arima模型的苏北地区季节性干旱指数预测研究
摘 要作为地区最主要的气象灾害之一，苏北地区的干旱呈现季节性，具有波及范围广、持续时间长、发生频率高等特点。随着社会经济的发展，工农业需水量的急速增加，加之全球气候变暖的背景，苏北地区的干旱灾害在近几年越发严重。在干旱灾害对苏北地区的社会经济，人们的生活财产以及生态系统造成巨大的风险和严重影响的背景下，能够对干旱进行较好的预测，对于更好的防灾、减灾、抗灾显得尤为重要。论文运用时间序列分析的预测算法，利用标准化降水指数（SPI），构建干旱指数预测的时间序列模型，并且以苏北地区三个水文站点为研究对象，依照ARIMA预测步骤对干旱指数进行预测，结果显示ARIMA的预测结果与实际值较为一致，表明基于时间序列分析的预测模型可以快速精确地实现对干旱的预测。此研究为抗旱部门提供可靠的抗灾减灾依据，并且在一定程度上降低干旱灾害造成的各项损失，具有重要的理论和实际意义。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1选题背景及研究意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2研究意义 2
1.2相关文献研究综述 2
1.2.1国内外干旱理论研究进展 2
1.2.2干旱预测指数研究进展 3
1.2.3 干旱预测模型研究进展 3
1.3研究内容 5
第2章 干旱和干旱指数概述 5
2.1干旱的基本概念 6
2.1.1 干旱的定义 6
2.1.2 干旱的基本特征和成因 6
2.2干旱的分类 6
2.2.1 干旱的种类 6
2.2.2 不同种类干旱之间的关系 7
2.3干旱指数的基本概念 7
2.3.1干旱指数的定义 7
2.3.2干旱指数的分类 8
2.3.3 常用的干旱指数 8
2.4 标准化降水指数（SPI） 9
2.4.1 SPI含义 9
2.4.2 SPI计算方法 10
2.4.3 SPI干旱等级划分标准 11
2.5 本章小结 12
第3章 ARIMA相关理论
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和预测方法 13
3.1时间序列分析 13
3.1.1时间序列的组成部分 13
3.1.2时间序列的数学模型 14
3.2时间序列的分析步骤 16
3.3 ARIMA模型的基本原理 16
第4章 苏北地区季节性干旱指数预测 19
4.1研究区域的自然条件概述 19
4.1.1研究区域情况简介 19
4.1.2研究区域SPI等级分析 19
4.2基于ARIMA的干旱指数预测 24
4.2.1徐州站数据的选取 24
4.2.2徐州站 SPI指数的ARIMA预测 24
4.3本章小结 29
第5章 总结与展望 30
5.1总结 30
5.2展望 30
参考文献 32
第1章 绪论
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
干旱是在苏北地区是一种常见的自然灾害现象，通常发生比较缓慢，发生原因以及发生过程比较复杂，影响范围广，并且会在很长时间内难以缓解，给苏北地区的人民生活和生产生活带来很大的影响，尤其是对工农业的影响更大，是目前最受关注的气象灾害之一[1]。
在苏北地区，干旱是一种从古至今频繁发生的自然灾害。历史上，从1470~1949年之间，苏北地区的代表性城市——徐州共出现旱灾133次，其中出现的大旱高达30次；而另一个苏北城市——扬州，则是出现了128次旱灾，其中29次大旱。
建国以后，在降水资料的记载中，苏北地区在1958,1959,1960,1965,1966,1976,以及1978,1979年发生了干旱情况，而在1978年的，苏北地区受灾面积打到4315.6万亩，占全区耕地面积的83%。
而在最近五年，苏北地区的干旱愈发严重。2009年初，江苏省发生大旱，苏北地区降水最少的是徐州、连云港、宿迁和淮安市,徐州市部分站点的降水量不足20mm；2010年春季，苏北地区遭遇50年来最严重的秋旱，淮北地区降水量为1961年以来同期最少值；2011年5月上旬以来，江苏苏北地区出现60年来最严重的旱灾，淮河下游断流、洪泽湖的水位处于历史最低水位； 2012年5月中旬，苏北地区几乎无降雨，持续两个月的低降水量让整个苏北赤地千里。
苏北地区的干旱呈现季节性。春季蒸发量大而降水量却很少，连续多日的无雨导致苏北地区的春旱比较严重。据统计，苏北地区的春旱成灾率 大约在30~40%。而在夏天，苏北地区的旱情较轻，平均3~5年出现一次。而在秋天和冬天由于降水量的原因，干旱更加频繁。据统计，苏北地区冬季降水稀少，冬旱成灾率高达50%[2]。
由此看出，苏北地区是一个干旱频发的地区。研究其干旱发生规律势在必行，利用科学的统计模型进行干旱预测，以此作为抗灾减灾的依据，更有利于苏北地区的经济发展。
1.1.2研究意义
从苏北地区干旱发生的频率和造成的影响来看，旱灾已经是最严重的自然灾害类型之一，尤其是进入20世纪，经济的快速发展对于水资源更大的需求量，让人们将更多的目光集中到了水资源的保护和开发上。另外，自然灾害是人们难以抵抗的，旱灾自然也不会以我们的意愿而转移，所以我们只能够尽可能地减少灾害所致的各项损失。基于这个目标，对旱灾发生的预测就势在必行，在此基础之上制定合理有效的抗旱方案，由此可见干旱预测工作在干旱管理工作中占据非常重要的地位。论文是基于ARIMA针对苏北地区水文站点对其干旱指数进行预测。主要研究意义在于以下两点：
（1）论文主要是针对干旱来讲，具有实际意义。干旱已经严重危害了苏北地区的生产生活，带来了重大的经济损失。我国国家防总和防办系统已做了职能改革，防总除了应急职能外，还针对备旱问题发挥了组织协调功能，实现了由被动抗旱到主动备旱的转变，有效整合了资源。
（2）就目前而言，国内外有众多研究成果来对干旱风险进行评估预测，然而对于防范于未然的干旱的预测研究并且针对干旱预测模型却没有太多的研究。论文提出基于ARIMA的干旱指数预测模型，为苏北地区的防旱、控旱、抗旱提供科学的预测方法。
1.2相关文献研究综述
1.2.1国内外干旱理论研究进展
干旱在全球范围内都引起了极大的关注，它已经影响了全球绝大多数国家的经济发展和人们的生活。干旱的影响与人类的生存发展的关系，可以说是息息相关。关于干旱理论的概括如下：冯定原等把干旱定义为一种单一的自然现象，认为干旱就是在农业生产季节长时间内无雨、进而影响到农业生产，粮食欠收的农业灾害现象[3]；而鲍志伟等认为干旱是由多种因素引起的一种自然现象，对于复杂的干旱现象不可能用某种单项指标或者因素来加以全面的表征[4]。干旱气候很大部分上是由于降水量与蒸发量之间的以及其他各要素之间的平衡被打破造成的。张俊等人指出目前干旱研究的不足，对干旱的认识应逐渐由定量化转向客观化[5]。赵丽较全面的将干旱分为四类，即主要由降水量决定的的气象干旱、由地下水和地表水量决定对的水文干旱、由农作物需水量等决定的农业干旱和由人类生产生活决定的社会经济干旱，并且详细的将这四种干旱的特征、形成原因、造成的危害等等方面进行阐述，其中有联系也有区别[6]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1选题背景及研究意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2研究意义 2
1.2相关文献研究综述 2
1.2.1国内外干旱理论研究进展 2
1.2.2干旱预测指数研究进展 3
1.2.3 干旱预测模型研究进展 3
1.3研究内容 5
第2章 干旱和干旱指数概述 5
2.1干旱的基本概念 6
2.1.1 干旱的定义 6
2.1.2 干旱的基本特征和成因 6
2.2干旱的分类 6
2.2.1 干旱的种类 6
2.2.2 不同种类干旱之间的关系 7
2.3干旱指数的基本概念 7
2.3.1干旱指数的定义 7
2.3.2干旱指数的分类 8
2.3.3 常用的干旱指数 8
2.4 标准化降水指数（SPI） 9
2.4.1 SPI含义 9
2.4.2 SPI计算方法 10
2.4.3 SPI干旱等级划分标准 11
2.5 本章小结 12
第3章 ARIMA相关理论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
和预测方法 13
3.1时间序列分析 13
3.1.1时间序列的组成部分 13
3.1.2时间序列的数学模型 14
3.2时间序列的分析步骤 16
3.3 ARIMA模型的基本原理 16
第4章 苏北地区季节性干旱指数预测 19
4.1研究区域的自然条件概述 19
4.1.1研究区域情况简介 19
4.1.2研究区域SPI等级分析 19
4.2基于ARIMA的干旱指数预测 24
4.2.1徐州站数据的选取 24
4.2.2徐州站 SPI指数的ARIMA预测 24
4.3本章小结 29
第5章 总结与展望 30
5.1总结 30
5.2展望 30
参考文献 32
第1章 绪论
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
干旱是在苏北地区是一种常见的自然灾害现象，通常发生比较缓慢，发生原因以及发生过程比较复杂，影响范围广，并且会在很长时间内难以缓解，给苏北地区的人民生活和生产生活带来很大的影响，尤其是对工农业的影响更大，是目前最受关注的气象灾害之一[1]。
在苏北地区，干旱是一种从古至今频繁发生的自然灾害。历史上，从1470~1949年之间，苏北地区的代表性城市——徐州共出现旱灾133次，其中出现的大旱高达30次；而另一个苏北城市——扬州，则是出现了128次旱灾，其中29次大旱。
建国以后，在降水资料的记载中，苏北地区在1958,1959,1960,1965,1966,1976,以及1978,1979年发生了干旱情况，而在1978年的，苏北地区受灾面积打到4315.6万亩，占全区耕地面积的83%。
而在最近五年，苏北地区的干旱愈发严重。2009年初，江苏省发生大旱，苏北地区降水最少的是徐州、连云港、宿迁和淮安市,徐州市部分站点的降水量不足20mm；2010年春季，苏北地区遭遇50年来最严重的秋旱，淮北地区降水量为1961年以来同期最少值；2011年5月上旬以来，江苏苏北地区出现60年来最严重的旱灾，淮河下游断流、洪泽湖的水位处于历史最低水位； 2012年5月中旬，苏北地区几乎无降雨，持续两个月的低降水量让整个苏北赤地千里。
苏北地区的干旱呈现季节性。春季蒸发量大而降水量却很少，连续多日的无雨导致苏北地区的春旱比较严重。据统计，苏北地区的春旱成灾率 大约在30~40%。而在夏天，苏北地区的旱情较轻，平均3~5年出现一次。而在秋天和冬天由于降水量的原因，干旱更加频繁。据统计，苏北地区冬季降水稀少，冬旱成灾率高达50%[2]。
由此看出，苏北地区是一个干旱频发的地区。研究其干旱发生规律势在必行，利用科学的统计模型进行干旱预测，以此作为抗灾减灾的依据，更有利于苏北地区的经济发展。
1.1.2研究意义
从苏北地区干旱发生的频率和造成的影响来看，旱灾已经是最严重的自然灾害类型之一，尤其是进入20世纪，经济的快速发展对于水资源更大的需求量，让人们将更多的目光集中到了水资源的保护和开发上。另外，自然灾害是人们难以抵抗的，旱灾自然也不会以我们的意愿而转移，所以我们只能够尽可能地减少灾害所致的各项损失。基于这个目标，对旱灾发生的预测就势在必行，在此基础之上制定合理有效的抗旱方案，由此可见干旱预测工作在干旱管理工作中占据非常重要的地位。论文是基于ARIMA针对苏北地区水文站点对其干旱指数进行预测。主要研究意义在于以下两点：
（1）论文主要是针对干旱来讲，具有实际意义。干旱已经严重危害了苏北地区的生产生活，带来了重大的经济损失。我国国家防总和防办系统已做了职能改革，防总除了应急职能外，还针对备旱问题发挥了组织协调功能，实现了由被动抗旱到主动备旱的转变，有效整合了资源。
（2）就目前而言，国内外有众多研究成果来对干旱风险进行评估预测，然而对于防范于未然的干旱的预测研究并且针对干旱预测模型却没有太多的研究。论文提出基于ARIMA的干旱指数预测模型，为苏北地区的防旱、控旱、抗旱提供科学的预测方法。
1.2相关文献研究综述
1.2.1国内外干旱理论研究进展
干旱在全球范围内都引起了极大的关注，它已经影响了全球绝大多数国家的经济发展和人们的生活。干旱的影响与人类的生存发展的关系，可以说是息息相关。关于干旱理论的概括如下：冯定原等把干旱定义为一种单一的自然现象，认为干旱就是在农业生产季节长时间内无雨、进而影响到农业生产，粮食欠收的农业灾害现象[3]；而鲍志伟等认为干旱是由多种因素引起的一种自然现象，对于复杂的干旱现象不可能用某种单项指标或者因素来加以全面的表征[4]。干旱气候很大部分上是由于降水量与蒸发量之间的以及其他各要素之间的平衡被打破造成的。张俊等人指出目前干旱研究的不足，对干旱的认识应逐渐由定量化转向客观化[5]。赵丽较全面的将干旱分为四类，即主要由降水量决定的的气象干旱、由地下水和地表水量决定对的水文干旱、由农作物需水量等决定的农业干旱和由人类生产生活决定的社会经济干旱，并且详细的将这四种干旱的特征、形成原因、造成的危害等等方面进行阐述，其中有联系也有区别[6]。
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