基于SPEI的内蒙古东部干旱诊断与预测.pdf

第 卷第 期 年 月环境生态学 基于 的内蒙古东部干旱诊断与预测赵紫竹张宝林潘丽杰牛潘婷郭建鹏(.内蒙古师范大学 化学与环境科学学院内蒙古 呼和浩特.内蒙古节水农业工程研究中心内蒙古 呼和浩特.内蒙古自治区环境化学重点实验室内蒙古 呼和浩特)收稿日期:基金项目:内蒙古自然科学基金项目()内蒙古师范大学基本科研业务费专项资金()资助作者简介:赵紫竹()女陕西榆林人硕士生主要从事环境遥感研究通讯作者:张宝林:.摘要:在气候变化背景下开展粮食主产区干旱演变特征分析及预测研究具有重要意义 基于 年标准化降水蒸散指数()对内蒙古东部 个气象站点进行凝聚聚类和 突变检验()并利用()和()对不同时间尺度 进行预测 结果表明:研究区以阿尔山索伦扎赉特旗一线为界分为南、北部旱区 近 年干旱变化可分为 阶段:世纪 年代以前南北部旱情较为一致且旱情较轻 世纪 年代到 世纪南北部旱情不同南部出现了连旱 世纪后南北部旱情变化较为一致区域干旱频率增加、旱情加重 近 年南部在春、夏、秋季有变干趋势夏、秋季最为显著北部在春、夏和秋季变干趋势较为一致冬季则向湿润发展 在干旱预测中 和 模型精度随时间尺度的增加而提高 模型优于 模型 可以作为单一特征区域长期干旱预测的有效方法为制定防旱、抗旱、治旱对策提供科学依据以期减少因旱灾造成的损失关键词:内蒙古东部聚类分析干旱中图分类号:文献标识码:文章编号:().(.).().:.().:.().:在气候变化背景下干旱区的扩大和干旱化的加剧对灾害风险管理发起了严重的挑战成为全球关注的问题 干旱发展缓慢 特征不易量化 因此干旱的定量化研究有助于了解干旱的时空特征提高干旱监测和预报能力制定干旱管理和应对策略对防旱、抗旱具有重要意义干旱类型可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱等 持续、不正常的干燥天气会引环 境 生 态 学第 期发气象干旱干旱程度可以用干旱指数进行定量评价如降水量、标准化降水蒸散指数()、帕尔默 干 旱 指 数()、标准化降水指数()和综合气象干旱指数()等 综合了降水和温度因素通过气候水平衡与平均状态的偏离程度对干旱进行表征既考虑了干旱对潜在蒸散发的敏感性又考虑了多时间尺度的干旱评估方法具有极强的适用性和独到的优势在中国也得到广泛的应用关于干旱预测的模型很多 如灰色预测模型、()、人工神经网络()、支持向量机()、循环神经网络()、长短时记忆神经网络()、深度置信网络()以及模型整合等 杨慧荣等将 实际值与预测值进行对比认为 模型的预测精度优于 模型 具有短期记忆功能但随着时间间隔的增大存在梯度消失和爆炸问题 是 的变体通过输入门、遗忘门和输出门来确定信息的丢弃、更新和输出但可能会出现训练不稳定性、梯度消失的现象 利用卷积神经网络()可提取特征向量形成时序序列再输入 构造 模型可提高短期预测精度 模型在多因素、非线性序列预测中表现良好 例如大豆生长发育受气候、环境等多种因素影响在产量预测中 模型预测性能优于 和 内蒙古东部是中国重要的农牧业区干旱是对区域生态环境和社会发展影响最大的自然灾害之一且干旱呈现加重趋势 基于 研究内蒙古东部干旱演变的时空特征利用 和 模型进行干旱的预测与评价明确干旱历史演变规律及未来干旱发生的可能性为御旱、抗旱工作提供科学依据 数据与方法 研究区概况内蒙古东部包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市(图)国土总面积约为 气候类型主要为寒温带和中温带大陆性季风气候年均气温 年均降水量 图 气象站点分布及基于 的凝聚层次聚类.数据来源数据来源于中国气象数据网(:/./)剔除缺失数据严重的站点选取 个气象站点 年的月值气象数据(温度、降水量等)计算 研究方法 计算 通过气候水平衡与平均状态的偏离程度表征干旱 首先计算潜在蒸散发值()基于月降水量与 的差值建立水分盈/亏累计序列经标准正态分布转换得到:()/()()()()()/()()式中 为概率加权矩()为 概率分布累积函数 为标准化分布函数常数项 年赵紫竹等:基于 的内蒙古东部干旱诊断与预测 为尺度参数 为形状参数 为位置参数可通过线性矩的方法拟合获得 当 时()时()符号逆转计算、个月时间尺度的 得到、和 用、月和次年 月的 分别评价春季、夏季、秋季和冬季的干旱状况用 评价年际干旱变化 利用 计算 依据国家气象干旱等级标准(/)对干旱进行表征:无旱 轻旱 中旱 重旱 特旱 聚类分析由于 涉 及 气 象 站 点 较 多 基 于 个 站 点 年 进行凝聚层次聚类减少研究对象数量 采用 最小方差法计算样本间距 离 对 年 个 气 象 站 点 的 相似性进行层次聚类分析分类探讨干旱变化趋势 检验采用()检验法对季节性 变化进行分析 检验法不要求样本必须遵循某种形式的分布可避免少数异常值的干扰 模型构建利用 模型采用局部连接和共享权值方法交替使用卷积层和池化层自动提取有效特征向量 是 的延伸在隐藏模块中增加了遗忘门、输入门和输出门(图)遗忘门决定被保留或被遗忘的信息输入门用于更新单元格状态并决定需要更新哪些值输出门是一个过滤器根据单元格状态选择输出部分图 模型结构.图 结构图.多用于图像特征提取而 则用于处理时序数据 在 隐藏层之前加入卷积层和池化层(图)构造 模型 模型评价选用平均绝对误差()、均方根误差()和决定系数()对模型进行评价 评价指标计算方法如下:/()/()()()()/()()式中为在时间 处的观测值 为在时间 处的预测值即 值 为真实观测值的平均值 为时间 为样本数 结果与分析 内蒙古东部地区气象干旱的年尺度评价对研究区 进行凝聚层次聚类发现内蒙环 境 生 态 学第 期古东部 个气象站点可以分为 个簇(图)通过对 个簇站点的空间分析以阿尔山索伦扎赉特旗一线为界将所有站点分为北部旱区和南部旱区(图)北部旱区包括呼伦贝尔市和兴安盟北部南部旱区包括通辽市、赤峰市和兴安盟中南部图 内蒙古东部 凝聚层次聚类.分区域计算年和季节尺度 根据干旱等级划分标准南部区域干旱频率为 高于北部的 区均以中旱和轻旱频率占比 表 内蒙古东部不同区域的干旱频率分析 区域频率/特旱重旱中旱轻旱干旱频率/南部 北部 较大(表)世纪 年代以前南北部 变化趋势较为一致但南部 变化幅度大于北部干旱发生的年份较少(年和 年中旱)且干旱主要发生在南部 世纪 年代到 世纪发生的多为轻度干旱出现了南、北部旱情不一致现象南部在 年、年出现了连旱北部发生了多年轻旱 进入 世纪以后旱情变化较为一致区域干旱频率增加、旱情加重 世纪初出现了连旱 出现了特旱(图)图 年内蒙古东部不同区域 的变化.年赵紫竹等:基于 的内蒙古东部干旱诊断与预测 内蒙古东部季节性干旱评价根据内蒙古东部 个站点的干旱分区(图)分别计算 均值分析 年季节干旱特征(图)()南部春季()北部春季()南部夏季()北部夏季()南部秋季()北部秋季()南部冬季()北部冬季图 内蒙古东部季节 的 突变检验.年南部 值增大春季呈湿润化趋势并在 年达到 显著性水平年 发生突变后春季呈干旱化趋势 年以前北部春季 值呈上升趋势突变发生在 年 年后 值呈下降趋势北部趋向干旱化并在 年达到 的显著性水平 南、北部春季均出现过湿润干旱的变化过程且北部干旱化的发生早于南部(图)近 余年南、北部 值夏季变化规律较为一致(图)南部夏季 值大致呈降低升高降低的变化趋势即气候呈干旱湿润干旱的变化过程 年 发生突变后 值呈下降趋势表明南部夏季向干旱化方向发展并于 年后呈现显著干旱化趋势(为显著性水平)北部夏季 值也基本呈降低升高降低变化趋势气候呈干旱湿润干旱的变化趋势 世纪 年代北部 值显著降低 年发生突变后 值呈降低趋势 年显著降低(环 境 生 态 学第 期)说明出现了明显的夏季干旱过程南部秋季 值呈现降低升高降低变化趋势且在 年发生突变后下降趋势明显 年秋季干旱化趋势显著 北部秋季 在 年前基本呈上升趋势此后出现下降趋势且在 年达到的显著性水平此后干旱趋势有所缓解 近 余年南、北部秋季 变化规律较为一致(图)年南部冬季 的 值波动相对较小表明冬季干湿变化趋势不明显 北部冬季 值呈波动上升趋势 年发生突变 年后湿润化趋势显著(图)基于 干旱预测 模型优化()模型优化:利用 进行、和 拟合建模对输入数据进行归一化处理()使用 优化器选择 函数作为激活函数搭建 网络 设置迭代次数为 隐藏层数量为 时 值最低(图)经过交叉验证将 的数据作为训练集的数据作为测试集 预测值与 真实值吻合程度较高不同时间尺度的 模型预测的评价结果如图 所示()隐藏层数对比()训练次数对比 注:图中圆圈为异常值图 模型参数设置.()模型优化:通过反复测试设置卷积核个数为 个()迭代次数为 选择最大池化和最佳卷积核尺寸完成模型构建(图)当池化层中卷积核大小为 时最大为 交叉验证中的数据作为训练集的数据作为测试集()训练次数对比()池化层对比图 模型的参数设置.通过对不同时间尺度的 模型预测结果进行评价发现 个区域的 模型在 个月尺度的预测精度最高南部模型的 北部模型的 随着时间尺度的增加增大预测精度提高说明 模型的预测精度与时间尺度 表 不同时间尺度 与 模型评价 模型区域评价指标 南部 北部 南部 北部 年赵紫竹等:基于 的内蒙古东部干旱诊断与预测密切相关 模型比 模型的预测精度高、个时间尺度 模型的预测精度优于 模型(表)结果表明 可较高精度地预测 单一特征的变化情况比 模型的预测效果好适用于单一特征的气象干旱预测 基于 模型的旱情预测时间尺度为 个月的 预测表明 年内蒙古东部气候将会介于正常和湿润之间旱情影响较小 基于 模型对 进行预测表明测试真实值与预测值重合较好(图)南部预测 年 北部预测 年(表)结合干旱等级划分 年内蒙古东部属无旱年份图 年尺度 预测.表 不同区域 年的 预测 站点 年真实值 年预测值 年预测值南部 北部 基于 长时间序列数据表明内蒙古东部由湿润向干旱转变(图)真实值与预测图 个月尺度的 和 年 预测.值拟合模型 大于 预测 年南部 北部 (表)根据干旱等级划分可知 年内蒙古东部为无旱年份 基于 干旱状况预测与 的预测结果相同说明 的预测相对可靠可为政府提供有效的信息表 不同区域 和 年的 预测 站点 年真实值 年预测值 年预测值南部 北部 讨论内蒙古是干旱受灾严重的区域之一 与历史旱情相比本研究表明 可较好地表征内蒙古东部旱情的变化 且与 适用性研究相一致 反映了典型的干旱年份如、年等 东北地区干旱频率的增加与降水减少和气温升高密切相关而近 年东北地区水资源呈减少趋势夏季异常的高温少雨使旱情加重(如 年)干旱的发生也与地理位置有关在内蒙古东部海洋气团已成强弩之末东南季风难以到达 文献的研究表明东亚地区 降水量是由东亚季风决定的东亚夏季风于 年经历了一次突变这与本研究区北部干旱频率开始增加的时间一致 此外干旱少雨背景下出现环流异常也会造成异常干旱(如 年春季到初夏)年呼伦贝尔的干旱研究表明只考虑降水的气象干旱指数无法反映高温等其他气象条件的影响综合气象干旱指数与监测结果差异较大 有研究认为干旱发生时蒸散量还可能被低估可能引发骤旱、热浪和农业减产 因此在气候变暖背景下忽略了蒸发的干旱指数不适合内蒙古东部地区 则适用性较好内蒙古东部可分为春旱区和春夏旱区 本研究表明研究区夏、秋季干旱化趋势明显其次是春季而冬季有湿润化趋势 文献 的研究指出该区域 变化对干旱的响应表明夏旱较为严重夏季干旱显著加重秋季次之这与本研究结论基本一致 此外研究表明东北地区干旱持续的时间由过去以短时段为主发展成为春夏连旱、夏环 境 生 态 学第 期秋连旱如 年的春夏连旱在气候变暖背景下我国干旱面积增加东北大部分地区成为干旱异常区干旱面积呈显著增加趋势 的应用表明内蒙古东部的干旱化趋势也较为显著 进入 世纪以后研究区南、北部旱情变化较为一致区域干旱频率增加、旱情加重甚至出现了连旱这一结论得到了众多研究的支持 年东北地区旱灾发生频率增加几次严重干旱事件都发生在 年以后连年干旱造成的影响越来越深远与本研究的结论具用高度一致性 年气候干湿状况的研究表明内蒙古东部兴安盟和呼伦贝尔持续变干赤峰表现为干旱湿润干旱交替变化趋势 呼伦贝尔市干燥度也呈增加趋势 年 表明呼伦贝尔市呈现不显著的干旱化趋势干旱频率为进入 世纪后极端干旱发生频率增加明显 谢岷等研究认为赤峰、通辽南部干旱频发旱灾加重趋势明显而呼伦贝尔、兴安盟地区呈现变湿趋势与本研究的结论不完全一致 也有研究表明近 年内蒙古干旱程度有所缓解与本研究结论不一致可能是研究的时间尺度不同造成的研究表明 模型能够较为精确地预测旱情 本研究基于 的 模型在内蒙古东部南、北区域的评价指标、和 分别为 、和 、较 模型在南部的相应指标分别提高了、在北部的相应指标分别提高了 、由基于 模型的干旱预测可知 的预测精度随着时间尺度的增大而提高这与其他学者对 的评价结论一致 本研究表明当输入为单一 特征时、个时间尺度 模型的预测精度优于 模型预测误差相对更小表明 可较好地预测 单一特征的变化适用于影响因素较少的干旱预测 结论在气候变化背景下开展内蒙古东部干旱演变特征分析及预测研究具有重要的现实意义 在 个站点 凝聚聚类的基础上分区域分析季节性 变化趋势并基于 和 进行干旱预测 研究表明 年内蒙古东部旱情变化可分为 阶段:世纪 年代以前南、北旱情较为一致干旱发生较少 世纪 年代到 世纪多发轻旱南、北部旱情不同南部出现了连旱进入 世纪以后南、北部旱情变化较为一致干旱频率增加、旱情加重 南、北 区域近 年春季均出现过湿润干旱的变化过程且北部干旱化趋势的发生早于南部 南、北部夏、秋季干旱变化过程较为一致 世纪 年代后夏季呈现干旱化趋势南部干旱化趋势更显著 南部冬季 变化不显著但北部冬季则湿润化趋势明显 基于 的干旱预测表明 表现优于 且在北部的适用性更好能够更好地描述单一特征的动态和非线性变化规律可用于指导防旱、抗旱政策的制定参考文献 .():.张乐园王弋陈亚宁.基于 指数的中亚地区干旱时空分布特征.干旱区研究():.王青严登华翁白莎等.北美洲干旱灾害应对策略及其对中国的启示.干旱区地理():.沈国强郑海峰雷振锋.指数在中国东北地区干旱研究中的适用性分析.生态学报():.张菡张喜亮李金建等.基于 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