遼寧省干旱特征與預測模型研究

林佳楠

（阜新市水利事務服務中心,遼寧 阜新 123000）

0 引言

干旱是國內最常見的自然災害之一，具有持續時間長、波及范圍廣的特點，對區域經濟發展和居民日常生活造成了十分嚴重的影響[1-2]。我國季節性干旱現象十分嚴重，已成為了限制區域發展的主要原因[3]。為探究區域干旱的發生規律，對區域干旱程度進行監測，目前分析干旱的方法主要包括遙感監測法、干旱指數法、標準降水指數法、相對濕潤度指數法等[4]，其中相對濕潤度指數法由于其所需數據較易獲得、計算方法簡單、計算精度較高，被廣泛應用于區域干旱分析中[5]。

為提前掌握區域干旱的發展趨勢，需要對干旱進行預測，韓會明等[6]基于改進的灰色模型建立了區域干旱預測模型，指出改進后的灰色模型預測結果的平均誤差僅為3.32%，精度較高；哈斯等[7]基于貝葉斯理論建立了草原干旱預測模型，并投過GIS繪制了草原干旱等級分布圖，為草原干旱防治提供了依據。

機器學習模型可用于數據預測和整理中，表現出了較高的精度。遼寧省位于我國東北部，其所在區域土壤較肥沃，是我國重要的農業生產基地，干旱對于該地區影響十分巨大。本文基于遼寧省1964 年～2017 年的實測氣象數據，分析區域干旱變化趨勢，并基于極限學習機模型、M5 樹模型、隨機森林模型共3 種機器學習模型，建立遼寧省干旱預測模型。

1 研究區域概況

遼寧省位于我國東北部，地屬溫帶大陸性季風氣候，日照豐富，年日照時數在2500 h左右。全年平均氣溫在7℃～11℃，冬季溫度較低，年降水量400 mm～1100 mm[8]。遼寧省是國內重要的重工業和農業生產基地之一，對于能源的需求量較高，太陽輻射能源的引入對當地經濟發展十分重要。

本文選擇遼寧省沈陽、錦州、開原、葉柏壽、瓦房店、寬甸、岫巖7 個氣象站點的氣象數據，計算遼寧省干旱特征，分析規律，得出預測模型精度，氣象站點分布情況見圖1。

圖1 氣象站點分布情況

2 研究方法

2.1 相對濕潤度指數計算

相對濕潤度指數M可通過降雨數據和計算潛在蒸散量得出，其值可反映區域干旱情況，其中M＞-0.4 為無旱，-0.4 ≥M＞-0.65 為輕旱，-0.65 ≥M＞-0.8 為中旱，-0.80≥M＞-0.95為重旱，具體計算公式可見文獻[5]。

2.2 極限學習機模型（ELM）

極限學習機模型（ELM）主要可分為輸入層、隱含層和輸出層3 部分，其收斂速度快、精度高，被廣泛應用于回歸檢驗中，具體步驟可見文獻[9]。

2.3 M5樹模型（M5T）

M5tree（M5T）模型在掃描所有可能的分裂后選擇了預期的標準偏差。組成模型的過程分為兩部分，將數據分成若干子集以創建決策樹，模型可以通過計算子集的預期誤差[10]。模型精度可定義為：

式中：SD和SDR是標準偏差；Q是一組達到目標值的樣本；Qi是Q的子集。

2.4 隨機森林模型（RF）

隨機森林模型（RF）在訓練期間引入隨機屬性選擇，該模型基于隨機性和差異提取數據，可以大大提高決策的準確性[11]。

2.5 模型精度指標計算

利用均方根誤差（RMSE）、模型效率系數（Ens）和決定系數（R2）分析各模型模擬精度，具體公式如下：

式中：Yi為模型的模擬值，Y為其平均值；Xi為P-M模型計算的標準值，X為Xi的平均值；m為數據樣本數。RMSE越小，表明模型模擬誤差越小；Ens和R2越接近1，表明模型模擬精度越高。

3 結果與分析

通過ELM、M5T、RF等模型計算，極限學習機模型表現出了較高精度，以下僅出ELM計算成果。

3.1 相對濕潤度指數時間變化趨勢

圖2反映了不同站點相對濕潤度指數的時間變化趨勢。由圖可知，研究區域內不同站點相對濕潤度指數的年際變化趨勢和年內變化趨勢存在相似的規律。其中，不同站點相對濕潤度指數隨著年份的增加呈現升高的趨勢，站點相對濕潤度指數的年際變化擬合方程斜率均為正，變化傾向率在0.009/10 a～0.088/10 a之間，表明區域干旱程度呈現逐漸降低的趨勢。不同站點相對濕潤度指數的年內變化趨勢呈現先升高后降低的趨勢，表明當地在春季和冬季的干旱程度較嚴重，與當地季節性干旱的現狀基本一致。

圖2 相對濕潤度指數時間變化趨勢

表1 不同站點相對濕潤度指數年際變化擬合趨勢

3.2 相對濕潤度指數空間變化趨勢

圖3反映了不同站點相對濕潤度指數在不同時間段內的空間分布趨勢。由圖中可以看出，在不同季節研究區域相對濕潤度指數的變化趨勢基本一致，均呈由西向東逐漸升高的趨勢，表明由西向東干旱程度有所緩解。在春季，葉柏壽站點附近的干旱程度達到了輕旱水平，其余站點附近干旱程度不嚴重，在夏季和秋季，研究區域干旱程度均為無旱，在冬季，研究區域干旱程度較嚴重，在錦州和葉柏壽站點附近相對濕潤度指數為-0.87左右，達到了重旱水平，而瓦房店區域附近為中旱水平，沈陽、岫巖和開源附近相對濕潤度指數為-0.52 ～-0.61，達到了輕旱水平，表明在冬季需指定相應措施預防干旱。

圖3 相對濕潤度指數空間變化趨勢

4 結論

遼寧省是我國農業大省，干旱對農業發展影響十分嚴重，本文通過計算不同站點的相對濕潤度指數，分析了其時間和空間變化趨勢，并得出了預測干旱的基本模型，指出當地存在較嚴重的季節性干旱，冬季干旱程度尤為嚴重，極限學習機模型表現出了較高的精度，可作為遼寧省預測干旱的標準模型使用。