基于观测站点生成降水的有效分辨率研究

气候模式、分布式水文模式的发展对资料分辨率的需求越来越高，可站点观测的资料信息非常的有限。如何通过有限的观测信息获得足够高的分辨率的降水是一个科学难题。本文基于全国气象站点资料、黄河流域及实验小流域的水文气象观测数据，深入研究了水文气象站点的空间分布与其生成的降水的分辨率之间关系。提出了有效分辨率的概念与计算方法，从观测资料中获得的信息与对资料精度需求的指标中就可以确定出最合理的分辨率。如：在全中国区域，采用国家气象局公布的723个观测站点数据，给出一定的精度要求指标后，可以算出有效分辨率为24.4km，而在全黄河流域，采用水文观测760个站点，可以算出有效分辨率为3.23km，岔巴沟实验流域有效分辨率可以达到0.38km。本文的研究工作为基于有限的观测站点生成合理的有效分辨率的降水，提供了关键的技术和科学的依据。     

基于广义可加模型的降水空间估算模型

采用太湖流域浙西区33个站点1989—2013年的降水观测资料,基于广义可加模型建立了该区域年降水空间估算模型,得到了该区域分辨率为1 000 m×1 000 m的降水栅格数据。借助多种统计指标,分析了不同预测因子对降水空间估算结果的影响,特别比较了是否将高程作为预测因子情况下的年降水量估算差异。结果表明:加入高程因子作为广义可加模型的预测变量后,无论是模型的优良性还是降水空间估算精度均有所提高,能够更合理地描述浙西区降水空间分布受地形影响的特征。此外,从模型偏态效应图来看,浙西区降水量随着纬度的增加明显减小,随着高程的增加显著增大,而随经度的变化则不明显。     

基准降水对GPM数据精度的影响——以南京“20170610”极端降水事件为例

现有文献多采用两种途径生成评价GPM等卫星遥感反演降水数据精度的基准资料：站点基准降水和插值基准降水，然而，关于基准资料生成方法对卫星降水数据精度的影响以及应优先采纳哪种基准资料尚缺乏深入研究。因此，本文以南京“20170610”极端降水事件为例，利用地面稠密雨量站的观测资料，设计了不同地表雨量站点密度下的随机抽取试验，解析了不同地表基准降水条件下IMERG Early、IMERG Late和GSMaP NOW三种GPM数据的精度特征。结果发现，基准降水对GPM数据精度的影响与雨量要素、数据类型、指标类型、站点密度有关。进一步以高超密度站点插值降水作为“真实”降水，量化了不同站点密度条件下两种基准降水的误差，发现对于24 h累积雨量和逐小时降水过程，存在一定的雨量站点平均密度临界值。若雨量站点密度高于该临界值，以插值降水为基准评价GPM数据的精度更合理，否则采用插值降水和站点降水为基准均可。本文研究深化了对GPM降水数据误差特性的认识，可为合理选取评估卫星降水数据的地表基准数据生成方法提供参考。     

基于深度学习的多源降水数据融合方法及其应用

准确的水文模拟依赖于可靠的降水数据，遥感降水产品是对地面观测站点空间代表性差的有效补充，但其精度仍需进一步改进。为获得更高精度的降水数据，提出了一种时空动态数据融合方法，它结合了基于长短期记忆(LSTM)神经网络的空间插值方法与动态贝叶斯模型平均(DBMA)数据融合方法。基于该方法将IMERG-E遥感降水数据和地面站点观测降水数据进行了融合，并以湘江流域为例，通过评估融合降水数据的精度及水文模拟验证了该方法的可靠性以及融合降水产品的精度。结果表明：融合降水数据能够较好地反映湘江流域降水的空间分布特征，并与地面站点观测降水具有很高的相关性，在多个站点处的相关系数CC达到0.65以上，大多数站点达到与参考数据集(中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集1.0版，简称CMA)相同甚至更高的水平。此外，相较于IMERG-E和CMA,融合降水数据在水文模拟方面的性能有所提升，洪水事件验证期的纳什效率系数NSE分别从0.41和0.80提升至0.84。     

黄河流域季节降水变化特征分析

利用黄河流域106个代表气象站1960—2010年逐日降水资料,分析了黄河流域季节降水的空间分布以及年内年际分配特点,并采用Mann-Kendall法、降水倾向率和累计距平法等方法对季节降水的变化趋势和变异情况进行了研究。结果表明:空间上,黄河流域各季节降水分布与年降水分布大体相同,但随着季节变化局部地区存在差别;时间上,20世纪90年代后流域降水变化趋势明显改变,季节降雨减少趋势的强度大于增加趋势的,且大多数站点季节降水序列未来趋势与过去趋势相反;各区域同季节降水序列变异点位置虽各不相同但相对集中,说明季节降水变异可能存在内在联系。     

区域气候模式垂直分辨率对我国夏季降水模拟的影响

该文采用区域气候模式RegCM3和NCEP再分析资料,选取3种垂直分辨率、3种水平分辨率,就垂直分辨率对区域气候模式模拟我国5年(2000-2004年)夏季降水的影响进行了评估.得到的主要结论如下:从5年季、月平均降水模拟来看,总体上三个方案模拟降水都偏高,随着垂直分辨率提高,模拟降水量更接近观测,各子区域对分辨率呈现更大的敏感性;月平均降水的敏感性更甚于季平均;随着垂直分辨率提高,模拟降水与实测的空间相关系数不一定也增大;即使对区域气候模拟,30km或更高的水平分辨率也有助于提高降水模拟;垂直分辨率的提高可能存在一个敏感范围,超过该范围时,改进模拟的效果不明显;为提高模拟精度且权衡计算花费,提高垂直分辨率比提高水平分辨率更为有效.     

基于WRF模型的澎溪河流域非点源污染预测EI北大核心CSCD

为精准揭示三峡库区澎溪河流域非点源污染的空间异质性特征,基于WRF模型,构建了反映流域3 km×3 km精细格点降水的流域非点源污染模拟预测模型,对澎溪河流域非点源负荷进行模拟预测。结果表明:与由澎溪河流域6个气象站点2009—2012年观测降水资料得到的径流模拟结果相比,基于WRF模型输出降水的径流模拟精度提高了27%,总磷质量浓度模拟精度提高了31%,总氮质量浓度模拟精度提高了36%;采用WRF模型输出降水模拟的年径流量范围为35.28亿~54.04亿m^(3),总磷负荷均值为1 151.35 t/a,总氮负荷均值为11 759.72 t/a;澎溪河流域总磷、总氮非点源负荷较高的子流域单元多呈集聚状分布在河流水系附近,空间异质性明显。     

基于关联规则的河南省旱涝空间分布特征

根据河南省17个气象站1961—2013年逐月平均气温和降水资料,基于关联规则,采用加权温度干旱均一化指标,分析河南省旱涝空间分布特点。结果表明:豫中、豫东、豫西、豫南、豫北地区各城市间旱涝关联性较强;空间分布上,干旱具有明显的地域性且分布不均,从西北向东南方向逐渐减弱,主要发生在黄河流域及其以北地区,而洪涝呈团状分布,主要发生在黄河流域以南及偏北地区。     

黄河流域降水演变规律研究

基于黄河流域及其周边地区1000多个水文气象站近50年的月降水资料所生成的整个流域及其29个三级区的面雨量过程,采用多种时间序列分析方法,研究了黄河流域降水的随机性、趋势性和周期性。结果表明：黄河流域各三级区降水量Hurst系数的分布范围在0.449～0．644之间,说明其具有长期弱相关性;Kendall秩次相关检验结果表明黄河流域降水减少的趋势性不明显,从三级区看,大通河享堂以上等7个三级区降水有一定的减少趋势;黄河流域降水的短周期为准3年周期,中长周期一般表现为l1年和22年左右的周期。     

作物需水量观测站点的优化设计

作物需水量观测站点的布置主要包括合理的采样数目和合理的采样位置的确定。本文将GIS的空间管理功能和地统计的空间分析功能有机结合,在分析作物需水量空间变异的基础上,首先用经典统计学确定合理的采样数目,进而利用地统计学处理空间结构的优良特性,确定合理的采样结构。在总结作物需水量观测站点优化设计主要步骤的基础上,对山东省冬小麦需水量进行空间分布分析和观测站点的优化设计。初步研究结果表明：现有的3个重点观测试验站并不能满足观测精度要求,必须补充必要的观测站点数目,增至10个左右较为合适。     

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。     

河北省 5 个县域冬小麦-夏玉米连作灌溉需水特性分析

利用河北平原区5个县域及周边的雨量站、气象站和农气站资料,综合考虑降水、土壤和作物特性,提出修正的SCS-CN模型用于计算作物有效降水量,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算作物需水量,探讨研究区不同水文年份作物灌溉需水量的时空分布特性。结果表明,研究区冬小麦-夏玉米连作多年平均作物有效降水量、作物需水量和灌溉需水量分别为389、736和347mm,丰水年、平水年和枯水年冬小麦-夏玉米连作灌溉需水量分别为321、382和423mm。冬小麦生育期灌溉需水量271～350mm,返青-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期灌溉需水量各占全生育期的26%、26%和29%;夏玉米全生育期灌溉需水量0～49mm,抽雄期和成熟期分别占全生育期的52%和48%。作物有效降水量空间分布,石家庄3县西高东低,邯郸2县西低东高;作物需水量石家庄3县高于邯郸2县;研究区灌溉需水量空间分布不均,大致呈带状分布。     

孤山川流域水沙变化趋势的分析

通过对孤山川流域降雨、径流和输沙资料的综合分析,给出了以有效降雨量和降雨强度为参数的预估产水产沙量的经验关系式,以计算值与实测值比较,二者较为吻合。文章还对流域水利水保措施的减水减沙效益进行了估算。     

TRMM卫星降雨数据在湖南省的精度和可靠性评定

卫星降雨数据的高时空分辨率使其在洪涝灾害监测、流域水文模型模拟等方面得以广泛应用,而对卫星降雨数据的精度评定和可靠性分析仍然是当前重要的研究课题。采用中低纬度旱涝灾害频发的湖南省23个国家基准气象站的降雨数据作为地面验证数据,对最新一代TRMM卫星降雨产品(3B42V7)的精度和误差特征进行了全面评估。从日、月、年和季节的不同时间尺度以及空间分布和高程等不同的空间要素方面对比分析了1999-2012年该卫星降雨产品在湖南地区的适应情况。研究表明:TRMM卫星反演降雨数据在日尺度上与地面气象站数据的匹配情况较差,相关系数仅为0.31;而在月尺度上有显著提高,相关系数为0.88。在干旱季节(11、12、1、2月)的表现要优于湿润季节(5、6、7、8月)。3B42卫星反演降雨数据存在比较明显的空间变异性,空间要素如高程、位置分布等对卫星降雨数据可靠性的影响强于降雨量的影响。     

Regional Drought Modes in Iran Using the SPI: The Effect of Time Scale and Spatial Resolution

In the present paper, regional drought modes in Iran are identified applying the Principal Component Analysis (PCA) and Varimax rotation to the Standardized Precipitation Index (SPI) computed on different time scales. Data used include gridded monthly precipitation covering the period 1951–2007 retrieved from the Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) archive with different spatial resolutions (2.5, 1 and 0.5° resolution). The objective of the study is twofold: (i) Investigate the stability of drought spatial modes as a function of the SPI time scales used for monitoring the different kinds of drought, (ii) Evaluate the impact of the spatial resolution of gridded data on drought regionalization. For the coarse spatial resolution of 2.5°, results show four drought modes of distinct variability, which remain quite stable when the SPI time scale is varied from 1- to 24-month. Differently, for higher spatial resolutions drought modes appear more sensitive to the index time scale and become less spatially homogeneous as the time scale is increased. Moreover, the number of identified modes (sub-regions) may reduce to three or two, but in all cases the most well defined sub-region appears to be the southern one. This suggests that both the spatial resolution of precipitation data and the time scale may affect drought regionalization, i.e. the number of drought modes and their spatial homogeneity.     

Impact of Spatial Data Availability on Climate Change Prediction in the Weyib River Basin in Ethiopia

Impact of spatial data availability on the temperature and precipitation prediction characteristics of Weyib River basin in Ethiopia has been investigated using CMIP5-CanESM2 model for the RCP8.5, RCP4.5 and RCP2.6 scenarios. The objective of the present study is to characterize how future temperatures and precipitation prediction under CMIP5-CanESM2 model output varies against diverse averaged arbitrary spatial weather stations found in the basin. The statistical downscaling model tested and verified using the observed daily data for twelve, six and three averaged arbitrary spatial weather stations as well as for a single weather station was used to predict the future climate scenarios. The results revealed that the mean annual daily maximum and minimum temperature and precipitation for twelve, six and three arbitrary spatial stations have revealed an increasing trend in the upcoming periods until the end of the century. In single station analysis, the trend itself has changed from increasing trend to decreasing trend in case of maximum and minimum temperature. In case of precipitation, no visible trend has been observed in case of single station analysis. Therefore, the variation in amount and distribution of precipitation and temperature among the four averaged spatial stations in the same study area might affect the water resources and agriculture of the basin and also instead of using a single weather station to predict future climate variables for a particular study basin, it is more reliable using averages of numerous spatial weather stations data.     

基于云模型的降雨时空分布特性分析

本文将云模型引入到降雨量时空分布特性的研究中,并对广东省东江流域内57个站点1956—2000年降雨量在时间和空间分布上的特性进行了研究。结果表明：该流域降雨量在汛期的降雨最为稳定,枯季次之,而年降雨量的稳定性最小;降雨量在空间上的分布比时间上分布较为离散、较为不稳定,在此期间空间分布则离散度逐渐减少,而稳定性逐渐增强;基于云模型的降雨时空分布特性分析是有效的,可直观地研究降雨量在时空上的变化特点。     

多卫星遥感降水产品在柬埔寨的应用比较分析

柬埔寨地区的水资源十分丰富,但由于气象、水文站点的稀缺以及水文气象数据的不连续等原因,导致流域基本水雨情及水资源特征数据不够完善、全面和准确,不利于该国水资源的科学管理和开发利用。一系列高时空分辨率的遥感降水产品的出现为降水数据的缺失和不连续提供了新的解决方法。选取了5种高精度的遥感降雨数据(CHIRPS、CMORPH_CRT、CMORRPH_BLD、MSWEP、TRMM)对柬埔寨地区2003~2015年降雨的时空分布差异、精度评价、极端降雨估计情况进行了对比分析。结果表明,5组遥感降雨产品总体均能较好地反映柬埔寨地区降雨的时间及空间变化规律。这对于柬埔寨及其它无资料地区的水资源研究及工程设计工作具有一定的指导作用。