1960—2019年关中平原极端降水时空变化及非平稳性分析

【目的】为探究极端降水的时空变化及其非平稳性特征,【方法】选取位于关中平原范围内1960—2019年长时间降水序列,利用极点对称模态分解(ESMD)方法分析了区域极端降水的时间变化特征,并采用Sen斜率估计+Mann-Kendall(Sen+MK)方法对5d最大降水量(Rx5)进行空间分析,最后利用广义可加模型(GAMLSS)对极端降水序列的非平稳性特征进行分析。【结果】研究发现：在时间变化趋势上,持续湿润指数(CWD)、年降雨量(PRCPTOT)、5 d最大降水量(Rx5)呈现出先下降后上升的趋势,整体为下降趋势,极强降水量(R99P)和降水强度(SDII)呈上升趋势;大雨日数(R25)呈现出下降趋势;在空间分布上,其中春、秋两季下降明显,降雨主要集中在夏季,趋势系数最高达到0.17 a^-1,冬季降雨有一定程度的增加;关中平原极端降水指数基本为平稳序列,个别站点非平稳性较为明显。【结论】关中平原极端降水量和不确定性变化较为稳定,未来突发性强降水事件出现概率较低,但是个别区域会遭到较为严重的灾害风险,研究结果可为将来关中平原相关洪涝预防措施提供一定指导。     

山美水库流域极端降水时空变化及非平稳性特征

为探究极端降水的时空变化及其非平稳性特征,基于1972—2010年山美水库流域8个降水站点逐日降水数据,选取9个极端降水指数,利用Pre-Whitening Mann-Kendall（P-WM-K）方法分析流域极端降水的时空变化特征,并采用广义可加模型（generalized additive models for location,scale and shape,GAMLSS）检测极端降水的非平稳性特征。结果表明：在时间变化趋势上,极端降水频率指数中雨日数R10mm和大雨日数R25mm呈下降趋势,暴雨日数R5mm呈上升趋势,且上升趋势达到005显著性水平;除降水总量PRCPTOT外,其余强度指数呈上升趋势,且均达到 0.05显著性水平,其中极端降水量R95线性倾向率达到 30.5 mm/（10 a）;在空间差异上,R50mm和极端降水强度指数在流域东南部呈现上升趋势,且上升趋势显著,西北部PRCPTOT下降较明显;R10mm和R25mm呈平稳特征,R50mm全流域约50%的站点呈现非平稳特征,且以均值非平稳为主,除PRCPTOT外,其余强度指数均以非平稳特征为主,且主要表现为均值非平稳。未来山美水库流域极端降水量和不确定性增加,灾害风险增大。     

中国多尺度不同量级极端降水发生率非平稳性研究

利用中国1951—2014年728个气象站点日降水数据,采用核估计技术、Cox回归模型、泊松回归和广义可加模型(GAMLSS)等全面分析了不同阈值条件下基于超阈值(POT)抽样的中国极端降水发生率非平稳性特征。研究表明:(1)西北部极端降水发生率在年际上分布最不均匀,阈值的增加导致不均匀程度和范围加深和扩展。西北部和东南部年际尺度极端降水发生率呈显著上升趋势,可能引发更严重的洪涝灾害;中部和东北部则相反,极端降水频率趋于减弱;(2)基于Cox回归模型的分析表明,厄尔尼诺/南方涛动(SOI)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和太平洋年代际涛动(PDO)等气候指标均为影响不同区域年内尺度极端降水发生率的显著气候因子,年内尺度极端降水发生率在很大程度上依赖气候指标的变化,呈现出非平稳性特征;(3)除西北部外,其他大部分区域极端降水年发生次数没有展现过于离散的特征,然而阈值的增加导致出现过于离散特征的倾向愈益明显。当太平洋年代际涛动(PDO)和厄尔尼诺/南方涛动(SOI)处于正相位且越大时,中国西部和中部年极端降水发生次数将随之增加,东北部则相反。气候指标与850 hPa的回归关系表明风向及携带的水汽量则可能是气候指标影响极端降水频率的因素。     

全球变暖背景下珠江流域年日最高气温时空变化特征及影响分析

全球变暖和剧烈的人类活动引起全球气候非平稳性,极端高温等气候事件日益频繁,已严重威胁到人类健康和社会经济发展。分别利用1960—2012年珠江流域43个气象站的年日最高气温和74种逐月大气环流指数分析流域内极端高温时空变化特征并定量探讨其影响因素。结果表明:①珠江流域年日最高气温总体呈显著上升趋势,2002年前后发生显著突变,变化周期为4.8 a,且存在2.0～5.8 a的振荡周期;②流域极端高温呈现出从西部向东部递增的特点,其中东部地区呈明显上升趋势;③对珠江流域极端高温具有重要驱动作用的4个指数分别为太平洋区极涡强度指数、西太平洋副高强度指数、亚洲区极涡强度指数以及北半球极涡面积指数,而北半球副高北界位置指数和亚洲纬向环流指数的相对贡献率最小。     

考虑非平稳性特征的雅砻江流域洪水量化分析

以雅砻江流域为研究对象,采用趋势分析、GEV分布、P-III分布和GAMLSS模型研究流域内8个水文站实测年最大洪峰流量系列的渐变、突变特征和非平稳性。研究发现,流域内年最大洪峰流量GEV分布以形状参数为负的薄尾分布为主。对于平稳序列,通过对比P-III,GEV和二参数GAMLSS模型优选成果,发现与薄尾GEV分布和GAMLSS优选模型相比,研究案例的P-III目估适线成果偏大。对于非平稳系列,GEV分布需要充分考虑参数的时变特征和尾部特点。     

1960—2017年中国极端气候要素时空变化分析

研究全球变暖背景下极端气候要素的变化对流域和区域防洪抗旱具有重要意义。利用1960—2017年全国554个气象站点的逐日降雨和气温数据,选用线性拟合、R/S分析等方法分析了中国近58 a极端气候要素的趋势性、空间性、持续性和平均循环长度。结果表明:气温极值呈上升趋势,极端高温(低温)事件的频率和持续性不断增大(减小),中国呈变暖趋势;空间上,极端气温指数在高原山地区具有较大的变幅。极端降雨的量级指数和强度指数呈增大趋势,持续性指数呈减小趋势;极端降雨量级指数和强度指数变幅的高值区在热带季风区(增大趋势),持续干旱指数和持续湿润指数变幅的高值区分别为温带大陆区(减小趋势)、温带季风区(减小趋势)。R/S分析表明未来极端气温事件将继续增多,区域一致性显著;不同地区极端降雨指数未来增大或减小的趋势不一致,极端气温指数的平均循环长度整体大于极端降雨指数的。     

珠江流域极端降水群发性特征研究

全球气候持续变化下,极端气候事件及其衍生灾害对社会和经济的影响力和破坏力越来越严重。相对一般的极端降水事件而言群发性极端气候事件具有影响力更大、破坏力更强的特点。极端降水群发性事件的理解和定义多样,主要从区域丛集性角度研究珠江流域日降水极端事件的群发性规律及变化趋势。采用频数标准化分析了不同百分位阈值下极端降水群发性事件年际变化特征,采用k阶最近邻距离提取算法提取1959—2009年年际极端降水群发站点数,分析珠江流域51年来极端降水群发性特征。结果表明:a)不同百分位下,极端降水群发性年际变化趋势一致,阚值百分位越大,极端降水事件年际区分度越大;b)珠江流域1959—2009年,流域极端降水群发性站点数逐渐增多,极端降水群发性范围呈逐步扩大趋势。     

基于GAMLSS模型的水文系列非平稳性研究

针对水文气象时间序列的非平稳性现象,为了定量分析非平稳序列的时变特征,基于GAMLSS模型原理,根据水文时间序列参数模型和半参数模型模拟方案,采用美国Little Sugar Creek研究案例的83年洪峰流量时间系列,分析了GAMLSS模型研究水文系列非平稳性的方法和流程。基于GAMLSS模拟,该流域内2006年10年一遇洪峰流量,相当于1999年20年重现期洪峰,接近于1989年100年一遇洪峰量级。GAMLSS模拟结果揭示了近年来由于气候变化、城市化进程等影响,极端事件出现频率。研究成果表明GAMLSS模型可定量有效的分析变化环境对水文频率设计值和工程设计的影响。     

基于时变参数和阈值的非平稳水文干旱评估方法构建

变化环境下，气候变化和人类活动的双重影响导致径流过程出现非平稳特征，需构建非平稳水文干旱评估方法。选取渭河流域为研究区，基于平稳性、突变性和趋势性分析方法，分析径流过程非平稳特征;分别采用基于位置、尺度和形状参数的广义可加模型和完全自适应噪声集合经验模态分解法，构建考虑径流过程非平稳变化的时变参数标准化径流指数和时变阈值法，开展非平稳水文干旱事件评估;结合标准化降水指数和历史记载干旱事件验证两种非平稳干旱评估方法的合理性。结果表明：渭河流域年径流序列突变点出现在1990年前后，且径流序列在突变点后(1991—2020年)呈显著(α < 0.05)上升趋势;不同设计方案间的对比结果表明，时变参数标准化径流指数和时变阈值法具备更强的稳健性，可合理刻画出径流过程的旱涝动态变化;构建的两类非平稳评估方法与标准化降水指数及历史记载干旱事件表征的旱涝过程有较高的一致性，更适应于变化环境下的水文干旱评估。     

鄱阳湖流域气候变化及其对入湖径流量的影响

为分析鄱阳湖流域气候变化特征及评估其对流域径流的影响,研究利用1961-2010年间鄱阳湖流域29个气象站和入湖"五河"水文控制站观测数据,分析该时段内流域气候和径流量变化趋势,建立统计模型分析其对流域径流量的影响。研究结果表明:鄱阳湖流域年气温呈显著性(99%置信度检验)波动上升趋势,流域降水总体呈略上升趋势,降水天数呈下降趋势。受气候变化的影响,鄱阳湖流域径流量呈上升趋势。统计模型计算结果表明,径流量与降雨变化呈非线性关系,径流量对降雨变化有着较强的敏感性,相同的气温变化情景下,降水增加比降水减少对径流量的影响更加显著,表明降水变化对径流量有着不同程度和方向的影响作用。气温对径流的影响呈线性,但其影响不明显。未来气候变化情景下,2050年前鄱阳湖流域在高排放A2和RCP8.5情景下呈现明显增长趋势,但其径流量低于其他排放情景。     

珠江流域降雨特征研究

采用珠江流域42个站点1960—2005年46年间的日降雨资料,定义了关于降雨的三大类指标:基本降雨指标、极端降雨指标和连续降雨指标,运用MMK法对降雨序列的变化趋势进行显著性检验,以此从不同角度全面的剖析了珠江流域降雨的变化特征,为深入理解珠江流域降雨的变化规律提供一些视角,也为科学理解洪旱灾害与降雨规律的内在成因提供事实基础,同时也有利于全球气候变化与人类活动作用影响下,珠江流域水资源的有效管理与利用。     

珠江流域多尺度降水空间分布特征研究

利用珠江流域46个站点1959—2009年的逐日降水资料,分析研究流域降水空间分布情况和变化规律。研究结果表明:1珠江流域降水时空分布不均匀,流域降水东西差异显著,其中东部广东省地区降水表现为局部的南北差异明显;2珠江三角洲地区降水情势愈益复杂化,夏季降水高值区域分布范围出现聚集缩小趋势,冬季三角洲沿海地区的降水低值区呈现出扩张趋势,夏季洪涝灾害、冬季咸潮上溯的威胁正逐步加重。     

新沟河工程应急调水效果评估

为探究新沟河工程应急调水的相关问题,评估工程实际调度效果,基于新沟河工程应急调水试验期间实测水量水质数据,采用水质综合污染指数法,引入水质改善系数、类别变化指数等分析评估了新沟河工程沿线水质对引水的响应规律。结果表明：调水试验期间新沟河西支分流比为0.30～0.59,受到西支分流的影响,新沟河东支入太湖日均流量占新沟河日均引江流量的9%～22%,长江来水对京杭运河以南东支的影响时间约为西直湖港北枢纽开启并持续引水3 d后;干流水质改善效果与本底水质以及断面距离来水水源的远近有关,本底综合污染指数较大的断面,其最大水质改善系数总体较大,当断面本底水质状况接近时,距离来水水源较近的断面水质改善系数较大。     

珠江三角洲地区极端降水时空演变特征

研究区域极端降水演变对科学应对变化环境下区域水资源利用及防灾减灾具有重要意义。选取气候变化检测指数专家组（ETCCDI）定义的6个极端降水指数（最大持续干旱日数、最大持续降水日数、极端降水日数、极端降水总量、最大日降水量和日降水强度）,采用线性趋势法和克里金插值法对珠江三角洲地区极端降水变化进行时空演变分析,并采用交叉小波识别大气环流异常因子（厄尔尼诺-南方涛动、北大西洋涛动、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子）与极端降水的相关关系。结果显示:（1）除最大持续降水日数外,各极端降水指数均有不同程度增加,表明珠江三角洲地区极端降水正在增加,但变化不显著;（2）极端降水增加的站点主要集中在区域中部和北部,其中变化显著站点主要位于珠江口北部和区域北部;（3）不同气候态下各极端降水指数总体空间分布相似,但变化趋势空间差异较大,且变化幅度有所增加,表明随着年代际的推移极端降水越来越明显;（4）印度洋偶极子对最大持续干旱日数的影响最显著,而厄尔尼诺-南方涛动对其他极端降水指标的影响最显著。     

黄河流域极端降水特征分析

利用黄河流域1965-2012年252个观测站日降水资料,分析了黄河流域年极端降水、汛期日极端降水的时空分布特征。研究结果表明:黄河流域年极端降水在空间分布上呈现出从东南向西北递减的特点,不同区域的年极端降水强度有显著空间差异,下游大汶河年极端降水强度最大,内蒙杭锦后旗临河一带年极端降水强度最小。极端降水站数偏多的年份,该年黄河流域总降水量也趋于偏多。汛期日极端降水强度从黄河上游到下游逐渐增强,主要发生在7-8月。     

TRMM卫星降水产品在尼洋河流域的适用性定量分析

作为地面雨量站资料的重要补充,卫星降水产品对资料短缺或无资料地区尤为重要。位于我国高寒山区的尼洋河流域属于典型的资料短缺地区,根据5个气象站点2001-2016年的月降水数据和中国地面降水日值格点数据集2001-2013年的日降水资料,利用反距离权重插值法对其进行处理,在尼洋河流域分别对月、日尺度数据用相关系数(R)和相对误差(BIAS)检验TRMM降水数据的精度。结果表明:在时间尺度上,TRMM月降水数据与实测数据在流域整体上一致性良好(R=0. 90),而日降水数据的一致性较差(R=0. 29),且BIAS较大;在单一站点上,TRMM月降水数据的精度较高(R 0. 9),而日尺度R 0. 50,精度较低。在空间尺度上,通过克里金插值法得到TRMM降水精度的空间分布,月降水精度由西向东逐渐减小,而日降水的精度与之相反。整体上,TRMM月降水数据精度高,具有较好的适用性,根据TRMM月降水数据分析尼洋河降水时空分布特征。结果显示尼洋河流域降水大都集中在5月至9月,而11月至次年2月,降水量很少;年降雨量呈现由西北向东部逐渐递增的趋势,不同区域降水量差异较大。     

1961-2005年黄河流域极端气候事件变化趋势

利用黄河流域58个气象站点1961-2005年的逐日平均气温、最高气温、最低气温和逐日降水量数据,采用百分比阈值法定义极端气温和极端强降水事件,计算气象综合干旱指数(CI),并分析了黄河流域极端气候事件的变化趋势及其空间格局.结果表明:黄河流域极端低温和极端高温天数分别呈减少和增加趋势,平均速率分别为-3.8d/10a和1.7d/10a;年极端强降水总量的变化趋势存在着明显的区域差异,河源区增加最显著,而中游的黄土高原中、东部减少最显著;干旱天数呈减少趋势,河源区减幅最大,河套-宁夏平原以及鄂尔多斯高原西北部的减幅最小.     

近50年来西藏极端降水时空变化特征

利用1961~2010年西藏地区9个气象站点逐日降水资料,结合百分位方法定义的极端降水阈值,分析了该地区极端雨日及其平均降水强度、不同持续时间的极端降水事件、气候变化对极端降水的时空变化特征的影响。结果表明:(1)92°E以西的地区,极端雨日平均降水强度呈现出增加的趋势,而在92°E以东的地区,呈现出减小的趋势;(2)极端降水事件以持续1 d为主,其频率一般在4.3次/年以上,强度一般在20 mm/d以上,林芝站和波密站为频率和强度高值区;(3)气候变化背景下,极端降水的频率、强度表现出西移的态势。     

基于标准化降水蒸散指数的长江流域旱涝情势演变

基于长江流域133个气象站1970-2012年实测逐月降水量和月平均气温资料,计算不同时间尺度上的标准化降水蒸散指数序列,研究近几十年来长江流域旱涝情势的时空演变特征。结果表明,1970-2012年长江流域整体干旱形势不严重,但是干旱化的趋势比较明显。与长江上游地区相比,长江中下游区域的干旱趋势表现得更加突出,特别是长时间尺度上的干旱趋势非常明显。针对典型极端气象事件分析发现,标准化降水蒸散指数能够反映出不同时间尺度上长江流域发生的旱涝事件,表明该指数对于准确评估长江流域的旱涝程度和分布范围具有很好的指示性意义。     

珠江干流(2008—2015年)水质变化趋势分析

以珠江干流为研究区域,选取源头及干流10个水质断面的2008-2015年7项参数监测数据,采用季节性kendall趋势检验法分析珠江干流的水质变化趋势,得出珠江干流各测站的pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)、氟化物(F-)共5项参数趋于改善,五日生化需氧量(BOD5)及氨氮(NH3-N)共2项参数浓度基本保持不变;流域水质变化综合指数WQTI表明珠江干流总体水质状况趋向改善;水质呈现上游恶化中下游好转、污染物呈现以省区为单位以省会为中心的西部低东部高的地域分布特点.