基于LSTM降水量预测的咸阳“旱腰带”地区干旱趋势分析

摘要 以咸阳“旱腰带”地区13个气象站2010—2019年气象监测资料为基础，通过分析该地区降水、气温及干旱的特征，结合1960年以来县气象站资料，模拟“旱腰带”地区近60年降水量，构建“旱腰带”地区降水量数据集；基于长短期记忆网络（LSTM），以历史降水量数据为输入对“旱腰带”地区的降水量进行预测；根据地区干旱分级标准，由预测得到的降水量结果计算得到不同地区的干旱级别，从而实现对干旱发展趋势的分析。结果表明，基于降水量预测数据得到的干旱分级与真实情况相比，精度达到85%以上，能够为“旱腰带”地区环境乃至旱区改善及生态修复提供理论基础和决策依据。

关键词 干旱发展趋势；干旱等级；降水量预测；致旱原因；LSTM

中图分类号 S162  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0192-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.044

Analysis of Drought Trend in Xianyang “Drought Belt”Area Based on LSTM Precipitation Forecast

MA Shai-yan1，WANG Wei1，PEI Li-li2 et al

（1.Xianyang Institute of Agricultural Meteorology，Xianyang，Shaanxi 712034;2.School of Information Engineering， Chang’an University， Xi’an，Shaanxi 710064）

Abstract Based on the meteorological monitoring data of 13 meteorological stations in the “drought belt” area of Xianyang from 2010 to 2019， by analyzing the characteristics of precipitation， temperature and drought in this area，combined with data from county meteorological stations since 1960， the precipitation in the “drought belt” area in the past 60 years was simulated， and the precipitation data set in the “drought belt” area was constructed. Based on the long short-term memory （LSTM） network， the precipitation in the “drought belt” region was predicted with historical precipitation data as input. According to the regional drought classification standard， the drought level of different regions could be calculated from the predicted precipitation results， so as to realize the analysis of the drought development trend.The results showed that the drought classification based on the precipitation forecast data had an accuracy of 85% compared with the real situation， which could provide a theoretical basis and decision-making basis for environmental improvement and ecological restoration in the “drought belt” area.

Key words Drought development trend;Drought level;Precipitation forecast;Causes of drought;LSTM

基金项目 咸阳市重大科技专项“东庄水库区域生态环境变化与种植布局调整气象分析研究”（2020K01-33）。

作者简介 马筛艳（1977—），女，陕西兴平人，副研级高级工程师，硕士，从事农业气象预报技术方法研究。

收稿日期 2022-07-23

气象干旱主要是降水异常偏少导致的水分短缺现象，而干旱灾害则是干旱自然现象和人类活动共同作用的结果［1］。干旱是危害农牧业生产的第一大自然灾害，旱区气候特点及干旱发展趋势是旱区生态修复的理论基础和决策依据［2］，对干旱和旱区气候条件的研究历来都是学者们关注的热点。

张强等［3］结合干旱研究的热点问题和发展趋势，分析了我国干旱研究的不足，提出了我国未来干旱研究需加强典型干旱频发区综合性干旱科学试验研究。李耀辉等［4］研究表明气候变化使我国骤发性干旱显著增加，且在未来几十年有可能持续下去。咸阳“旱腰带”地区是构建北山生态屏障防止北方沙尘的最后一道防线，研究咸阳“旱腰带”地区气候特点，充分利用气候资源，发展适应气候特点的林果经济，不仅能提高农民收入，也有利于该地区生态的逐渐修复，对实施大西安绿色城镇化战略意义重大［5-11］。一些学者们也已经开展了相关方面的研究，许玮等［12］分析了“旱腰带”地区近几年气温及降水的变化特征并得出气候呈干暖化趋势；马延庆等［13-16］分别研究了“旱腰带”地区葡萄、平欧大果榛子、树上干杏、石榴等经济林果气候适应性及栽培技术和管理方法等，以期充分利用气候资源，发展适宜性高的杂果，实现乡村振兴和产业脱贫。

近年来，机器学习模型在降水量预测方面应用趋向成熟，预测呈现较高的准确度。李正方等［17］利用杭州某地10年间的部分降雨数据验证了基于粒子群优化的CART算法对降水量预测的准确性及稳定性。舒涛等［18］通过分析小波神经网络在趋势预测中的优越性，结合NARX动态神经网络对拉萨市近10年7月份的降水量进行预测及预测检验。朱晓霞等［19］通过分析兰州市近年每月降雨数据与滑坡的时空分布特征及两者关系，建立有效降水量预测模型，对黄土滑坡进行预警。LSTM是 Hochreiter等［20］1997年提出的基于循环神经网络理论的具有记忆长短期信息能力的神经网络，主要是为了解决长序列训练过程中的梯度消失和梯度爆炸问题。经过若干代的发展，已经在气候环境、温湿度、降水量预测方面得到了广泛的应用。

目前对“旱腰带”地区的研究基本以短期的气象条件为主，缺乏对长期监测数据挖掘与未来干旱趋势预测的相关研究，对“旱腰带”各地差异及与周边区域分析也鲜有涉及，使得“旱腰带”地区环境改善及生态修复缺乏理论基础和决策依据。该研究基于2010—2019年“旱腰带”地区气象观测资料，结合1960年以来县气象站资料，通过分析“旱腰带”地区及其所属县区降水量数据特点，构建“旱腰带”地区降水量数据集，并建立LSTM模型，预测“旱腰带”地区未来几年的降水量，以期为政府在“旱腰带”地区实施生态修复、乡村振兴等方面决策提供依据。

1 “旱腰带”地区气象要素特征分析

1.1 数据来源

该研究所用13个“旱腰带”地区监测站点资料来源于中国气象局cimiss数据库，县气象站资料来源于地面测报文件，数据均通过mdos进行了质控。13站位于“旱腰带”地区13个乡镇，其中泾阳县4站、礼泉县2站、乾县4站、三原县3站，咸阳“旱腰带”地区地形和站点分布如图1所示。

因自动站11月至次年3月不观测降水量，故区域站与自动站年降水量统计时段均为4—10月（此时段为年降水量的主要分布时段，具有一定代表性，满足分析的需要）。因“旱腰带”地区区域站多为两要素站，只观测降水量和气温，所以该研究干旱等级采用降水距平百分率指标计算［21］，计算公式如下：

Pa=p-×100%（1）

式（1）中，Pa为降水量距平百分率（%）；p为某时段的降水量（mm）；为常年同期气候平均降水量（mm）。

气温模拟采用线性回归，最小二乘法计算回归系数，确定回归方程，并对方程进行显著性检验。

1.2 “旱腰带”地区气象要素特征分析

1.2.1 气象要素年变化特征。

从图2可以看出，2010—2019年咸阳“旱腰带”地区年平均气温14.1 ℃，年降水量422.6 mm，极端最高气温42.8 ℃，极端最低气温-15.9 ℃，日最大降水量99.4 mm。10年间“旱腰带”地区气温呈缓慢上升趋势，降水量呈减少趋势。

1.2.2 气象要素月变化特征。

从图3可以看出，近10年咸阳“旱腰带”地区月平均气温曲线呈单峰分布，1月平均气温最低，为-0.1 ℃，7月平均气温最高，为27.0 ℃。降水主要集中在7—9月，其中9月降水量最多，为105.8 mm，占年降水量的25%，4月降水量最少，为33.9 mm。

1.3 “旱腰带”地区干旱情况特征分析

为了定量描述“旱腰带”地区干旱程度，计算了各站近10年的干旱指数，对照气象干旱等级表（表1），得到各站干旱等级（表2）。从历年各站点干旱情况（表2和图4）来看，2010—2019年“旱腰带”地区各站出现了不同干旱类型的频次。

从时间分布（表2和图4）上看，2010、2011、2017、2019年 “旱腰带”各站以无旱或轻旱为主，未出现过中旱以上等级。2016年出现3站次特旱，2站次重旱，是所有年份中特旱及重旱出现最多的一年，其次是2013年，出现了2站次特旱；2010—2014年，以无旱或者轻旱为主，特旱重旱偶有发生，5年间共出现3站次特旱，1站次重旱；2015—2019年出现4站次特旱，5站次重旱，特旱、重旱区域及发生频次明显增加，表现出特旱与无旱或轻旱交替出现的极端变化特征，值得注意的是，2016和2018年特旱区域较大，2017和2019年均没有出现中旱及以上等级的干旱。

从空间分布（表2）上看，三原大程10年间发生3次重旱、1次特旱，干旱最为严重；乾县梁山特旱发生频次最高，10

年出现2次；泾阳口镇，礼泉烟霞、昭陵，乾县阳洪、临平10年间以无旱或轻旱为主，未出现过中旱以上等级的干旱。

综上所述，时间分布上，与前5年（2010—2014年）相比，近5年（2015—2019年）特旱及重旱发生区域及频次均有明显扩大趋势，同时表现出特旱与无旱或轻旱交替出现的极端变化特征。空间分布上，三原陵前、马额、大程3站特旱及重旱发生频次较高，干旱尤为严重；礼泉烟霞、昭陵2站未发生过中旱以上等级干旱，干旱最为缓和；泾阳及乾县内部差异较大，部分地区干旱等级较高，部分地区则较低。

2 “旱腰带”地区降水量数据集构建

2.1 县站降水量与“旱腰带”站点降水量对应分析

对2010—2019年“旱腰带”各站与对应县站降水量进行分析，发现各站与所属县站降水量变化趋势较为一致，因此利用1960年以来县站降水量变化趋势来表征“旱腰带”各地降水量变化趋势是可行的。从1960—2019年降水量变化（图5）可以看出，自1960年以来，泾阳、乾县、礼泉3站降水量均呈减少趋势，其中泾阳减少最为明显，约为0.2 mm/10 a，其次是乾县，礼泉无明显减少趋势。三原站1970年建站，1988—2005年机构改革业务调整，取消了观测，所以此时段资料缺测，但从其他时段来看，变化趋势与其他3站基本相同。