辽阳市干旱状况评估_贾铭洋.pdf

164 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）辽阳市干旱状况评估贾铭洋（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000）摘 要：以辽阳市 7 个地面观测站 1987-2020 年实测降水数据为基础，从时空尺度上科学评估 PERSIANN-CDR 的降水反演性能，从干旱事件的空间分布特征、覆盖面积、发生时间、发生强度和发生次数等方面，采用标准化降水指数评估卫星产品的干旱辨识性能。结果表明：PERSIANN-CDR 卫星数据能够较好地估算和反演市域尺度的面雨量及其演变规律，对干旱识别、时空特征反演以及强度估算具有较好可行性和可靠度，但随干旱事件时间的增大则其辨识能力逐渐减小，该卫星数据对辽阳市干旱覆盖面积和强度的评估较为严峻。关键词：干旱状况；降水指数；反演性能；卫星数据；辽阳市中图分类号：P426.616文献标识码：B1 研究区概况辽阳市地处E122 35123 40，N40 4241 36之间，境内地貌类型齐全，地貌分区规整，总面积4744km2。自西北部至东南部，地势从低到高，从平原、台地、低丘陵、高丘陵、低山到中山。该地区属于湿润、半湿润季风气候，69月降水集中，受地质构造条件、气候特征和地形地貌的影响，辽阳市水旱灾害频发，所以精准预警、监测和评估辽阳市干旱状况就显得非常重要。然而，输入降水数据的连续性和长期性直接决定着干旱预报、监测结果的可靠性，WMO 曾提出研究气候的历史数据不宜少于 30a，而现有卫生观测产品大部分都无法达到该期限要求。PERSIANN-CDR 卫星降水数据产品的时间分辨率为 3h，空间分辨率、空间覆盖范围能够达到 0.250.25 和60 S-60 N，其数据格点可以准确反映区域时空降水分布，30 多年的数据集能够反演不同时间尺度的降水演变规律，为气候研究提供必要的数据支持1-3。目前，有学者检验分析了 PERSIANN-CDR产品的评估精度，对市域干旱演变特征利用长序列资料进行估算的研究还鲜有报道。因此，文章依据辽阳市7个地面观测站1987-2020年实测降水数据，研究了 PERSIANN-CDR 产品对预测评估市域尺度干旱情势的可行性和可靠性，旨在为中国干旱预报及监测提供一定技术支持。2 研究方法2.1 数据来源研究所用辽阳市 7 个地面观测站 1987-2020 年实测降水数据来源于省气候中心，PERSIANN-CDR卫星反演降水产品空间分辨率为 0.250.25，时间分辨率 3h，从 NOAA 网站下载。2.2 评估方法1）评价指标。采用平均绝对误差 eMAE、相对偏差 eBIAS、均方根误差 eRMSE以及皮尔森线性相关系数 eCC四个统计量，定量评价地面气象站观测资料与 PERSIANN-CDR 降水产品的差异4-6。2）标准化降水指数 SSPI。该指标反映了特定时段内发生降水量概率的多少，则某时段降水量 x 的概率密度函数可以表示成7：/1)(1)(xexxf=（1）文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期2022-05-06作者简介贾铭洋（1 9 8 3-），男，辽宁辽阳人，高级工程师，研究方向为水文水资源等。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.045 165 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）式中：、为形状和尺度参数，0、0，一般利用极大似然估计法来确定。依据某一年降水量x0可以利用下式确定随机变量 x x0的概率，即：（2）采用nmxF/)0(=表示降水量0的概率，m、n 代表降水量 0 的样本数和总样本数。采用标准化正态分布函数和公式（2）求解的概率值相结合，则有：（3）式中：Z 为标准化降水指数值，将公式（3）按数值积分的方式进行近似运算，可以转化成如下形式，即：（4）（5）式中：S 为概率密度政正负系数。将干旱等级按照标准化降水指标指引手册划分成极涝、重涝、中涝、正常、中旱、重旱和极旱7 个等级，所对应的 SSPI取值范围依次为 2.00、1.501.99、1.001.49、-0.990.66、-1.00-1.49、-1.50-1.99、-2.00。3）干旱评价指标。干旱站次比 Pj和干旱强度Sij的计算公式如下8：%100)/(=MmPjj （6）=miSPIijiSmS11 （7）式中：M、m、mj为总气象站数、发生干旱的站数和第 j 年发生干旱的站数；Sij为发生干旱时 i 站的SSPI绝对值，当 Sij 0.5、0.5 Sij 1.0、1.0 Sij 1.5、Sij 1.0 时则代表干旱强度不明显、轻度、中度和重度干旱9。依据 Pj可以反映发生干旱的范围，Pj值越大则干旱的覆盖范围就越大。3 结果分析3.1 精度评估本研究利用泰森多边形法估算地面观测站点的面雨量序列，运用网格平均法来直接获取卫星降水估算的面雨量，日尺度实测面雨量与PERSIANN-CDR的相关系数eCC只有0.52，两者的一致性较低；然而，均方根系数eRMSE、平均绝对误差eMAE和相对偏差eBIAS均较小，所对应的数值依次为5.01mm/d、2.55mm/d和5.32%，这表明在量级上对日降水该卫星产品的平均估算性能较好，但波动一致性不够明显。从月尺度上，降水估算的均方根系数eRMSE和平均绝对误差eMAE因月降水量基数大而有所增加达到20.75mm/d、12.68mm/mm，其相对偏差eBIAS略有减小为5.10%，而相关系数明显增大到0.96，这说明在一致性和量级上对于市域月降水量估算该卫星产品的反演性能均表现良好。另外，通过对比相对偏差值和散点图发现，在强降水事件上PERSIANN-CDR卫星表现出低估倾向(在45线以下的分布点降水量较大)，而对市域降水总量则表现为高估(相对偏差eBIAS正值)。通过反距离加权法确定市域范围内年均降水量的空间分布特征，结果显示在空间分布上地面观测站与卫星降水数据的面雨量估算结果非常接近，均呈现出北少南多的特征，特别是年降水量低于900mm 的区域，地面观测的结果与卫星估算分布范围高度一致，降水量级在 9001000 时差异性较明显，表明对强降水卫星具有一定的低估10。鉴于辽阳市的强降水多发生在 69 月(夏季)，通过对比分析该地区夏季降水情况发现，除大值区外基于地面观测数据的空间分布与基于卫星观测数据的降雨分布基本一致。因此，研究认为除少数极端降水外卫星对其余量级降水事件，其捕捉性能、稳定性能和估算精度均比较可靠，在时间与空间上卫星观测数据的反演性能均比较好。从地形的角度上，空间分布一致性较好的地区为中部平原区，而东南部、南部等以丘陵和山区为主要地貌的地区分布一致性较差，说明地形会在一定程度上影响 PERSIANN-CDR 产品的观测精度，其对平原区降水的估算精度要高于山区、丘陵区。为检验降水空间分布特征受卫星估算误差的影响，从空间上比较两种降水数据的均方根误差eRMSE、相关系数 eCC在不同时间尺度下的分布，结果发现日尺度上地面观测值与卫星产品降水观测数据的相关性较差，最高和最低日相关系数只有0.44、0.26，从空间上呈现出自西北向东南递增的趋势；在月尺度上两者具有较好的相关性，月相关系数大部分都 0.85；在空间分布上月相关系数未表现出明显的规律性，整体呈西部低、东部高的特点。在 166 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）市域范围内日尺度、月尺度的均方根误差 eRMSE分布情况相近，而相关系数 eCC相反；西南、东南部区域的均方根误差较大，而北部误差较小。通过对比分析可知，在空间分布上降水与误差的一致性较好11-13。从西北向东南降水量呈递增趋势，均方根误差大的区域所对应的降水量级别也相对较大，且存在较高的相关系数；均方根误差小的地区所对应的降水量也较小，而具有较小的相关系数。因此，对于强降雨事件降水产品的估算精度较低(eRMSE值高)，但具有较好的捕捉性能(eCC值高)；对于弱降雨事件降水产品的估算精度相对较高，但捕捉性能较差。综合考虑地形条件影响，在平原区降水产品的均方根误差 eRMSE、相关系数 eCC均达到平均水平，这表明降水估算在平原区比较稳定，而估算误差多集中于丘陵区和山区。综上分析，虽然对日尺度降水估算PERSIANN-CDR降水产品存在较大误差，但对月及以上尺度具有较好的估算性能，可以准确地反映辽阳市的降水时空分布情况。估算误差大都发生在丘陵区、山区等地形条件复杂的地区和少数极端降水事件上，对于月尺度干旱情势分析PERSIANN-CRD降水产品具有较好适用性与可行性。3.2 干旱事件时间序列特征地面观测数据和 PERSIANN-CDR 资料的 SSPI值，如图 1 所示。结果显示，在波动特征上两种数据源的 SSPI序列保持较好一致性(eRMSE 0.35、eCC 0.94)。研究时段内发生的所有干旱事件(SSPI-1)均能被 PERSIANN-CDR 的 SSPI序列所捕捉，可以较好地反映区域干旱程度和持续时间。因此，PERSIANN-CDR 降水产品具有较强的干旱事件反演能力，可准确地反映区域干湿变化状况。-3.00-2.00-1.000.001.002.003.0019891990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020年份GAUGEPERSIANN-CDRSSPIeRMSE=0.3015；eCC=0.9581图 1 不同时间尺度干湿特征实际上，长时间尺度的干旱会产生更加严重的影响，有必要利用 SSPI长序列计算各年的干旱站次比 Pj和干旱强度 Sij。结果发现，地面测算的干旱范围、强度与 PERSIANN-CDR 评估结果的一致性较好，两者 Pj与 Sij序列相关系数为 0.928、0.851。通过对比可知，PERSIANN-CDR 对干旱强度和干旱站次比的估算较高，干旱强度波幅也更加明显，这说明观测到的干旱范围更广，评估的干旱程度较为严峻。3.3 干旱事件空间分布特征对不同时间尺度下的干旱空间分布情况利用反距离加权插值法进行计算，结果发现随着时间尺度的增加地面气象站点与 PERSIANN-CDR 卫星格点间的 SSPI值的相关关系逐渐减小，相关关系从高到底依次为 SSPI-3 SSPI-6 SSPI-12尺度，不同时间尺度上 eRMSE指标与 eCC值的变化趋势基本一致。总体而言，在东部部分地区卫星产品的干旱反演性能最差(eRMSE1.0、eCC0.6)，其次为南部(eRMSE1.0、eCC=0.70.8)，西部最优(eRMSE 0.9、eCC 0.8)，这从侧面也体现了估算精度受地形条件的影响。从 PERSIANN-CDR 卫 星 格 点 尺 度 上 评 估其 干 旱 反 演 能 力，对 比 分 析 1989-2020 年 间PERSIANN-CDR 格点与地面对应站点出现干旱事件的月数。结果显示，在空间匹配过程中若有 2 个及以上雨量站分布于同一卫星网格内，则该网格对应地面观测站的干旱月数就取该网格所有雨量站干旱月数的平均值，若没有雨量站覆盖则该网格布参与计算。对比发现，地面观测站总体上与PERSIANN-CDR 具有良好一致性，大多数格点的月数差 5。干旱月数差异性随着干旱时间尺度的增加有所增大，不一致覆盖范围也逐渐扩大。其中，SSPI-3尺度干旱 PERSIANN-CDR 格点与地面对应站点的匹配度最高，略高估干旱的月数仅发生在局部地区；SSPI-6尺度下则表现出干旱低估，并且低估范围集中于西部、南部地区；SSPI-12尺度下具有显著的干旱月数差异，高估现象主要位于北部、中部地区，低估现象集中于西部和南部。所以，对 3 个月尺度干旱事件的识别卫星产品的格点尺度具有较好的可靠度，但是对长时间尺度干旱事件的诊断卫星产品的格点尺度优势下降。167 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）4 结 论1）研 究 认 为，对 辽 阳 市 月 降 水 估 算PERSIANN-CDR 降水产品具有较好的性能，可以准确地描述区域降水时空分布情况，估算误差集中分布于丘陵区、山区等地形复杂的地区和个别极端降水事件上。2）采用标准化降水指数评估了辽阳市干旱特征诊断降水产品的适用性，结果发现该产品可以准确地反演出干旱事件的覆盖范围、发生程度和持续时间，有效地识别干旱情势，但对干旱事件覆盖范围及其发生强度会存在一定的高估；随着干旱事件时间尺度的增大 PERSIANN-CDR 降水产品的可靠性下降，特别是在卫星格点尺度上表现更加明显。3）辽阳市干旱特征辨识可以选用该产品作为降水输入数据，并且对诊断段时间干旱事件的性能相对更优。参考文献：1 成璐，沈润平，师春香，等，CMORPH 和 TRMM3B42降水估计产品的评估检验 J气象，2014(11)：1372-13792 孟现勇，王浩，雷晓辉，等基于 CMDAS 驱动 SWAT 模式的精博河流域水文相关分量模拟、验证及分析 J生态学报，2017，37(21)：7114-71273 程开宇，张磊磊，康颖，等.多源卫星降水数据在瓯江流域的适用性分析 J水电能源科学，2016，34(12)：15-194 郑嵛珍，李欢，李景保，等环境变化下荆南三口河系水文干旱演变特征及归因分析 J冰川冻土，2019，41(04)：945-9575 黄荣辉，蔡榕硕，陈际龙，等我国旱涝气候灾害的年代际变化及其与东亚气候系统变化的关系 J 大气科学，2006，30(05)：731-7436 杨娜，段凯，刘梅，等淮河流域气象干旱风险的区域特征分析 J干旱区资源与环境，2017，31(11)：188-1937 顾万龙，王纪军，朱业玉，等淮河流域降水量年内分配变化规律分析 J长江流域资源与环境，2010，19(04)：426-4318 唐伍斌广西秋冬季旱涝的时空分布特征及同期环流分析 J气象，2009，35(01)：108-1139 李宇中，黎伟标广西秋季异常干旱的气候背景及其成因 J自然灾害学报，2008，17(05)：101-10710 张凌云，李宜爽，袁马强，等近 54 年柳州干旱的时空特征分析 J气象研究与应用，2015，36(03)：26-29，3311 李国庆.北票市旱情评价与减灾对策研究 J.黑龙江水利科技，2019,47(05)：5-8，60.12 宋晓光，杨和玉.阜新地区旱情演变规律及应对策略 J.水土保持应用技术，2013(02)：47-49.13 张海峰，刘浩.朝阳市旱情、雨情分析及抗旱对策探讨 J.水土保持应用技术，2019(01)：44-45.运行的设计意图。5 结 论综上所述，对于倒虹吸水工结构物而言，在预应力筋张拉设计时，不应只考虑结构运行安全，还必须充分考虑结构物在预应力张拉施工期间因张拉次序不合理而产生过大的拉压应力，引发结构混凝土开裂和破坏，对预应力控制展开优化设计。倒虹吸结构物顶底板、竖墙等处预应力筋张拉对结构混凝土应力分布存在不同程度的影响，影响程度及具体位置主要与预应力筋走向及设计预应力值的大小有关。分析结果表明，拉应力最大值主要集中在中墙和顶底板角缘及边墙角缘等处，几乎涵盖了所有墙-板连接节点，说明预应力张拉施工过程引发倒虹吸结构墙-板连接处破坏的可能性较大，必须引起重视。参考文献：1 宋奎，宫必宁，郑人逢，等.预应力张拉顺序对倒虹吸结构应力场分布的影响 J.水电能源科学，2022，40(09):158-161.2 劳沈回.倒虹吸管结构安全复核与过流能力计算分析 J.吉林水利，2022(08):50-54.3 齐锐，王志国，田鹏伟，等.倒虹吸进水口过渡段内流速横向分布试验研究 J.人民黄河，2022，44(05):132-135.4 张炜超，孙昱，郭安宁，等.大型倒虹吸进口渐变段结构三维动力响应分析J.人民长江，2019，50(S2):114-118，166.（上接第 101 页）