区域气象干旱变化与干旱脆弱性研究 ——以新疆为例

论文摘要

随着全球干旱化趋势的加剧,近年来极端干旱事件频发,引起了全球的关注与重视。我国是旱灾频发的国家,严峻的干旱形势给抗旱减灾带来了挑战,有从危机管理转向风险管理的需求。干旱脆弱性评估是风险管理的基础,亟需发展科学合理的评估模型,确定脆弱性之所在,建立防灾备灾为主的干旱管理模式。本文以新疆维吾尔自治区为例,分析气象干旱的变化特征,构建新疆干旱脆弱性多属性评估模型,主要研究内容与结论如下:（1）基于39个地面气象站1970年2018年的气象资料,使用Trend-free Pre-whitening Mann–Kendall检验、Sen斜率、Partial Trend Method（PTM）法对降水量与降水结构变化趋势进行了分析。结果显示,新疆降水量呈现普遍增长的趋势,多集中于天山以北,但天山以北不同地区降水总量的增长可能来源于不同季节降水的增加,天山以南塔里木盆地西部和南部降水总量显著增长,基本源于7月降水量的增长。在降水结构方面,全区约一半站点的降水日数有显著增长,大多位于西部和北部,而日均降水强度变化不明显,显然降水总量的增加与降水日数的增加有很大的关系。整体来看,连续无水日数变化不显著,但使用PTM法能够很容易地发现极端连续无水日数显著减少。（2）不同地区同一场干旱在时间轴上不可能完全一致,采用动态时间规整（DTW）对时间轴进行伸缩,测量各站干旱指数实际波动的相似度,基于层次聚类,把干旱变化分为北、中、南三类,打破传统的北疆、南疆分区方案。以实际旱灾记录为依据,确定6个月尺度的标准化降水指数（SPI）能很好地反映实际干旱情况。使用Morlet小波变换法研究6个月尺度SPI的周期性与突变性,按周期振荡强度由大到小描述,北部地区的主周期分别为4.3年、12年、8.5年和2年,中部地区为12年、16年、6年、5年,南部地区为11年、4年、8年;小波分析得到的突变点与实际较为一致。目前,北部地区处于波动正相位,未来干旱情况可能加重;中部、南部地区处于波动负相位,未来干旱可能有所缓解。使用站次比和干旱频率统计量对干旱的影响范围、发生频率进行了分析,发现季尺度全域性干旱不常见,年尺度全域性干旱常发生于北部和中部地区,说明干旱于年内无集中爆发期;从干旱发生频率来看,春旱、夏旱、秋旱分别最易发生于南部、北部和中部,其中,中部和南部局部地区最容易发生重旱。（3）基于迭置指数法建立干旱脆弱性多属性评估模型。目前流行的最小—最大标准化数据预处理方法虽然保留了数据的信息量,但只适用于线性关系,盲目使用造成评估结果不合理,本文构建曲率可调的非线性标准化方法,除了兼顾了数据的信息量,还适用于建立影响因子与干旱脆弱性的各类关系;针对标准化处理把指标评分放大至统一范围的问题,采用功效系数对其修正;针对离群值与数据偏态造成的评分结构畸形,采用四分位距（IQR法）进行修正。本文选取降水亏缺率、蒸散发量、含水层富水性、河网密度、土壤质地、土壤有机质、地面坡度、土地利用类型、人口密度、GDP等10个指标,采用曲率可调的非线性标准化对数值型指标进行预处理,基于指标信息量与相关性对指标进行筛选,采用基于序关系分析和均方差法的主、客观集成权重,通过加权算术平均算子建立综合指数,构建新疆干旱脆弱性评估体系。基于GVF（Goodness of Variance Fit）和Jenk优化法确定脆弱性分类等级数量与方案,绘制干旱脆弱性等级图,基于敏感性分析计算不同地区影响因子对干旱脆弱性的贡献率。评估结果表明高脆弱性集中于未利用土地,鉴于脆弱性的相对性,对已利用土地的脆弱性进行了评估,发现高脆弱性位于喀什地区昆仑山脉的山区、阿图什、阿合奇、乌什一带山区及若羌县平原区;基于降水亏缺率、土地利用类型及人口密度等动态发展指标,研究了1995年2015年干旱脆弱性的动态变化,新疆大部分地区的干旱脆弱性有所增高。另外,鉴于新疆农、林、牧业的重要性,分别对草地、林地和耕地进行了提取与分析,针对耕地,重点分析了天山北麓绿洲带、阿克苏平原绿洲带与和田绿洲。最后,根据评估结果与分析,针对不同地区提出了干旱减缓对策。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 核心概念的阐述
•     1.2.1 干旱
•     1.2.2 脆弱性
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 干旱特征分析研究
•     1.3.2 干旱脆弱性研究
•   1.4 存在的问题
•   1.5 研究内容与技术路线
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 技术路线
•   1.6 创新点
• 第二章 研究区概况
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 气象
•   2.2 水资源概况
•     2.2.1 地表水资源
•     2.2.2 地下水资源
•     2.2.3 水资源开发利用
•   2.3 土壤与植被
•   2.4 社会经济概况
•   2.5 干旱灾害概况
• 第三章 新疆降水变化特征
•   3.1 数据来源
•   3.2 新疆降水特点
•   3.3 趋势分析方法
•   3.4 降水量的变化
•     3.4.1 年降水量变化趋势
•     3.4.2 季降水量变化趋势
•     3.4.3 月降水量变化趋势
•   3.5 降水结构的变化
•     3.5.1 降水日数与日均降水强度
•     3.5.2 连续无水日
•   3.6 本章小结
• 第四章 气象干旱指数变化特征
•   4.1 气象干旱指数的适用性研究
•     4.1.1 气象干旱指数
•     4.1.2 基于DTW层次聚类的SPI和 SPEI分区
•     4.1.3 SPI与 SPEI的适用性分析
•   4.2 基于小波理论的干旱周期性研究
•     4.2.1 小波理论概述
•     4.2.2 基于Morlet小波变换的干旱周期性研究
•   4.3 干旱影响范围的时间变化特征
•     4.3.1 基于SPI6 的干旱影响范围的年际变化特征
•     4.3.2 基于SPI3 的干旱影响范围的季节变化特征
•   4.4 干旱发生频率的空间分布特征
•     4.4.1 多尺度干旱频率空间分布特征
•     4.4.2 不同等级干旱发生频率空间分布特征
•     4.4.3 各季不同等级干旱频率空间分布特征
•   4.5 本章小结
• 第五章 干旱脆弱性多属性评估模型
•   5.1 指标体系的构建原则
•   5.2 基于灾害系统的指标初选
•   5.3 数据的预处理
•     5.3.1 基于专家经验的描述性指标评分法
•     5.3.2 基于曲率可调的非线性标准化评分法
•     5.3.3 基于功效系数的修正方案
•     5.3.4 基于IQR的修正
•   5.4 指标的筛选
•     5.4.1 基于信息量的指标筛选
•     5.4.2 基于相关性的指标筛选
•   5.5 权重系数的确定
•     5.5.1 基于序关系的功能驱动赋权法
•     5.5.2 基于差异驱动的赋权法
•     5.5.3 基于主客观赋权法的集成权重
•   5.6 基于WAA算子的综合指标
•   5.7 基于GVF和 Jenks优化法的脆弱性等级划分
•   5.8 本章小结
• 第六章 新疆干旱脆弱性评估
•   6.1 初选指标
•     6.1.1 致灾因子
•     6.1.2 孕灾环境
•     6.1.3 承灾体
•   6.2 数据来源
•   6.3 指标评分
•   6.4 指标与权重的确定
•     6.4.1 指标筛选
•     6.4.2 确定权重系数
•   6.5 干旱脆弱性评估结果
•     6.5.1 全疆干旱脆弱性评估结果
•     6.5.2 已利用土地的干旱脆弱性评估结果
•     6.5.3 时序变化视角下的干旱脆弱性
•   6.6 干旱脆弱性的主要影响因子
•   6.7 干旱脆弱性对农业的指导
•   6.8 干旱减缓措施
•   6.9 本章小结
• 结论与展望
•   主要结论
•   研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李昕妍

导师: 钱会

关键词: 干旱脆弱性,综合指数,迭置指数,曲率可调,新疆

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 长安大学

分类号: P426.616

总页数: 181

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