非一致性条件下二维干旱的社会经济暴露度评估方法

技术领域

本申请涉及水文灾害评估的技术领域，尤其涉及非一致性条件下二维干旱的社会经济暴露度评估方法。

背景技术

工业革命以来，大气中二氧化碳等温室气体排放量增加，全球陆地温度不断升高、珊瑚礁和热带雨林大面积消亡，干旱等极端灾害频发，社会经济系统和生态环境的不均衡、不平等日益加剧。干旱事件成因复杂、时间跨度大、破坏力强，是制约自然生态系统和社会经济可持续发展的重要因素，常被划分为气象干旱、水文干旱、农业干旱以及社会经济干旱。其中，气象干旱与水文干旱对水资源管理及各类涉水活动影响显著，是干旱事件中备受关注的重要类别。气象干旱主要指降水偏少现象，多由大气环流异常引发；气象干旱是水文干旱的诱因，降水偏少和气温偏高可能造成土壤水、河湖径流和地下水干旱发生，从而进一步触发水文干旱。严重的干旱事件，往往是气象干旱、水文干旱等逐渐发展的结果。干旱的影响因子众多，包括水文、气象以及植被等因子，且往往存在密切的相关性。因此，国内外学者为了定量刻画水分亏缺程度，提出了标准化降水指数、标准化降水蒸散发指数、帕默尔干旱指数、标准化径流指数等大量的单因子、多因子综合干旱指标。尽管各干旱指数的研究对象及关注的物理过程不同，但主要考虑降水、蒸散发、径流和土壤含水量等一种或多种气象水文要素，无法全面刻画干旱事件的内在物理特征。

2002年3月，重力恢复与气候实验(Gravity Recovery And Climate Experiment,GRACE)卫星成功发射，为获取全球大尺度地球表面物质迁移提供了连续、高精度的直接观测手段。基于GRACE卫星信号解算的重力场模型，可以提取地球月重力场在300km×300km空间尺度的变化信息，扣除地壳物质移动、大气运动、洋流和潮汐等因素影响，能有效反映冰雪、地表水、土壤水、地下水以及人为因素造成的重力变化，全面监测陆地水储量异常(Terrestrial Water Storage Anomaly,TWSA)信号。2018年5月，继GRACE重力卫星停止工作一年之后,GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星成功发射,继续延续了GRACE卫星的科学观测任务。GRACE/GRACE-FO重力卫星有效解决了地面观测范围较浅、空间分布不均、资料获取难度大等问题，在跟踪区域及全球干旱事件中显示出巨大潜力。有学者提出了基于GRACE陆地水储量异常的干旱强度指数(TWSA-based drought severity index,TWSA-DSI)，发现TWSA-DSI相比传统干旱指标能更有效地监测全球和区域干旱事件。

当前全球正在经历以“变暖”为主导的气候变化，降水对气候变暖的响应具有显著的时空异质性，其变化受大气水汽容量、相对湿度以及大气稳定性影响。陆地水储量受降水与蒸散发的协同作用，其对全球变暖的响应更加复杂，未来旱情如何演化尚不清晰。尽管GRACE/GRACE-FO卫星开始应用于干旱监测评估，目前国内外基于陆地水储量异常预估未来旱情的相关研究仍起步不久；同时，这些文献通常仅关注干旱历时或烈度等单一特征属性变化，也未考虑旱情的非一致性特征，难以准确刻画干旱事件的多变量特征属性，不能有效反应未来干旱风险变化。当前，科学量化未来非一致性条件下的多维干旱事件成为难题，如何定量评估干旱风险变化对社会经济系统造成的潜在影响未见文献报道。

发明内容

有鉴于此，本申请提供非一致性条件下二维干旱的社会经济暴露度评估方法，能够有效、准确地表征气候变化下未来旱情的变化特征。

一种非一致性条件下二维干旱的社会经济暴露度评估方法，所述方法包括：

获取重力卫星观测数据、地球系统模式输出数据和共享经济社会经济数据；

根据所述地球系统模式输出数据驱动陆面过程模型，得到气候变化下的陆地水储量；

对所述陆地水储量进行校正，获得陆地水储量异常数据；

推求气候变化下的TWSA-DSI指数，并提取对应干旱特征值；

构建关于所述干旱特征值的最可能权函数，评估未来干旱风险增加造成的社会经济暴露度。

可选地，所述重力卫星观测数据为GRACE和GRACE-FO卫星的观测数据。

可选地，所述共享经济社会经济数据为人口数据和GDP数据。

可选地，”驱动陆面过程模型”是通过驱动CLM4.5陆面模式。

可选地，所述校正是采用基于分位数映射的Trend-preserving偏差校正方法。

可选地，所述提取干旱特征值是通过游程理论提取干旱历时和烈度。

可选地，所述构建最可能权函数为基于Copula函数构建非一致性条件下干旱历时和烈度的时变最可能函数。

以陆地水储量为度量，考虑干旱事件的二维属性，首先获取GRACE/GRACE-FO卫星的观测数据，考虑低强迫、中等强迫和高强迫三类共享社会经济路径，获得地球系统模式输出数据及人口、GDP数据；然后，采用基于分位数映射的Trend-preserving偏差校正方法预估气候变化下的陆地水储量异常数据；进一步，考虑变化环境的非一致性特征，构造干旱历时和烈度的时变Copula函数，采用最大可能权函数分析未来二维干旱风险变化；最后，基于共享社会经济路径评估旱灾风险增高区域的人口和GDP暴露度。

由此，本申请具有以下有益效果：

1、科学合理、贴近工程实际；

本发明采用陆地水储量异常度量干旱特征，而且充分考虑气候变化影响下的水文系列的非一致性特征，构建了干旱历时和烈度的时变Copula函数，采用最大可能权函数分析未来二维干旱风险变化，具有较强的物理意义与统计基础，能够有效表征气候变化下未来旱情的变化特征。

2、可为应对未来干旱灾害、科学制定减排战略提供工程参考价值

本发明将地球系统模式、陆面模式、多变量分析方法相结合，可为变化环境下流域旱灾评估、预警提供重要且可操作性强的参考依据，为应对未来干旱灾害、科学制定减排战略提供工程参考价值。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供评估方法的具体流程图；

图2为本申请实施例提供基于GRACE/GRACE FO卫星观测数据的中国湿润半年起始月份的示意图；

图3为为本申请实施例所涉及游程理论的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明以陆地水储量为度量，考虑干旱事件的二维属性，首先获取GRACE/GRACE-FO卫星的观测数据，考虑低强迫、中等强迫和高强迫三类共享社会经济路径，获得地球系统模式输出数据及人口、GDP数据；然后，采用基于分位数映射的Trend-preserving偏差校正方法预估气候变化下的陆地水储量异常数据；进一步，考虑变化环境的非一致性特征，构造干旱历时和烈度的时变Copula函数，采用最大可能权函数分析未来二维干旱风险变化；最后，基于共享社会经济路径评估旱灾风险增高区域的人口和GDP暴露度，从而提出了一种非一致性条件下二维干旱的社会经济暴露度评估方法，其具体流程详见图1。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体说明：

本发明一种气候变化情景下的流域水文干旱评估方法，包括以下步骤：

步骤1，采集GRACE和GRACE-FO卫星的观测数据，搜集三个共享社会经济路径下的地球系统模式输出，并获取共享社会经济路径数据集的人口和GDP数据；具体包括以下步骤：

1.1获取三套不同的GRACE/GRACE-FO卫星观测数据，并采用线性插值法填补缺失值；

卫星重力数据用于反演陆地水储量，国际上主要有德国波茨坦地球科学中心、美国加州理工学院喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、美国德克萨斯大学奥斯汀分校空间研究中心(Center for Space Research at University of Texas,Austin，CSR)和美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center，GSFC)等机构负责数据解译，发布月尺度的全球重力场输出数据。本发明同时采用JPL、CSR、GSFC最新发布的第六代(RL06)产品，这三套数据源具有不同的空间分辨率，均提供基于集中质量块重力场解算的月尺度等效水高(扣除掉2004～2009平均场)，最终输出了长序列的陆地水储量异常(Terrestrial Water Storage Anomaly，TWSA)数据集。由于GRACE重力卫星测量时电力不足或卫星振动存在20个月的数据缺失，且GRACE和GRACE-FO卫星之间存在长达一年的缺测，故采用线性插值的方法填补缺失值。

1.2将三套GRACE/GRACE-FO重力卫星数据集，插值到0.5°×0.5°空间栅格，使TWSA数据与共享社会经济路径数据集的空间分辨率一致，在每个时间步长内对各产品取均值，最终得到TWSA月数据集。

1.3搜集三个共享社会经济路径下地球系统模式校正后的气象数据；

为预估未来气候情景，采用国际耦合模式比较计划第六阶段(Coupled ModelInter-comparison Project Phase6,CMIP6)最新发布的8个全球气候模式(GlobalClimate Models,GCMs)。CMIP6使用共享社会经济路径(Shared Socioeconomic Pathway,SSP)和代表性浓度路径(Representative Concentration Pathway,RCP)的矩阵框架。GCMs输出数据的空间分辨率一般偏低，而且与实测数据相比存在较大系统偏差，国际ISIMIP3b框架对GCMs中的五个地球系统模式输出数据进行了校正。该数据集在校正过程中考虑了各气象变量的内在相关性，具有统一的空间分辨率(0.5°×0.5°)，包括5个地球系统模式，具体为GFDL-ESM4、IPSL-CM6A-LR、MPI-ESM1-2-HR、MRI-ESM2-0和UKESM1-0-LL。本发明使用该ISMIP3b数据集3个情景(SSP126，SSP370和SSP585)、5个模式的所有气象数据系列，设定历史期为1985-2014年，未来时期为2071-2100年。

1.4获取共享社会经济路径数据集的人口和GDP数据；

为了评估干旱事件可能造成的社会经济风险，考虑可持续发展(SSP1)、中度发展(SSP2)和常规发展(SSP5)这3种共享社会经济路径的人口和GDP数据，与相应的温室气体排放情景RCP组合，共采用SSP126、SSP245和SSP585三种矩阵框架的输出数据。国际上有多个机构提供共享社会经济路径的人口和GDP模拟数据，本发明使用中国南京信息工程大学开源发布的“全面二孩”政策下预估数据集，该产品考虑了我国历次人口和经济普查结果及逐年统计年鉴，基于Cobb-Douglas模型和人口-发展-环境分析模型，预估了中国2010～2100年社会经济指数。该数据集是当今最贴近我国国情的数据集之一，被广泛应用于极端水文事件的社会经济风险评估。

步骤2，采用校正后的地球系统模式数据作为输入，驱动CLM4.5陆面模式，预估气候变化下的陆地水储量系列；

CLM4.5是通用地球系统模式的陆面模块，与前期版本相比，4.5版本的参数化方案得到较大改进，可描述陆面过程的各个方面，包括地表非均匀性、生物地球物理过程、水文循环、生物地球化学过程、人文影响和生态系统动力过程等。将步骤1.3获取的三个共享社会经济路径下校正后的地球系统模式数据，依次输入到CLM4.5模式中，预估得到历史期和未来时期的陆地水储量系列。

进一步地，驱动CLM4.5模式预估未来陆地水储量为本领域常规技术，不予赘述。

步骤3，采用基于分位数映射的Trend-preserving偏差校正方法对CLM4.5陆面模式模拟的陆地水储量进行校正，获得气候变化下的陆地水储量异常数据；具体包括以下步骤：

3.1基于GRACE/GRACE-FO卫星观测的TWSA资料，划分各栅格的干/湿半年，其中干半年和湿半年各占6个月；

如图2所示，给出了基于GRACE/GRACE FO卫星观测数据的中国湿润半年起始月份的示意图。

3.2选取与GRACE/GRACE-FO卫星数据相同的距平期，对于每一个SSP路径下的每一个地球系统模式，将CLM4.5模式模拟的陆地水储量系列扣除掉2004～2009年期间系列均值，从而得到1985～2100年的逐月TWSA系列。

3.3对CLM4.5模式模拟的TWSA系列进行校正；

首先，分别计算GRACE/GRACE-FO观测的TWSA(记为

式中：p为设置的不同分位数，取0.01～0.99范围内50个等距分位数。

依据

步骤4，推求气候变化下的TWSA-DSI指数，再通过游程理论提取对应的干旱特征值，包括干旱历时与烈度；

4.1基于陆地水储量异常系列推求气候变化下的干旱指数；

采用TWSA-DSI指数度量陆地干湿程度，它是一种无量纲的标准化水储量异常指数，在不同水文气候区域之间具有空间可比性。TWSA-DSI的负值表示陆地水储量低于研究期的平均水平，用于表征干旱程度；同理，正值可用于度量陆地湿润水平。TWSA-DSI系列的计算公式如下：

式中：TWSA

本发明选取1985～2100年长系列计算TWSA的各月均值和标准差，并基于TWSA-DSI指数将陆地干湿强度划分为不同等级，详见表1：

表1基于TWSA-DSI指数的干湿等级分级标准

4.2基于游程理论提取气候变化下的干旱历时和烈度；

对每一个SSP路径下的地球系统模式数据，均采用步骤4.1所述方法推求气候变化下的TWSA-DSI指数；然后以游程理论为基础，分别提取历史期与未来时段的干旱历时与干旱烈度特征值。

如图3所示，给出了游程理论的示意图。

步骤5，基于Copula函数构建干旱历时和烈度的时变最可能权函数，并评估未来干旱风险增加造成的社会经济暴露度评估方法。

步骤5.1构建非一致性条件下干旱历时和烈度的时变最可能权函数；

本发明取TWSA-DSI指数小于-0.5为阈值，获取足量的干旱事件样本，然后基于游程理论逐场识别月尺度干旱事件特征，再通过Copula函数构造干旱历时和烈度的联合概率分布。不同于单变量频率分析，两变量联合重现期由等值线构成，其上包含无数种组合，如何确定合理的组合情景对于风险量化极为关键。以往研究二维干旱事件大多基于同频率假设选取联合设计值，缺乏统计基础，难以捕捉干旱事件的客观发生规律。本发明构建最大可能权函数，基于联合概率密度函数最大原则优选二维干旱属性的组合情景：

式中：c[F

步骤5.2推求未来气候变化下干旱风险增加造成的社会经济暴露度；

为了定量刻画未来二维干旱风险增加造成的潜在社会经济暴露度，首先采用牛顿迭代法求解式(3)，得到历史期(1985～2014年)某一重现期(T

式中：E

以往研究通常直接构建历史、未来时期的联合分布，通过对比两个时段联合重现期变化，将未来时期的社会经济暴露度定义为0或100％，该方法不能捕捉干旱风险的年际变化特征和社会经济指数的动态属性，存在一定的不合理性。本发明不仅可考虑未来气候变化可能造成的非一致性，还能挖掘风险变化的年际特征，并充分利用共享社会经济路径的动态数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。