基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的河南省旱澇空間分布特征

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：I_s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;σ_R為降水量均方差;σ_T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]）;α_i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)α_i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，…，i_n}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L_k為頻繁項目集，X_m-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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