文摘

我们的研究分析极端干旱的区域变化,所代表的年度最大干旱长度(指出AMDSL)在雨季渭河盆地(方面)1960 - 2014年中国使用L-moments方法。意味着AMDSL值增加从西到东的方面,建议高干风险方面的东方与西方。调查区域的频率更合理,方面是集群分为四个同质条件通过K——方法和一些主观的调整。拟合优度试验表明,GEV PE3,和如果分布可以接受的“最佳”模型条件1和4,次区域2,分别和次区域3。AMDSL的分位点在不同回报水平意味着AMDSL找出类似的空间分布。我们还发现干风险在次区域2和次区域4可能在次区域高于1。ENSO事件和极端干旱事件之间的关系在雨季和交叉小波分析方法证明了ENSO事件扮演关键角色在引发极端干旱事件方面的雨季。

1。介绍

第五个政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告证实了一个明确的趋势可能发生更多的极端事件在全世界许多地区1]。全球变暖可能加剧水文循环,从而可能导致降水的变化量,频率、大小、强度(2,3]。因此,研究降水变化模式的评估是非常重要的水文和气象的后果,例如,干旱和洪水事件,与全球变暖有关。特别是,作为一个最昂贵的自然灾害通过agrosocioeconomic方面在世界的许多地区4- - - - - -6),预计干旱发生更加频繁,造成预测水文循环的变化(7,8]。与此同时,他们也应该在很大程度上影响到社会经济活动、水资源管理、农业政策,等等3]。

许多研究已经进行了干旱的研究,如干旱的定义和评价,包括时空结构和统计特性分析,3,4,9,10]干旱和多变量概率分布共同考虑多个变量(如持续时间、严重程度和大小)同时[11- - - - - -13]。了解干旱频率或幅度的预期变化通过日常降水不足(即持久。干旱,降水)吸引了越来越多的兴趣8,14- - - - - -17),被认为是有效和合理的设计和应用所必需的抗旱策略。干旱,这可能提供关于干旱的政权,相关的信息可以被定义为每天不间断期和降水数量小于某个阈值,之后和之前至少一天降水数量大于阈值(8,15,18]。值得注意的是,使用干旱干旱频率分析在许多先前的研究是单估计的基础上。然而,Modarres [19)强调学习的重要性干旱频率在区域范围内,组织类似的站在一起是同质区域,建议应该特别考虑区域干旱评价。到目前为止,该地区干旱频率分析吸引了兴趣(19- - - - - -22]。然而,这样的分析,利用干旱,特别是极端干旱反映极端干旱条件的变化,仍然需要进一步的关注和分析。

渭河盆地(方面),位于中间的黄河流域在中国,已经受到许多与长时间的严重干旱和高1960年代末以来的严重程度。经常发生干旱事件会导致水资源的困难来满足社会经济活动的要求,人类生活和生态系统方面。此外,关中平原的方面,这被认为是在这个领域一个非常重要的经济开发区,在社会和经济发展中扮演着重要角色的周边地区。然而,近年来,在关中地区的用水需求增加很大程度上由于经济和人口增长。目前,关中地区的当地水很难提供足够的水资源对区域经济和社会发展23]。因此,考虑水安全的重要性方面,增加知识和进一步调查关于干旱的空间分布和频率的变化具有十分重要的意义生成一个科学的水资源管理的策略。这项工作也可以帮助我们提高干旱的适应和减轻措施在这个盆地。

在当前的研究中,具体来说,年度最大干旱长度(指出AMDSL)是用来代表了极端干旱事件和极端干旱的区域频率分析方面。本研究的主要目标将整个方面划分为若干同质条件,适合区域频率分析;分析极端干旱的空间变化,估计该地区的潜在风险将更容易干旱时间延长;揭示了空间变化的分位数的AMDSL区域频率法通过L-moments法;研究厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)之间的关系和极端干旱事件方面使用的交叉小波分析方法。

下面给出本研究的内容。简要描述方面和使用数据的介绍部分2。部分3定义了干旱在雨季也介绍了L-moments方法和交叉小波分析方法。部分4给出了结果和一些讨论,包括ENSO事件和极端干旱的关系,其次是总结部分5。

2。研究区域与数据

渭河是黄河最大的支流。源于Niaoshu山倾心县,甘肃和流大约818公里在甘肃、宁夏、陕西两省在中国,最后流入黄河潼关(图1)[25]。渭河盆地位于103.5°E - 110.5°E和33.5°N - 37.5°N,排水面积公里²。从地形上,西部和西北部山区的海拔很高,在关中平原和南部的部分方面很低(23]。渭河有许多分支(图1),包括京河和Beiluo河。京河被认为是最大的支流渭河水系面积约45400公里²(整个方面约占34%)。Beiluo河的第二大支流渭河,覆盖排水面积约26900公里²(导致约20%的整个方面(25]。

方面位于气候过渡地区半干旱和半湿润气候的区域之间。降水、温度、蒸发和径流变化在时间和空间上显示一个明显。方面的长期的年平均降雨量是573毫米,从东南向西北逐渐减少由于季风气候26,27]。年降水量显示大的季节性变化,雨季降水数量(RS,五月-十月)占70 - 85%的年度总降水(见图2)。降水不足,尤其是在RS,将在很大程度上影响这一地区的水供应,影响社会经济活动、农业、水文政策,等等。因此,研究极端干旱的地区差异在RS在这一领域的重视和兴趣。

逐日降水数据从1960年到2014年28气象站,这是来自中国气象局(网上http://www.cma.gov.cn/),在这项研究中使用。使用站点的位置和详细信息如图1和表1。此外,尼诺3.4 1960 - 2014年期间索引数据用来分析ENSO事件和干旱发生之间的关系。这些数据被下载从NOAA地球系统研究实验室(网上http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/)。

3所示。方法

3.1。干旱的定义在雨季

在本研究中,从5月1日到10月31日被认为是雨季(RS),剩下的时间在一年内被认为是nonrainy季节(模拟)。连续干旱是指期和降水的每日摄入量不超过1毫米/天。与此同时,干旱长度(DSL)可以确定的时间。类似于描述识别DSL的吉拉尔多奥索里奥和加西亚Galiano28),我们提供6个例子如图3在RS说明DSL的识别。一旦干旱发生完全的RS,它将被拒绝(事件在图3)。否则,干旱可以接受;然而,DSL略在各种不同情况下的识别。事件B发生在RS, DSL将没有长度相关标识;也就是说,。事件或D,开始或终止干旱不是RS, dsl应该修订只考虑RS的天;也就是说,或- - - - - -。最后,对干旱事件或F,发生在天的模拟或RS的几年中,DSL_E(或DSL_F)可以确定- - - - - -- - - - - -(或- - - - - -- - - - - -)。

在我们的研究中,不同的地区的年度最大干旱长度在RS (AMDSL),也就是说,极端干旱的长度,将强调,调查。一年的AMDSL站可以被定义为所有干旱的最大长度。特别是,它应该澄清,AMDSLs得到基于DSL的识别RS在我们的研究中。

3.2。区域频率分析方法

3.2.1之上。L-Moments方法的简要介绍

在这项研究中,提出的L-moments方法,霍斯金表示:“29日)的基础上(PWM)概率加权方法,采用调查方面的区域频率分析。这种方法已被广泛应用于区域洪水分析,例如,Kumar和Chatterjee [30.];Saf [31日];诺托和拉凉廊32];杨et al。33]。这种方法的细节可以称为霍斯金表示:和沃利斯(34]。一般来说,有几个步骤使用L-moments承担区域频率分析方法,如(34]确定齐次亚区和站在所有条件的评估不一致;定义和评估条件的异质性;选择一个合适的(或最佳)统计概率分布的区域频率模型的拟合优度检验;和估算分位数和分析变量的空间变化感兴趣。上述步骤的进一步介绍了即将到来的部分。

3.2.2。识别相似的区域

同质或类似地区的界定和决心,这是集团站导致基于特定的相似性措施的同质性和同质性标准,被广泛认为是最艰巨的任务,需要一些主观的假设(35]。在这项研究中,用聚类分析方法K——方法用于将所有车站划分为若干组分开。这个过程在MATLAB软件中直接执行。此外,初步的同质区域集群K——方法在这项研究中,仍有一些站在研究区域不整合;因此,一些主观的调整应该承担改善区域物理一致性和减少冲突地区的帮助下不整合测试(36]。这些主观的调整,包括移动站从一个分区转移到另一个或几个站,细分一个相对大的地区分为两个或两个以上的小区域,合并两个或多个小区域大的地区,分类目标地区通过重新分配其站到其他地区,和排除站或考虑数据集的一些站点,还将采取[34]。

此外,控制部门的适用性的条件也是很有必要,生成同质区域。一个有用的测量是不一致(D),计算样本L-moment比率不同的车站。不一致的测量可以用来确定提前站在一个分裂的地区是否明显不和谐的与整个组。正式的描述不一致的测量可以称为霍斯金表示:和沃利斯(34]。一般来说,如果足够大,站将被视为不和谐的。“大”的描述依赖于使用的总数。

3.2.3。测试的均匀区域

评估的一个重要的事情的区域频率分析的可靠性程度的同质性的定义(37]。霍斯金表示:和沃利斯(34推荐一个检验统计量作为异质性措施L-moments理论的基础上,比较了地区分散L-moment比率的平均色散L-moment比率计算模拟,评估是否所有的站在一个地区可能被视为属于同质区域。异质性度量(H)计算 在哪里和代表的平均值和标准偏差模拟值的分散体;代表了从观测区域分散计算。进一步介绍异构计算的测量也可以发现在霍斯金表示:和沃利斯(34]。

一般来说,一个地区可以治疗时要“均匀”尚可,“可能异构”时无疑,“异构”的时候。

3.2.4。选择最佳的区域频率分布

选择一个合适的分布也被认为是一个重要的步骤在区域频率分析的过程。霍斯金表示:和沃利斯(34)构造措施来指导选择最优的地域分布。

适合候选人的统计概率分布可以被视为真正的潜在的频率分布很小,足够接近0,霍斯金表示:和沃利斯(34]表明,分布合理接受的时候。此外,如果一个以上的统计概率分布满足测量在最佳区域分布的测定,最小的可以选为最优分布。在我们的研究中,我们也使用价值决定适当的区域分布。

3.2.5。分位数的估计

在这个研究中,统计概率分布(即五个候选人。,GLO: generalized logistic distribution, GPD: generalized Pareto distribution, GEV: generalized extreme value distribution, PE3: Pearson type III distribution, and GNO: generalized normal distribution) are used. For the cumulative probability density functions, the estimation of the parameters using the L-moments method is given in Hosking and Wallis [34]。六个不同的回报水平,2、5、10、25、50、100年,在这里使用。下的分位数不同的回报水平可以估计最优区域分布的基础上,揭示了极端干旱的变化。详细的评估过程,感兴趣的读者也被称为霍斯金表示:和沃利斯(34]。

3.3。交叉小波分析方法

小波变换已经成为一个有用的工具,调查当地时间序列的变化(24),一直在探索用于水文和气候时间序列分析(38,39]。在这项研究中,为了便于理解ENSO的变化如何影响干旱的变化方面,我们研究ENSO系列和AMDSL系列之间的关系通过交叉小波分析方法(38,40]。下面给出交叉小波方法的细节。

两个时间序列和B,我们可以定义交叉小波频谱(24] 在哪里和表示小波变换和的共轭复数吗。此外,我们可以定义交叉小波能量。

交叉小波的理论概率分布的背景光谱的力量和时间序列可以作为24,39] 在哪里信心水平相关的概率的概率密度函数的乘积的平方根定义的两个分布。

4所示。结果和讨论

4.1。学习的重要性在RS极端干旱

为了解释研究的重要性和意义在RS干旱,我们首先评估比例最长的干旱(像)每年发生在RS(指出%),可以计算的总数年参展的摩门教的RS除以总数量的年。例如,如果一个站包含50年的时间,像发生在RS的10年期间,摩门教的比例在RS可以确定= 10/50或20%。此外,摩门教的比例每年发生的模拟可以相应地确定为()×100%。比例的摩门教的RS的结果,总结在图模拟的4。可以看出,大部分电台,像在模拟期间会发生。最大比例的摩门教在RS是只有33%的人观察到同心。然而,由于在模拟降水总额(约占年降水量总额的15%)相比非常小,在RS(约占年降水量总额的85%)在我们的研究区域(见图2),长期的干旱时期的发生与日常在模拟降水低于某一阈值时将产生较小影响的干旱期间,也发生过类似的严重性。特别是因为大多数的雨养农业面积在该地区,降水变化在RS农业尤为重要。另一方面,自从RS在中国也是作物生长季节,持久性降水不足这一时期农业产量将产生不利影响,水资源、生态系统与人类系统。因此,我们应该更多的关注在RS摩门教。像的特征的定义,也就是说,AMDSL,可以称为部分3.1。

4.2。识别方面的均质区域

六种属性,包括纬度,经度,海拔,总降水RS期间,平均AMDSL(见表1选择),以确定可能的同质条件通过K——方法在层次聚类方法。图5地图的划分站分成几组连同他们的边界。介绍了在节3.2,将执行若干主观调整,确保集群更合适。最后,整个研究可分为4个亚区(见图5)。次区域1主要属于上游源头方面与高海拔区2几乎是位于北部的年降水量总额一个小的方面,这也是京河流域的上游源头和Beiluo流域(见图1)、次区域3主要分布在中间的方面,和次区域4位于下游的方面与低海拔和年降水量总额还高。值得一提的是,不同的方法把方面分成四次盆地(见图1)根据地形特征和水文和气候条件由水利部、中国,我们确定次区域的基础上主要干旱的相关属性;因此,上述方面的划分可能更适合AMDSL的区域频率的性能研究。此外,同质性的测试的四个条件将在部分4.4。

4.3。AMDSL的空间变化

每年在每个车站的AMDSL计算均值和AMDSL (MAMDSL)在1960 - 2014年。然后,各电台MAMDSL填充到整个地区利用ArcGIS软件(图6)。MAMDSL表明MAMDSL空间变化的增加从西到东方面,相似的空间结构长期在这个地区年平均降雨量。具体来说,最大的电台MAMDSL主要位于北部的次区域2,而车站MAMDSL最小值主要发现在西方的次区域1。这种特殊的空间分布表明,东部地区可能更可能接受比西部长期干旱时期;因此干旱风险在西部高于东部的方面。

此外,我们还存在的主要统计特征AMDSL系列在每个子区域在图的箱线图7和表2为了详细说明AMDSL在所有条件的差异。它可以观察到次区域1小礼物意味着AMDSL(15.65天),也更少的可变性(标准差为5.25),表明一个小概率的长期干旱发生在这个区域(见图7和表2)。平均值和标准偏差的AMDSL次区域2普遍比其他三个亚区,表明该地区长期干旱发生概率高。次区域2中的最大AMDSL达到65天(表2),这意味着期和降水数量低于1毫米/天维持站两个多月。这些AMDSL的统计特征,反映在图中的箱线图7和表2与结果相一致的视觉观察图6。

4.4。AMDSL系列的区域频率分析

在这项研究中,所有站的不一致的四个方面的条件是首先检查根据不和测量引入。表3介绍了值区1(5站),次区域2(5站),次区域3(6台),次区域4(6台)。根据霍斯金表示:和沃利斯(41),霍斯金表示:和沃利斯(34)的关键值不一致的措施应确定为1.333(站的数量= 5)和1.648(站的数量= 6)条件的研究。表3显示的值不一致的措施都习惯站在每个区都低于相应的关键值,说明合理的接受所有这些电台是不和谐的,和分工的条件在我们的研究中进一步的区域频率分析是合适的。

此外,的四个条件的异同方面与同质性检验措施,也就是说,H,结果在表4。的值的条件都是小于1;因此这些领域可以被接受为同质。

识别后的同质性的获得条件,我们可以选择最优区域分布值以下部分描述的过程3.2。4。的这四个条件是给定的表值5。我们可以发现两个或多个候选发行版()可能符合AMDSL系列很好但最优分布,将最终使用,是一个值接近零。为次区域,大多数发行版的值表明这些分布可以被视为适当的区域分布加仑日除外。然而,GEV被确定为最优的一个,因为它有最小值。因此,结果表明,它是非常重要的选择过程进行全面的分布而不是只有主观符合一个分布AMDSL系列,以减少不确定性源于“最佳”分布的选择考虑AMDSL系列。此外,类似的过程后的决心次区域的“最佳”分布,如果PE3和GEV可以接受作为次区域的最优区域模型,次区域和次区域,分别。

与此同时,L-moment比率图,地图样本和理论L-moments比率,即L-skewness L-kurtosis,一起在一个图(42),也用来检查的性能最优分布选择(图8)。它已经被证明是一种有效的工具来区分候选人的统计分布区域数据的描述(29日,34),被频繁应用于最优统计概率分布函数的选择过程(21,22,42]。在图8圆圈点和坚实的黑色点代表每个车站的L-moments比率和平均区域L-skewness L-kurtosis,分别。图8(一个)表明GEV和GNO AMDSL系列比其他发行版对于大多数站在次区域,但普通区域价值意味着GEV次区域的最佳区域分布。这样的结果是一致的表5。此外,数据8 (b)- - - - - -8 (d)也显示类似的一致性与表中给出的结论5最优分布选择在次区域对次区域。

确定后的“最佳”每一个亚区,区域统计概率分布计算的分位数下AMDSL六返回时间(2、5、10、25、50和100年)。L-moments方法用来估计的参数区域分布。方面的分位点的空间变化在不同时期呈现在图返回9。可以观察到类似的空间分布不同返回时间;也就是说,AMDSL分位数的增加从西到东的地区。这种变化AMDSL跨空间图9也类似于MAMDSL显示在图吗6。它也表明,在四个亚区,干旱风险在次区域2和次区域4可能高于次区域1提供的分位数这两个条件是大。

4.5。ENSO事件和干旱事件之间的关系

ENSO事件是一个非常重要的因素影响全球气候和天气(43- - - - - -45)与干燥并展示了很强的关联事件在世界许多区域46]。因此,分析ENSO事件和极端干旱之间的关系是重要的在一个特定地区抗旱。在我们的研究中,交叉小波分析是用来研究之间的关系ENSO事件和AMDSL可变性Huajianlin的电台,Huanxian, Changwu,和Huaxian位于亚区,次区域,次区域和次区域分别(图10)。ENSO事件显示统计上的积极关系在次区域AMDSL可变性2-3-year信号在1969 - 1973年,4-6-year信号在1975 - 1985和1990 - 2000年,和一个12-15-year信号在1980 - 2005年在5%的显著性水平(图10 ())。这样的统计上明显的正相关性直接证明ENSO事件扮演关键角色在RS期间引发AMDSL方面。数据10 (b)- - - - - -10 (d)图显示了类似的结果10 ()通常表明ENSO事件有很强的影响导致极端干旱RS期间方面。

5。摘要和结论

理解变化的模式干旱从每天持续降水不足的角度干旱控制具有重要意义和抵制,农业活动,水资源管理,等等。在我们的研究中,干旱在雨季(RS)方面研究使用干旱的概念,指日常的连续降水数量小于1毫米/天。极端干旱的地区差异,在RS AMDSL所代表的,是进一步分析的基础上,L-moments方法。下面列出了主要的结论。(1)的属性的考虑地形、降水、干旱和空间模式,整个研究区可以聚集成四个亚区。不一致的测量表明,没有站在这种分类似乎是不和谐的。此外,同质性措施表明,所有的条件都接受同质,因此适合区域频率分析。(2)拟合优度试验表明,GEV的“最佳”分布条件和,而PE3和如果分布可以被视为最优分布的条件和,分别。另一方面,结果也证明的重要性,考虑到足够数量的候选人分布而不是一个单一的分配减少造成的不确定性所选择的最优分布。(3)MAMDSL表明MAMDSL空间变化的增加从西到东的方面。此外,可以观察到类似的空间分布在不同恢复时期;即AMDSL值增加从西到东的方面。它也表明,在四个亚区,干旱风险在次区域和次区域可能高于次区域只要在这两个条件分位数大。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究同时支持由中国国家自然科学基金(41501030和41501030号)。