WRF模型在山洪灾害预警预报中的试验应用

为了给无气象观测资料地区提供气象数据,提高定量降雨预报的精度。利用中尺度WRF模式建立了面向长江流域的降雨自动化预报系统,该系统分为气象数据自动下载、模式预报和产品输出3个主要部分,且其运行和产品处理全部实现了自动化。对系统2012年11月至2013年2月的预报能力进行了检验,结果表明,WRF模式能较好预报降水的时间演变,24 h晴雨预报、一般性降雨预报和小雨预报的TS评分较高。个例分析表明,WRF模式能较好地预报降水的时空演变特征,但对极端降水的时空变化特征预报还有欠缺。该系统实现了精细化和定量化的防洪降雨预报,可使预报结果与洪水预警相结合,为山洪灾害预警平台的搭建提供了技术支持。     

基于多源数据同化融合的尼洋河降水时空分布特征

地理位置处在我国高寒山区的尼洋河流域地面气象观测站点极少,是典型的缺资料地区,卫星降水数据产品是降水数据的重要补充。由于卫星降水数据在获取上的间接性及本身的不确定性,数据精度问题一直是阻碍其有效应用的主要因素。基于集合卡尔曼滤波(EnKF)同化算法,选取TRMM、CHIRPS、Cmorph_V1.0、PERSIANNCDR及Gldas_Noah 5种卫星降水产品,在对其与林芝站网格区域实测降水进行精度分析的基础上,进一步进行多源降水数据同化与融合。结果表明:同化后5种卫星降水产品与实测降水量的相关系数CC均在0.98以上,BIAS均在10%以下,ME在同化后均小于0.2mm/d,RMSE均小于0.6mm/d,EnKF的同化效果显著。将同化后的5种降水与原卫星降水之间的误差序列推广至全流域,从而获得全流域的5种同化降水用于融合,融合后的降水数据综合了5种降水数据产品在精度指标的各自优势,其精度和可靠性更高。利用克里金插值法对融合后的降水进行尼洋河降水时空分布特征分析,结果显示年降水量空间上由中部向四周逐渐递减,时间上呈现逐年增加的趋势。通过对卫星降水数据进行同化及融合,在提升降水数据产品精度的同时提供了满足水文模拟及水资源管理需求的时间序列数据,具有重要的应用价值。     

不同卫星遥感降水产品在辽东山区的适用性及修正方法研究

文章对比分析CMA和JMA两种卫星遥感降雨产品在辽东山区降水量应用效果,并对其降水量进行修正。结果表明:CMA卫星降雨产品在大雨量级的总体应用效果好于JMA降雨产品。采用卡尔曼滤波方法对卫星遥感降水产品进行修正后,修正降水量和气象站实测降水量之间的误差10%。研究成果对于卫星遥感降水产品在辽东山区的应用具有重要参考价值。     

集合降雨预报在柬埔寨区域的应用研究

为了在分析研究区域内降雨变化趋势的基础上,探讨不同预见期的集合降雨预报数据在柬埔寨地区的可利用性及降雨集合预报数据的准确性,以柬埔寨境内3S河流域和湄公河流域上段为研究区域,分别采用滑动平均和数理统计法(M-K检验、Kendall检验、Spearman检验和LRT检验)分析研究区域内降水量的变化趋势。结果表明该区域内降雨呈缓慢增长趋势。采用ECMWF提供的降雨集合预报信息对比分析了1,3,5,7 d集合降雨预报对实测降雨的覆盖程度,并采用3个指标评价了集合降雨预报控制值的精度。结果表明随着预见期的延长,1~7 d集合降雨预报精度逐渐降低,但中短期集合降雨预报整体精度较高,推荐在研究区域采用1~5 d预报数据。     

美国本土地区蓄量时空变化特性及其影响因素研究

为了解美国本土地区水量平衡的时空变化规律以及气候、植被、地形、人类活动等影响因子对不同空间尺度蓄量变化的影响,基于水量平衡公式,利用遥感观测蒸散发数据、遥感与地面观测融合降水数据、再分析降水数据、模型模拟蒸散发与径流数据、站点实测径流数据的不同组合计算蓄量变化,分析美国本土地区的蓄量变化时空变化特征。结果发现:不同来源数据计算的蓄量变化时空分布差异较大并且均存在显著偏差,其中西部沿海与山区的蓄量变化有显著季节性波动,而东部地区较稳定;众多因子中降水对蓄量变化的影响最大。根据不同来源数据计算得到的蓄量变化有显著偏差,其原因包括:①对流域水循环结构组成的认识不足且缺乏测量;②降水、径流与蒸散发数据存在不确定性;③时空尺度问题。     

基于云模型的深圳市降水时空分布研究

为研究深圳市降水的时空分布规律及演变特征,基于深圳市11个雨量观测站点1960年～2020年逐月降水数据,采用正向云发生器算法及多步式逆向云变换算法构建云模型,并结合趋势分析及突变检验等方法,定性及定量分析了深圳市的降水时空演变特征。结果表明：深圳市降水量年内存在6月和8月2个峰值,汛期降水离散程度高,6月稳定性最低;11月～次年2月降水量相近且较小,稳定性较高;年降水量总体上呈增加趋势;1992年为降水突变年,突变后的降水量增加,降水不均匀性增加,稳定性降低;年降水量在时间分布上更离散,更不稳定;深圳市降水量及降水不均匀性空间分布均从东南向西北递减,东部地区降水量最大,降水最不均匀,中部地区降水最为稳定。研究成果能为深圳市水资源管理、防洪排涝及气候变化研究提供科学参考。     

沙河市旱灾成因及对策

受区域性不均衡和降雨季节性影响,沙河市地表径流时空分布极不均匀,不仅年际变化大,而且还出现连续丰水年或连续枯水年。因此,开源节流、优化配置水资源、建立节水型社会是解决沙河市水资源短缺、减少旱灾的有效途径。     

卫星遥感降水的反演、验证与应用综述

降水是全球水和能量循环中最重要的变量之一,利用卫星遥感技术获得大范围、高质量的降水产品成为近几年的研究热点和难点,而目前国内还缺少系统性介绍卫星遥感降水反演、验证与应用的成果。回顾了各类卫星降水传感器,对其特点及相应的经典反演算法进行详细描述;总结了包括TMPA、IMERG在内的典型降水产品,并对其在全球和区域性的效果评估进行了展示。最后介绍了卫星降水产品在洪水监测和预报上的应用案例,并对卫星遥感降水产品的未来发展方向进行了展望。在过去几十年,基于卫星遥感的全球降水产品的生产与应用已经有了较为成熟和稳定的发展,相关研究还将继续着重在获取更高时空分辨率的降水产品、复杂地区的适应性、雨雪相态划分等方面。研究成果旨在促进国内相关研究领域的发展。     

北江飞来峡流域TRMM卫星降雨数据适应性研究

近年来TRMM卫星降雨数据的精度和适应性备受关注,以位于亚热带季风气候区的典型流域——北江飞来峡流域为研究区,利用24个实测站点降雨数据对TRMM数据集进行时空精度和准确性分析;采用CDD、CWD和RX5day等指标研究流域内极端持续性气候特征,并应用Cox-Stuart趋势分析法分析流域内极端持续性气候变化趋势,重点探讨TRMM降雨数据对持续性极端降雨情况的捕捉能力。所得结果如下:(1)时空精度分析表明TRMM在低纬度低海拔地区精度和准确性较好,而在高纬度且地形变化较大的地区则表现一般,容易出现虚报、误报现象;(2)持续极端气候方面,TRMM倾向于低估CWD及后汛期的RX5day,TRMM可捕捉到流域西部的持续干旱趋势,但难以捕捉到流域东南部持续性降雨显著增加的趋势。本研究所得结果可为流域内水资源管理和径流预测等提供一定科学依据,也可作为同纬度其他相似流域参考。     

天回山丘陵区雨水集蓄工程设计

雨水集蓄利用是导引、收集、蓄存和保护雨水径流，用于农业生产和人畜饮用的一种工程技术。它具有三个基本特征：（1）应用于具有间歇性径流的干旱半干旱地区，水源主要来自于降水。由于径流历时短暂，贮存是雨水集蓄利用中不可缺少的一部分；（2）由于水源主要来自降雨，所以系统不包括大型水库和地下水开采；（3）系统在集水区面积、蓄水容积和投资上的规模都比较小。但其所采取的具体形式依据当地条件、降水情况、对水的利用目的及经营管理方式等而不同。因雨水集蓄利用人为改变了天然降水的时空分布，提高了可控性，从而大大提高了降水利用率，对于水资源缺乏的干旱半干旱地区，具有极其重要的意义。     

基于EMOS方法的多源遥感降水数据融合与性能评估——以黄河中游为例

选择对气候变化和人类活动极为敏感的黄河中游为研究区,采用集成模型输出统计方法(EMOS)对多源遥感降水数据(CHIRPS、CMORPH、PERSIANN-CDR和TMPA 3B42)进行数据融合,并对其基本统计性能和降水等级性能进行评估。研究发现:采用EMOS数据融合方法获得的降水数据集可更好地捕捉观测降水的空间分布和年际均值,其基本统计性能(δBIAS=-3.4%;δRMSE=13.1mm;γKGE=0.233)明显优越于4种独立的遥感降水产品、4种产品的均值(MME)以及采用分位数映射法(QM)获取的数据集,但各统计指标存在较大的空间差异性;EMOS方法获得降水数据集显著地改善了对中雨的检测性能(探测率DPOD=0.38);相对MME,EMOS对大雨的综合探测能力(关键成功指数ECSI)提高了12%,表明该方法对高强度降水的正确检测能力更具优势。基于EMOS多源数据融合方法获得的高精度数据集,可为黄河中游典型生态恢复区的极端降水-水沙关系研究提供科学支撑,具有较好的科学价值和应用前景。     

Remote Sensing and GIS Innovation with Hydrologic Modelling for Hydroelectric Power Plant (HPP) in Poorly Gauged Basins

Within the last two decades, modelling of rainfall–runoff has become an important topic in water resources assessment due to increasing water demand and energy, particularly in the determination of hydropower potential. In addition to remote sensing (RS) and geographical information systems (GIS), with the development on satellite technologies, it becomes possible to asses rapid and economic solutions to determine a practical rainfall–runoff relation, particularly poorly gauged or ungauged basins. In this paper, Solakli Watershed which is located in Eastern Black Sea Region of Turkey is selected as the study area. To determine the hydroelectric water potential in a poorly gauged basin, basin boundary and area, minimum maximum and mean elevation, slope information of the basin have been derived from the digital elevation model (DEM) using remote sensing (RS) and geographical information systems (GIS) techniques. IRS P5 stereo satellite data with 2.5-m spatial resolution has been used for deriving the DEM. This DEM is used to produce the flow direction and flow accumulation maps of the basin. Afterward, synthetic drainage network is obtained with the analysis of these maps. Using topographical data such as area, mean basin elevation and limited point observations of rainfall data; a regression model was derived for the whole watershed. This regression model was validated on a sub-basin with satisfactory results using mean areal rainfall which was calculated isohyetal map produced by kriging method. Suggested hydropower station points are also determined.     

Hydrological assessment of TRMM rainfall data over Yangtze River Basin

High-quality rainfall information is critical for accurate simulation of runoff and water cycle processes on the land surface. In situ monitoring of rainfall has a very limited utility at the regional and global scale because of the high temporal and spatial variability of rainfall. As a step toward overcoming this problem, microwave remote sensing observations can be used to retrieve the temporal and spatial rainfall coverage because of their global availability and frequency of measurement. This paper addresses the question of whether remote sensing rainfall estimates over a catchment can be used for water balance computations in the distributed hydrological model. The TRMM 3B42V6 rainfall product was introduced into the hydrological cycle simulation of the Yangtze River Basin in South China. A tool was developed to interpolate the rain gauge observations at the same temporal and spatial resolution as the TRMM data and then evaluate the precision of TRMM 3B42V6 data from 1998 to 2006. It shows that the TRMM 3B42V6 rainfall product was reliable and had good precision in application to the Yangtze River Basin. The TRMM 3B42V6 data slightly overestimated rainfall during the wet season and underestimated rainfall during the dry season in the Yangtze River Basin. Results suggest that the TRMM 3B42V6 rainfall product can be used as an alternative data source for large-scale distributed hydrological models.     

基于ATAK的MSWEP数据空间降尺度及对降水融合的影响研究

全球性降水数据为获取大范围降水空间分布提供了新途径,但其空间分辨率不高一直是制约其应用于流域或区域尺度上的重要因素之一,因此研究全球性降水数据的空间降尺度方法具有重要的理论和实用价值。本文采用从区域到区域的Kriging（Area to Area Kriging,ATAK）和反距离权重（Inverse Distance Weighted,IDW）两种方法,不考虑地面雨量资料及影响雨量的有关辅助信息,在汉江流域将全球性降水数据MSWEP的空间分辨率由0.1°×0.1°提高至0.02°×0.02°。结果发现ATAK降尺度得到的月雨量场虽然在统计精度上与IDW无明显差异,但提高了对月降水量局部空间变异特征的描述能力,在一定程度上克服了IDW的平滑效应。进一步以ATAK、IDW降尺度处理后的MSWEP数据以及不作空间降尺度处理的原始MSWEP数据为背景场,采用GWR方法分别与雨量站网降水数据融合,发现3种情况下得到的月降水融合数据在空间基本格局上相同,精度统计结果也较为接近,但雨量场的空间连续性及细节特征仍有一定差异。在地表雨量站网密度较高的情况下,背景场差异对MSWEP和站点降水融合结果的影响不能完全消除,甚至在局部可能放大。因此,对于MSWEP等全球性降水数据与站网降水资料的融合而言,选择适当的空间降尺度方法是必要的。本文的结论和认识为全球性降水数据的空间降尺度和雨量场精细化估计提供了重要参考。     

基于Landsat卫星数据的洪湖水体遥感监测研究

2011年洪湖遭遇了70 a一遇的干旱,湖区水体面积发生了明显的变化。为了解影响洪湖水体面积变化的因素,利用1973年以来的多期Landsat卫星遥感图像数据,提取洪湖湖区水域面积,结合同期逐月日平均降雨量数据,对洪湖水体面积变化进行了探讨。分析表明：洪湖水体面积呈下降趋势;1973~2000年洪湖水体面积和年降雨量数据、汛期降雨量数据的相关性都很高,水体面积的变化趋势和年降雨量的变化趋势基本一致;而1973~2010年洪湖水体面积和年降雨量数据、汛期降雨量数据的相关性都有所降低,说明2000年后,影响洪湖水体面积的因素可能存在降雨量之外的其他因素,具体情况还有待进一步深入研究。     

遥感估算蒸腾蒸发量的时空尺度推演方法及应用

本文提出了适合任意蒸腾蒸发量(ET)的时空尺度推演方法，建立了不同土地类型区域的水分盈亏计算方法。利用NOAA/AVHRR和Landsat TM遥感数据分别反演出影像，获取当天的实际蒸腾蒸发量，通过Penman-Monteith公式并使用气象数据计算出参照蒸腾蒸发量，然后用空间和时间的推演法，形成高分辨率、长时间序列的遥感反演ET结果，同时对降雨量进行样条插值得到数字图像。以此为基础，通过区域水量平衡分析方法对通县1999年的区域水分盈亏状况进行了研究。     

A Novel Spatiotemporal Statistical Downscaling Method for Hourly Rainfall

Finer spatiotemporal resolution rainfall data is essential for assessing hydrological impacts of climate change on medium and small basins. However, existing methods pay less attention to the inter-day correlation and diurnal cycle, which can strongly influence the hydrological cycle. To address this problem, we present a spatiotemporal downscaling method that is capable of reproducing the inter-day correlation, the diurnal cycle, and rainfall statistics on daily and hourly scales. The large-scale datasets, which we obtained from the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysis dataset (NNR) and general circulation model (GCM) outputs, and local rainfall data are analyzed to assess the impacts of climate change on rainfall. Our proposed method consists of two steps: spatial downscaling and temporal downscaling. We apply spatial downscaling first to obtain the relationship between large-scale datasets and daily rainfall at a site scale using a k-nearest neighbor method (KNN). Then, we conduct an hourly downscaling of daily rainfall in the second step using a genetic algorithm-based KNN (GAKNN) with the inter-day correlation and the diurnal cycle. Furthermore, we analyzed changes in rainfall statistics for the periods 2046–2065 and 2081–2100 under the A2, A1B, and B1 scenarios of the third generation Coupled Global Climate Model (CGCM3.1) and Bergen Climate Model version 2 (BCM2.0). An application of our proposed method to the Shihmen Reservoir basin (Taiwan) has shown that it could accurately reproduce local rainfall and its statistics on daily and hourly scales. Overall, the results demonstrated that the proposed spatiotemporal method is a powerful tool for downscaling hourly rainfall data from a large-scale dataset. The understanding of future changes of rainfall characteristics through our proposed method is also expected to assist the planning and management of water resources systems.     

柬埔寨水资源量时空分布研究

利用柬埔寨境内的水文气象资料,将该国全境划分为2个水资源一级区,5个水资源二级区,40个水资源三级区,分别借助水文比拟法、入渗系数法推求得到各分区的地表水资源量和地下水资源量,进而根据山丘区和平原区的转化特点进行综合分析而得到水资源总量,并据此对柬埔寨水资源量的时空分布特性展开了分析。分析研究结果表明:(1)柬埔寨1981~2010年多年平均水资源总量为1 324亿m~3,其中,地表水资源量为1 288亿m~3,地下水资源量为416亿m~3;(2)从水资源二级区的分区情况来看,柬埔寨境内的水资源总量的年际变化不大,年内分配不均,5~11月的水资源总量占全年的84%;(3)湄公河在柬埔寨境内的产水量和沿海流域入海水量分别占全国水资源总量的79%和21%;(4)柬埔寨的入境水量主要包括湄公河干流上游的来水量(约3 157亿m~3),3S流域上游进入柬埔寨境内的水量(866亿m~3),湄公河流域和西南沿海流域总计出境水量约为5 347亿m~3。     

多源降水信息在秦淮河流域洪水模拟中的应用

目前天气雷达测雨与卫星遥感降水具有高时空分辨率与大面积的覆盖范围等特点,为洪水模拟预报提供了新的数据支持,但此类降水产品的预报能力差别较大,因此需对其进行精度评估。结合地面雨量站观测数据,在中纬度秦淮河下游流域定量评估S波段雷达测雨和全球高分辨率卫星CMORPH,Era-Interim,GPM和TRMM(3B42V7)降水数据的精度,并采用三水源新安江模型对选定的3场洪水过程进行了模拟。结果表明:在洪水过程径流模拟中,S波段雷达测雨数据与4种卫星降水产品均具有较好的径流模拟适用性;除雨量站外,精确度最高为S波段雷达和GPM,是当前评估中最好的降水产品,径流模拟精度达到0.92以上,且两种降水产品的趋势一致,其次是TRMM(3B42V7),Era-Interim,CMORPH卫星降水数据。研究成果可为天气雷达与常用卫星遥感降水数据在流域洪水模拟的水文预报应用提供参考与借鉴。     

Evaluation of Global Water Resources Reanalysis Runoff Products for Local Water Resources Applications: Case Study-Upper Blue Nile Basin of Ethiopia

The increasing availability of global observation datasets, both from in situ and remote sensors, and advancements in earth system models and data assimilation algorithms have generated a number of water resources reanalysis products that are available at global scale and high spatial and temporal resolutions. These products hold great potential for water resources applications, but their levels of uncertainty need to be evaluated at local scale. In this work, we evaluate the runoff product from two multi-model global water resources reanalyses (WRRs), available at 0.5° (WRR1) and 0.25° (WRR2) grid resolutions, which were produced within the framework of a European Union project (eartH2Observe) in the upper Blue Nile basin. Analysis indicates that the recently released WRR2 UniK product exhibits consistently better performance statistics than the earlier coarser-resolution WRR1 and the rest of the WRR2 products at all ranges of temporal and spatial scale evaluated. Streamflow simulations based on gauged rainfall forcing and the locally set hydrological model CREST outperforms all the other products, including UniK. Global hydrological products can be a data source for various water resources planning and management applications in data-scarce areas of Africa. This study cautions against using available global hydrological products without prior uncertainty evaluation.