变化环境下非一致性干旱频率计算方法研究

由于全球气候变暖和大规模人类活动等变化环境的影响，改变了干旱的物理成因和统计分布规律，造成干旱频率增加、重现期缩小，使得用于抗旱规划和干旱风险评估的干旱序列失去了一致性。针对中国及各省行政区域和地理区域（简称中国区域），以及无定河流域出现的非一致性干旱问题，采用水文变异诊断系统对干旱序列进行变异分析，以揭示干旱时空变异规律及其物理成因；从统计途径提出基于小波分析的非一致性干旱频率计算方法，以推求中国区域不同时期变化环境下的干旱频率分布规律；采用考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型（WHMLUCC）模拟无定河流域干旱的发生发展过程，从成因途径提出基于WHMLUCC模型的干旱频率计算方法，以推求无定河流域不同时期变化环境下的干旱频率分布规律，并定量分析气候变化和人类活动的干旱效应。其研究成果不仅对变化环境下的水文分析与计算研究具有理论意义，而且对于抗旱规划和干旱灾害风险评估等具有实际应用价值。

由于全球气候变暖和大规模人类活动等变化环境的影响，改变了干旱的物理成因和统计分布规律，使得用于抗旱规划和干旱风险评估的干旱序列失去了一致性。尽管目前已经认识到我国干旱发生的频率和强度都在逐渐增加，但干旱指数在何种时空尺度上发生了变异，其变异形式和变异程度如何？如何模拟气候变化和下垫面变化引起的干旱变化过程？如何推求适应变化环境的干旱频率分布？这些问题目前还缺乏系统性的研究。本项目提出了基于Hurst系数与Bartels检验的水文变异联合分析方法，可解决水文序列所有变异成分（趋势、跳跃、周期、相依、纯随机）的整体变异程度识别问题；提出了基于相关系数的水文趋势变异分级方法，可解决水文序列具体变异形式之一趋势的变异程度分级问题；采用水文变异诊断系统对黔渝区域的标准化降水指数SPI进行了变异分析，揭示其时间尺度变异规律：春季和秋季SPI序列变异为跳跃向下，说明这些站点变得越来越干旱；进一步揭示其空间尺度变异规律：黔渝区域年尺度SPI空间变异不明显，而春季和秋季以及4月、5月、9月的SPI序列在整个空间上变异明显，且大多是跳跃向下的变异，说明黔渝区域这些时期变得更加干旱。结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型WHMLUCC，提出了基于WHMLUCC模型的非一致性干旱频率计算方法，以无定河流域为例，采用作物缺水指标(CWSI) 和Palmer干旱指数模拟了干旱的发展过程，通过推求不同时期（或情景）变化环境下的干旱频率分布规律，进一步结合干旱等级标准推求不同等级（无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱）干旱事件出现的概率，结果表明在过去气候条件下土地利用面积的变化对干旱影响明显，而在现状气候条件下土地利用面积的变化对干旱的影响较弱；同频率同重现期下，过去远期、过去近期和现状时期的作物缺水指标呈增加趋势，中旱等级以上干旱事件的概率也有所增加，说明无定河农业干旱程度逐渐加重。基于非一致性水文频率计算原理，提出了基于小波分析的干旱频率计算方法，并分析了贵州省威宁站的干旱频率分布规律：在过去条件下发生特旱的概率仅为0.5%，而现状条件下发生特旱的概率达到了7.5%，其干旱发生的等级、频率均发生了显著的变化，使得威宁地区未来的抗旱形势变得更加严峻。上述研究成果不仅对变化环境下的水文分析与计算研究具有重要的理论意义，而且对于区域和流域的抗旱规划和干旱灾害风险评估等具有重要的现实意义和实际应用价值。