配现象，影响阈值指标的准确性；另一方面，以气象干旱历时和烈度作为水文干旱的预警指标阈值不易监测，实际应用不便。通过以上分析，本专利技术拟提出细化气象干旱向水文干旱的传播过程，以实际降水短缺为指标的水文干旱阈值计算方法。本专利技术丰富和发展了现有的干旱预警方法，对有关部门提前部署，主动抗旱，减轻旱灾带来的社会经济损失具有重要的现实意义。
[0004]1、现有技术一的技术方案：以湿润版湿润地区为例，探讨了气象干旱传递至水文干旱的预测预警方法。该方法利用SPI和标准化径流指数(SSI)，得到气象干旱和水文干旱特征，利用线性或非线性拟合构建水文干旱对气象干旱的响应模型，利用拟合模型求得触发水文干旱的气象干旱历时和烈度特征。
[0005]现有技术一的缺点：该方案提出的方法采用了气象干旱历时和烈度特征作为水文干旱的阈值指标，但干旱历时和烈度并非观测值，在作为阈值时需要经过多次计算得到，在实际监测中难以获取，会导致监测不便。
[0006]2、现有技术二的技术方案，该方案探讨了使用干旱期降水量与多年平均降水量之间的差来定义降水短缺值。利用干旱传播时间t，从水文干旱起始月向前推移t个月，得到降水短缺值，再与水文干旱事件数量相匹配的降水短缺序列，然后利用copula函数和条件概率构建联合分布联合，获得水文干旱的缺水量阈值。
[0007]现有技术二的缺点：该方法以降水短缺值为阈值指标，虽然较技术一采用干旱特征作为阈值更加有利于监测和预警。但该方法以水文干旱起始月向前推移t个月确定降水短缺值，实际上干旱传播受到流域调节、人类活动、气候变量等众多因素的影响，使得气象干旱向水文干旱传播的方式复杂，并非是一一对应的，该方法会导致水文干旱事件过度匹配；同时，该方法将降水短缺描述为干旱期降水量与多年平均降水量之间的差，而忽略了干旱期蒸散发量的影响，会导致降水短缺阈值被严重低估，可能出现频发预警。因此，该方案在水文干旱分级预警实际应用中存在一定的局限性。

技术实现思路
：
[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法，能有效弥补现有技术指标用于监测预警不便、预测精度不高等问题。
[0009]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：该基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法包括以下步骤：S1：计算SPEI和SRI指数，确定气象干旱向水文干旱的传播时间；S2：识别气象干旱和水文干旱事件，并匹配水文和气象干旱事件；S3：计算降水短缺序列，提取水文干旱历时、烈度；S4：根据S3中的水文干旱历时、烈度和降水短缺序列数据，选取适当的边缘分布函数，并估计其参数；S5：采用Copula函数分别构建降水短缺序列和水文干旱历时、烈度的二维联合概率分布函数，并估计函数参数；S6：利用条件概率分布表达式计算得到水文干旱历时和烈度的缺水阈值。
[0010]作为优选，S1具体如下：通过获取的逐月气象数据，利用考虑物理过程的Penman
‑
Monteith公式计算潜在蒸散发量。计算降水量与蒸散发量之差，得到水分盈缺序列，并对序列进行正态标准化处理，最后求得SPEI值；通过获得的逐月径流量数据计算SRI指数。同理，使用Gamma分布拟合径流量数据，然后对概率序列采取与SPEI一致的标准正态化转换，得到SRI序列。
[0011]作为优选，S1具体如下：计算1个月时间尺度的SRI(SRI
‑
1)和多时间尺度的SPEI(SPEI
‑
i)，确定气象干旱向水文干旱的传播时间。
[0012]t＝τ(max(P1,P2,
……
,Pi))
[0013]式中，t为气象干旱向水文干旱传播的时间；Pi为i个月时间尺度SPEI和SRI
‑
1的Pearson相关性系数；τ为计算符号，即获得Pi对应的时间尺度i。
[0014]作为优选S2具体如下：利用游程理论识别气象干旱和水文干旱事件，利用干旱传播时间t匹配气象干旱和水文干旱事件，确定水文干旱的缺水响应时长。
[0015]当气象干旱与水文干旱一一匹配时：
[0016]T＝Me
‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]式中，Me为气象干旱结束时的月份，Ms为气象干旱开始的月份。
[0018]当一次气象干旱引发两场相邻的水文干旱时：
[0019]T1＝He1
‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]T2＝Hs2
‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]式中，T1为第一次水文干旱对应的缺水响应时长，T2为第二次水文干旱对应的缺水响应时长，He1为第一次水文干旱结束时的月份，Hs2为第二次水文干旱开始时的月份。
[0022]当多次气象干旱引发水文干旱时：
[0023]T＝Men
‑
Ms1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]式中，Men为最后一次气象干旱事件结束时的月份，Ms1为第一次气象干旱开始时的月份。
[0025]作为优选S3具体如下：利用游程理论提取水文干旱历时和烈度特征，确定了每一个水文干旱的缺水响应时长，然后计算每一个水文干旱事件对应的缺水响应时长内降水短缺量，得到降水短缺序列。
[0026][0027]式中CPD为降水短缺量，T为缺水响应时长，P为降水量，PET为蒸散量。
[0028]作为优选S4具体如下：Gamma(Gam)分布、Weibull(Wbl)分布、lognormal(Logn)分布、Generalized extreme value(Gev)分布分别对水文干旱历时、烈度和降水短缺序列进行拟合，使用Kolmogorov
‑
Smirnov(KS)检验方法，评估最佳边缘分布函数，并利用最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于缺水阈值的水文干旱分级预警方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和标准化径流指数(SRI)，确定气象干旱向水文干旱的传播时间；S2：识别气象干旱和水文干旱事件，并匹配水文和气象干旱事件；S3：计算降水短缺序列，提取水文干旱历时、烈度；S4：根据S3中的水文干旱历时、烈度和降水短缺序列数据，选取适当的边缘分布函数，并估计其参数；S5：采用Copula函数分别构建降水短缺序列和水文干旱历时、烈度的二维联合概率分布函数，并估计函数参数；S6：利用条件概率分布表达式计算得到水文干旱历时和烈度的缺水阈值。2.根据权利要求1所述的基于缺水阈值的水文干旱分级预警计算方法，其特征在于：S1通过获取的逐月气象、径流量数据计算SPEI和SRI指数，计算1个月时间尺度的SRI(SRI
‑
1)和多时间尺度的SPEI(SPEI
‑
i)，确定气象干旱向水文干旱的传播时间：t＝τ(max(P1,P2,
……
,Pi))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，t为气象干旱向水文干旱传播的时间；Pi为i个月时间尺度SPEI和SRI
‑
1的Pearson相关性系数；τ为计算符号，即获得Pi对应的时间尺度i。3.根据权利要求1所述的基于缺水阈值的水文干旱分级预警计算方法，其特征在于：S2利用游程理论识别气象和水文干旱事件，利用干旱传播时间t匹配气象干旱和水文干旱事件，确定水文干旱缺水响应时长；具体步骤如下：当气象干旱与水文干旱一一匹配时：T＝Me
‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，Me为气象干旱结束时的月份，Ms为气象干旱开始的月份；当一次气象干旱引发两场相邻的水文干旱时：T1＝He1‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)T2＝Hs2‑
Ms
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，T1为第一次水文干旱对应的缺水响应时长，T2为第二次水文干旱对应的缺水响应时长，He1为第一次水文干旱结束时的月份，Hs2为第二次水文干旱开始时的月...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩会明，周王莹，雷声，王农，简鸿福，孙军红，刘业伟，严如玉，冷美玲，
申请(专利权)人：江西省水利科学院，
类型：发明
国别省市：