大规模联系社会经济干旱与气候变化及其演化特征在中国西北

文摘

社会经济干旱是世界上最常见的自然灾害之一,与人类生活密切相关。社会经济干旱的主要原因是水供给和需求之间的矛盾;因此,当地水库发挥重要作用在改善供水和应对极端气候,它是合理的估计社会经济干旱基于水库操作。多元标准的可靠性和韧性指数(MSRRI)是用来评估社会经济干旱,考虑油藏管理和存储水资源的特点。因此,MSRRI,本研究以黑河流域在中国西北部,是由两个水库的上游和下游地区,作为一个案例研究来揭示社会经济干旱盆地的演化特征和气候变化的外部影响。结果表明,(1)up-midstream地区干旱强度强于下游地区;在下游地区的滞后,up-midstream地区干旱的发生可以被视为一个下游地区早期预警实施预防措施;(2)一个增加的趋势在社会经济干旱盆地存在月度和年度尺度,这表明增加的可能性应该有效地解决干旱;(3)交叉小波分析表明,大规模的气候指标有助于社会经济干旱的变化在整个盆地,表明气候变化可能为管理者提供参考,处理社会经济干旱HRB。

1。介绍

作为一个人类生活最密切相关的自然灾害,干旱发生在几乎所有领域的世界,导致平均6∼80亿美元全球每年损失(1,2]。干旱的地方大要求水资源在城市和农村地区和社会发展的一个巨大的负担。因此,干旱事件的识别和及时的确定干旱强度可以提供援助程序减少干旱的影响(3]。

干旱的世界著名分类四类:气象、水文、农业和社会经济(4,5]。在这些类别中,前三种类型被认为是物理现象。然而,干旱造成的社会和经济发展总是指的是当地水供应不足(3]。由于增加水经济和社会发展的要求,社会经济干旱发生时,通常水资源短缺影响生产和消费活动,导致经济、社会和环境损失(6,7]。它可以得出的结论是,社会经济干旱是人类生活最密切相关的,但它至少已经收到关注8- - - - - -10]。工业和城市化的扩张,近年来,水消费的快速增长已经很难完全满足有限的水资源;因此,社会经济干旱已经逐渐被证明是一个严重的问题需要关注在世界的许多地区(11]。

一般来说,一个地区的水供应通常需要从河流提款。从一个角度看,它可以明白水摄入量和需求之间的相关性决定了社会经济干旱的可能性(3]。值得注意的是,水库是重要的项目管理区域水资源的供应和分配。水库的存储和放电可能主宰下游水资源的分布,来表示一个水库和弹性是一个系统,有能力应对洪水和干旱等极端事件。因此,水库系统被认为是一个可能性评估社会经济干旱(12]。

衡量社会经济干旱,各种指标已经开发出来,如可靠性、韧性、脆弱,和综合指数(13- - - - - -17];然而,这些指标考虑本地基于油藏储层弹性存储和需求(8,10]。在这项研究中,受迈赫兰et al。12),介绍了非参数多变量统计框架来评估社会经济干旱为特征的社会经济干旱。这种方法解决了问题,社会经济干旱是难以量化10]。由两个指标综合的方法,一个流入和水需求的可靠性指数(IDR)和存储弹性指标(WSR),在两个指标也是水库系统的主要特征,以应对气候变化。然后,这两个指标纳入拟议的框架,形成一个新的综合指数(即。,multivariate standardized reliability and resilience index, MSRRI) for characterizing socioeconomic droughts.

这种方法提供了一种创新的方式评估社会经济干旱,许多学者利用它进行相关研究,甚至做了改进。在迈赫兰et al。12纸,指标是用来评估社会经济干旱期间澳大利亚干旱年(1998 - 2010)和2011 - 2014年的加州干旱。结果表明,MSRRI优于单变量指标,因为它捕获早发性和持久性的水压力。施等。9)设置两个边界条件和水短缺和干旱持续时间和提出了社会经济干旱指数基于原始MSRRI(基准)。考虑到不同的油藏经营管理模式,郭et al。10)提高了MSRRI水库的影响下操作规则。赵et al。18]这个索引应用于大同流域干旱,并与历史事件。这些研究表明MSRRI具有良好性能的评价社会经济干旱。然而,大多数这些研究集中在一个水库,其中一些涉及两个或两个以上的水库流域尽管强大的相关性。在这项研究中,认为存在空间差异在干旱条件下相同的分水岭。根据不同的水库控制流域,每个水库只能代表了干旱情况在自己的控制范围。

中国拥有丰富的河流,和内陆流域占据三分之一的面积(8]。值得一提的是,黑河流域(HRB),这是中国第二大内陆流域,深受频繁水压力和广泛的沙漠化由于气候变化和人类活动的共同影响19- - - - - -21]。两个水库(Huangzangsi水库和Zhengyixia水库)和7水电站梯级水电站系统HRB监督大量的水和能源资源。因此,HRB干旱地区长期以来一直是关键领域由于其重要的角色在中国西北8,22,23]。整个盆地可以划分为两个区域由两个水库,up-midstream和下游地区。大部分的人口和产业集中在up-midstream,主要是下游地区草地和林地。因为水流入下游主要来自上部和中部地区,干旱的发生在下游up-midstream密切相关。先前的研究也集中在干旱情况下HRB,但很少有人注意到这两个地区之间的相关性。

全球气候变化已经被证明是一个主要的元素与干旱(强烈的远距离联系24- - - - - -26]。先进的理解之间的空间和时间连词大规模气候指数和干旱指数的变化可以提高水资源的科学管理系统(27]。厄尔尼诺南方涛动(ENSO),这是一个定期的海洋和大气现象,已被证明有强烈的对全球气候的影响(28- - - - - -32]。许多研究证实的干旱和洪水事件和极端ENSO事件之间的联系现有的在世界的许多地方32,33]。除了ENSO,各种其他研究应用相关分析来评估大规模气候指标的现象在不同的干旱指标,如太平洋/北美(机构),北大西洋涛动(NAO),北极涛动(AO)、太平洋年代际振荡(PDO)和东亚夏季季风(EASM)等。27,34- - - - - -39]。此外,利用spectral-based交叉小波变换技术等方法可以提高潜在的两个时间序列之间的关联(40]。交叉小波变换技术将数据分解成时间和频率检测和空间占主导地位的变化和相关的变异,这是强劲的非平稳信号(27,41]。考虑远程并置对比指标与干旱相关的研究在中国,因此,四个大规模的气候信号的影响(ENSO /机构/ NAO / EASM)在社会经济干旱研究在目前的研究和交叉小波变换方法。

因此,本研究以黑河流域(HRB)在中国西北部,由两大水库、控制为例进行研究。本研究的目的如下:(1)利用MSRRI多元干旱指数来描述社会经济干旱两大水库HRB up-midstream和下游地区,分别和探索两者之间的关系和分化的干旱事件到达;(2)分析变化的特点,在社会经济干旱HRB的趋势和周期性;和(3)之间的远程并置对比揭示异常大气环流模式(ENSO /机构/ NAO / EASM)和社会经济干旱HRB。

2。研究区域与数据

位于欧亚大陆的中心部分,黑河流域(HRB)是第二个最大的内河流域在中国西北。HRB的范围从96°E∼102°E 37.5°N∼42.4°N,总长度928公里,流域面积128700公里²。受人类活动和气候变化的影响,水资源的分布在HRB非常不均匀,与人口和人类活动主要集中在up-midstream区域。与典型的干旱特征,整个地区的HRB平均年降水量约400毫米,年均潜在蒸发约1600毫米42]。干旱已成为社会发展的限制和生态环境恶化的主要原因。

解决长期干旱盆地和生态问题,两个水库,Huangzangsi水库和Zhengyixia水库,是构建在HRB(图1)。位于Huangzangsi水库上游地区是一个年内主导的水库米³总存储和米³调节存储,以及6020千瓦保证输出功率49000千瓦装机容量。Zhengyixia水库主要下游水库,水库总容量米³的主要任务,分配水要求下游生态系统。随着这些水库调节大量的水和能源资源,他们将发挥主导作用的水资源调度和管理HRB当水库在2020年完成。由于水库尚未完成,只有测量数据的流入进程可以访问,和模拟的流出过程从1958年7月到2014年6月43本研究采用。模拟流出过程验证结果满足设计要求的水库。细节可以称为(43]。

此外,每月3.4尼诺指数的时间序列覆盖1958∼2014年采用描述ENSO事件在这项研究中,数据是来自NOAA地球系统研究实验室(http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nina34.data)。每月的机构/ NAO EASM NCEP气候预测中心时间序列可用在web页面(http://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/ao.php)。干旱记录的历史数据可以由中国气象数据访问服务中心(http://data.cma.cn/)。

3所示。材料和方法

3.1。多元标准的可靠性和韧性指数社会经济干旱

MSRRI多元干旱指数,如前所述,由两个个体指标,inflow-demand可靠性(IDR)和水储存的弹性(WSR) [15]。通常,根据水库的调节性能,水库可以分为两种类型:年内和同期水库44]。年内水库对季节性更敏感,而同期水库长期水不足,更敏感。、干旱。这种分类表明,水库运行时间有影响。有这个想法,一个框架开发水库系统的定义是6个月或12个月年内或同期水库,分别。

然后,两个指标框架下定义:IDR指数和WSR指数。代表可用的流入,印尼盾表示如果有足够的可用水资源以满足人类生活用水需求,无论水库存储。因此,印尼盾派生通过计算百分比之和流入对水需求的变化在预定的时间内: 在哪里和代表每月流入水库的水和总估计需求,分别 。

基于流入WSR计算,存储,和水需求每月的时间尺度。相应地,它是由水库存储能否履行时间框架内的水需求(米): 在哪里在月水库存储吗t和和代表每月的月度流入水的需求。然后,表示最小的水库存储。

为方便比较,两个指标的标准化与标准正态分布进行(12]。边际概率计算了 在哪里我代表了非零指数排名从小型到大型,n是样本容量。

然后,转化为标准化指数如下。使用相同的方法来获取IDR指数和WSR指数 。

因此,在多元框架中集成索引生成基于Gringorten策划的位置(45- - - - - -47]: 在哪里联合经验概率月吗t,我代表了对出现的次数( , )为和 ,和N样本的大小。

MSRRI是制定的标准化的联合分布函数IDR指数和WSR指数(46]:

MSRRI是一种集成指数依赖基本面指数可以用来估计社会经济干旱通过测量水供应和存储数量与需求有关。类似于其他干旱指数,这个指数基于积极的和消极的值来确定是否发生干旱。

干旱事件的发生和干旱的严重程度需要通过建立评判标准。除了积极的和消极的索引值,然而,由于弹性水库的蓄水能力,一些负面的价值观有什么影响系统的运行过程。在这项研究中,−0.8表明,联合分布的累积概率的印尼盾和WSR系列是采用0.2和阈值条件干旱发生在多元干旱分析(10,46,48,49]。

同时,干旱的持续时间也是一个重要的特性来判断干旱。根据干旱的持续时间,还建立了(表四个等级1)。

此外,干旱干旱强度也是一个重要的特点。干旱的定义强度( )基于总干旱指数的百分比值( )个月的干旱持续时间( )(8,10,如以下公式所示:

因此,对于每个发现社会经济干旱事件,干旱程度(SDL)定义指标的值和持续时间的成绩 :

3.2。测试修改Mann-Kendall(是MMK)趋势

分析趋势的特点,修改后的Mann-Kendall(是MMK)测试采用社会经济干旱指数系列的研究趋势。通常,Mann-Kendall(可)方法是应用最广泛的非参数时间序列趋势分析方法(50]。然而,可结果容易受时间序列的一致性的影响。后来,是MMK趋势检验方法,哪个更健壮的检测水文气象序列的趋势,提出了(51]。因此,本研究采用的是MMK趋势检验方法检测社会经济干旱指数系列的倾向。

3.3。移动窗相关分析(MWCA)周期性组件识别

周期性成分分析具有十分重要的意义理解各种水文过程和预测未来水文流域或地区的政权。提出的移动窗相关分析(MWCA)谢et al。52)采用一种新的方式来测试期水文系列的重要性。MWCA结构周期的周期性过程通过相关性分析过程和原始系列。分析水文系列的时频特性,时频中心(交通)也提出调查当地时间和频率域的时间序列。已经证明MWCA表现出良好的性能在识别真正的时期,提取可靠的周期成分,检测各种周期性组件的有效时间范围。因此,MWCA选择进行的定期分析社会经济干旱系列HRB。具体程序可以称为谢et al。52详情)。

3.4。交叉小波分析对气候变化的影响

小波分析已广泛应用于水文、气象、和其他学科近年来由于其良好的时频局部化特性和多分辨率分析性能。然而,小波分析只能探索一个时间序列的时频特征,并很难分析多个时间元素之间的交互和时频相关。交叉小波变换是一种新的multisignal多尺度分析技术发展的基础上,传统的小波分析。这种技术不仅可以有效地分析两个相关的时间序列之间的关联度,但也反映了相结构和详细的时域和频域的特征(53,54]。

假设背景两个时间序列的功率谱X和Y傅里叶红色噪声谱吗和 ,交叉小波的理论功率谱分布可以表示为(54] 在哪里和是时间序列的标准差X和Y分别;置信水平与概率有关吗p;和是自由度。

两个水文时间序列X和Y的95%置信上限红噪声的功率谱是获得第一。当方程(9)超过限制的信心,认为已经通过了测试结果的标准光谱红噪声条件下的显著性水平 ,存在显著相关。相关的代码可以从网站免费下载http://www.pol.ac.uk/home/research/waveletcoherence/。

不规则的干旱事件在时间和空间分布和严重程度。一些气象因素,如ENSO,机构,NAO)和EASM与干旱的变化有关。因此,本研究探讨MSRRI之间的相关性和ENSO /机构/ NAO / EASM揭示气候指数的影响在社会经济干旱HRB盆地,这将有利于缓解当地的自然灾害。

4所示。结果和讨论

4.1。社会经济的演化特点的干旱HRB

HRB梯级水库水电站系统包含两个水库(Huangzangsi和Zhengyixia水库)和七个水电站。因此,两水库的特征指标可以显示社会经济支撑中部的干旱状态和下游地区的HRB。这两个水库系统属于年内系统因为他们采取一年填满。然后,他们的时间框架是设置为6个月。

印尼盾和WSR值代表了水文特征和储层条件,分别相对于需求(12]。对于细节,IDR < 0意味着low-inflow发生(即。,hydrological drought) relative to water demand, whilst WSR>0 represents the reservoir storage is sufficient for demand. Therefore, there is a phenomenon that hydrological indicators symbolize the occurrence of a drought, but the demand is satisfied by available storage, indicating that a hydrological drought may not cause a socioeconomic drought [18]。相反,当IDR > 0和WSR < 0,它对应于的情况没有基于输入水库水文干旱,而系统仍然遭受着社会经济干旱作为可用的存储不能满足需求。

集成印尼盾和WSR MSRRI意味着整体的综合信息系统。从图2印尼盾的三行,WSR MSRRI系列大致一致。每月MSRRI系列的皮尔森相关系数在1958∼2014年与相应的印尼盾和WSR系列是Huangzangsi水库的0.73和0.79,分别为0.82和0.88 Zhengyixia水库,这表明的可靠性和有效性的MSRRI描述社会经济干旱。集成印尼盾和WSR MSRRI越小,更严重的干旱和更严重的缺水。MSRRI的性能(包括印尼盾和WSR)应用于水库数据所示2和3。

总的来说,MSRRI Huangzangsi水库是低于Zhengyixia水库;也就是说,社会经济支撑中部的干旱到达下游比这更严重。有四个组合在上游和下游的干旱事件:“干旱发生在到达,”“干旱发生在只有up-midstream,”“干旱发生在下游,”和“不干旱发生在到达。“每月规模,社会经济干旱事件发生在中上的概率达到最高,大约59.8%。干旱发生在到达时,干旱严重up-midstream大于下游(65.6%)。这个结果证实,旱情严重程度up-midstream比这更严重的下游。

干旱事件的时间(1973∼1983)选择进行详细的分析。根据中国的历史干旱记录气象数据服务中心,HRB盆地经历了严重干旱或1973年极端干旱,1979∼1980,1982和1984年,分别。它可以看到从图3干旱记录在此期间被检测到,这表明MSRRI适用于社会经济干旱的评估HRB。在下游社会经济干旱的发生时间往往落后于在一定程度上。1973年,例如,在下游干旱事件的发生被推迟,而严重程度高于在支撑中部。同样,在大约1975年,1978 - 1980年和1983年,下游也出现了滞后。它可以推断出,由于下游主要依赖从up-midstream水的流入,up-midstream深受社会经济干旱时,下游的HRB也可能产生的社会经济干旱。

干旱的持续时间和强度通常干旱事件的主要特征。因此,强度和持续时间的干旱作为社会经济干旱综合分类的基础。具体分类标准如表所示1以上,统计结果如图所示4。

从图可以推断出来4有明显的差异的社会经济干旱事件up-midstream和下游基于操作的计算过程的两个水库。这一结果主要反映在社会经济的相对较高的强度支撑中部的干旱。强度和持续时间的统计分析表明,80%以上的支撑中部干旱事件到达分为等级III或IV(分别为49.3%和31.5%),下游的价值达到了60.7%(图4)。干旱事件的数量持续超过12个月的两个领域是15和11个,分别。具体地说,为流,只有一个干旱事件持续超过36个月,和两个干旱事件持续了超过24个月。从这个角度来看,长期支撑中部干旱事件的分布以及下游是一致的。总之,符合上述月度MSRRI序列分析、社会经济的严重程度的干旱up-midstream高于下游。是必要的警惕社会经济干旱up-midstream和下游地区由于风险较高;特别是在up-midstream干旱的情况下,应采取措施提前在下游。

4.2。社会经济干旱的趋势MSRRI HRB

趋势分析在这项研究是由测试方法是MMK趋势年度和月度MSRRI HRB 1958∼2014年。结果如图所示5和表2。

显然,两水库MSRRI系列显示趋势年度和月度鳞片。其中,只有年度MSRRI Huangzangsi储层显示了显著的增加趋势。一致,根据年度趋势线,两水库也表现出明显的增长趋势。因此,HRB up-midstream和下游地区在社会经济干旱的发生趋势是一致的。此外,这是一个警告,在整个盆地干旱的可能性已经增加。

4.3。社会经济的周期性成分分析干旱HRB

本研究利用MWCA方法进行的周期性分析取消MSRRI系列HRB在5%的置信水平。这种方法的优点是,不仅真实的周期分量根据时间序列的谱可以发现也估计活动时间跨度交通的重要时期可以透露点分布(52]。MWCA方法用于多个年度的周期性成分识别轮MSRRI HRB。第一轮只标识最重要时期的原始序列,然后最重要的时期,其余组件的最后一轮被确定之前没有明显的周期发生。

数据6和7显示的结果这两个系列的周期性分析,前者是时域的覆盖图和后者时频分布曲线中心。在图6,MWCA体现一个明显的时期(THuangzangsi水库= 2年)。覆盖率是0.441。Zhengyixia水库有两个时期(T= 9和11年),覆盖率为0.6176和0.4998。此外,估计有效时间范围的重要时期Huangzangsi水库(T= 3年)集中在1980 - 1996,而Zhengyixia水库(T= 9和11年)最集中在1971 - 1988和1982 - 2013。图7显示了Huangzangsi 2年的中断期水库,这表明周期性的波形组件经历一些变化。相对而言,up-midstream社会经济干旱的周期分量相对不那么重要的下游干旱。

4.4。社会经济干旱和大气环流因素之间的相关性

社会经济干旱与气候变化的联系和交叉小波分析探讨了HRB,以及他们之间交叉小波变换1958∼2014年年度MSRRI系列和相应的ENSO /机构/ NAO / EASM HRB的展出8- - - - - -11,分别。交叉小波功率谱强调干旱序列及其随后的因素之间的相关性。固体图中黑线是锥形波边界效应的影响,和厚黑线表示域通过红噪音测试0.05显著性水平。相对相位关系表示为箭头(反相指向左边,同相指向右)。

显然,从数据可以看出8- - - - - -11,这四个气候指数或多或少是显著相关的年度HRB MSRRI系列,这表明气候指数有强烈影响社会经济干旱的性能。ENSO事件和MSRRI显示一个反相位关系;即。,they show a strong negative phase correlation in both the up-middle and lower reaches of the region (Figure8)。特别是,ENSO事件证明了统计上显著的负相关性与MSRRI系列规模2∼up-midstream 1985∼1999年4年。对下游地区,也存在重大的负面联系在1969∼1978年2 - 6年。特别是,ENSO事件对下游的影响有一个强于up-midstream。同样,机构还演示了明显影响社会经济干旱的特点在HRB(图9)。专门为上层和中层,溪流,机构显示统计上显著的积极的联系与年度MSRRI系列2∼3年信号在1994∼1996和4∼6信号在1988∼1994年。然而,存在显著的负面联系与年度MSRRI系列3∼1967∼1976年5年时间。度的影响机构的社会经济支撑中部干旱事件和下游是相似的。NAO HRB的干旱的影响盆地相对无关紧要,和上游和下游的情况(图基本上是一致的10)。在整个演出期间,积极和消极立场相互交替。对于细节,有2年的周期信号同相、反相交替方向在1968∼1973和1993∼1998,分别。翻,其影响相对显著的和消极的(图11)。up-midstream,有一个大约1 - 4年的信号在1993∼1998和1978∼1983年大约3年的一个信号。下游的信号强度是相对明显在1993∼1998年上游1∼2年。此外,还有一个相对不那么重要的信号在1983∼1993年6 - 8年。

总的来说,大规模的气候指标的综合影响导致整个流域社会经济干旱的变化。存在正相关性和负相关性,周期信号是本地化。相对,ENSO突出更广泛和更强的对社会经济干旱的影响比其他远程并置对比索引。特别是,ENSO和机构对下游的影响略高于up-midstream HRB,而反向NAO和EASM是正确的。

5。结论

作为管理的关键设施区域地表水资源,水库发挥重要作用在应对干旱和气候变化。多元标准的可靠性和弹性指数(MSRRI)是一个综合指数评价社会经济干旱考虑水库的水需求和存储的弹性。在这项研究中,黑河流域在中国西北部,是由两个大型水库(Huangzangsi水库和水库Zhengyixia)作为一个案例研究中,MSRRI是用来描述社会经济干旱的演化特征和大规模的气候指标的联系。

本研究的主要结果显示如下:(1)它可以推断出社会经济干旱程度的up-midstream高于下游,作为年度MSRRI率值up-mid流,低于下游,是65.6%。针对干旱、强度和持续时间的统计分析表明,80%以上的干旱事件在中间和上部流严重和极度干旱,只有60.7%在下游,也证实了我们的结果。随着下游地区的干旱存在滞后,up-midstream地区干旱的发生可以被视为一个早期预警在下游地区实施预防措施。(2)不断增加的趋势在社会经济干旱盆地存在月度和年度尺度,这表明越来越多的干旱的可能性应该有效地解决。(3)的周期分量up-midstream社会经济干旱(T= 2年)相对不那么重要的下游干旱。Zhengyixia水库有两个时期(T= 9和11年),覆盖率为0.6176和0.4998。(4)交叉小波分析表明,大规模的气候指标有助于社会经济干旱的变化在整个盆地,表明气候变化可能为管理者提供参考,处理社会经济干旱HRB。相对,ENSO突出更广泛和更强的对社会经济干旱的影响比其他远程并置对比索引。

总之,行政部门有必要注意的黑河流域社会经济干旱。本研究揭示了社会经济干旱的演化特征及其与气候变化的关系HRB,它预计将提供帮助为当地社会经济抗旱和水资源管理。

数据可用性

尼诺3.4的数据索引用于支持本研究的结果可在NOAA地球系统研究实验室(http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nina34.data)。机构的数据/ NAO EASM指数时间序列用于支持本研究的结果可在NCEP气候预测中心网页(http://www.cpc.ncep.noaa.gov)。流出的仿真数据和存储容量的过程水库用于支持本研究的发现是保密的,而不是对公众开放。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者非常感激的帮助教师和学生的研究。这项研究得到了国家自然科学基金(格兰特No.51979221, 51709222),中国国家重点研发项目(批准号2016 yfc0401408),和研究生态国家重点实验室基金在西北干旱地区,西安科技大学(批准号2019 kjcxtd-5)。

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