基于空间贝叶斯层次模型的淮河流域气候极值特征分析
发布时间：2021-03-21 09:04
【目的】验证空间贝叶斯层次模型在极端气候事件当中建模的适用性,探明淮河流域极端气候事件的空间分布规律。【方法】基于空间贝叶斯层次模型,将经度、纬度与海拔作为模型协变量捕捉气候极值的空间变化特征。在建模过程中,将广义极值函数（GEV）作为其边际分布,采用马尔可夫链蒙特卡罗算法（MCMC）确定空间极值模型所需的参数值。选用淮河流域1960—2015年日最大降水量（RX1day）、日最高气温（TXx）作为极端气候变量进行建模,将模型结果按站点提取,并与基于GEV的站点结果进行对比。【结果】空间贝叶斯层次模型能够很好地模拟淮河流域气候极值,模型结果的参数及各重现水平与直接基于站点数据的GEV分析相近。RX1day不同重现水平从流域西北向东南增加;TXx不同重现水平具有典型的经向地带性,从流域东部往西部增加。【结论】研究建立的空间极值模型可以获得没有观测台站所在位置的极端气候重现水平,该结果拓展了淮河流域极端气候事件时空规律研究。
【文章来源】：灌溉排水学报. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
淮河流域气象站点分布
由上述结果确定海拔、经度和纬度均被纳入RX1day和TXx空间贝叶斯层次模型中。在空间极值建模过程中，MCMC迭代次数为5 000次，通过GEV各参数（Loc、Scale、Shape）的迹线图来评估模型的收敛性（图2）。当迭代次数为400时，TXx的各GEV参数基本稳定下来（图2(a）—图2(d））。与TXx相比，RX1day的迭代次数达到2 400才能保持GEV各参数迹线图平稳（图2(e）—图2(h））。TXx和RX1day的对数似然比也表明空间贝叶斯层次模型可以很好地模拟空间极值的变化，400和2 400的迭代可以使TXx和RX1day参数收敛到真实值，因此取400和2 400以后的参数均值作为模型参数。最终计算的模型参数如表2所示。为评估模型的准确性，将空间极值模型参数按站点提取，并与直接基于GEV函数分析的站点参数进行对比（图3）。结果显示，TXx参数之间具有很强的相关性，位置参数和尺度参数的决定系数分别达到了0.98和0.80（图3(a）—图3(b））；对于RX1day，位置和尺度参数的决定系数分别为0.79和0.24（图3(c）—图3(d）），这表明空间极值模型可以很好地模拟各站点的降水/温度极值变化。对空间极值模型的结果按站点进行提取，与站点观测数据亦进行了比较，每个台站模拟的次数为5 000次（图4，图5）。对于TXx,所有观测数据都包含在模拟数据中，表明空间贝叶斯层次模型结果可以很好地模拟观测数据（图4）。同样，空间贝叶斯层次模型亦可以较好的模拟RX1day，但模拟效果总体上不如TXx（图5）。
由建立的空间贝叶斯层次模型计算淮河流域气温与降水极值不同重现期重现水平的空间分布（图6，图7）。对于气温极值TXx，其重现水平显示出2种分布模式，即流域东部重现水平相对较低，而流域西部重现水平高（图6），这表明TXx具有典型的经向地带性，这可能与距离海洋的远近有关。流域西部高海拔地区也有较低的重现水平，这可能是高程相依性的影响。RX1day重现水平的空间格局与TXx有所不同（图7），流域西北部为低值区，流域东南为高值区。值得注意的是，西部高海拔地区具有相对较高的重现水平，表明海拔高度同样对降水极值分布有重要影响。图4 淮河流域站点TXx模拟数据（蓝色散点）和观测数据（红色散点）对比散点图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于栅格数据的气象灾害风险评估[J]. 王怀军,潘莹萍,李帅,陈忠升,赵卓怡,米荟璇. 聊城大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]基于SRI与Copula函数的黑河流域水文干旱等级划分及特征分析[J]. 张向明,粟晓玲,张更喜. 灌溉排水学报. 2019(05)
[3]1971─2012年长江中下游地区水稻洪涝时空分布特征[J]. 王慧芳,吴立,栾庆祖,郭伟,王芊,邢佩,张硕,高燕虎. 灌溉排水学报. 2019(04)
[4]点源时间序列数据缺失值的估值不确定性分析——以小流域气象和水文数据为例[J]. 石锦,周脚根,王辉,甘蕾,沈健林,李希,李裕元,吴金水. 灌溉排水学报. 2019(02)
[5]南北气候过渡视角下的淮河流域气温空间分布与演化特征[J]. 叶正伟,刘育秀. 水电能源科学. 2018(05)
[6]基于标准化降水指数的淮河流域干旱演变特征分析[J]. 郑晓东,鲁帆,马静,李彦军. 水利水电技术. 2012(04)
[7]近50a来新疆降水随海拔变化的区域分异特征[J]. 赵成义,施枫芝,盛钰,李君,赵志敏,韩明,伊力哈木·伊马木. 冰川冻土. 2011(06)
本文编号：3092598
【文章来源】：灌溉排水学报. 2020,39(05)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
淮河流域气象站点分布
由上述结果确定海拔、经度和纬度均被纳入RX1day和TXx空间贝叶斯层次模型中。在空间极值建模过程中，MCMC迭代次数为5 000次，通过GEV各参数（Loc、Scale、Shape）的迹线图来评估模型的收敛性（图2）。当迭代次数为400时，TXx的各GEV参数基本稳定下来（图2(a）—图2(d））。与TXx相比，RX1day的迭代次数达到2 400才能保持GEV各参数迹线图平稳（图2(e）—图2(h））。TXx和RX1day的对数似然比也表明空间贝叶斯层次模型可以很好地模拟空间极值的变化，400和2 400的迭代可以使TXx和RX1day参数收敛到真实值，因此取400和2 400以后的参数均值作为模型参数。最终计算的模型参数如表2所示。为评估模型的准确性，将空间极值模型参数按站点提取，并与直接基于GEV函数分析的站点参数进行对比（图3）。结果显示，TXx参数之间具有很强的相关性，位置参数和尺度参数的决定系数分别达到了0.98和0.80（图3(a）—图3(b））；对于RX1day，位置和尺度参数的决定系数分别为0.79和0.24（图3(c）—图3(d）），这表明空间极值模型可以很好地模拟各站点的降水/温度极值变化。对空间极值模型的结果按站点进行提取，与站点观测数据亦进行了比较，每个台站模拟的次数为5 000次（图4，图5）。对于TXx,所有观测数据都包含在模拟数据中，表明空间贝叶斯层次模型结果可以很好地模拟观测数据（图4）。同样，空间贝叶斯层次模型亦可以较好的模拟RX1day，但模拟效果总体上不如TXx（图5）。
由建立的空间贝叶斯层次模型计算淮河流域气温与降水极值不同重现期重现水平的空间分布（图6，图7）。对于气温极值TXx，其重现水平显示出2种分布模式，即流域东部重现水平相对较低，而流域西部重现水平高（图6），这表明TXx具有典型的经向地带性，这可能与距离海洋的远近有关。流域西部高海拔地区也有较低的重现水平，这可能是高程相依性的影响。RX1day重现水平的空间格局与TXx有所不同（图7），流域西北部为低值区，流域东南为高值区。值得注意的是，西部高海拔地区具有相对较高的重现水平，表明海拔高度同样对降水极值分布有重要影响。图4 淮河流域站点TXx模拟数据（蓝色散点）和观测数据（红色散点）对比散点图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于栅格数据的气象灾害风险评估[J]. 王怀军,潘莹萍,李帅,陈忠升,赵卓怡,米荟璇. 聊城大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]基于SRI与Copula函数的黑河流域水文干旱等级划分及特征分析[J]. 张向明,粟晓玲,张更喜. 灌溉排水学报. 2019(05)
[3]1971─2012年长江中下游地区水稻洪涝时空分布特征[J]. 王慧芳,吴立,栾庆祖,郭伟,王芊,邢佩,张硕,高燕虎. 灌溉排水学报. 2019(04)
[4]点源时间序列数据缺失值的估值不确定性分析——以小流域气象和水文数据为例[J]. 石锦,周脚根,王辉,甘蕾,沈健林,李希,李裕元,吴金水. 灌溉排水学报. 2019(02)
[5]南北气候过渡视角下的淮河流域气温空间分布与演化特征[J]. 叶正伟,刘育秀. 水电能源科学. 2018(05)
[6]基于标准化降水指数的淮河流域干旱演变特征分析[J]. 郑晓东,鲁帆,马静,李彦军. 水利水电技术. 2012(04)
[7]近50a来新疆降水随海拔变化的区域分异特征[J]. 赵成义,施枫芝,盛钰,李君,赵志敏,韩明,伊力哈木·伊马木. 冰川冻土. 2011(06)
本文编号：3092598
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