一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，方法步驟如下：步驟1建立數(shù)據(jù)庫；步驟2構(gòu)建干旱評(píng)價(jià)模型；步驟3預(yù)測(cè)預(yù)見期氣溫變化；步驟4判定預(yù)見期內(nèi)旱情。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明專利技術(shù)所構(gòu)建的干旱評(píng)價(jià)模型是從水資源系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮了供水和需水之間的關(guān)系，且當(dāng)前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能滿足建模需求，所構(gòu)建的干旱預(yù)警指標(biāo)，最終僅需要預(yù)測(cè)的氣溫來驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)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.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法
本專利技術(shù)涉及一種統(tǒng)計(jì)水文分析領(lǐng)域，尤其涉及一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法。
技術(shù)介紹
IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出：自上世紀(jì)以來，全球大部分地區(qū)都經(jīng)歷了以升溫為主要特征的氣候變化過程。氣溫的增加將加速大氣環(huán)流和水文循環(huán)過程，因而水資源的存量減少，通量增加，導(dǎo)致極端氣候事件呈現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢(shì)。我國(guó)西北干旱區(qū)地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，是全球氣候變化下的敏感地區(qū)。這里水資源環(huán)境特殊，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，地下水與地表水交換頻繁，水資源成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響生態(tài)安全的關(guān)鍵要素，對(duì)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在氣候變化的影響下，西北干旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)更為脆弱，極端水文事件增加、干旱頻率變化也呈現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異和時(shí)間差異。因此，評(píng)估和預(yù)估干旱發(fā)展的變化可為風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)與管理提供支撐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的就在于提供一種解決了上述問題，從水資源系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮了供水和需水之間的關(guān)系和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所構(gòu)建的冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，方法步驟如下：步驟1、建立數(shù)據(jù)庫：獲取一定時(shí)期內(nèi)區(qū)域歷史氣象、水文資料，下墊面信息；步驟2、構(gòu)建干旱評(píng)價(jià)模型：獲取一定時(shí)期內(nèi)所述研究區(qū)水資源供水量和需水量，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立水資源干旱評(píng)估指標(biāo)；步驟3、預(yù)測(cè)預(yù)見期氣溫變化：根據(jù)平均氣溫，建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)預(yù)見期內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測(cè)；步驟4、判定預(yù)見期內(nèi)旱情：根據(jù)上述一定時(shí)期內(nèi)的氣溫、供水量、需水量，分別建立氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系；利用所述預(yù)見期內(nèi)的氣溫，結(jié)合所述氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)的水資源短缺量；結(jié)合所述的干旱評(píng)價(jià)模型，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)旱情。作為優(yōu)選，步驟2中所述的供水量為廣義水資源量，即可被生態(tài)系統(tǒng)有效利用的大氣降水以及水利工程供水等徑流性水資源量之和，可認(rèn)為是有效降水量，采用如下公式計(jì)算：P有效＝αP式中，P有效為有效降水量；α降水有效利用系數(shù)，P某次實(shí)測(cè)降水量。所述的需水量為農(nóng)業(yè)需水量，即主要參考作物的實(shí)際蒸散發(fā)量，采用如下公式計(jì)算：式中：i為作物類型(如棉花、小麥等)；n為作物總分類數(shù)；fi為各種作物類型面積百分率(％)；ETci是各種作物類型的實(shí)際需水量；ET0i為各種作物類型的參考作物需水量，可采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算；Kci是研究區(qū)主要作物的作物系數(shù)；Kθi為各種作物類型的土壤水分影響函數(shù)。作為優(yōu)選，所述步驟2中所述的水資源短缺量只是從數(shù)值角度表征了研究區(qū)內(nèi)缺水的既定事實(shí)，并不能滿足在干旱分析中對(duì)于時(shí)空對(duì)比的要求，因此，需引入水資源短缺量修正系數(shù)K，反映不同時(shí)空背景下的水資源短缺差異：式中，k是K的一階近似值；為月平均需水量；為月平均供水量。在此基礎(chǔ)上可得到可進(jìn)行時(shí)空對(duì)比的水資源短缺指數(shù)Z：Z＝K×D式中：D為水資源短缺量。所述的水資源短缺量?jī)H是干旱發(fā)生的原因之一，但同時(shí)它還要受到水資源累積短缺量的影響，因此需進(jìn)一步修正所述水資源短缺指數(shù)Z，使其可以表達(dá)干旱歷時(shí)與干旱程度的關(guān)系。以月為時(shí)間尺度，從長(zhǎng)序列水資源短缺指數(shù)中選取值為負(fù)的序列，繪制∑Z～t圖。取(t，∑Z)點(diǎn)集外包線，假定這條外包線為極端干旱的臨界值，可令其干旱評(píng)估指標(biāo)DI＝-4，該直線則表示在各種長(zhǎng)度的極干期內(nèi)，Z值以所觀察到的近似最大速率累積的累計(jì)值。將縱坐標(biāo)從正常到極端四等分，還可以繪制3條直線，這些直線可依次表示嚴(yán)重干旱、中度干旱和輕度干旱。令其干旱評(píng)估指標(biāo)分別為-3.0、-2.0和-1.0，由此得到第i個(gè)月干旱評(píng)估指標(biāo)DIi為：式中：a和b為待定系數(shù)，根據(jù)∑Z～t圖中極端干旱直線確定。作為優(yōu)選，不同時(shí)期水資源短缺指數(shù)Z的代數(shù)和不能反映持續(xù)干旱與其中某一較濕潤(rùn)月的關(guān)系，因此應(yīng)考慮將前期因子作為對(duì)干旱累積結(jié)果的間接因子，從而提高干旱指數(shù)評(píng)估精度。當(dāng)i＝t＝1時(shí)，DI1＝Z1/(a+b)，令ΔDI1＝DI1-DI0＝Z1/(a+b)對(duì)于一次極端干旱，若之后的月均為正常，則這一次的極端干旱將終止。因此，為了維持某一干旱程度，即為了保持DI為恒定值，則指數(shù)Z必須以某一速率增加，這個(gè)速率取決于所要保持的DI值的大小。因此，引入系數(shù)c，即ΔDIi＝Zi/(a+b)+cDIi-1式中：ΔDIi＝DIi-DIi-1。上式可用來計(jì)算各旬對(duì)干旱程度的貢獻(xiàn)，這些增量的總和即為干旱嚴(yán)重程度，即：DIi＝(1+c)DIi-1+Zi/(a+b)式中：a、b、c為系數(shù)。作為優(yōu)選，所述的水資源短缺修正系數(shù)只考慮了平均供水量和平均需水量的關(guān)系，但在實(shí)際分析中水資源短缺修正系數(shù)還與水資源短缺量的絕對(duì)值成反比，為了保證干旱評(píng)估指標(biāo)DI在不同空間內(nèi)的可比性，仍需進(jìn)一步修正k值。取評(píng)估單元內(nèi)最干旱12個(gè)月，假定這12個(gè)月對(duì)于任何評(píng)估單元都表示極端干旱，即DI＝-4.0，即可得到該評(píng)估單元累積水資源短缺指數(shù)，再除以該評(píng)估單元12個(gè)最干旱月的水資源短缺總量，即可得到該評(píng)估單元12個(gè)月期間極端干旱平均修正系數(shù)：繪制得到K’的回歸方程，此時(shí)K’為K的二級(jí)近似。如果此時(shí)的K’可以滿足干旱指數(shù)在不同空間的可對(duì)比性，那么每個(gè)評(píng)估單元應(yīng)該相等，但這種情況大部分時(shí)候并不能實(shí)現(xiàn)，若不相等，則需進(jìn)一步修正，才能得到水資源短缺量的修正系數(shù)K：式中，α、β、γ為系數(shù)。作為優(yōu)選，步驟3中所述的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型為灰色季節(jié)性指數(shù)自記憶模型，在建模之前，需先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理：式中，{xt}，t＝1～n，為原始?xì)鉁匦蛄校琈A為滑動(dòng)平均值，CMA為中心滑動(dòng)平均值，Ra為季節(jié)性指數(shù)，T為時(shí)間序列的波動(dòng)周期，取12(月)。將原始?xì)鉁匦蛄蟹謩e除以對(duì)應(yīng)月份的季節(jié)性指數(shù)，得到一組新的時(shí)間序列，作為模型構(gòu)建的輸入數(shù)據(jù)。作為優(yōu)選，所述的預(yù)處理之后的氣溫?cái)?shù)據(jù)的一次累加序列呈現(xiàn)出近似的指數(shù)增加規(guī)律，且變化較為平穩(wěn)，因此可應(yīng)用GM(1，1)模型對(duì)其建模：設(shè)預(yù)處理之后的氣溫時(shí)間序列為：一次累加生成的新序列為：式中：GM(1，1)模型的白化方程為：將其寫成：式中，參數(shù)α和μ可采用最小二乘法求得。作為優(yōu)選，在所述的GM(1，1)模型的白化方程引入自記憶函數(shù)，應(yīng)用內(nèi)積運(yùn)算、分部積分和中值定理等數(shù)學(xué)方法，可構(gòu)建一種新的時(shí)間序列模型：式中，p為回溯階數(shù)，代表預(yù)測(cè)值，代表初始值，代表回溯值，自記憶模型的參數(shù)a-p～a1可采用最小二乘法求得，將模型預(yù)測(cè)得到的數(shù)值進(jìn)行還原，并乘以所述的對(duì)應(yīng)月份的季節(jié)性指數(shù)，則得到預(yù)測(cè)的氣溫。作為優(yōu)選，步驟4中所述的干旱預(yù)警指數(shù)(IAEW)可表示為：IAEW＝Z(Q取水，W水庫，F(xiàn)W×S農(nóng)業(yè))式中，Q取水為流域可取水水量，W水庫為地區(qū)水庫可供水量，F(xiàn)W為主要農(nóng)作物實(shí)際蒸散發(fā)量，S農(nóng)業(yè)為主要作物面積。作為優(yōu)選，所述的取水量在冰川融水補(bǔ)給區(qū)與上游來水和下游氣溫之間存在一定的函數(shù)關(guān)系：下游氣溫(T)與上游來水(Q來水)之間的關(guān)系：下游氣溫(T)與取水量(Q取水)之間的關(guān)系：式中，α1、α2、β1、β2、b、k、λ和T0為參數(shù)。由于根據(jù)所述的下游氣溫(T)與取水量(Q取水)之間的關(guān)系，可將IAEW進(jìn)一步寫成：IAEW＝Z(T，W水庫，F(xiàn)W×S農(nóng)業(yè)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，方法步驟如下：步驟1、建立數(shù)據(jù)庫：獲取一定時(shí)期內(nèi)區(qū)域歷史氣象、水文資料，下墊面信息；步驟2、構(gòu)建干旱評(píng)價(jià)模型：獲取一定時(shí)期內(nèi)所述研究區(qū)水資源供水量和需水量，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立水資源干旱評(píng)估指標(biāo)；步驟3、預(yù)測(cè)預(yù)見期氣溫變化：根據(jù)平均氣溫，建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)預(yù)見期內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測(cè)；步驟4、判定預(yù)見期內(nèi)旱情：根據(jù)上述一定時(shí)期內(nèi)的氣溫、供水量、需水量，分別建立氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系；利用所述預(yù)見期內(nèi)的氣溫，結(jié)合所述氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)的水資源短缺量；結(jié)合所述的干旱評(píng)價(jià)模型，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)旱情。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，方法步驟如下：步驟1、建立數(shù)據(jù)庫：獲取一定時(shí)期內(nèi)區(qū)域歷史氣象、水文資料，下墊面信息；步驟2、構(gòu)建干旱評(píng)價(jià)模型：獲取一定時(shí)期內(nèi)所述研究區(qū)水資源供水量和需水量，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立水資源干旱評(píng)估指標(biāo)；步驟3、預(yù)測(cè)預(yù)見期氣溫變化：根據(jù)平均氣溫，建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)預(yù)見期內(nèi)氣溫進(jìn)行預(yù)測(cè)；步驟4、判定預(yù)見期內(nèi)旱情：根據(jù)上述一定時(shí)期內(nèi)的氣溫、供水量、需水量，分別建立氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系；利用所述預(yù)見期內(nèi)的氣溫，結(jié)合所述氣溫與供水量、氣溫與用水量之間的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)的水資源短缺量；結(jié)合所述的干旱評(píng)價(jià)模型，預(yù)測(cè)所述的預(yù)見期內(nèi)旱情。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟2中，構(gòu)建水資源短缺量與干旱指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，所述水資源短缺量需引入水資源短缺量修正系數(shù)K，使其滿足在干旱分析中對(duì)于時(shí)空對(duì)比的要求，反映不同時(shí)空背景下的水資源短缺差異，所述水資源短缺量修正系數(shù)K：式中，k是K的一階近似值；為月平均需水量；為月平均供水量；以此得到可進(jìn)行時(shí)空對(duì)比的水資源短缺指數(shù)Z：Z＝K×D式中：D為水資源短缺量。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，以月為時(shí)間尺度，從長(zhǎng)序列水資源短缺指數(shù)中選取值為負(fù)的序列繪制圖，對(duì)所述水資源短缺指數(shù)Z進(jìn)一步修正，使其可以表達(dá)干旱歷時(shí)與干旱程度的關(guān)系，由繪制圖得到第i個(gè)月干旱評(píng)估指標(biāo)DIi為：式中：a和b為待定系數(shù)，根據(jù)圖中極端干旱直線確定。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，將前期因子作為對(duì)干旱累積結(jié)果的間接因子提高干旱指數(shù)評(píng)估精度，當(dāng)i＝t＝1時(shí)，DI1＝Z1/(a+b)，令ΔDI1＝DI1-DI0＝Z1/(a+b)對(duì)于一次極端干旱，若之后的月均為正常，則這一次的極端干旱將終止；指數(shù)Z須以某一速率增加，這個(gè)速率取決于所要保持的DI值的大小，因此引入系數(shù)c保持DI為恒定值，即ΔDIi＝Zi/(a+b)+cDIi-1式中：ΔDIi＝DIi-DIi-1通過上式計(jì)算各旬對(duì)干旱程度的貢獻(xiàn)，增量的總和即為干旱嚴(yán)重程度，即：DIi＝(1+c)DIi-1+Zi/(a+b)式中：a、b、c為系數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，為了保證干旱評(píng)估指標(biāo)DI在不同空間內(nèi)的可比性，進(jìn)一步修正k值，取評(píng)估單元內(nèi)最干旱12個(gè)月，假定這12個(gè)月對(duì)于任何評(píng)估單元都表示極端干旱，即DI＝-4.0，即可得到該評(píng)估單元累積水資源短缺指數(shù)，再除以該評(píng)估單元12個(gè)最干旱月的水資源短缺總量，即可得到該評(píng)估單元12個(gè)月期間極端干旱平均修正系數(shù)：繪制得到K’的回歸方程，此時(shí)K’為K的二級(jí)近似，如果此時(shí)的K’可以滿足干旱指數(shù)在不同空間的可對(duì)比性，那么每個(gè)評(píng)估單元應(yīng)該相等。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種冰川融水補(bǔ)給區(qū)干旱預(yù)警方法，其特征在于，若此時(shí)每個(gè)評(píng)估單元不相等，則進(jìn)一步修正水資源短缺量的修正系數(shù)K：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊志勇，袁喆，馮杰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11