彭高輝 宋艷紅 王銀鴻 馬建琴
摘要:根據(jù)河南省17個氣象站1961-2013年逐月平均氣溫和降水資料,基于關(guān)聯(lián)規(guī)則,采用加權(quán)溫度干旱均一化指標,分析河南省旱澇空間分布特點。結(jié)果表明:豫中、豫東、豫西、豫南、豫北地區(qū)各城市間旱澇關(guān)聯(lián)性較強;空間分布上,干旱具有明顯的地域性且分布不均,從西北向東南方向逐漸減弱,主要發(fā)生在黃河流域及其以北地區(qū),而洪澇呈團狀分布,主要發(fā)生在黃河流域以南及偏北地區(qū)。
關(guān)鍵詞:旱澇特征;關(guān)聯(lián)規(guī)則;降水溫度均一化指標;河南省
中圖分類號:P338+.6 文獻標志碼:A
河南省位于我國中東部、黃河中下游,屬于亞熱帶濕潤性季風氣候與溫帶半濕潤性季風氣候的過渡地帶,氣候復(fù)雜多樣、降水時空分布不均[1],自然災(zāi)害頻繁發(fā)生,干旱和洪澇是主要氣象災(zāi)害,往往造成嚴重的經(jīng)濟損失,其中對農(nóng)業(yè)影響尤為嚴重[2-3]。據(jù)1450-1949年的史料統(tǒng)計[4],500a間發(fā)生全省性的干旱將近200a,其中大旱37a、特大旱6a。1949-2003年,旱災(zāi)面積平均每年為107.29萬hm2,澇災(zāi)面積平均每年為86.29萬hm2,幾乎每年都有旱澇災(zāi)害發(fā)生[5]。2003-2010年,干旱造成的年均糧食受災(zāi)面積為12.33萬hm2,洪澇造成的受災(zāi)面積為1.15萬hm2[6]。近幾年旱澇災(zāi)害仍持續(xù)發(fā)生,僅2016年7月,河南省洪澇災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積就達14.9萬hm2,折合成人民幣約為13.9億元[7]。因此,研究河南省旱澇時空分布,掌握旱澇整體分布規(guī)律,提前做好管理和規(guī)劃,具有重要的現(xiàn)實意義。
目前,對旱澇時空分布特征的研究大多采用氣象干旱指標方法,如標準降水指數(shù)法[8]、降水距平百分率法[9]、Z指標法[10]等,這些方法均基于降水要素,未考慮地理空間的關(guān)聯(lián)性。本文先對研究區(qū)域進行劃分,然后利用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則理論,構(gòu)造降水量和平均氣溫綜合指標,通過對區(qū)域范圍內(nèi)的歷史災(zāi)害信息進行挖掘,尋找災(zāi)害事件間的關(guān)聯(lián)性,進而判斷災(zāi)害發(fā)生的類型和空間分布特征[11]。
1 研究方法
依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http;//data.cma.cn/site/in-dex.html)提供的1961-2013年河南省17個氣象站點(見圖1)的月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù),運用關(guān)聯(lián)規(guī)則和加權(quán)溫度干旱均一化指標[12]方法對河南省旱澇時空分布進行研究。
1.1 降水溫度均一化指標
降水溫度均一化指標是降水標準化變量與溫度標準化變量之差:式中:Is為降水溫度均一化指標;R為年平均降水量;R為多年平均降水量;σR為降水量均方差;σT為氣溫均方差;T為年平均氣溫;T為多年平均氣溫。
張強等[13]對3種干旱指標進行比較,考慮溫度對旱澇影響的比重,將標準化降水指標與降水溫度均一化指標相結(jié)合,提出了新的干旱指標:式中:Z為標準化降水指數(shù)(見文獻[12]);αi為系數(shù)(依據(jù)降水與氣溫成顯著負相關(guān)的特點[14]求得具體值);i為河南地區(qū)的劃分序號。
河南地區(qū)劃分及經(jīng)計算驗證得到的系數(shù)αi見表1,降水溫度均一化指標的旱澇等級見文獻[12],整理后的旱澇等級見表2。
1.2 基于地區(qū)劃分的關(guān)聯(lián)規(guī)則
關(guān)聯(lián)規(guī)則是數(shù)據(jù)挖掘中的典型研究方法,最早由Agxawal等[15]于1993年提出,其核心概念是支持度和置信度,定義如下。
設(shè)I={i1,i2,…,in}是所有項目的集合,其中的元素稱為項;D為事務(wù)T的集合,事務(wù)T為項的集合,且T互1。每個事務(wù)有唯一的標識TID。設(shè)I1是I中1個項的集合,若I1■T,則稱事務(wù)T包含I1。
關(guān)聯(lián)規(guī)則是形如I1→I2的蘊含式,其中I1,I2■I,且I1∩I2=φ。規(guī)則I1→I2在事務(wù)數(shù)據(jù)庫D中的支持度(support)是事務(wù)數(shù)據(jù)庫中包含I1和I2事務(wù)數(shù)與所有事務(wù)數(shù)之比,記為support(I1→I2):
support(I1→I2)=|{T:I1∪I2■T,T∈D}|/|D|(3)
I1→I2在事務(wù)集中的置信度(confidence)是包含I1和I2的事務(wù)數(shù)與包含I1的事務(wù)數(shù)之比,記為confidence(I1→I2):
在集合D中找出具有用戶給定的滿足min support和min confidence的關(guān)聯(lián)規(guī)則,稱為強關(guān)聯(lián)規(guī)則。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘主要有2個階段:①從集合D中找出大于等于用戶指定最小支持度的項目集;②利用頻繁項目集生成所需要的關(guān)聯(lián)規(guī)則。
1.3 空間分析方法
對于空間分布特征采用克里金插值法進行分析??死锝鸩逯捣ㄓ址Q空間局部插值法,以空間自相關(guān)為基礎(chǔ),利用樣本數(shù)量和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對區(qū)域化變量進行無偏估計、最優(yōu)估計[16]。其表達式為
Z(s)=μ(s)+ε(s)(5)式中:Z(s)為待空間化的氣象值:μ(s)為已確定站點的氣象數(shù)據(jù)值;ε(s)為自相關(guān)隨機差。
2 結(jié)果與分析
2.1 旱澇關(guān)聯(lián)性判斷
2.1.1 干旱關(guān)聯(lián)性判斷
結(jié)合關(guān)聯(lián)性存在的理論基礎(chǔ)及區(qū)域干旱發(fā)生的規(guī)律,同時依據(jù)數(shù)據(jù)挖掘理論中的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法[17],并按式(3)和式(4)分別計算其支持度與置信度,結(jié)果見表3~表7,其中Lk為頻繁項目集,Xm-1為頻繁項目子集。
在最小支持度為7.5%和最小置信度為57.1%的閾值條件下,可知表3~表7均為強關(guān)聯(lián)規(guī)則,表明豫中、豫東、豫西、豫南、豫北地區(qū)各城市間干旱聯(lián)動性較強門
2.1.2 洪澇關(guān)聯(lián)性判斷
同樣,對各區(qū)域城市進行洪澇關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘,統(tǒng)計結(jié)果見表8~表12。
在最小支持度為5.7%和最小置信度為41.7%的閾值條件下,可知表8~表12均為強關(guān)聯(lián)規(guī)則,表明豫中、豫東、豫西、豫南、豫北地區(qū)各城市間洪澇聯(lián)動性較強。
2.2 旱澇災(zāi)害的空間關(guān)聯(lián)性分析
2.2.1 干旱災(zāi)害的空間關(guān)聯(lián)性分析
圖2為1961-2013年河南省干旱頻率空間分布情況。可以看出,河南省空間上的干旱化趨勢為自豫西至豫東逐漸減弱,其中豫西地區(qū)的三門峽市和盧氏縣干旱化最為嚴重。究其原因,豫西黃土丘陵區(qū)屬大陸季風性氣候區(qū),具有秋季晴朗日照長、冬季寒冷雨雪少、春季干旱風沙多、夏季氣溫高、地溫回升快、蒸發(fā)量大、空氣干燥的特點[18]。針對該區(qū)氣候特點,文獻提出推廣節(jié)水抗旱技術(shù)可大幅提高水資源利用效率,有效減少旱災(zāi)損失。
2.2.2 洪澇災(zāi)害的空間關(guān)聯(lián)性分析
從1961-2013年河南省洪澇頻率空間分布情況(見圖3)可以看出,洪澇頻率呈明顯的團狀分布,且極其不均勻,較為嚴重的洪澇主要發(fā)生在信陽和孟津。究其原因,信陽市地勢南高北低,由西南向東北傾斜,偏北地區(qū)的異常季風使得雨帶停滯在該區(qū),降雨量偏多,從而形成洪澇災(zāi)害[20-21]。孟津縣地處豫西丘陵地區(qū),地形復(fù)雜,屬亞熱帶和溫帶的過渡地帶,季風環(huán)流影響明顯,夏季降雨量變化大,易發(fā)生洪澇。針對該區(qū)特點,文獻[22]提出采取合理的工程措施與非工程措施減輕洪澇災(zāi)害。
3 結(jié)論
(1)河南省干旱化地域差異明顯,趨勢為自豫西至豫東逐漸減弱,其中豫西地區(qū)的三門峽市和盧氏縣干旱化最為嚴重。
(2)河南地區(qū)的洪澇呈團狀分布,較為嚴重的洪澇主要發(fā)生在信陽和孟津。
(3)豫中、豫東、豫西、豫南、豫北地區(qū)各城市間旱澇關(guān)聯(lián)性較強。
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