新疆塔里木河流域洪旱灾害模拟分析及时空演变特征研究

    全书由三篇共15章构成。靠前篇主要从实测和遥感角度介绍新疆地区气候变化时空演变特征，并分析TRMM降水数据的不确定性。第二篇重点研究塔里木河流域干旱时空演变特征，介绍不同频率分布函数在塔里木凋流域的适用性，定量化开展不同尺度的干旱风险评估，分析塔里木阿气象干旱与水文干旱的转换机制和干旱演变特征。第三篇研究塔里木河流域非平稳性洪水时空演变特征，揭示流域洪水发生时间集聚性、发生频率和洪水变化特征，识别影响该研究的主要因素。

目 录
前言
第1章 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究动态与趋势 5
1.2.1径流频率分析研究进展 5
1.2.2气象、水文干旱指标研究进展 7
1.2.3马尔可夫链理论在干旱应用中的研究进展 9
1.2.4TRMM降水数据及降尺度方法研究现状 10
1.2.5非平稳性洪水频率分析理论方法 11
1.3研究内容13
第一篇 新疆地区气候变化时空演变特征
第2章 新疆研究区概况和研究方法 19
2.1新疆区域概括19
2.1.1地理位置 19
2.1.2地貌条件 19
2.1.3气候特征 20
2.1.4水文 21
2.1.5植被类型 21
2.1.6气象灾害概况 21
2.1.7社会经济概况 24
2.2数据来源 26
2.2.1气象站点数据 26
2.2.2 TRMM降水数据 27
2.2.3归一化植被指数 28
2.2.4基础地理数据 28
2.3研究方法 28
2.3.1信息熵理论 28
2.3.2熵的变异性 30
2.3.3趋势检验方法 30
2.3.4TRMM降水数据精度评价方法 32
2.3.5降水数据降尺度方法 33
2.3.6标准化降水指标 34
2.3.7旋转经验正交函数 35
2.3.8Morlet连续小波变换、交叉小波与小波一致性分析 35
第3章 基于信息熵的新疆降水时空变异特征研究 38
3.1新疆降水量的年、季变异性 38
3.2新疆降水量的季节变异性 40
3.3新疆降水量的月变异性 41
3.4新疆年降水时空分布特征 42
3.4.1年降水量与降水天数时间变异性 42
3.4.2年降水量与降水天数空间分布变异性分析 43
3.5新疆降水年代变异性分析 44
3.6年降水变化分配熵无序指数趋势性分析 46
第4章 基于TRMM 3843卫星降水数据的新疆地区降水时空特征研究 47
4.1数据时间尺度精度检验 47
4.1.1月降水量检验 47
4.1.2季降水量检验 49
4.1.3年降水量检验 50
4.2数据个体精度检验 51
4.2.1均方差误差检验 51
4.2.2百分比偏差检验 52
4.3高程和坡度对TRMM降水数据的影响 54
4.3.1高程对TRMM降水数据的影响 55
4.3.2坡度对TRMM降水数据的影响 56
第5章 基于多源遥感数据的新疆地区降水空间降尺度研究 58
5.1 TRMM 3843与实测降水数据对比 58
5.2 NDVI与TRMM回归模型 59
5.3降尺度分析 61
5.4精度检验 64
5.5影响降尺度算法精度的因素分析 67
5.5.1TRMM降水数据精度的影响 67
5.5.2NDVI精度的影响 67
5.5.3高程与区域气候的影响 68
第6章 新疆季节性干旱变化特征及其影响研究 69
6.1新疆干旱分区 70
6.2新疆四季干旱时空变化特征 71
6.2.1春季 71
6.2.2夏季 71
6.2.3秋季 75
6.2.4冬季 76
6.3新疆不同区域的干旱统计分析 78
6.4干旱对新疆农业生产的影响研究 82
第7章 结论 86
第二篇 塔里木河流域干旱时空演变特征
第8章 研究区域概况 91
8.1塔里木河流域自然地理概况 91
8.1.1地理位置 91
8.1.2地形地貌 91
8.1.3气候特点 92
8.1.4流域水系 92
8.2社会经济 94
第9章 塔里木河流域气象水文时空特征研究 95
9.1塔里木河流域气候因素时空变化特征 95
9.1.1塔里木河流域降水时空变化特征 95
9.1.2塔里木河流域气温时空变化特征 99
9.1.3塔里术河流域蒸发时室变化特征 104
9.2塔里木河流域径流量周期特征及其影响因素 108
9.2.1年径流量、年降水量和年均温小波变换 109
9.2.2湿季径流量、降水量和平均温度小波变换 114
9.2.3枯季径流量、降水量和平均温度小波变换 118
第10章 塔里木河流域枯水径流分析 125
10.1塔里木河流域枯水径流趋势分析 125
10.2塔里木河流域枯水径流频率分析 125
10.2.1 K S检验与参数估计 126
10.2.2 Copula函数 127
10.2.3单频率分布函数结果分析 132
10.2.4二维联合Copula函数结果分析 136
10.2.5分析与结论 144
10.2.6枯水流量的趋势变化 146
10.2.7分析与讨论 151
10.3本章 小结 154
第11章 塔里木河流域干旱风险评估与区划 155
11.1基于可变模糊评价法的塔里木河流域农业干旱风险评估 157
11.1.1可变模糊集定义 157
11.1.2相对差异函数模型 158
11.1.3评价指标与分级标准 161
11.1.4干旱程度的确定 162
11.1.5评价指标权重 164
11.1.6综合评价结果分析 168
11.2塔里木河流域气象干旱风险评估 172
11.2.1计算方法 172
11.2.2塔里术河流域干旱风险时空特征 175
11.3本章 小绪 191
第12章 干旱模拟分析及时空演变特征 193
12.1基于马尔可夫模型的新疆水文气象干旱研究 193
12.1.1 SPI SRI干旱指数 194
12.1.2马尔可夫链 194
12.1.3结果分析 196
12.1.4分析与讨论 210
12.2基于月尺度马尔可夫模型的塔里木河流域丰枯研究 212
12.2.1 Kolmogorov Smimov检验与参数估计 2 12
12.2.2月尺度马尔可夫模型 214
12.2.3概率分布函数选择及状态划分 216
12.2.4不同月份状态转移概率 221
12.2.5状态重现期和历时月内分布特征 228
12.2.6干旱灾害特征分析 231
12.2.7枯水期预测 232
12.3本章 小结 236
第三篇 塔里木河流域非下稳性洪水时空演变特征研究
第13章 新疆塔里木河流域洪水变化特征、成因及影响研究 241
13.1数据和研究方法 241
13.1.1数据 241
13 .1.2研究方法 242
13.1.3POT采样阂值确定 245
13.2洪水变化时空分布特征 247
13.2.1洪水时间变化特征 247
13 .2.2不同时期洪水指标的趋势特征 249
13.2.3洪水发生量级和次数分析 251
13.3洪水变化成因及影响研究 254
13.4本章 小结 256
第14章 塔里木河流域洪水发生率变化特征及成因分析 258
14.1研究方法 258
14.1.1非参数洪水发生牢估计方法 258
14.1.2 Bootstrap技术确定置信区间 259
14.1.3泊松回归 260
14.2洪水发生率的变化特征 261
14.2.1POT抽样数据的初步分析 261
14.2.2洪水发生率的非平稳性特征 266
14.3洪水发生次数归因分析 270
14.3.1洪水发生次数与气候变化之间的关系 270
14.3.2非平稳性模型的预测效果 277
14.4本章 小结 279
第15章 塔里木河流域洪水发生的时间集聚性及成因研究 281
15.1研究方法 282
15.1.1Cox回归模型 282
15.1.2洪水发生次数的时间集聚性 285
15.2 POT抽样及模型适用性 286
15.2.1POT抽样研究 286
15.2.2Cox同归模型分析 287
15.3洪水发生率的时间分布特征 290
15.4洪水发生时间的超过概率 294
15.5洪水发生次数的集聚性特征 297
15.6本章 小结 299
参考文献 301

    章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    水资源是基础性自然资源，是生态环境关键控制性因素之一，同时也是战略性经济资源，是一个国家综合国力的有机组成部分。20 世纪70 年代以来，随着世界人口剧增，经济高速发展，优选用水量急剧增长，水污染日益严重。展望未来，水资源正日益影响着优选的环境与发展，甚至可能导致国家间出现神突。探讨21 世纪水资源的国家战略及其相关科学问题，是21 世纪优选共同关注和各国政府的重点议题之一CCouncil ， 2000; 钱正英和张光斗， 2001; 陈志惰， 2003;张利平等， 2009) 。当前以气温上升为显著特点的优选气候变化导致水循环加剧，从而使区域乃至优选范围内的水资源时空分布不均，特别气候水文事件发生频率增加，其中以旱涝灾害很为突出，人类社会正面临着区域乃至优选范围内日益频繁的旱涝灾害等气候水文极值事件的严重影响，以特别水灾害与气象灾害发生规律和机理为重大科学问题的优选变化研究己成为当今重大的科学前沿之一CEasterling et al. ， 2000; Milly and Wetherald， 2002; Pa1mer and R？is？nen，2002; Guetal 2017).
    干旱是一种很难理解、很难研究的自然灾害之一。干旱发展时间比洪水发展时间缓慢，干旱的影响是较长时间的累积过程，因此干旱的起止时间难以界定。干旱成因复杂，从其自身的发生发展来说，干早也是所有自然灾害中影响因素很为复杂、人类对其认识很少、监测和预警预测很为困难的自然灾害之一。干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。水文干旱通常是由降水和地表或地下水不平衡造成的异常水分短缺现象，水文干旱处于自然干旱发展的次级阶段，是气象干旱和农业干旱的延续和发展，是很终、很有效的干旱CP阻U 阻dShanna， 2002; 严登华等， 2014) 。在优选气候变化和人类活动的影响下，优选面临着严重的干旱问题， 1996~2004 年美国大范围干旱，平均每年的直接经济损失高达60 亿~80 亿美元(宋莉莉和王秀东， 2012) ， 2002 年澳大利亚70%的州都遭受了重度干旱，严重的干旱带来了巨大的经济损失CBo吐出ll ， 2003) ，欧洲分别在2002~2003 年、2005 年和2007~2008 年也发生了重度干旱(王劲松等， 2009) 。中国是季风很显著的国家之一，复杂多样的地形地貌和气候特征决定了中国水文干旱频发，因此中国是世界上典型的"气候脆弱区"之一。据统计，由不良天气引发的气象灾害占中国所有自然灾害的70% 以上(WiUri饨， 2000; 秦大河， 2016) 。中国干旱灾害发生频繁，且近几十年呈增加趋势。1949~2001 年，全国农业因旱灾受灾面积累计达1 1.33 亿时左右，因旱灾损失的粮食产量占各种自然灾害损失的粮食总量的50%以上，西北地区的旱灾成灾面积比例为62.6%，位列全国靠前(刘颖秋等， 2005). 21 世纪以来，我国干旱呈显著增加趋势， 2006 年重庆发生特别干旱， 2008~2009 年华北持续干旱， 2010 年西南五省发生百年一遇的特别干旱，耕地受旱面积达1.01 亿亩①，有2088 万人、1368 万头大牲畜因旱饮水困难(王莉萍， 2010) ，干旱对国家和社会经济的影响引起了靠前外学者的广泛关注。
    优选变暖也导致湿润区和干旱区特别降水强度增加、特别降水次数更频繁CIngram， 2016; Donat et a1.， 2016) ，特别降水强度增加的同时导致洪涝灾害等特别水文事件风险的概率增加C Winsemius et a1.， 2016). Wmsemius 等学者的研究表明，如果没有有效措施减少洪水带来的损失，至21 世纪末优选洪水造成的经济损失可能会比当前增加20 倍，且社会经济增长也进一步增加了洪水造成的损失C Donat et a1.， 2016; Winsemius et 址， 2016) 。在中国，洪水对国家经济和人民生命财产的威胁也随着优选气候变化变得更加严峻(陈晓宏等， 2010; 陈亚宁等，200的。持续进行水利工程等基础设施建设可以有效缓解洪水发的风险，国家在2011 年的中央一号文件中明确提出要加强农田水利工程，提高农业的抗旱防涝能力。基于传统频率分析方法计算的水利工程设计标准是确定水利工程建设规模及制定管理运行策略的重要依据。传统频率分析方法在研究洪峰序列时应满足平稳性要求。然而，在变化的环境下，由于洪峰序列出现了"突变"或"显著趋势"等特征(邓铭江， 2009) ，平稳性假设已经"死亡" (Sa1as， 1993: Millyet 乱，2008) 。这意味着采用传统频率分析设计的水利工程可能无法满足未来防洪的需求，因此人类将面临由变化环填带来的风险CMilly eta1.， 2008) 。叶长青等(2013a，2013b) 研究了珠江流域主要支流一一东江流域洪水风险的变化特征，发现基于传统频率分析方法得到的100a 一遇的洪水设计值均表现出其重现期由水利工程建设前的小于100a 一遇变化到2000 年后的太子400a 一遇，用水文情势发生变化前估计的洪水重现期不能很好地描述变化后洪水频率的特征。因此，构建适应变化环境下的非平稳性洪水频率分析模型及重现期评估方法是工程水文学领域关键的科学问题，具有重要的现实意义。
    降水是优选气候变暖响应很为重要的气候要素，也是优选水文循环、生态系统、地表物质和气象水文时空演变等过程中很活跃的要素，其决定一个地区的水分和热量状况，是气候分析、水资源评价和水文模型等计算研究中必不可少的输入参数C Zhang et a1.， 2011b: 刘俊峰等， 2011) 。因此，高空问分辨率降水数据对于了解区域降水时空分布特征具有重要意义(马金辉等， 2013) 。在实际降水观测中，由于雨量台站分布的空间不均匀性及山区雨量台站分布稀疏等特点，降水时空分布特征研究的难度呆不确定性有所增加〈赵传成等， 2011) ，在一些地处干旱半干旱区、地形复杂且雨量台站较为稀疏的区域，该问题更为突出。因此，对降水模式的模拟和遥感数据反演的研究越来越受到重视CWang et al 2009; YangetaL2009; 赵传成等， 2011 ).近年来，热带降雨测量任务Ctropica1 rainfa11 measuring mission， τ卫MM) 卫星数据在无资料地区获取了大量降水信息，在很大程度上弥补了地面降水数据观测的不足。然而， TRMM 空间分辨率为0.250X 0.250，属于低空间分辨率， TRMM 产品在区域尺度或流域尺度等方面的应用中存在较大。靠前外学者一直致力于研究地表参数的降尺度方法，即低空间分辨率变量与另一个高空间分辨率变量之间的对应关系，如土壤水分CAgam et al.， 2007; Merl旭etaL 2010b) 和地表祖度CMerlinet a1.， 2009， 2010a， 2010b) 等。而降水与植被状况呈明显的正相关关系(Ma1o and Nicholson， 1990; M缸也y et a1.， 2006;Nicholson et a1.， 1990; 孙艳玲等， 2010) ，因此构建降水与不同环境因子间的很优尺度下的很优相关关系是降水数据降尺度研究的关键问题(稽涛等， 2015) 。新疆地区地势复杂的站点空间分布少且不均，开展新疆TRMM 降水数据的研究，进一步解释新疆地区对气候变化的响应关系，为西北地区水资源合理利用和开发提供了一定的参考依据。
    塔里木河流域位于新疆南部塔里木盆地，在地域上包括塔里木盆地周边向中心聚流的阿克苏河水系、喀什噶尔河水系、叶尔羌问水系、和田间水系、开都河孔雀河水系、迪那坷水系、渭干、河-库车河水系、克里雅问小河水系和车尔臣柯小河水系共九大水系144 条河流和塔里木河干流。塔里木:可流域地处欧亚大陆腹地，降水很好稀少，蒸发强烈，水资源匮乏，生态环境脆弱，属于典型的干旱半干旱地区。塔里术河流域内的土地资源、光热资源和石油天然气资源十分丰富，是我国重要的棉花生产基地、石油化工基地和21 世纪能源战略接替区。目前，塔里木河流域仅剩下上游的和田河、叶尔羌河和阿克苏坷，以及中游的开都河-孔雀河4条源流流向干流供水，与塔里木河干流形成"四源一干"J6 四源一干"是新疆地区很重要的水源之一，是保障塔里木河流域绿洲经济、自然生态和各族人民生活的生命线，被誉为"生命之阿飞塔里木河流域历目前形成的天然绿洲是阻挡塔克拉玛干沙漠风沙侵袭、保护人类生存环境的天然屏障。
    但是，随着流域内工农业生产的发展和人口的不断增加，人类活动日益加剧，培里木洞流域水资源供需和生态环境发生重大变化，特别是20 世纪70 年代起塔里术河干流下游曾有30 年断流，生态环境恶化，干旱发生频繁。干旱是塔里木河流域农业很普遍、很主要的一种自然灾害，对塔里木河流域经济建设、人民生活，特别是对农业生产具有危害。流域内农业是典型的灌溉农业区，"荒漠绿洲、灌溉农业"是该区域的显著特点。塔里木河流域是很为复杂、问题和矛盾很为突出的河流之一，流域所在的南疆地区是一个幅员辽阔、环境问题严峻、生态系统脆弱、经济发展滞后、贫困面大的地区，长期以来大规模的水土开发导致源流和干流、绿洲经济系统与荒漠生态系统水资源配置失衡。据统计(温克刚和史玉光， 2006;新疆维吾尔自治区地方志编篡委员会， 2002)， 1978~2007 年，新疆旱灾平均受灾面积和平均成灾面积分别为27.76 万hm2 和13.28 万hd，而2000~2007 年的旱灾平均受灾面积和平均成灾面积分别为36.06 万时和26.6 万时，旱灾发生的范围和成灾面积呈逐年增加的趋势，塔里术河流域经济、社会可持续发展己受到干旱灾害的严重制约。
    对于台风、洪涝等自然灾害来说，人们总觉得防风、防涝比防旱重要，但是与其他自然灾害相比，旱灾覆盖范围大、危及行业广、涉及人员多、持续时间长，造成的严重后果是台风、洪涝所无法比拟的，干旱始终困扰着我国经济、社会，特别是农业生产的发展。2008 年发生的优选粮食危机造成多个国家政局动荡，让我们认识到粮食安全的重要性。我国是一个人口大国，粮食问题始终是关系国家安全、社会稳定的重大战略问题，而旱灾造成的粮食损失占到全部自然灾害粮食损失的一半以上。因此，旱灾成为影响我国粮食安全与社会安全的重要因素。塔里木河流域的干旱影响范围广、持续时间长，新疆作为重要的商品粮基地之一和后备土地资源，其粮食生产情况直接影响到国家的粮食安全问题。
    大量研究证明，西北地区及塔里木河流域的气候有转向暖湿的强劲信号(施雅风等， 2002， 2003)，塔里木、河流域气握在1987 年呈跳跃性增长，温度增加趋势显著，加速了山区冰雪资据的消融，加大了冰雪融水对径流量的补给(陈亚宁和徐宗学， 2004; 陈忠升等， 2011) 。但是，塔里木河流域内各子流域的降水、气温和径流的年内变化并不一致，塔里木、河流域各子流域径流量的补给类型不同，冰雪融水和山区降水是径流量的主要补给来源(韩萍等， 2005; 邓铭江， 2009)，降水和气温的增加一方面增加了区域的降水量，但是气温增加也相应地引起蒸发量的增加(黄领梅等， 2002) ，蒸发量如果远高于降水量，则地表变干，从而干旱发生。因此，塔里木洞流域蒸发、降水、温度和出山口径流变化对塔里木河流域干旱时壁演变的综合影响，需要进一步展开月尺度的研究。培里木问流域的农业类型是典型的灌溉农业和绿洲农业，"荒漠绿洲、灌溉农业"是该区域的显著特点，因此对塔里木河流域干旱的研究，并不能仅依靠气象干旱来揭示塔里术洞流域的干旱情况，必须将气象干旱和水文干旱结合起来来分析塔里木河流域的干旱特征。除了对干旱的时空演变特征进行分析之外，预测某一特定干旱出现的时间及可能带来的影响对于干早早期预警和抗旱部门提出合适的应对措施是很好重要