CN113886769A - 一种基于流域系統的稳定性评估及预估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于流域系統的稳定性评估方法及预估方法，获取流域系統的年平均气象数据序列；基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；进行贡献分解；对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。基于历史数据，获得突变点，能够从宏观尺度上分析古代遗迹形成、发展及消亡的气候原因及人类原因。基于预估数据能够预估导致气候发生变化的原因，提前进行稳定性变化的应对或预防。

Description

一种基于流域系統的稳定性评估及预估方法
技术领域
本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及流域发展评价技术领域，尤其涉及一种基于流域系統的稳定性评估方法及预估方法。
背景技术
考古点环境稳定性可以通过传统的田野考古以及遥感考古两种方式获得。其中，遥感考古包括(1)航空摄影考古发展而来的航空遥感考古；(2)人造卫星发射而形成的航天遥感考古；(3)依托电阻和电磁原理而产生的地球物理探测法。通过上述三种方式，获取并分析地上、地下遗迹和遗物的遥感影像特征，进而确定考古遗存的地理位置、规模范围、形状特点和保存状态，探索考古遗存的历史环境性质及变化规律，从而开展考古研究和文物保护工作。其优势是覆盖的空间范围广，时间、空间、光谱分辨率高，穿透能力强，能够获得实地踏查或用肉眼无法观察得到的信息，有利于对历史环境进行宏观把握。
但是，历史环境稳定性及动态变化受到气候变化和人类活动的双重制约，具有很强的综合性和地域性。基于遥感方法识别历史环境稳定性及变化，未能有效区分气候驱动和人类活动两方面的贡献，另外，对于如何量化这两种不同的外界驱动因子对历史环境稳定性贡献的关键时间节点等问题仍然尚待解决。
另一方面，对于未来稳定性的预估，同样需要考虑气候变化和人类活动的双重影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于流域系統的稳定性评估方法及预估方法，区分来自气候变化和人类活动两方面的贡献，获取影响稳定性变化的准确原因。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于流域系統的稳定性评估方法，包括：
获取流域系統的年平均气象数据序列；
基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；
基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；
进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT；
对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
进一步地，获取流域系統的年平均气象数据序列，包括：由再分析资料获取年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N。
进一步地，构建理想水平衡，包括：
N＝H+E
P＝Ro+E
其中，E为陆面蒸发水分。
进一步地，计算水热盈余年际通量，包括计算没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W，以及没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N。
进一步地，贡献分解包括计算流域系统变化、向量旋转及正交分解，包括计算：
Figure BDA0003270905040000031
Figure BDA0003270905040000032
Figure BDA0003270905040000033
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴W的夹角。
进一步地，采用Mann-Kendall方法进行突变点检测，如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变；
另一方面提供一种基于流域系統的稳定性预估方法，包括：
获取流域系統的年平均气象数据序列，所述年平均气象数据序列可包括未来一段时间的预估年平均气象数据序列；
基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；
基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；
进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT；
对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
进一步地，获取流域系統的年平均气象数据序列，包括：由再分析资料获取至今一段时间T内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N；
基于一段时间T内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N，采用IPCC评估公开发布的气候变化情景预测结果估计未来一段时间T1内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N。
进一步地，构建理想水平衡，包括：
N＝H+E
P＝Ro+E
其中，E为陆面蒸发水分。
进一步地，计算水热盈余年际通量，包括计算没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W，以及没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N
进一步地，进行贡献分解，包括计算：
Figure BDA0003270905040000041
Figure BDA0003270905040000042
Figure BDA0003270905040000043
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴的夹角。
进一步地，采用Mann-Kendall方法进行突变点检测，如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明结合水文学物理原理和遥感考古研究，可作为传统考古勘测技术的重要补充，从宏观尺度上分析古代遗迹形成、发展及消亡的气候原因及人为原因，通过模型得到环境突变显著的时间节点补充该区域气候、环境剧烈变化后成为干旱区的演变过程。本发明历史环境稳定性作为传统考古勘测技术的重要补充，区别于传统考古勘测技术针对考古点进行的探测和查证，是宏观尺度上针对考古环境监测和评估的必要内容。
(2)本发明的预估方法，能够预估导致气候发生变化的原因，提前进行稳定性变化的应对或预防。
(3)理想的水热平衡需要长时间尺度气候平衡态来完成的模型构建，例如10年的尺度，否则会忽略土壤对水分热量的吸收。本发明采用逐年的数据，剔除年际尺度上不显著变化点，剔除由于土壤对水分热量的吸收带来的噪声，获得的突变点能够准确反映变化的时间及原因。
(4)本发明从年平均气候态出发，对流域系统的长时间序列指标进行突变点检测，通过剔除不符合假设检验的参量数据，从宏观尺度上分析古代遗迹形成、发展及消亡的气候原因及人类原因。
(5)遥感考古研究通过获取分析地上、地下遗迹和遗物的遥感影像特征，进而确定考古遗存的地理位置、规模范围、形状特点和保存状态，探索考古遗存的历史环境性质及变化规律，从而开展考古研究和文物保护工作。本发明利用水文学物理现象或气候模态的物理动力过程模型，对考古遗存所在流域系統的历史环境稳定性进行定量评价，量化区分来自气候变化和人类活动两方面的贡献，为考古勘提供了参考。
附图说明
图1(a)为干燥度D＝1时外部气候驱动和内部人类活动贡献分解示意图；
图1(b)为干燥度D≠1外部气候驱动和内部人类活动贡献分解示意图；
图2为评估方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明利用具体物理现象或气候模态的物理动力过程模型，对流域系統的历史环境稳定性进行贡献归因分析及突变点检测。基于流域系統的稳定性评估方法，结合图2，包括如下步骤：
(1)获取流域系統的年平均气象数据序列。
收集流域系統的年平均气象资料，包括陆表水循环相关的径流Ro与降雨P；陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N数据。采用再分析资料，例如ERA-Interim气候再分析数据集，涵盖了1979年至2019年8月31日的各种数据。
将所有数据转换为统一的物理单位(m/year)，如ERA-Interim的能量通量是12小时的积分和，表示为：J m-2/12hours或者2·365J m-2/year；用能量与单位体积水的蒸发关系L＝0.25×107J/kg at 0℃，可以得到同等情况下水的蒸发量103kg m-2year-1或者m/year。因此，1J m-2per 12hours的能量通量相当于水分通量2.920×10-7m/year。选取的遥感数据和气象资料的时间序列应覆盖古代遗迹形成、发展及消亡的关键时间节点。
(2)基于年平均气象数据序列构建理想水平衡。
陆面系统接收的热量输入为地表的净太阳辐射通量N，通过下垫面到大气的显热通量H与下垫面到大气的潜热通量LE平衡；陆面系统接收的水分输入为大气降水P，通过蒸发E和径流Ro达到平衡。
N＝H+E
P＝Ro+E
(3)基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量。
建立相对盈余水分W和相对盈余能量U生态水文模型，从陆表径流平衡出发，量化外部气候驱动和内部人类活动对陆表由于气候变化、土地利用和恢复产生的陆表水循环改变。相对盈余水分——没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W；以及相对盈余能量——没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U，具体公式如下：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N
(4)进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT。
基于理想的长时间尺度气候态，建立依赖于第一时间段相对盈余水分W1和相对盈余能量U1变化的陆表贡献模型，即随研究区干燥度D1变化的陆表贡献模型，结合图1。在分解外部气候驱动和内部人类活动贡献的同时，量化了外部气候贡献CT以及内部人类活动贡献AT。
Figure BDA0003270905040000081
Figure BDA0003270905040000082
Figure BDA0003270905040000083
Figure BDA0003270905040000084
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴W的夹角。dW′、dU′为旋转后的dW、dU。
(5)对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
对覆盖古代遗迹形成、发展及消亡关键时间节点的长时间序列历史环境稳定性相关参量进行Mann-Kendall突变点检测，对年际时间序列进行突变点检测包括：(1)输入模型的年际气象参量，(2)模型计算的年际通量W、U，(3)年际相对盈余水分dW和相对盈余能量dU变化，以及(4)年际气候变化分量CT和人类活动分量AT。从宏观尺度上分析古代遗迹历史环境突变显著的时间节点。设置突变点检测P检验小于0.01。
如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变。
另一方面，如果年平均气象数据序列包含预估未来一段时间的数据，则能够预估未来一段时间的稳定性，如果稳定性出现突变，则能够获得突变原因。本发明提供一种基于流域系統的稳定性预估方法，包括如下步骤：
(1)获取流域系統的年平均气象数据序列，所述年平均气象数据序列包括未来一段时间的预估年平均气象数据序列。
年平均气象数据序列包括：由再分析资料获取至今一段时间T内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N；采用IPCC评估公开发布的气候变化情景预测结果估计未来一段时间T1内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N。
(2)基于年平均气象数据序列构建理想水平衡。
包括：
N＝H+E
P＝Ro+E
其中，E为陆面蒸发水分。
(3)基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量。
计算水热盈余年际通量，包括计算没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W，以及没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N。
(4)进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT。
包括计算：
Figure BDA0003270905040000091
Figure BDA0003270905040000101
Figure BDA0003270905040000102
Figure BDA0003270905040000103
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴W的夹角。dW′、dU′为旋转后的dW、dU。
(5)对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
采用Mann-Kendall方法进行突变点检测，如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变。
实施例
采用本发明的稳定性评估方法对新疆塔克拉玛干大沙漠东部的罗布泊所在地区进行稳定性评估，检测到60年代前塔里木河流域湿度不断增加，而60年代后塔里木河流域湿度逐渐减少。其中，与罗布泊有直接关系的孔雀河流域被检测出1966年是突变显著年份，原因是水分能量盈余通量本身的稳定性改变。与考古研究中罗布泊于60年代末最终的干涸消亡时间一致。
综上所述，本发明涉及一种基于流域系統的稳定性评估及预估方法，获取流域系統的年平均气象数据序列；基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；进行贡献分解；对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。基于历史数据，获得突变点，能够从宏观尺度上分析古代遗迹形成、发展及消亡的气候原因及人类原因。基于预估数据能够预估导致气候发生变化的原因，提前进行稳定性变化的应对或预防。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于流域系統的稳定性评估方法，其特征在于，包括：
获取流域系統的年平均气象数据序列；
基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；
基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；
进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT；
对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
2.根据权利要求1所述的基于流域系統的稳定性评估方法，其特征在于，获取流域系統的年平均气象数据序列，包括：由再分析资料获取年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N。
3.根据权利要求2所述的基于流域系統的稳定性评估方法，其特征在于，构建理想水平衡，包括：
N＝H+E
P＝Ro+E
其中，E为陆面蒸发水分。
进一步地，计算水热盈余年际通量，包括计算没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W，以及没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N。
4.根据权利要求3所述的基于流域系統的稳定性评估方法，其特征在于，贡献分解包括计算流域系统变化、向量旋转及正交分解，包括计算：
Figure FDA0003270905030000021
Figure FDA0003270905030000022
Figure FDA0003270905030000023
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴W的夹角。
5.根据权利要求4所述的基于流域系統的稳定性评估方法，其特征在于，采用Mann-Kendall方法进行突变点检测，如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变。
6.一种基于流域系統的稳定性预估方法，其特征在于，包括：
获取流域系統的年平均气象数据序列，所述年平均气象数据序列可包括未来一段时间的预估年平均气象数据序列；
基于年平均气象数据序列构建理想水平衡；
基于年平均气象数据序列和理想水平衡计算水热盈余年际通量；
进行贡献分解，建立第i个时间段水热盈余通量到第i+1个时间段水热盈余通量的向量，沿第i个时间段干燥度Di方向的变化作为外部气候因子驱动CT，垂直于第i个时间段干燥方向Di的变化作为内部活动驱动AT；
对年平均气象数据序列、水热盈余年际通量、水热盈余年际通量变化量、外部气候因子驱动CT和内部活动驱动AT进行突变点检测，对于产生显著突变的数据点，输出变化年代及突变数据类型，突变数据类型对应引起稳定性变化的原因。
7.根据权利要求6所述的基于流域系統的稳定性预估方法，其特征在于，获取流域系統的年平均气象数据序列，包括：由再分析资料获取至今一段时间T内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N；
基于一段时间T内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N，采用IPCC评估公开发布的气候变化情景预测结果估计未来一段时间T1内的年平均陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H与太阳净辐射N。
8.根据权利要求7所述的基于流域系統的稳定性预估方法，其特征在于，构建理想水平衡，包括：
N＝H+E
P＝Ro+E
其中，E为陆面蒸发水分。
进一步地，计算水热盈余年际通量，包括计算没有被生态系统使用的水分与降雨的比例W，以及没有被生态系统使用的能量与太阳净辐射的比例U：
W＝Ro/P＝1-E/P
U＝H/N＝1-E/N。
9.根据权利要求8所述的基于流域系統的稳定性预估方法，其特征在于，进行贡献分解，包括计算：
Figure FDA0003270905030000041
Figure FDA0003270905030000042
Figure FDA0003270905030000043
其中dW为水盈余年际通量变化量，dU为热盈余年际通量变化量，θ是第i个时间段干燥Di在横轴为W纵轴为U的(W,U)坐标系内和横轴的夹角。
10.根据权利要求9所述的基于流域系統的稳定性预估方法，其特征在于，采用Mann-Kendall方法进行突变点检测，如果为内部活动驱动AT出现的突变点，则为人类活动引起的稳定性突变；如果为外部气候因子驱动CT出现的突变点，则为气候突变引起的稳定性突变；如果为陆表水循环相关的径流Ro，陆面接收的水分输入P，陆表能量循环相关的潜热H，太阳净辐射N出现的突变点，则为相应参数突变引起的稳定性突变；水盈余年际通量W，热盈余年际通量U，出现的突变点，则为水分能量盈余通量本身的稳定性突变；如果为水盈余年际通量变化量dW，热盈余年际通量变化量dU出现的突变点，则为水分能力盈余通量变化产生的稳定性突变。
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