一种流域尺度生态系统干旱综合评估方法

本发明属于干旱预报预警，具体涉及一种流域尺度生态系统干旱综合评估方法。

背景技术：

1、近一个多世纪以来大尺度气候系统的持续非稳态变异，促使全球及区域气候变暖(全球地表温度上升约0.85℃，我国约0.91℃)，干旱等极端气候事件激增。纵观我国整个自然灾害经济损失的构成，因气象灾害造成的经济损失占所有自然灾害的71％，干旱灾害造成的损失最为严重，约占各种自然灾害损失总量的60％，居各类自然灾害之首。气候变化背景下，干旱问题日趋尖锐，干旱及其引发的生态环境问题(荒漠化、水质恶化等)持续加剧，严重阻碍社会经济发展和生态环境建设。

2、干旱是形成生态过程和进化适应的自然事件，21世纪全球增温的作用促使干旱历时增长、程度加重、影响范围扩大，人类对水的需求日益加剧，时空尺度多条件的变化进一步加强干旱干扰风险规模，增加生态系统脆弱性，致使重要的生态变化和生态系统服务功能损失。研究表明，极端干旱引起生态功能丧失，每年可影响地球植被的0.9％，且主要分布在半干旱地区。与此同时，流域尺度生态系统的干旱过程物理成因复杂异常，干旱发生时生态系统自然供水的压力被放大，流域气象、水文、生态过程的互作互馈作用加强。然而目前已开展的干旱研究多数与单一的气象、农业和水文干旱过程相关。面向流域尺度的生态系统，仍缺乏综合性的干旱评估方法，若仍采用基于单一干旱指标的传统技术和方法，极可能由于干旱监测和评价结果的全面性不足，而导致流域抗旱减灾、水资源调控、生态保护管理等出现重大决策失误。

技术实现思路

1、为了现有技术对生态系统干旱要素考虑不全面、流域尺度干旱评估结果综合性不足的问题，本发明提供了一种流域尺度生态系统干旱综合评估方法，包括如下步骤：

2、利用区域高程数据确定流域边界；

3、获取流域气象水文条件、土地利用条件及覆被条件；

4、根据流域边界、流域气象水文条件及土地利用及覆被条件鉴别流域生态系统的类型及分布特征；

5、根据流域生态系统的类型及分布特征确定流域生态系统干旱过程的气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素；

6、确定多元经验copula函数，根据多元经验copula函数确定kendall分布函数，建立所述气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素组合的多维联合累积分布函数；

7、利用多维联合累积分布函数输出的累积概率值得到联合水热亏缺指数jwhdi；

8、根据所述jwhdi对流域尺度生态系统干旱进行定量评估。

9、优选的，所述高程数据采用30米分辨率的数字高程模型得到，流域气象水文条件根据对流域自然地理资料及实测水文气象数据进行分析得到，土地利用/覆被条件根据历史时期每隔5年的30m全国土地利用数据进行分析得到。

10、优选的，所述多元经验copula函数通过对多种累积概率分布函数进行拟合优度检验、参数估计和分布优选确定，多种所述累积概率分布函数包括广义伽马分布、指数高斯分布，正态分布、指数幂分布、bccg box-cox cole and green分布、伽马分布、耿贝尔分布、逻辑分布、韦伯分布和逆高斯分布。

11、优选的，多种所述累积概率分布函数采用柯尔莫可洛夫-斯米洛夫检验方法进行拟合优度检验。

12、优选的，多种所述累积概率分布函数采用rs算法进行参数估计。

13、优选的，多种所述累积概率分布函数采用aic准则进行分布优选。

14、优选的，所述多元经验copula函数计算公式为：

15、

16、式中，a是满足的集合{x1,...,xd}的个数，是样本的秩序统计量，1≤k1,...,kd≤n，n为样本容量，d为维数，kd表示第d维的样本。

17、优选的，所述kendall分布函数为：

18、

19、式中：q为给定的阈值，为给定边缘概率，为联合分布函数，p为联合分布函数的概率，uj是第j个随机变量的边缘累积分布函数

20、优选的，所述jwhdi的计算公式为：

21、

22、式中：q为给定的阈值，为给定边缘概率，为联合分布函数，p为联合分布函数的概率，uj是第j个随机变量的边缘累积分布函数

23、优选的，所述jwhdi为0.5<kc<1时表示流域为偏湿润的水热状态，jwhdi为0<kc<0.5时表明流域总体水热状态偏干旱。

24、本发明提供的流域尺度生态系统干旱综合评估方法具有以下有益效果：

25、本发明能够将气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素结合起来，建立气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素的多元经验copula函数，并根据多元经验copula函数确定kendall分布函数建立气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素组合的多维联合累积分布函数，从而实现对流域尺度干旱进行综合性评估。

技术特征：

1.一种流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述高程数据采用30米分辨率的数字高程模型得到，流域气象水文条件根据对流域自然地理资料及实测水文气象数据进行分析得到，土地利用/覆被条件根据历史时期每隔5年的30m全国土地利用数据进行分析得到。

3.根据权利要求1所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述多元经验copula函数通过对多种累积概率分布函数进行拟合优度检验、参数估计和分布优选确定；多种所述累积概率分布函数包括广义伽马分布、指数高斯分布，正态分布、指数幂分布、bccg box-cox cole and green分布、伽马分布、耿贝尔分布、逻辑分布、韦伯分布和逆高斯分布。

4.根据权利要求3所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，多种所述累积概率分布函数采用柯尔莫可洛夫-斯米洛夫检验方法进行拟合优度检验。

5.根据权利要求3所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，多种所述累积概率分布函数采用rs算法进行参数估计。

6.根据权利要求3所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，多种所述累积概率分布函数采用aic准则进行分布优选。

7.根据权利要求1所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述多元经验copula函数的计算公式为：

8.根据权利要求1所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述kendall分布函数为：

9.根据权利要求8所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述jwhdi的计算公式为：

10.根据权利要求9所述的流域尺度生态系统干旱综合评估方法，其特征在于，所述jwhdi为0.5<kc<1时表示流域为偏湿润的水热状态，jwhdi为0<kc<0.5时表明流域总体水热状态偏干旱。

技术总结
本发明提供了一种流域尺度生态系统干旱综合评估方法，属于干旱预报预警技术领域，包括如下步骤：根据流域边界、流域气象水文条件、土地利用条件及覆被条件鉴别流域生态系统的类型及分布特征并确定气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素；确定多元经验Copula函数，根据多元经验Copula函数及Kendall分布函数建立所述气象主控要素、水资源主控要素、土壤主控要素和植被主控要素组合的多维联合累积分布函数；利用多维联合累积分布函数输出的累积概率值得到联合水热亏缺指数JWHDI；根据多维联合累积分布函数得到联合水热亏缺指数JWHDI，以对流域尺度生态系统干旱进行定量评估。

技术研发人员：王怡璇,段利民,刘廷玺,孙金,童新
受保护的技术使用者：内蒙古农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31