基于Max-Stable模型的海河流域气候极值变化特征

为了解在全球变暖的背景下海河流域对气候极端事件的响应,基于海河流域1961-2016年气温与降水数据,使用RClimDex模型、MK趋势检验、Max-Stable模型对海河流域气候极值进行建模分析,研究海河流域气温极值、降水极值不同重现期的时空分布、变化特征。结果表明:海河流域温度极值TXx在空间上表现出从北向南递减趋势,值域为30～40℃,其中36～40℃占大部分地区。TXx在南方呈降低趋势,北方呈上升趋势。降水极值RX1day空间上表现出从东南向西北方向递减的趋势,值域为50～100mm,其中60～90mm占据绝大部分区域。RX1day整体呈下降趋势,其中渤海地区RX1day下降趋势最大。海河流域GEV模型拟合结果表明,海河流域气温极值主要受纬度、海拔影响,随纬度、海拔增加而降低,其变化波动为北方强于南方。降水极值RX1day受海拔和经度影响较大,主要表现为随海拔增大而下降的空间分布,其次表现为随经度变化由西向东递增的空间分布,其变化波动随海拔升高而降低。通过Q-Q百分位图、非参数极值系数θ、GEV与Max-Stable参数和重现期强度散点图判定系数R2,确定Max-Stable模型可以很好地模拟海河流域气候极值,达到GEV模型同等效果。气候极值TXx与RX1day主要受到纬度、经度和海拔的影响,但距海岸距离的加入仅可以优化TXx模型的建立。2年、10年、50年、100年一遇气温极值TXx的空间分布均表现为自东北向西南递增的分布模式,高值区均分布于西南大部一带,最高温度达40～44℃。2年、10年、50年、100年一遇降水极值TX1day的空间分布主要受纬度影响,其次受经度和海拔的影响,均表现为从西南偏中向北方递减,高值区分布在西南偏中一带,最大降水量达80～200mm。     

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。     

南水北调西线工程水源区降水空间插值方法研究

针对南水北调西线工程水源区水文循环模拟,对流域降水空间插值方法进行了研究。针对西线工程水源区地形及降水监测台站分布特点,计算了海拔、经度、纬度、坡度、NDVI值等地理信息与月降水量的相关关系,相关性依次为海拔>经度、纬度>NDVI值>坡度。分析发现海拔、经度、纬度与降水的关系反映出水源区降水西北少东南多的整体趋势,只有NDVI值对局地降水有较强指示作用。因此,提出了基于NDVI值的梯度距离平方反比法。该方法计算结果在水量平衡方面与全国水资源规划成果误差不大,在降水空间格局方面基本反映了山区降水特征,说明方法比较可靠。     

横断山区极端气候变化的时空格局

针对全球气候变化下不同区域极端气候事件显著增加问题,为了揭示横断山区极端气候变化的时空演变规律,基于横断山区129个气象站点1970—2019年的逐日降水和气温数据,分析了横断山区27个极端气候指数的时空变化特征,利用广义极值分布揭示了部分极端指数的频率特征,并对比分析与其他地区极端气候指数变化的规律。研究表明:(1)近50年来横断山区大部分区域的各极端降水指数变化趋势不明显,北部极端降水事件的发生频次和强度低于南部。横断山区南部和西部边缘地区发生极端降水事件的频次和强度较大。(2)横断山区内90%以上站点的极端气温暖指数显著上升,极端气温冷指数显著下降。南北气温差异显著,以青藏高原为界,北部气温日较差大,平均在13.83℃,几乎无热夜日数,南部气温日较差小,平均为11.38℃,南部平均的冰冻日数在1 d左右。极端高温较普遍的发生在南部和东部的干旱河谷中,且发生强度有增加的趋势。(3)随着重现期的增加,持续干燥期(CDD)大于110 d的区域逐渐由西部扩大到金沙江下游流域;在不同重现期下,持续降雨期(CWD)和年降水总量(PRCPTOT)的高值区集中在西部和南部的边缘;北部的日最大降水量(RX1day)在不同重现期下变化不显著,在60 mm以下;最低气温极小值(TNn)和最高气温极大值(TXx)在空间分布上北低南高,40℃以上的高温普遍发生在南部的干旱河谷。     

CMIP6模式对淮河中上游流域气候要素模拟效果的评估研究

全球气候模式(CMIP6)是大尺度模拟预测未来气候变化的主要手段，但其模式数据的模拟质量以及在不同研究区域的适用性有待评估。以1960—2014年淮河中上游流域19个气象站点实测数据为基准，利用等距离累积分布函数法、均值(mean)、离散系数(C_v)、皮尔逊相关系数(PCC)、标准差(STD)以及均方根误差(RMSE)等5个精度指标对19个CMIP6全球气候模式模拟气候数据进行系统性评估，得出以下结论：(1)对偏差校正后的19个CMIP6模式的模拟数据初步筛选出对降水数据模拟的排名前二的气候模式有ACCESS-ESM1-5、CMCC-ESM2;对气温数据模拟排名前五的气候模式有ACCESS-ESM1-5、CMCC-ESM2;(2)从年内变化趋势和空间分布2个方面对优选的CMIP6模式的历史时期数据和实测历史气候数据进行评估，验证优选出适合淮河中上游流域的CMIP6模式；(3)从大气环流因子对气候的影响进行分析，AO与淮河中上游流域的气候数据相关性较好，模式与大气环流数据的相关性与实际情况也接近。综合评价显示最能模拟淮河中上游流域的模式是ACCESS-ESM1-5、...     

基于G-H copula函数的秦淮河流域洪水风险分析

Copula函数构造灵活,适应性强,被广泛应用于多变量水文频率分析计算中。选取G-H copula函数描述洪量、洪峰、洪水位间的相依结构,边际分布模拟考虑广义极值(GEV),对数正态(ln2)和皮尔逊Ⅲ型分布(P-Ⅲ)。以相关性最强的洪峰和洪水位为例进行二维变量洪水风险分析,比较分析其传统重现期和Kendall重现期性质,并计算条件风险率。构建3变量联合风险评价模型,并与二变量情况进行对比。以秦淮河流域为例进行了应用,表明多维联合重现期小于同现重现期,Kendall重现期在两者之间且与单因素重现期误差最小;流域洪峰和洪水位同现风险率最大,洪峰量级越小,洪水位超越风险率越小;基于三维G-H copula函数计算的各变量同频率设计值大于相应单变量设计值,并且相对于二维情况,各重现期与单因素重现期之间的差值明显增大。研究结论可为秦淮河地区水利工程规划设计和洪灾风险评估提供有益参考。     

20世纪后半期以来赣江流域极端降水事件分析

全球气候变暖的背景下,局地极端降水事件发生频率逐渐上升。选用极端降水阈值(EPT)、极端降水量(R95)、极端降水天数(RD95)、极端降水强度(RI95)、连续五日最大降水量(RX5day)和一日最大降水量(RX1day) 6个极端降水指数,采用百分位阈值法、M-K趋势分析法、滑动t检验法和Kriging空间插值法对1964—2013年赣江流域的极端降水事件进行分析。结果表明:(1)赣江流域内大部分站点的极端降水指数呈不显著上升趋势;(2)各站点极端指数的突变时间大多数集中于20世纪八九十年代,且有少数站突变非常显著(α=0.01);(3)各极端降水指数除RD95外均呈现由东向西递减的规律,与之相反,RD95呈现出由西向东递减的变化。研究结果可为赣江流域防洪减灾和水资源的开发利用提供参考价值。     

基于遥感和GIS的流域社会经济数据空间化方法研究

人口和社会经济数据及其空间分布,在资源、环境及自然灾害评估中的重要性已被广泛认知。把遥感和GIS技术相结合,是探讨解决社会经济统计数据空间化的重要思路。以东江流域为例,以多期人口、GDP、土地利用数据为基础,建立东江流域人口与土地利用、GDP和土地利用的多元线性回归模型;以土地利用数据和100 m×100 m网格数据为基础,构建东江流域人口和GDP空间分布约束力指标图层;然后结合统计模型和面积内插,实现了东江流域2009年人口、GDP统计数据的空间化。在县域空间尺度上对模拟结果进行了验证,与同尺度研究工作进行了对比,结果显示模拟得到的人口和GDP空间分布数据,与同尺度的研究工作处于同一精度或者略高的精度水平,表明该方法是一种进行流域社会经济数据空间化处理的有效方法。     

近55年来山东省极端气温事件时空分布特征

【目的】为了解山东省极端气温事件趋势变化和时空格局，【方法】基于1965—2019年93个气象站点逐日最高气温和最低气温，采用sen′s趋势、去趋势波动分析、皮尔逊相关性检验等方法及Arcgis软件分析了山东省极端气温事件的时空变化特征及影响因素。【结果】结果表明，与基准期(1965—1989年)相比，当前气候状况下(1990—2019年),山东省极端气温指数的暖指数、极值指数以及作物生长期指数大多呈现明显的增加趋势，冷极端气温指数和日气温较差则呈现减少趋势。【结论】除夏季日数外，其他极端气温指数未来变化趋势与过去相一致。当前气候状况下极端气温指数空间差异较为明显，青岛、烟台和威海等东部沿海城市以及临沂极端暖事件(冷事件)增加(减少)速率较其他地区更快。部分极端气温指数与经度和海拔呈现显著的相关性，与纬度相关性较低。山东省极端气温指数的时空变化与AMO、AO和EA/WR密切相关。欧亚大陆上空反气旋的增强加速了山东省升温。     

基于GEV模型的开都河上游降水模拟

基于开都河流域上游降水数据,采用GEV模型进行极值降水的模拟和分析。结果表明:AMS1序列的形状参数大于0,服从Fréchet分布;在较高重现期下由轮廓似然方法估计的置信区间比Delta方法更准确;重现水平的轮廓似然函数曲线在较高重现期之下呈较显著不对称性;基于非平稳GEV模型得到极值降水设计值,其在1958年的100年一遇设计值到2010年下降为接近50年一遇,预示着未来发生极值降水和洪灾的风险加大。     

1961－2012年贵州省极端降水时空变化特征

利用贵州省1961-2012年日值降水资料,选取并计算了6个极端降水指数,结合Arc GIS空间分析工具与Mann-kendall非参数检验、滑动T检验、小波理论以及R/S分析等方法,就贵州省极端降水的时空变化规律进行了分析。结果表明:1贵州省近52年以来,连续湿日(CWD)呈显著下降趋势,年最大1日降水量(RX1day)和降水强度(SDII)增多但不显著,年最大5日降水量(RX5day)、强降水量(R95)和年极强降水日数(R20mm)表现为不显著的下降趋势;2RX1day、RX5day、SDII和R20mm分别在1973、1972、1981和1992年发生明显的突变现象;3极端降水普遍存在6~7a的主周期和10~12a的次周期;4极端降水的高值区位于黔西南和黔东南地区,而低值区集中在黔西北地区;5各极端降水指数与年总降水量之间存在显著的正相关性;6极端降水在未来变化趋势中具有长期记忆性。极端降水的变化对贵州当地农业生产和水资源利用造成负面影响,增加了自然灾害发生的风险。     

1961—2015年赣江流域极端降水时空变化特征分析

以1961—2015年赣江流域22个站点逐日降水量数据为研究对象,采用线性趋势、pettitt突变检验、Mann-Kendall显著性检验、累积距平法、反距离加权法等方法,分析了赣江流域8个极端降水指数时间和空间变化特征及其影响因素。结果表明:(1)P95、P99指数整体呈下降趋势,I95、I99指数整个流域(除寻乌站的P99)呈上升趋势,其余指数在整个流域同样呈上升趋势,但变化不显著。(2)极端降水指数上游和中游的I95指数和中游的I99指数,在0.05显著性水平下,显著上升。突变年份主要集中在90s和2000s,是极端降水事件多和强度较大的年代,发生突变次数最多的在1991年。(3)R50、RX1day、RX5day三个指数都呈现出有东北向西南方向递减的趋势,P95、P99、I95、I99指数的最高值都在井冈山一带,流域的东北部和中游西部存在较高的极端降水可能性,易发生泥石流、洪水等自然灾害。本研究可为当地的防灾减灾及水土保持提供科学依据。     

1961- 2013 年贵州省地面温度时空变化特征

利用贵州省1961-2013年逐日0cm地面温度观测资料,采用ArcGIS空间分析、线性趋势分析、小波分析、Mann-kendall非参数统计检验法等对贵州省地温的空间分布、变化趋势、突变特点、周期变化等进行研究。结果表明:平均地温、平均最低地温年际、季节空间分布大致从黔西北向黔东南随经度增加、海拔和纬度的降低而逐渐升高;平均最高地温年际与秋、冬季空间分布大致从黔东北向黔西南随着经度、纬度的降低和海拔的升高而逐渐升高。平均地温与平均最低地温年际、季节变化均呈增温趋势,尤以平均最低地温年际、季节增温趋势最显著;平均最高地温年际与春、夏、秋季均呈增温趋势,冬季呈缓慢下降趋势。平均地温、平均最高地温、平均最低地温年际、季节突变集中于20世纪90年代以来;且均以春、秋季突变十分显著。平均地温、平均最高地温、平均最低地温年际、季节周期变化主要以长周期为主周期。年平均地温、年平均最低地温与海拔呈显著的负相关,与经度呈显著的正相关,而年平均最高地温则与纬度呈显著的负相关。     

齐齐哈尔市降水量季节性分布研究

文章以济宁市2019年逐月GPM降水产品为基础,引入1 km空间分辨率的海拔、经度、纬度等降尺度因子空间数据,基于地理加权回归(GWR)模型实现GPM产品降尺度研究。结果表明:GPM降水产品在降尺度前后具有一致的空间分布趋势,但经GWR降尺度后数据空间分辨率显著提升,能准确模型区域降水分布细节信息;降尺度前后的数据呈现良好一致性,具体为型的R2介于0.81-0.95之间,MAE为3.26-36.74mm, RMSE为2.12-28.23mm。降尺度结果显示,区域降水量空间分布与年内分配不均衡,降尺度中心在春夏季呈逆时针移动,在秋冬季呈顺时针移动。     

支持向量机回归算法的唐山市降水量空间插值研究

针对传统插值方法在处理小样本和非线性问题上的不足,运用支持向量机回归（SVR）算法对唐山市降水量进行空间插值研究,提出了SVR算法的解决方案,以提高降水预测的准确性。通过收集2020年唐山市32个气象站点观测数据,提取经度、纬度、经纬度乘积、海拔、坡度、坡向和GPM等参数作为特征变量,并利用SVR算法建立降水量空间插值模型。研究结果表明,SVR在解决小样本和非线性问题上具有显著优势,能够有效分析多维变量对降水量分布的影响;验证显示其插值精度R2为0.79, MAE和RMSE分别为33.57mm、39.29mm,该精度在可接受范围内。通过SVR插值法生成精确的降水量分布式信息,可为唐山市旱涝减灾、水资源利用及生态保护提供科学数据支持。     

非平稳时间序列极值统计模型及其在气候-水文变化研究中的应用综述

伴随全球气候变暖和平均海平面持续上升,极端气象事件出现的频率增加、强度增大,气候变化已经成为导致水文极值非平稳性的一个重要原因。本文总结了气候-水文变化研究中常用非平稳时间序列极值统计模型的结构以及统计推断方法,从降雨极值变化、洪水极值变化等方面分析了非平稳时间序列极值统计模型在气候-水文变化研究中的典型应用案例。国内外研究表明:非平稳时间序列极值统计模型能体现水文极值随时间或协变量的变化情势,非平稳情况下水文极值重现期和风险的概念和计算方法与传统平稳时间序列的频率分析相比存在显著差异。最后对需要进一步研究的问题进行了展望。     

山东省极端气候指数变化特征研究

为探究山东省极端气候指数的时空变化与特征，选取山东省1979—2020年95个气象站点的逐日气温和降水量实测数据，采用Mann-Kendall（M-K）检验方法和Sen斜率估计法计算时间变化特征，及Inverse Distance Weight（IDW）反距离权重法探究空间变化趋势。结果表明:（1）山东省境内低温极端气温指数（TN10p和FD0）呈下降趋势，下降速率分别为0.004 8和6.42 d/（10 a），高温极端气温指数（TX90p、TXx和SU25）呈上升趋势，上升速率分别为4.06 d/（10 a）、0.32 ℃/（10 a）和2.31 d/（10 a）；其内陆区域和沿海区域极端气温指数表现出了与山东省整体较好的一致性，空间趋势不明显。（2）极端降水指数均呈上升趋势，沿海区域多大于内陆区域。降水强度指数（R95p、R99p和RX5day）呈显著增加趋势，增加速率分别为22.16、10.83和10.55 mm/（10 a），空间分布上，高值区域多分布在东部沿海区域和南部部分区域，可能会增加洪涝灾害风险。     

赣江流域非一致性条件下设计洪水估计

赣江流域年最大日径流量在过去60a呈现出显著的变异特征,以此为样本序列,选用广义极值(GEV)分布来对其进行拟合,并基于五种气候模式输出结果对未来设计洪水的变化情况进行分析。所选协变量包括时间t、洪水前N日降水量和下垫面信息。相关关系分析表明,N=10时降水与洪水关系最为密切,但流域内土地利用类型仅呈现出微弱的变化趋势。模拟结果表明,洪水序列服从Weibull分布,其中形状参数ξ=-0.169、尺度参数σ=2 078.9、位置参数μ=65.1c+437.1。非一致性条件下的设计洪水值与传统方法计算的设计值存在很大区别,设计洪水值在1994年要偏大4 000m~3/s以上,其面临的洪水风险要远超普通年份。未来的设计洪水在低、中、高三种排放情景下均呈现出上升趋势,峰值出现于2040年前后,较1994年估计值偏大1 000～2500 m~3/s。     

基于CMIP5和SWAT的山美水库流域未来蓝绿水时空变化特征

基于山美水库流域1991—2010的实测气象数据,选取CMIP5中2个气候模式(HadGEM2-ES、NoerESM1-M)和2种典型浓度路径(RCP4.5、RCP8.5),对21世纪近期(2031—2050年)、中期(2051—2070年)、远期(2071—2090年)3个时期的日降水、气温数据进行统计降尺度处理;在此基础上,利用SWAT模型对山美水库流域基准期和未来3个时期的蓝水、绿水资源的时空分布特征进行模拟,评估流域未来60年气候变化对蓝绿水资源的影响。结果表明:山美水库流域未来60年预估年均降水量变化幅度为-0.43%～7.16%,平均气温增加约1.72～5.43℃,相较基准期,未来2个气候模式在2种RCP浓度路径下的蓝水资源量约减少12.81%～35.28%,绿水资源量上升约28.45%～36.12%;不同气候情景下流域蓝水、绿水资源变化率呈现出一定的相似性,上游地区均大于下游地区;降雨是蓝水资源时空分布的关键,而农用地分布则直接影响绿水资源的空间分异特征。     

变化环境下雅砻江流域水文极值演变及不确定性分析

为了探讨环境变化前后雅砻江流域的水文极值演变特征及不确定性,以雅砻江流域雅江水文站和洼里水文站为代表站,基于年极大值和超门限阈值样本,结合序列变异理论、多种极值统计模型(GEV、GPD、P-III)和轮廓似然函数参数估计及不确定性分析方法,分析了变化环境下雅砻江水文极值序列演变特征。结果表明:受气候变化和人类活动的影响,雅江水文站和洼里水文站环境变化前后的最优分布线型由P-III型分布转变为GEV分布。环境变化后的水文极值序列相应设计流量增大,重现期变小。设计值估算中,重现期越长,相应设计流量的不确定性也越大,其中参数的不确定性对于设计值的影响最为显著,但极值选样及分布函数的不确定性也不容忽视。轮廓似然函数法的使用可有效降低设计值不确定性,基于极值理论与轮廓似然函数估计法进行变化环境下水文极值演变分析可提高设计值的可靠性。研究成果可为雅砻江流域水库设计管理及防洪规划等提供参考。