区域气候模式RegCM3在海河流域的初步应用

使用区域气候模式RegCM3,对海河流域1998年夏季(6~8月)的温度和降水场进行模拟,利用NCEP的温度、CMAP的降水再分析资料及国家气候中心发布的气象站实测数据进行验证分析,结果表明:RegCM3能够较好地再现海河流域温度和降水分布的主要特征,但在量值上还存在一定程度的偏差,对温度的模拟效果好于降水。温度场模拟结果能较好地反映研究区温度的空间分布和随时间的变化趋势,在数值上存在1~3℃的"冷偏差";降水场模拟结果能较好地再现研究区的降水特征、主要降水中心的分布。总体上看,8月降水总量的模拟效果好于7月,但在山丘区等下垫面情况复杂地区模拟偏差较大。     

WRF参数化方案与初始场对闽江流域暴雨模拟的敏感性研究

数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一，已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中，数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响，难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model),交叉组合16套微物理过程和积云对流参数化方案，对闽江流域2021年5月17—24日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明，WRF模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征，但明显高估了暴雨中心的强度和范围，EXP9(Lin-NT组合)整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验，基于最优参数化方案组合的模拟结果表明，ERA5(The Fifth-generation Atmospheric Reanalysis of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)对各个量级降雨模拟效果均相对较好，与观测数据的时空特征最吻合，其次为GDAS/FNL(Global Data Assimilation System/Fina...     

基于贝叶斯模式平均方法融合多源数据的水文模拟研究

可靠的长系列气象数据是开展流域水文模拟、水旱灾害防治和水资源综合管理的基本依据,但是我国气象站网布设不均、地面观测资料系列相对较短,难以满足工程应用需要。本文融合有限的地面气象观测数据,长系列高精度MSWEP-V2卫星集成降水数据集和欧洲中期天气预报中心的ERA5气温数据,首先通过基于分位数映射的日偏差校正（DBC）、基于月尺度的回归校正（LRBC）和等率校正（RBC）等3种方法,对遥测栅格降水和再分析气温日系列进行偏差校正,再采用季节性贝叶斯模式平均（BMA）方法描述各偏差校正系列的后验分布优选相应权重,从而得到融合多种偏差校正模式的长系列日降水、气温过程。以巢湖流域为例,采用174个自动气象站2015—2019年的观测数据和7个国家基本气象台站1979—2019年的长系列资料检验校正效果,并在2个子流域分别驱动新安江、GR4J和HMETS水文模型验证水文模拟的适用性。结果表明：BMA方法能够综合考虑各偏差校正方法的优势,校正后的日降水和气温数据偏差较小,与实测系列的相关性系数接近0.8;水文模型率定期及检验期的KGE系数超过0.67,校正后的气象数据满足水文模拟要求。     

DDRM模型在渠江流域的应用研究

为了进一步探究分布式水文模型(DDRM)的适用性,基于渠江流域的数字高程模型(DEM),提取了研究区域的边界、河网水系,计算了研究区域的地形指数;然后采用基于DEM的DDRM模型进行流域降雨-径流过程模拟,并用确定性系数、洪峰相对误差、峰现时间误差等对DDRM模型的模拟精度进行了评价;同时,对比分析了不同DEM栅格分辨率(1 km和2 km)对模型模拟精度的影响。结果表明:基于上述2种分辨率的DDRM模型在渠江流域降雨-径流模拟中均取得了较好的模拟效果,其中基于1 km栅格的DDRM模拟精度略优于2 km栅格。DDRM模型结构简单,参数较少、物理过程明确,而且能够模拟流域土壤含水量和径流量的空间分布,可为缺资料地区水文模拟提供一种新的方法。     

海河流域区域干旱特征的分析与研究

海河流域素有“十年九旱”的说法,是我国水资源短缺问题非常严重的地区.根据海河流域1951～2001年的逐月降雨资料和历史的灾情文献记载,采用游程理论识别拟定了适合海河流域干旱状况的干旱指标,并用该指标分析了海河流域典型干旱年份的旱情区域分布特征,给出了各等级干旱的区间分布.结果表明干旱现象具有明显的地区差异,不同地区在干旱规划管理中应采取相应不同的措施.     

海河流域区域干旱特下的分析与研究

海河流域素有“十年九旱”的说法，是我国水资源短缺问题非常严重的地区。根据海河流域1951－2001年的逐月降雨资料和历史的灾情文献记载，采用游程理论识别拟定了适合海河流域干旱状况的干旱指标，并用该指标分析了海河流域典型干旱年份的旱情区域分布特征，给出了各等级干旱的区间分布。结果表明干旱现象具有明显的地区差异，不同地区在干旱规划管理中应采取相应不同的措施。     

降雨时空分布量化及其在洪水过程分类中的应用

洪水过程是水利工程运行管理、防洪调度决策的重要依据,降雨的空间分布和降雨雨型是影响洪水过程形成的主要驱动因素。本文旨在采用描述降雨时空分布的量化指标,分析降雨时空分布特征与洪水过程的联系,探索量化指标在洪水过程分类中的应用。基于大清河流域北支紫荆关和南支阜平流域68场降雨洪水资料,计算了降雨一、二阶空间矩和一、二阶时间矩,分析了降雨时空分布特征对洪水过程线形状的影响,依据降雨时空特征信息采用K-medoids聚类分析法对洪水分类。结果表明：采用的降雨时空分布量化指标能够准确刻画两个流域的降雨中心空间分布和降雨雨峰时间分布。基于降雨时空特征指标的洪水聚类分析得到的不同洪水类型特征显著,两个流域的洪水主要有3种代表性类型,即尖瘦型、多洪峰长历时型和矮胖型洪水过程。研究结果验证了仅将降雨时空分布特征作为洪水分类依据的可行性,展示了其应用于流域洪水过程分类的潜力,降低了传统洪水过程分类方法对洪水数据的依赖性。本研究可为分析流域洪水形成过程的驱动因素、预测无资料流域洪水类型及揭示流域产汇流机理等提供科学依据。     

栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文模型

为了提高地表地下双重人类活动干扰下的流域洪水模拟精度,基于调蓄水库概念提出了考虑地表水利工程和地下水超采影响下的网格化降雨径流模拟方法,通过在栅格新安江模型基础上引入地表地下双调蓄模块,构建了栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文(GXAJ-DAR)模型,将该模型同半分布式新安江-海河模型在海河的典型流域清水河流域进行了验证比较。结果表明：GXAJ-DAR模型在清水河流域的模拟精度高于新安江-海河模型;基于栅格的双调蓄结构能根据水利工程控制区域和地下水埋深的实际空间分布对地面和地下径流人工调蓄过程进行准确模拟;GXAJ-DAR模型对自由水蓄水库蓄水容量参数的取值较新安江-海河模型更加合理,能有效提高清水河流域的洪水模拟精度。     

基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究

降雨数值模拟是延长水文预报预见期的重要方法,但由于降雨数值模拟中驱动数据所提供的初始场和边界场条件和大气的实际状态并不是完全吻合,导致模拟结果存在误差。减小降雨数值模拟的误差是提高水文预报精度的关键问题,特别是在大气数值模式和分布式水文模型耦合模拟过程中,高精度的降雨信息是准确模拟的关键。本文基于WRF模式和三维变分数据同化方法,选取雷达反射率和GTS(Global Telecommunication System)数据作为同化资料,开展基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究,从降雨的空间展布和指标评价两方面对同化前后的模拟结果进行对比。结果表明:同化后的模拟数据在CSI指标和RMSE指标上都优于同化前的模拟数据,说明同化后模拟数据的误差小于同化前的误差;将同化前后的数据展布在网格图中,发现同化后的数据可以更加准确地刻画降雨的空间分布规律,说明通过数据同化方法提高了模拟降雨和实际降雨空间分布的一致性,改善了WRF模式模拟降雨空间分布的能力。     

海河流域不同降水极值的时空变化分析

采用4种日降水情景,分析1961-2010年海河流域降水极值的时空变异性。研究结果表明,海河流域日降水量的平均值呈下降趋势,且随着时间的推移,其波动变弱。从20世纪60年代到2000年代,日降水量的平均值为1. 4 mm/d,降水的等高线向流域东南部移动了100 km以上。4种日降水情景的变化具有很大差异性;天津市和廊坊市是80年代后海河流域的P0干旱中心,无降水的天数和地区数随着年份的增加而增加; P10极值的大小在过去50年中没有明显变化,但是降雨中心随海河流域区域的不同而不同; P20极值的变化幅度在1961-2000年没有明显变化,但在2000年有所增加;在过去50年中,P50极值的变化幅度明显下降,降雨中心从海河流域的东北部向南部移动。城市化的影响反映在80年代和90年代的一些城市,但在2000年之后,由于海河流域的降雨量显著减少,导致其城市化影响表现并不显著。     

黄河流域近40年气候变化的时空特征

黄河流域是我国主要的气候敏感区之一,气候变化对其生态环境演变与经济社会发展有显著影响。本文利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料分析了黄河流域过去40年的温度、降水、水汽通量散度、蒸散和荒漠化风险等的演变特征,结果发现:1979—2019年黄河流域四季均呈现明显增温趋势,其中春季增温最为明显;季节性降水的变化差异显著,春季和夏季降水呈现下降趋势,秋季降水增加;黄河流域空中水汽以辐合为主,过去40年黄河流域上游水汽辐合年际波动最小,中游次之,下游最大;黄河流域蒸散整体呈现减少趋势,其中增加趋势集中在上游地区;黄河流域荒漠化风险整体处于中等风险以上,呈现由南向北加剧的空间分布,1982—2014年黄河流域荒漠化风险呈现下降趋势。本研究厘清了全球气候变化背景下黄河流域蒸散、水汽输送和降水等水循环过程的变化规律,能够为维护黄河流域地区生态安全、防范重大气象灾害风险提供科学依据。     

Impact of Climate Change on the Hydrology of Upper Tiber River Basin Using Bias Corrected Regional Climate Model

The use of regional climate model (RCM) outputs has been getting due attention in most European River basins because of the availability of large number of the models and modelling institutes in the continent; and the relative robustness the models to represent local climate. This paper presents the hydrological responses to climate change in the Upper Tiber River basin (Central Italy) using bias corrected daily regional climate model outputs. The hydrological analysis include both control (1961–1990) and future (2071–2100) climate scenarios. Three RCMs (RegCM, RCAO, and PROMES) that were forced by the same lateral boundary condition under A2 and B2 emission scenarios were used in this study. The projected climate variables from bias corrected models have shown that the precipitation and temperature tends to decrease and increase in summer season, respectively. The impact of climate change on the hydrology of the river basin was predicted using physically based Soil and Water Assessment Tool (SWAT). The SWAT model was first calibrated and validated using observed datasets at the sub-basin outlet. A total of six simulations were performed under each scenario and RCM combinations. The simulated result indicated that there is a significant annual and seasonal change in the hydrological water balance components. The annual water balance of the study area showed a decrease in surface runoff, aquifer recharge and total basin water yield under A2 scenario for RegCM and RCAO RCMs and an increase in PROMES RCM under B2 scenario. The overall hydrological behaviour of the basin indicated that there will be a reduction of water yield in the basin due to projected changes in temperature and precipitation. The changes in all other hydrological components are in agreement with the change in projected precipitation and temperature.     

基于TOPSIS的长江上游流域降水模拟与预报研究

为研究长江上游流域高精度的短期降水模拟和预报,优选适宜于流域的WRF模式参数化方案组合,构建了模式中不同微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,建立了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多个指标的定量综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案优选方法,并在长江上游流域选取了4场典型强降雨过程进行模拟分析。研究结果表明:在长江上游流域采用微物理过程WSM3方案、陆面过程Noah方案、积云参数KF方案条件下,WRF模拟降水与实测降水的空间分布和降水量级更为相符。     

ERA-interim再分析数据集在长江上游的适用性

针对长江上游地区ERA-interim再分析降水数据,结合流域内65个实测站点的降水数据,计算流域以及站点年降水量、多年平均降水量。利用降水偏差、偏差百分比、合格率等多种指标,分析ERA数据在长江上游地区的适用性并进行校正,以补充实测降水资料。结果表明:(1)ERA降水在年、春、夏、秋、冬的变化趋势与实测数据近乎相同,可直接采用折算系数整体校正ERA年降水数据;(2)流域内海拔高的观测站点ERA降水估计值与实测降水数据偏差明显增大,海拔低的观测站点ERA降水估计值与实测降水数据偏差相对较小,并且流域东南部的降水偏差整体小于流域西北部;(3)利用折算系数整体折算1979~2012年、夏、秋尺度各站点ERA插值降水数据,各站点拟合后年、夏、秋序列与实测降水偏差30%以内的站点合格率分别为98.46%,92.31%和70.77%。     

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。     

天山西部山区VIC模型的应用

为能够更好地指导高寒山区融雪径流模拟研究与洪水预报方面的工作,以天山西部山区的喀什河流域为研究区,根据研究区内1990年-2000年内的水文气象数据、CFSR再分析数据、DEM、土壤及植被等数据,借助构建的VIC模型进行径流模拟研究。根据模拟结果,可以看出:(1)气象资料匮乏区可以将CFSR再分析数据作为数据源,但此数据与实际情况存在一定偏差,需进行相应修正;(2)本研究以优选水文站降水数据作为CFSR再分析数据修正依据,以水文站所在CFSR再分析数据网格为标准,通过与其他CFSR网格降水数据建立相关关系进行CFSR异常数据剔除的方法是可行的;(3)构建的VIC模型在本研究区具有一定的适用性,且模型参数取用较合理;(4)率定期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.80和4.7%,日尺度下分别为0.64和3.3%;而在验证期内,月尺度下模型效率系数和多年径流相对误差分别为0.84和14.5%,日尺度下分别为0.70和13.1%。     

Evaluation of IMERG,TMPA, ERA5, and CPC precipitation products over mainland China: Spatiotemporal patterns and extremes

A comprehensive assessment of representative satellite-retrieved (Integrated Multi-satellite Retrievals for Global Precipitation Measurement (IMERG) and Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-satellite Precipitation Analysis (TMPA)), reanalysis-based (fifth generation of atmospheric reanalysis by the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ERA5)), and gauge-estimated (Climate Prediction Center (CPC)) precipitation products was conducted using the data from 807 meteorological stations across mainland China from 2001 to 2017. Error statistical metrics, precipitation distribution functions, and extreme precipitation indices were used to evaluate the quality of the four precipitation products in terms of multi-timescale accuracy and extreme precipitation estimation. When the timescale increased from daily to seasonal scales, the accuracy of the four precipitation products first increased and then decreased, and all products performed best on the monthly timescale. Their accuracy ranking in descending order was CPC, IMERG, TMPA, and ERA5 on the daily timescale and IMERG, CPC, TMPA, and ERA5 on the monthly and seasonal timescales. IMERG was generally superior to its predecessor TMPA on the three timescales. ERA5 exhibited large statistical errors. CPC provided stable estimated values. For extreme precipitation estimation, the quality of IMERG was relatively consistent with that of TMPA in terms of precipitation distribution and extreme metrics, and IMERG exhibited a significant advantage in estimating moderate and heavy precipitation. In contrast, ERA5 and CPC exhibited poor performance with large systematic underestimation biases. The findings of this study provide insight into the performance of the latest IMERG product compared with the widely used TMPA, ERA5, and CPC datasets, and points to possible directions for improvement of multi-source precipitation data fusion algorithms in order to better serve hydrological applications.     

海河流域水资源规划工作思路及初步成果

海河流域水资源短缺,影响着整个流域社会经济的发展。为了更好地研究海河流域水资源的可持续利用,海河水利委员会组织的海河流域水资源规划工作已全面展开。目前,对流域的水资源量、水质状况、供用水现状等进行了调查分析,并取得了初步的成果。     

长江流域水量模型初步研究

基于MIKEBASIN平台，将长江流域划分为91个子流域，采用NAM模型来模拟各分区径流过程，再将各分区NAM模型连接成为整体，构建了长江流域水量模型，并完成了模型系统中面雨量计算、参数批量修改、水库调度等关键功能的二次开发。模拟结果表明，模拟径流过程与实测过程基本一致。鉴于部分子流域面积过大，取、排水用户未纳入模型等原因，导致模拟年径流有所偏大，以汉江流域为试点进行了模型细化研究，显著提高了模拟精度，表明长江流域水量模型模拟精度尚有进一步提高的空间。