WRF三维变分同化在石羊河流域降水模拟中的应用

为探究石羊河流域降水特性对流域生态环境治理、水资源高效管理及利用的影响,采用NCEP ADP地面观测数据集,基于WRF3.9模式及其三维变分同化系统对石羊河流域两场降水过程进行不同嵌套区域的单次资料同化试验,并以研究区内65个站点逐日降水实测数据进行验证。结果表明,同化NCEP ADP资料对短时降水预报有明显改善作用,可提高降水模拟精度,但同化不同的嵌套区域对降水模拟结果有很大影响,其中同化第3层嵌套区域对降水的模拟效果最好;在此基础上对两场降水进行循环同化试验,其结果优于单次同化,24h累积降水空间分布更接近实况。     

汉江流域降水、蒸发及径流长期变化趋势及持续性分析

分析汉江流域降水、蒸发、径流等水文要素长期变化趋势是开发利用汉江水资源、研究人类活动对江汉流域生态环境影响的前提。基于汉江流域13个水文站1960～2003年逐月降水量、气温观测资料,采用高桥蒸发模型计算了汉江流域年径流量,采用Mann-Kendall非参数检验法分析了该流域降水量、蒸发量、径流量的变化趋势,并由Hurst指数分析了各水文要素变化趋势的可持续性。结果表明,采用高桥蒸发模型间接计算年径流量适应性较强,值得推广;汉江上游多数站点年降水量减少,下游站点年降水量增加,且变化趋势不显著;上游站点年蒸发量增加趋势显著,其余站点变化趋势不显著;上游多数站点年径流呈不显著减少状态,下游钟祥、天门和武汉站径流呈不显著增加状态;各站点水文要素均具有很强的持续性,降水、蒸发、径流的常数C分别为0.73、0.95、0.97。     

淮河流域近58年降水特征分析

为了更明确、具体地了解淮河流域降水的时空分布特征,基于1959～2016年淮河流域170个高密度站点逐日降水资料,采用Spearman秩次相关和对趋势分析较准确的成对斜率回归中值等统计方法,分析了流域不同级别降水的降水量、降水日数和降水强度等指标的时空分布特征。结果表明,淮河流域年降水南北差异较显著,由西北向东南递增,年降水量和降水日数最大的地区均位于流域最南部大别山地区,其值为最小值的2倍左右;平均日降水强度及年暴雨量和暴雨日数的分布相似,东部沿海地区和西南部山区为大值区,西北部海拔流域最高的地区为最小值分布区,在流域中部由西北向东南方向逐渐增多;平均暴雨强度的一个大值区位于流域中部偏西的河南驻马店地区,淮河流域极端强降水的发生地也集中在此地周围;流域整体年降水量有轻微下降趋势,降水日数明显减少(东北部地区尤其显著,干旱风险增加),导致平均日降水强度显著增加。这主要是由10mm以下的小雨尤其是0.1～1mm的微量降水的频数显著减少导致的,而50mm以上的暴雨各指标在流域整体上均无显著的变化趋势;流域春秋两季降水量呈减少趋势,夏冬两季降水量呈增加趋势,属于春秋变干、冬夏变湿的地区。     

雅鲁藏布江流域GPM和TRMM遥感降水产品精度评估

分析雅鲁藏布江流域降水的时空变化规律,是高原地区水文研究的重要基础。以雅鲁藏布江流域为研究区,基于中国区域地面气象要素数据集,利用平均误差、相关系数、相对偏差、均方根误差等评价指标和误差分析方法,系统评估了GPM与TRMM降水产品数据在不同时空尺度的精度。结果表明,日、月尺度上两个产品数据平均相对误差值均与降水量呈正相关,出现西低东高现象,TRMM在高降水地区平均相对误差值更大,GPM冬季拟合效果不及TRMM产品;两种降水产品的精度在流域不同区域也有明显差异,西部区域TRMM产品数据误差更小;而中东部区域,GPM产品虽然相对偏差更大,但均方根误差更小,数据精度整体更高;另外,GPM对于强降水事件及其降水过程具有更好的监测能力;整体上,两个产品对于产生降雨均有较好的观测能力,GPM、TRMM产品对于连续无雨日的相关性拟合较差,观测精度一般,GPM相对于TRMM产品在雅鲁藏布江流域的提升并不明显。研究成果可为区域水资源管理与水文研究提供依据。     

海河流域极端降水时空变化规律及其与大气环流的关系

为了解海河流域极端降水时空变化规律,基于海河流域40个气象站1960～2016年逐日降水资料,采用线性回归、M-K趋势检验法、Pearson相关性分析法,分析了海河流域近57年来10个极端降水指数的时空变化及其与大气环流的相关性。结果表明,除了持续干期(CDD)和持续湿期(CWD)外,大多数极端降水指数多年平均值在空间上呈自东南向西北减少的分布规律,CDD呈现自北向南减少的规律,CWD呈现自东南向西北增加的规律;在时间变化上,所有极端降水指数均呈下降趋势,只有最大一日降水量(RX1day)的下降趋势显著;在空间变化上,除中雨日数(R10mm)和降水强度(SDII)呈上升趋势的站点与呈下降趋势的站点个数相同外,多数站点各极端降水指数呈下降趋势;除CDD与其他极端降水指数相关性较弱外,各极端降水指数的变化具有较好的一致性;除CWD外,极端降水指数与厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)现象关系密切,而AO(北极涛动)和NAO(北大西洋涛动)是CWD变化的重要因素。研究成果对于海河流域水灾害防治及水资源配置有重要意义。     

WRF模式不同参数化方案对石羊河流域降水模拟的影响

为深入研究石羊河流域降水过程,选择适用于该地区的最优参数化方案组合,利用WRF3.9对石羊河流域一次降水过程进行模拟,并基于均方根误差、平均绝对误差、相关系数及降水空间分布对比分析了不同微物理、陆面过程、积云对流、行星边界层方案组合对降水模拟的影响。结果表明,不同物理过程对降水的影响各异,以微物理、陆面过程、积云对流过程最为显著,行星边界层方案的影响相对较小,但不可或缺,MRF边界层方案模拟效果较好。其中微物理、陆面过程、行星边界层、积云对流参数化方案组合为(WSM5、Noah、MRF、Grell-Devenyi)时能为石羊河流域降水模拟提供较优结果。     

新疆塔里木河流域干旱特征演变时空分析

基于塔里木河流域25个气象站1960~2011年的逐年降水资料,利用Z指数及相应的区域旱涝指标、M-K秩次相关法、R/S法、克里格插值法对该流域的降水量特征、干旱特征的变化趋势进行了时空分析。研究表明,流域由北向南多年平均降水量逐渐减小,年降水量变差系数逐渐增大;20世纪90年代前流域多以干旱为主,90年代后则多为偏雨,流域25个气象站中24个站的Z指数值存在上升趋势,并有11个站通过了90%置信度的M-K显著性检验,22个站点的Hurst值表明未来Z指数仍保持上升的趋势;流域有由干旱向湿润转化的趋势,转化趋势以源流区阿克苏河及中下游区域的站点最为明显;各年代Z指数值的空间分布状况有所不同,90年代的规律性最强。     

降水资料匮乏地区不同再分析数据降尺度效果的评价

匮乏的降水基础资料不利于分析研究天山西部区域,因此研究外源降水资料的适用性、校验及降尺度,可更好地服务于水资源的高效利用、提高洪水预报的精度及极端水文事件的应对能力等。基于现有的26个实测站点1979～2005年的日降水量数据、同期NCEP/NCAR、ERA-interim、CFSR和CanESM2数据,借助极限学习机法研究了资料匮乏地区降水降尺度及修正方法。结果表明,基于四种不同数据集所建立的统计降尺度模型基本上能够模拟各站点的降水时空分布情况;综合对比四种数据集,ERA数据模拟降水的效果最佳,但不同站点最佳的外源降水存在一定的差异;相较于比例缩放法,分位数映射法修正降水误差更能充分考虑降水的变异性,能有效地提高降水模拟精度。     

SWAT模型在黄鸭河流域径流模拟中的应用研究

采用SWAT模型模拟黄鸭河流域的逐日径流过程,并分析了模型主要参数的敏感性,基于李青店水文站的实测流量资料分别对比了月径流和日径流模拟结果.结果表明,模拟值与实测值的线性回归系数(R2)和Nash Sutcliffe模型效率系数(Ens)均高于0.7,模拟效果较好,SWAT模型可用于该地区水资源过程模拟.     

卫星降雨在流域水文设计中适用性分析

为获取雨量站网稀疏或缺资料地区的降雨径流设计值,假定历史时期花园流域内仅有一个雨量站,借助流域31年(1983～2013年)PERSIANN-CDR卫星反演日降水数据,建立由雨量站与卫星降雨推求流域平均雨量的方法,利用新安江模型模拟日流量,并推求径流设计值,与实际值对比来检验卫星降水反演水文设计值的可行性。结果表明,直接利用PERSIANN卫星反演流域降雨误差较大,采用基于雨量站降雨与卫星降雨的人工神经网络(ANN)法计算流域平均降雨的精度有大幅提高;各雨量站模拟情景下日径流模拟确定性系数变化范围在0.50～0.79之间,年最大1、3、7d各频率设计流量与实测系列相对误差多数在20%以内,可为流域水文设计提供参考。     

GPM卫星定量降水产品在南流江流域的适用性研究

在南流江流域定量评估三种GPM IMERG降水产品（FRCal、ER、FRUncal）的精度，并通过新安江模型模拟径流量，探讨IMERG卫星降水产品在南流江流域的水文适用性。结果表明，FRCal、ER、FRUncal与地面观测的平均月降水相关系数（CC）在0.80以上，尤其FRCal更是高达0.94，在日尺度上稍差，但FRCal的CC值亦高达0.71；在不同的时间尺度上，FRCal相对于ER、FRUncal更符合地面降水观测结果；将IMERG产品日降水数据驱动新安江模型模拟的径流与观测流量有一定偏差，与ER（0.46）、FRUncal（0.54）相比，FRCal的纳什指数NSCE（0.59）较大，具有更好的水文模拟性能，但FRCal略微低估了流域汛期的流量。IMERG产品在南流江流域对降水捕捉准确性较高，但在径流模拟方面还需改进。     

乌东德水电站监控系统负载均衡功能的设计与实现

针对实时数据规模增大导致水电站监控系统的实时性、稳定性下降的问题,分析了乌东德水电站监控系统负载均衡功能需求,利用水电监控应用信息数量相对较少且不追求资源高度均衡的特点,提出一种结构简单、易于维护的负载均衡体系架构,并对节点状态管理、任务管理、分配策略、无扰切换等关键技术进行分析。该设计实现了水电站监控系统实时数据与计算资源的统一管理与优化调度,有效提升了系统的运行效率和可靠性,适应于未来水电站监控业务的发展。     

ERA-5降水数据在澜沧江流域高山峡谷地区的适用性研究

以澜沧江流域典型高山峡谷地区为例,首先对最新发布的ERA-5再分析降水产品进行不同时空尺度下的精度评估,发现ERA-5数据与站点数据之间的相关性较高,可较好反映流域降水分布空间变化趋势,但高估了实测降水,存在着较大的系统误差,且误差有明显的时空变异特性,需经校正才可投入实际应用;然后使用比率偏差校正法对ERA-5进行校正,针对每个包含气象站的ERA-5网格计算其日降水事件对应的校正系数,将校正系数插值到每个网格,从而实现整个研究区域的校正,校正后的ERA-5数据在降水空间分布和数值上的精度均大幅度提升;最后采用水文模型间接评估校正效果,结果表明校正后的ERA-5降水径流模拟精度同样明显高于原始数据。     

变化环境下中国不同强度降雨的时空变化特征

受全球变暖和降水的空间异质性影响,局地极端降水事件呈现出广发和频发的态势,提取不同强度降雨变化的时空特征对科学开展防洪减灾布控具有重要的实际意义。为此,以中国大陆为例,采用Mann-Kendall检验方法对各流域不同强度降雨过程进行趋势性检验,利用95%置信水平对其进行显著性判断,并利用变标度极差分析方法(R/S)揭示未来各流域不同强度降雨的持续性演变特征。结果表明,各流域对应的不同等级强度降雨对年降水量贡献的表现形式不同,干旱和半干旱区流域小雨、中雨和大雨的年累积降水量对年总降水量的贡献高达90%左右,而半湿润和湿润区流域的贡献约为70%左右;未来黄河流域、辽河流域和海河流域的极端大暴雨事件将有所减少,而长江流域和珠江流域的极端大暴雨事件将显著增加。研究结果对于流域水管部门提出适应和减轻降水不利影响的应对方案具有重要的指导意义。     

不同物理参数化方案对黄河源区降雨模拟的适用性研究

为分析不同物理参数化方案在模拟黄河源区降水时的适用性,采用中尺度WRF模式中常用的5种微物理方案和3种积云对流方案进行组合,模拟黄河源区的一次降水过程,利用直方图曼哈顿距离相似度对模拟结果和实况降水空间分布进行对比,并分析各方案组合模拟的降水中心(河南站)逐小时降水分布和24h累积降水量,以得到WRF模式模拟黄河源区降水的最优方案配置,提高模拟精度。结果表明,WRF模式的各方案基本可以再现降水强度、中心和范围,基于Morrison方案的组合对降水的还原能力较好;就降水中心的降水时间序列和24h累积降水量来看,基于Morrison方案的组合与实际降水的一致性较好;Morrison微物理方案和Grell 3积云对流方案组合的模拟结果与实际降水的空间分布相似度最高,表明该方案组合是WRF模式模拟黄河源区降水过程的最优模拟方案。研究成果对于提高黄河源区降水模拟的精度有重要意义。     

海河流域极端降水事件时空变化特征分析

为研究气候变化背景下海河流域的极端降水事件变化规律,基于流域内30个气象台站1960~2008年的逐日降水资料,选取不同的降水指标,应用M-K趋势检验和滑动t检验方法分析了海河流域极端降水的时空变化特征。结果表明,海河流域的极端降水事件的发生频率和强度在年际变化中均呈减小趋势;在空间大部分范围内,降水频率和强度指标也均呈负趋势,仅滦河上游山区、子牙河山区和胶东沿海部分地区呈微弱上升趋势,但趋势并不显著。总体而言,海河流域趋向于干旱化,流域内洪涝灾害发生的概率有所减小。     

基于HEC-HMS的西南山区中小河流洪水预报研究

针对目前中小河流洪水预报难度较大、预报精度偏低的问题,以西南山区荥经河流域为例,基于HECHMS构建了荥经河流域分布式水文模型,以2009~2018年23场洪水进行参数率定,4场洪水进行模型验证。通过参数敏感性分析和有效率定,模拟的洪水过程与实测洪水过程吻合较好,其中模拟洪峰流量平均误差为6.81%,平均纳什效率系数为0.84。可见构建的HEC-HMS洪水预报模型对荥经河流域有很好的模拟效果,可为西南山区其他中小河流的洪水预报提供借鉴和参考。     

滦河流域径流演变及其驱动力分析

基于滦河流域三道河子站、承德站和滦县站1956~2009年的降水和径流资料,运用Mann-Kendall秩次相关检验等方法系统分析了滦河流域径流和降水的年际、代际、年内变化特征及变化趋势,并采用降水—径流双累积曲线法定量分析了降水和人类活动对径流变化的影响。结果表明,滦河流域径流年际变化剧烈,代际变化明显,径流年内分配极不均匀,主要集中在6~9月;滦河流域降水和径流的演变特征基本一致;不同时期降水和人类活动对径流的影响不同,人类活动是滦河流域径流变化的主要驱动因子。