水災(zāi)害課程設(shè)計

1、水災(zāi)害防治課程設(shè)計報告基于ci指數(shù)的河南欒川縣干旱變化趨勢分析摘要：基于欒川縣氣象站2000年2009年實測氣象資料,利用氣象干旱綜合指數(shù)對河南省欒川縣近10a的干旱特征進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)ci指數(shù),統(tǒng)計出現(xiàn)的干旱日數(shù)、干旱過程,在此基礎(chǔ)上分析了干旱發(fā)生年際變化趨勢和不同強度干旱的變化過程。結(jié)果表明：1、欒川縣的總干旱日數(shù)年均值低于河南省平均水平。2、欒川地區(qū)總干旱日數(shù)呈現(xiàn)負增長趨勢，總干早頻率出現(xiàn)了正增長趨勢,但重旱、特旱平均強度呈現(xiàn)下降趨勢，即程度加強。關(guān)鍵詞：綜合氣象干早指數(shù)；干早趨勢變化；欒川引言干旱是指因水分的收支或供求不平衡而形成的持續(xù)的水分短缺現(xiàn)象，是對人類社會影響最嚴重的氣候災(zāi)

2、害之一1，它具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣的特點。隨著全球氣候變暖，極端天氣現(xiàn)象越發(fā)頻繁，干旱發(fā)生頻率和危害程度均呈上升趨勢2.5，一般情況，把干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱,氣象干旱是其他各類干旱發(fā)生的主要原因。欒川縣隸屬于河南省洛陽市，地處亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.1，年日照2103小時，年均降水量862.8毫米，無霜期198天。全縣山多地少，水能、礦藏、旅游資源豐富，地表水年均徑流量68億立方米，水能蘊藏量11.78萬千瓦，可開發(fā)量8.5萬千瓦。本文從氣象干旱角度出發(fā),引入氣象干旱綜合指數(shù)ci,對干旱變化趨勢特征等進行分析。1

3、 資料來源所用資料為通過河南省欒川縣氣象站2000年2009年逐日氣象資料，利用gb/t 204812006干旱氣象等級中規(guī)定的綜合氣象干旱指數(shù)ci計算方法來計算得到的。欒川縣的ci指數(shù)是通過欒川縣氣象站2000-2009年資料完整的氣象資料計算得到。所得到的站點氣象資料經(jīng)篩選過，均是2000-2009年完整的資料信息。2 方法計算2.1綜合氣象干旱指數(shù)計算綜合氣象干旱指數(shù)是利用近30天（相當(dāng)月尺度）和近90天（相當(dāng)季尺度）降水量標準化降水指數(shù)，以及近30天相對濕潤度指數(shù)進行綜合而得，該指標既反映短時間尺度（月）和長時間尺度（季）降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度水分虧欠情況。該指標適合實時

4、氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評估。綜合氣象干旱指數(shù)（ci）的計算見下式：ci=az30+bz90+cm30 （1）式中：z30、z90分別為近30天和近90天標準化降水指數(shù)spi；m30為近30天相對濕潤指數(shù)；a為近30天標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上級別z30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小z30值，平均取0.4；b為近90天標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上級別z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小z90值，平均取0.4；c為近30天相對濕潤系數(shù)，由達輕旱以上級別m30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小m30值，平均取0.8。其中標準化降水指數(shù)z30、z90和相對濕潤指數(shù)m30均需要進行再進算。1） 標準化降水指數(shù)spi

5、由于降水分布一般不是正態(tài)分布，而是一種偏態(tài)分布，所以在進行降水分析和干旱監(jiān)測、評估中，采用g分布概率來描述降水量的變化。標準化降水指數(shù)就是在計算出某時段內(nèi)降水量的g分布概率后，再進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。標準化降水指數(shù)的計算步驟為： 假設(shè)某時段降水量為隨機變量x，則其g分布的概率密度函數(shù)如式（c，1）： f(x)=1(x)x-1e-x/ （c，1）式中：b0，g0分別為尺度和形狀參數(shù)，b和g可用極大似然估計方法求得，見下式： =1+1+4a/34a （c，2） =x/ （c，3） a=lgx-1ni=1nlgx1 （c，4）式中：x1為降水量資料樣本；x為

6、降水量氣候平均值。確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對于某一年的降水量x0，可求出隨機變量x小于x0事件的概率為： fx<x0=0f(x)dx （c，5）利用數(shù)值積分可以計算用（c，1）式代入（c，5）式后的時間概率近似估計值。 降水量為0時的時間概率由式（c，6）估計； fx=0=m/n （c，6）式中：m降水量為0的樣本數(shù)；n總樣本數(shù)。 對g分布概率進行正態(tài)標準化處理，即將式（c，5）、式（c，6）求得的概率值代入標準化正態(tài)分布函數(shù)，即： fx<x0=120e-z2/2dx （c，7）對式（c，7）進行近似求解可得： z=st-c2t+c1t+c0d3t+d2t+d1t+1.0 （c

7、，8） 式中：t=ln1f2,f為式（c，5）或式（c，6）求得的概率；并當(dāng)f>0.5時，s=1，當(dāng)f0.5時，s=-1；c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。由式（c，8）求得的z值就是此標準化降水指數(shù)spi。2）相對濕潤指數(shù)相對濕潤度指數(shù)的計算見式： m=p-pepe （2）式2中，p是某時段的降水量；pe為某時段的可能蒸散量，本文中用thornthwaite方法計算得到。thornthwaite方法求算可能蒸散量是以月平均溫度為主要依據(jù)，并考慮緯度因子（日照長度）建立的經(jīng)驗公式

8、，需要輸入的因子少，計算方法簡單： pe=16.0×(10tih)a （3）式3中，ti是月平均氣溫，單位：；h是年熱量指數(shù)；a為常數(shù)。年熱量指數(shù)h和常數(shù)a分別由相應(yīng)的經(jīng)驗公式計算。當(dāng)月平均氣溫ti 0時，月熱量指數(shù)hi = 0，可能蒸散量pe = 0（單位：mm/月）本文中計算分析的ci值為資料中原始ci值乘以0.1得到。2.2綜合氣象干旱指數(shù)ci分類表1 綜合氣象干旱指數(shù)ci等級的劃分表類型ci值干旱影響程度無旱-0.6ci降水正常或較常年偏多，地表濕潤，無旱象輕旱-1.2ci-0.6降水較常年偏少，地表空氣干燥，土壤出現(xiàn)水分輕度不足中旱-1.8ci-1.2降水持續(xù)較常年偏少，土

9、壤表面干燥，土壤出現(xiàn)水分不足，地表植物葉片白天有枯萎現(xiàn)象重旱-2.4ci-1.8土壤出現(xiàn)水分持續(xù)嚴重不足，并出現(xiàn)較厚的干土層，植物枯萎、葉片干枯，果實脫落；對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成較嚴重影響，工業(yè)生產(chǎn)、人畜飲水產(chǎn)生一定影響特旱ci-2.4土壤出現(xiàn)水分長時間嚴重不足，地表植物干枯、死亡；對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響、工業(yè)生產(chǎn)、人畜飲水產(chǎn)生較大影響當(dāng)日ci值符合某干旱類型ci值范圍時，則該日定義為該干旱類型發(fā)生日，如鄭州市2009年10月25日ci值為-1.3，其ci值屬于中旱范圍，該日為中旱發(fā)生日。當(dāng)日ci值達到輕旱及以上等級則定義為發(fā)生干旱。2.3干旱過程的確定及其強度的確定當(dāng)綜合氣象干旱指數(shù)

10、ci連續(xù)10天為輕旱以上等級，則確定為發(fā)生一次干旱過程。干旱過程的開始日為第1天ci指數(shù)達到輕旱以上等級的日期。在干旱發(fā)生期，當(dāng)綜合氣象干旱指數(shù)ci連續(xù)10天為無旱等級時干旱解除，同時干旱過程結(jié)束，結(jié)束日期為最后1次ci指數(shù)達到無旱等級的的日期。干旱過程開始到結(jié)束期間的時間為干旱持續(xù)時間。干旱過程強度是指干旱過程內(nèi)所有天的ci指數(shù)為輕旱以上的干旱等級之和，其值越小干旱過程越強。平均干旱強度是指當(dāng)發(fā)生某干旱類型時，該干旱類型ci值的平均值即為該類型干旱的平均干旱強度。年干旱過程發(fā)生次數(shù)是指該年份一共發(fā)生干旱過程的數(shù)量，由于干旱過程可能出現(xiàn)跨年的情況，故我們將干旱過程的起始年份統(tǒng)計成為干旱過程發(fā)生

11、的年份。3 結(jié)果與分析3.1干旱日數(shù)年均值分析根據(jù)表1的ci指數(shù)劃分情況，統(tǒng)計站點20002009年每年發(fā)生發(fā)生干旱總?cè)諗?shù)、輕旱日數(shù)、中旱日數(shù)、重旱日數(shù)、特旱日數(shù)，如表2所示，對各年發(fā)生各種干旱類型的日數(shù)取平均值，可得站點每年發(fā)生干旱總?cè)諗?shù)、輕旱日數(shù)、中旱日數(shù)、重旱日數(shù)、特旱日數(shù)的年均值，分別為113.9、66、28.2、13.4、6.3。具體情況見表2。表2 欒川站點各種干旱類型年發(fā)生日時間無旱日數(shù)輕旱日數(shù)中旱日數(shù)重旱日數(shù)特旱日數(shù)干旱日數(shù)200025820534491082001230755640135200221212033001532003294559707120042504844213

12、1162005260692511010520062716034009420072098830281015620082489571601182009282303913183年均值251.46628.213.46.3113.9采用柱狀圖表示各種干旱類型的年均值，如圖1所示。其中2001年、2002年、2007年干旱日數(shù)大于120d，特旱日數(shù)的年均值為6.3，占干旱總?cè)諗?shù)的5.531%，發(fā)生日主要集中在2000年和2007年；重旱日數(shù)的年均值為13.4，占干旱總?cè)諗?shù)的11.765%，發(fā)生日主要集中在2000年、2004年、2007年、2008年、2009年；中旱日數(shù)的年均值為28.2，占干旱總?cè)諗?shù)的

13、24.759%，發(fā)生日主要集中2001年、2002年、2004年、2006年、2007年和2009年；輕旱日數(shù)的年均值為66，占干旱總?cè)諗?shù)的57.946%，發(fā)生日主要集中2001年、2002年、2007年、2008年。圖1 各種干旱類型發(fā)生日數(shù)年均值欒川干旱總?cè)諗?shù)年均值為113.9，河南省的干旱總?cè)諗?shù)年均值為134.4，欒川縣的總干旱日數(shù)年均值低于省平均值。而且，輕旱日數(shù)、中旱日數(shù)、重旱日數(shù)、特旱日數(shù)年均值均低于河南省的平均水平6。3.2干旱日數(shù)、平均強度變化過程分析20002009年，站點每年發(fā)生干旱總?cè)諗?shù)、輕旱日數(shù)、中旱日數(shù)、重旱日數(shù)、特旱日數(shù)逐年變化情況，通過制作表格來表示各種干旱類型發(fā)

14、生日數(shù)（表2）及各種干旱類型的平均強度，詳情見表3，用折線圖表示每種干旱類型逐年變化情況，做出趨勢線。表3 欒川站點各種干旱類型年平均強度值年平均干旱強度平均輕旱強度平均中旱強度平均重旱強度平均特旱強度2000-2.14-0.85-1.36-2.05-2.812001-1.13-0.91-1.37-1.98無2002-0.93-0.79-1.46無無2003-1.06-0.89-1.48-1.89無2004-1.29-0.81-1.41-1.94-2.732005-1.07-0.81-1.42-1.88無2006-1.05-0.85-1.4無無2007-1.3-0.91-1.44-1.94-2

15、.542008-0.99-0.81-1.29-1.94無2009-1.31-0.94-1.38-1.88-2.4圖2欒川站點總干旱日數(shù)逐年變化趨勢圖圖3欒川站點平均干旱強度逐年變化圖由表2、表3可知，重旱、特旱日數(shù)最多的發(fā)生在2000年，中旱日數(shù)最多的發(fā)生在2001年，輕旱日數(shù)最多的發(fā)生在2002年。根據(jù)總干旱日數(shù)逐年變化趨勢圖（圖2）可以看出，欒川縣總體干旱日數(shù)除去02、03、07年，其他年份變化波動并不明顯，總體變化趨勢保持平穩(wěn)，呈緩慢減少狀，2007年總干旱日數(shù)156天，為十年來最高一年，2003年干旱日數(shù)為十年中最少，為71天。從平均干旱強度逐年變化圖（圖3）可以看出，總體趨勢也基本保

16、持平穩(wěn)，呈現(xiàn)出上升的勢頭，即強度值增加，強度絕對值下降，干旱日數(shù)和強烈程度呈現(xiàn)出減輕的趨勢。平均干旱強度絕對值最大的出現(xiàn)在2000年，強度值為-2.14，平均干旱強度絕對值最小的出現(xiàn)在2002年，強度值為-0.93。圖4欒川站點輕旱日數(shù)逐年變化趨勢圖圖5欒川站點平均輕旱強度逐年變化圖同樣，根據(jù)欒川縣輕旱日數(shù)逐年變化趨勢圖可以看出，輕旱干旱日數(shù)趨勢基本保持平穩(wěn)，呈略微上升趨勢，輕旱發(fā)生最多的為2002年，達到120天，最少的為2000年，僅20天。從平均輕旱強度逐年變化圖可以看出，平均輕旱強度呈現(xiàn)出較大的波動，但其總趨勢呈下降趨勢狀，即強度值減小，強度絕對值增加，輕旱程度不斷增加。平均輕旱強度絕

17、對值最大的出現(xiàn)在2009年，強度值為-0.94，2002年為平均輕旱強度絕對值最小的發(fā)生年，強度值為-0.79。圖6欒川站點中旱日數(shù)逐年變化趨勢圖圖7欒川站點平均中旱強度逐年變化趨勢圖由圖6、7中可得，中旱日數(shù)變化震蕩明顯，但趨勢基本穩(wěn)定持平，2001年、2000年分別為中旱發(fā)生日數(shù)最多和最少的年份，分別發(fā)生了56天和5天。中旱強度變化趨勢呈現(xiàn)出上升趨勢，即中旱的程度減輕，但每年強度值的變化范圍很小,最大、最小之差在0.19之內(nèi)。2003年、2008年分別為最大中旱強度絕對值、最小中旱強度絕對值發(fā)生年，其值分別為-1.48和-1.29。圖8欒川站點重旱日數(shù)逐年變化趨勢圖圖9欒川站點平均重旱強度

18、逐年變化趨勢圖圖10欒川站點特旱日數(shù)逐年變化趨勢圖圖11欒川站點平均特旱強度逐年變化趨勢圖通過圖811可知，重旱日數(shù)變化雖然波動較大，但趨勢同樣基本保持穩(wěn)定持平，20002年、2006年兩年沒有出現(xiàn)重旱情況；重旱強度變化趨勢呈現(xiàn)出略微下降趨勢，即強度絕對值增大，重旱的程度增加。2000至2009年間，共有4年發(fā)生了特旱情況，特旱日數(shù)除了2000年出現(xiàn)了最大值外，其余年份的日數(shù)波動不大，總變化趨勢呈現(xiàn)出了下降趨勢，特旱強度變化趨勢也呈現(xiàn)了出下降趨勢，即特旱的程度有所加深。平均重旱、特旱強度絕對值最大的均發(fā)生在2000年，這與1998年2000年出現(xiàn)的持續(xù)兩年的強拉尼娜事件，造成2000年全國大旱

19、的情況有關(guān)。綜上，欒川地區(qū)干旱時間呈現(xiàn)負增長趨勢，強度卻出現(xiàn)了正增長趨勢,說明了干旱時間和程度有所減少，但是重旱、特旱的嚴重程度卻有增加趨勢，說明極端化氣候事件發(fā)生的可能性增強。3.3干旱過程分析分析2000-2009年，站點發(fā)生干旱過程數(shù)量、每個干旱過程持續(xù)時間、起止日期及干旱過程強度，要求用表格表示，并分析出干旱過程持續(xù)時間及干旱過程強度的最大、最小值。如表5所示。表5 欒川站點每個干旱過程詳細參數(shù)表年份次數(shù)起始日期結(jié)束日期天數(shù)強度200022000年1月1日2000年1月24日24-21.22000年3月5日2000年6月11日99-205.3200132001年3月13日2001年4月

20、14日33-24.22001年5月6日2001年7月7日63-662001年8月29日2001年10月23日56-48.5200242002年2月15日2002年3月8日22-14.92002年3月22日2002年5月7日47-24.72002年7月30日2002年11月4日98-69.32002年11月21日2002年12月31日41-31.3200322003年5月18日2003年7月5日49-32.42003年7月25日2003年8月26日43-40.9200442004年1月3日2004年1月29日27-21.52004年2月5日2004年2月19日25-19.72004年4月1日20

21、04年5月20日50-50.92004年6月1日2004年7月25日55-55.8200532005年1月28日2005年2月20日24-10.92005年3月8日2005年4月17日41-45.82005年11月18日2006年1月26日70-56.4200622006年8月3日2006年9月13日42-29.32006年10月27日2006年12月5日40-40.6200742007年1月7日2007年2月16日41-36.52007年4月14日2007年7月13日91-120.32007年10月4日2007年11月10日38-21.82007年11月27日2007年12月30日34-18

22、.6200832008年2月27日2008年4月17日51-33.62008年8月21日2008年10月5日46-29.82008年12月15日2009年3月7日83-112.2200912009年4月26日2009年5月20日25-15.8通過表5可知，2000年2009年，共發(fā)生了28次干旱過程。在這些干旱過程中，持續(xù)時間最長的出現(xiàn)在2000年，從3月5日持續(xù)到6月11日共計99天，其過程強度為-205.3；最短的出現(xiàn)在2002年，從2月15日到3月8日，共計22天，其過程強度為-14.9。而就干旱過程強度而言，最大值出現(xiàn)在2005年的第一次干旱過程，從1月28日到2月20日共24天，強度

23、值為-10.9；最小值出現(xiàn)在2000年第二次干旱過程，強度值為-205.3。表6 干旱過程發(fā)生季節(jié)統(tǒng)計發(fā)生季節(jié)2000200120022003200420052006200720082009第一次干旱過程冬季春季冬季春季冬季冬季夏季冬季冬季春季第二次干旱過程春季春季春季夏季冬季春季秋季春季夏季第三次干旱過程夏季夏季春季秋季秋季冬季第四次干旱過程秋季夏季秋季表6將每次干旱發(fā)生的季節(jié)表示出來，本文對季節(jié)的劃分定義為:1、2月和上年的12月為冬季,3-5月為春季,6-8月為夏季,9-11月為秋季。以干旱過程的開始時間劃分季節(jié)，其中春旱發(fā)生9次，冬旱8次，夏旱6次，秋旱5次。冬旱和春旱發(fā)生的次數(shù)較多，

24、且持續(xù)時間較長，與河南省的整體趨勢略有不同7。4小結(jié)與討論從氣候?qū)W的角度來說，欒川是半干旱半濕潤地區(qū)，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱是欒川地區(qū)出現(xiàn)較頻繁、持續(xù)時間最長的氣候災(zāi)害。本文利用氣象綜合干旱指數(shù)ci，計算了欒川的干旱等級，分析了近10年來欒川區(qū)域的干早分布和變化情況，并對干早強度進行分類定義。具體結(jié)果如下：（1）欒川縣干旱經(jīng)常出現(xiàn)的時間多集中在春季，與河南省的干旱發(fā)生頻率略有不同7。自2000年以來，發(fā)生較大干旱的有2000年、2005年、2007年，90年代以前10年一遇或兩遇特大旱,但從90年代中后期開始重旱頻率急劇增加,上升到10年3或4遇特大旱8。（2）欒川干旱總?cè)諗?shù)年均值為113.9，同河南省的平均水平相比，欒川縣的總干旱日數(shù)年均值低于省平均值（河南省的干旱日數(shù)年均值為134.46）。而且，輕旱日數(shù)、中旱日數(shù)、重旱日數(shù)、特旱日數(shù)年均值均低于河南省平均水平。（3）從總干旱日數(shù)的變化來看，欒川地區(qū)呈現(xiàn)負增長趨勢；從總干早強度的變化來看，欒川地區(qū)出現(xiàn)了正增長趨勢，但是強度絕對值是減小的，說明干旱程度正在減輕，與河南省的整體變化相反，原因可能與本文只是對于ci指數(shù)進行分析，忽略了其他相關(guān)影響因素有關(guān)，存在一定