青藏高原短历时降雨估算与山洪灾害概率预警研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 任智慧 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 桑燕芳 |
| 关键词 | 青藏高原 短历时降雨估算 暴雨山洪区划 临界雨量 概率预警 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 青藏高原由于其特殊的地理位置、地质结构和复杂多变的气候条件，受全球气候变化影响显著，是暴雨山洪灾害以及泥石流、滑坡等地质灾害的多发区，也是自然灾害研究的热点区域。暴雨山洪灾害预警是山洪灾害防控体系建设的重要环节，也是决定山洪灾害防控成败的关键。然而，受限于高寒环境、人口稀疏、交通不便等因素，青藏高原气象水文观测站点稀疏，空间布设不均，气象水文观测资料序列短，缺少关键的短历时降雨与致灾降雨信息，难以满足山洪灾害预警研究需求。卫星遥感降雨数据可以实现地表全覆盖，但是时空分辨率低，且对青藏高原降雨事件的探测精度十分有限。在灾害本底不清、雨水情监测能力不足、雨洪灾害预报不准的背景下，如何挖掘暴雨洪水数据中隐含的丰富信息，揭示致灾降雨特征与变化规律，创新发展山洪灾害预警技术方法，提高山洪灾害预警准确率，是当前青藏高原暴雨山洪灾害研究的重点，但也是瓶颈性难题。 针对青藏高原短历时致灾降雨特征不明、暴雨山洪灾害预警不准等关键难题，本文从短历时降雨估算与山洪灾害概率预警两方面开展研究。基于青藏高原站点降雨观测数据，建立短历时降雨特征估算与不确定性量化方法，构建高分辨率短历时降雨特征参数集与降雨“强度-历时-频率”曲线数据集；开展青藏高原暴雨山洪区划，揭示暴雨山洪空间分异特征；选取暴雨山洪灾害典型区，描述致灾降雨概率分布特征，实现暴雨山洪灾害概率预警。研究结果有助于提高对青藏高原暴雨山洪灾害规律的科学认识，为该区域暴雨山洪灾害预警与风险管理等提供可靠的数据和技术方法支撑。主要研究结果如下： （1）构建了青藏高原降雨“强度-历时-频率”曲线数据集。优选广义极值分布作为理论频率曲线，对年最大降雨样本进行拟合，建立了青藏高原站点降雨“强度-历时-频率”曲线；提取站点降雨“强度-历时-频率”曲线的主成分，揭示了其空间模态；优选随机森林回归模型，建立了第一主成分与主要影响因子的回归关系，回归模拟结果的决定系数R2为0.98，模拟误差MSE为0.12；将该回归关系推导至青藏高原全区，最终构建了青藏高原1/30°空间分辨率的降雨“雨强-历时-频率”曲线数据集。利用该数据集，可以获取青藏高原1/30°网格的5年、10年、20年、50年、100年重现期对应的1h、2h、3h、6h、12h、24h设计暴雨值。该数据集弥补了青藏高原短历时设计暴雨信息的缺失，有助于科学认识青藏高原极端降雨的空间分布特征，可以为该区域暴雨山洪灾害预警、工程水文设计、洪水风险评估等研究提供重要的基础数据支撑。 （2）提出青藏高原短历时降雨特征估算与不确定性量化方法，构建了青藏高原短历时降雨特征参数集。通过分析青藏高原站点短历时降雨与日降雨的统计关系，建立短历时降雨特征曲线；优选对数函数方程，拟合短历时降雨特征曲线，进一步构建了短历时降雨特征估算与不确定性量化方法。提取短历时降雨特征估算方程的关键参数，筛选主要影响因子，优选支持向量机回归模型建立关键参数与主要影响因子的统计回归关系；将该统计回归关系推导至青藏高原全区，最终构建了青藏高原1km空间分辨率的短历时降雨特征参数集。利用该参数集，在已知青藏高原某1km网格日降雨量的情况下，可以合理估算该网格的当日最大1~12h短历时降雨量。本研究提出的短历时降雨特征估算与不确定性量化方法，以及构建的青藏高原短历时降雨特征参数集，可以用于估算青藏高原历史山洪灾害对应的短历时致灾降雨量，为青藏高原暴雨山洪灾害预警研究提供关键的致灾降雨数据信息支撑。 （3）完成了青藏高原暴雨山洪二级区划。基于青藏高原历史暴雨山洪灾害记录，以中小流域为基础单位，筛选暴雨山洪孕灾环境、致灾因子、承灾体相关的主要特征因子，构建了青藏高原暴雨山洪区划指标体系；考虑暴雨山洪成因，选取与孕灾环境相关的9个指标进行空间聚类分析，将青藏高原划分为6个暴雨山洪一级区划单元；进一步考虑暴雨山洪致灾机制与潜在影响，选取与致灾因子和承灾体相关的7个指标进行空间聚类分析，最终将青藏高原划分为15个暴雨山洪二级区划单元。本研究提出的青藏高原暴雨山洪一级/二级区划方案与青藏高原主要流域边界及历史山洪灾害高密度区的重合度较高，能较好地反映暴雨山洪孕灾环境、致灾因子及承灾体相关要素的空间分异特征。基于青藏高原暴雨山洪一级/二级区划方案，有助于提高对该区域暴雨山洪空间差异特征的科学认识，为因地制宜开展暴雨山洪灾害预警等提供重要的科学依据。 （4）揭示了青藏高原典型区短历时致灾降雨的概率分布特征与空间差异，实现了典型区小时尺度的暴雨山洪灾害概率预警。基于青藏高原暴雨山洪二级区划结果，选取灾害易发的5个暴雨山洪二级区划单元作为典型区；利用构建的短历时降雨特征估算方法与青藏高原短历时降雨特征参数集，优选日降雨数据集，估算了各典型区历史山洪灾害对应的短历时致灾降雨；采用核密度估计与正态分布拟合方法，建立了致灾降雨的概率密度曲线与累积分布曲线，识别出致灾降雨存在的两种概率分布特征：右偏分布和双峰分布，揭示了致灾降雨概率分布特征的空间差异。以藏东南-高易发地区为例，考虑前期有效降雨量的影响，构建了不同降雨情景下的概率预警曲线，实现了该地区小时尺度的暴雨山洪灾害概率预警与风险分级预警。在定量描述致灾降雨特征的基础上，通过构建有效的暴雨山洪灾害概率预警方法，量化某临界雨量的致灾概率，合理估计预警结果的不确定性，实现暴雨山洪灾害风险分级预警，将有助于减少灾害预警过程中的“漏警”、“误警”等现象，可以为灾害预警决策提供更丰富的信息参考，进而可以开展更有针对性的暴雨山洪灾害防控工作。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 155 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217291]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 任智慧. 青藏高原短历时降雨估算与山洪灾害概率预警研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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