统计降尺度法在黄河源区未来降水变化分析中的应用

利用统计降尺度方法对黄河源区的未来气候变化中可能产生的降水变化进行了模拟分析,采用黄河源区的10个水文站点共41a的日降水资料为预报量,以NCEP再分析资料和英国HadCM3模式的大气变量为预报因子,研究了黄河源区月降水的降尺度方法。结果表明:采用建立回归关系和逐步线性回归分析方法可很好地选出有效的预报因子;SDSM模型可有效模拟黄河源区月降水过程,但SDSM模型对降水模拟的量值偏小;在2021～2050年间,黄河源区的降水将会出现一个较大变化,夏季降水呈上升趋势,降水集中于8月附近,上半年降水减少更易发生干旱,下半年发生极端降水事件的频率增加更易发生洪水。     

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。     

基于人工神经网络的统计降尺度模型研究

基于BP神经网络模型对黄河源区的降水、温度进行了统计降尺度研究,探讨了统计降尺度模式中考虑预报量的敏感大气环流因子随季节变化时对降水的降尺度效果的影响。结果表明,人工神经网络降尺度模型能成功地捕捉黄河源区的日平均温度及气温极值的年际变化趋势,纳什效率系数均达0.95以上;比较CON模型及PIE模型对降水指标的模拟能力,发现两种模型对1961~2000年不同降水指标时间序列的模拟能力相当;从季节尺度看,在冬季PIE模型显示了更好的模拟能力,但在夏秋季节PIE模型对多数降水指标的模拟能力略不及CON模型。总之,CON模型对降水指标的模拟效果更好。     

淮河上游区域GPM IMERG卫星降水数据应用评价

为系统评估GPM IMERG V05B卫星降水产品在淮河息县以上流域的应用,以流域内9个地面站实测雨量数据作为参考,应用统计指标、分类指标及极端降水指标,对2015～2017年GPM IMERG产品分别评价分析了日、月、年尺度上统计指标与分类指标,评估了不同雨强、极端降水探测性能。结果表明,GPM IMERG卫星降水产品与地面监测数据在日、月尺度的降水监测值表现出较好的相关性,总体呈高估现象,日尺度探测率高于0.8,但错报率、汉森和凯普斯得分不理想,月尺度上在8、9月份存在低估,年雨量误差10.0%～23.8%;GPM IMERG对小雨综合探测性能强,但错报率较高,对中雨探测精度较高;极端降水事件探测能力表现不稳定。     

基于信息熵和统计参数的径流随机模拟序列检验方法

传统的径流模拟序列检验方法是基于统计参数开展的,但由于径流具有高度的非线性、耗散性和复杂性,传统的检验方法虽能反映径流模拟序列和原始径流序列在各截口统计参数的吻合程度,但却忽视了径流作为一种时间序列的变化特征。因此,引入样本熵、小波熵概念,提出基于信息熵和统计参数的径流随机模拟序列检验方法,作为对传统检验方法的补充。以淮河支流沙河上漯河水文站月径流模拟系列为例进行应用研究,结果表明该方法可发现径流模拟序列中的较大月径流量、较大月径流位置的异常情况,筛选出精度高的模拟序列,为检验模拟序列精度提供了一条新途径。     

三峡区间流域TMPA 3B43V7卫星降水产品多时空尺度精度评估

卫星降水产品属于间接估测降水,需要进行精度评估、适用性分析才能使用。利用地面站点观测数据评估了三峡区间流域TMPA 3B43V7卫星降水产品的年、月时间尺度及格点、流域空间尺度下的精度。结果表明,TMPA 3B43V7降水产品在月尺度上精度较高,在年尺度上数据精度稍差,但具有应用在降水变化特征分析、流域水文过程模拟等领域的潜力。     

基于NWP/CFD嵌套的复杂地形风场模拟研究

为解决复杂地形边界层风场模拟的边界条件问题,结合中尺度数值天气预报(NWP)和小尺度计算流体动力学(CFD)技术,提出一种基于NWP/CFD嵌套的降尺度风场模拟方法。该方法依据NWP低分辨率输出结果,建立目标区域来流边界数据库,并结合反距加权插值获得CFD边界精细格点信息。以沿海地区2处复杂地形为对象,重现目标区域内的风场日变化。参考经验风剖面分布形式,验证插值算法在中小尺度耦合界面数据传递的适用性。然后基于模拟域内实测点数据及误差统计指标,评估风场模拟效果。结果表明,所提降尺度风场模拟方法能有效反映微地形、微气象对风力机尺度大气运动影响。     

CMORPH卫星反演降水数据质量评估及水文过程模拟

卫星降水对展现降雨空间分布特征、提供防洪决策依据起着重要作用。以綦江流域五岔水文站以上控制面积为例,采用网格大小为0.25°×0.25°的CMORPH卫星反演降水数据,利用TS评分、空报率、漏报率三种指标评估日尺度卫星晴雨预报精度,利用平均绝对误差、显著性检验和相关性分析评估日尺度和月尺度卫星降水数值精度;将该降水数据和站网数据分别作为新安江模型的日模型输入,以2009～2012年为率定期,2013～2014年为验证期。设置最优参数不变和最优参数对比两组试验,利用纳什效率系数、径流深相对误差、均方根误差评估水文过程模拟精度。结果表明,对于中小流域,基于CMORPH卫星降水的新安江模型模拟结果对大洪水洪峰模拟偏低,小洪水洪峰模拟偏高,退水段模拟结果较好,总体模拟精度较高。参数率定时应更侧重于SM、CS两个敏感参数,且KC的初值可定得适量大一些,以期得到令人满意的结果。     

基于逐步回归—LMBP算法的大通站旬径流与月径流预报

为提高长江干流大通站旬径流与月径流预报精度,选取大通站1980~2012年各旬、各月径流观测资料及国家气候中心同期发布的72项大气环流资料,采用逐步回归法—LMBP算法对大通站的旬平均径流序列进行模拟和预报,并与月尺度径流序列的计算结果做了对比。结果表明,预测值与原序列的趋势基本相同,旬尺度的径流预报精度高于月尺度的预报精度,表明时间尺度的选择影响径流预报的精度。     

月降水序列混沌特性识别及预测

以泾河流域西峰镇站1951～2001年月降水时间序列为基础,利用互信息函数法求时间序列的时间延迟,引入伪邻近法求该序列的嵌入维数,计算结果显示其嵌入维数在[2,12]之间变化,再利用G-P算法计算该序列的关联维数,结果表明序列具有明显的混沌特性.用Volterra级数一步预测方法对混沌时间序列进行预测,实验表明,在训练数为220、样本数为392时预测结果较优.     

水平轴潮流发电机作用下流场的动态模拟

该研究的主要目的是寻找一种新的模拟方法,尽量精细地模拟出大范围流场中潮流发电机与流场的相互作用。根据这一目标,提出一种耦合叶素模型的水平轴潮流发电机的表示方法,并将它集成到有限差分算法之中。利用集成后的模型,对实验室尺度的水轮机阵列实验进行模拟,并将模拟结果与实测数据进行对比。实验结果表明,该耦合模型可较好地模拟出水轮机阵列下游5倍直径以外的流场分布。     

基于典型日出力场景和马尔科夫算法的风电功率时间序列模拟模型

风电功率时间序列模拟是可再生能源功率分配规划、运行模式计算和安全评估的关键环节.传统的单点建模方法在每一时刻离散地生成模拟结果,而忽略了风电日出力特性,无法兼顾建模精度和效率.针对这一问题,提出了一种基于典型日出力场景和马尔科夫算法的风力发电时间序列模拟模型.首先,提出了一种基于时间序列相似度和改进K-means聚类算...     

基于中尺度气候模式的降水对水力发电的影响

通过分析水力发电站发电量与地区降水量之间的关系建立由降水驱动的水电响应模型,并在此基础上,使用逐步聚类方法对中尺度的区域气候模式进行统计降尺度,得到未来高精度的降水数据,以此研究未来降水变化对水力发电的影响。以大渡河流域某电站为案例,对其发电量进行模拟与预报,研究在未来气候变化条件下该电站的水力发电变化。结果表明,该电站在未来不同月份和调度时期的降水变化存在差异,由此会造成未来发电高峰期缩短,发电峰值下降,但全年总发电量基本保持不变。     

黄河中上游多源降水数据精度评估

为研究黄河中上游遥感降水数据的可替代性,以2001~2010年站点实测降水数据为依据,采用相关系数、均方根误差和平均误差三个指标,分别从年、季、月尺度对14种卫星降水数据进行精度评价,并以水系为空间单元对极端降水事件进行评估。结果表明,在年、季、月尺度上,ITPCAS的精度均相对较高,GSMaP、PERSIANN的精度最低。季节上,降水数据均易高估春、夏季暴雨以下降水,低估暴雨以上降水;均易高估秋季大雨以下降水,低估大雨以上降水。对于极端降水,GSMaP、CHIRPS呈严重高估,PERSIANN呈严重低估;区域上,甘宁、内蒙水系各数据集对极端降水的评估与实测降水的一致性较强,其余水系中各数据集对极端降水评估的精度差异较大。     

黄河中上游多源降水数据精度评估

为研究黄河中上游遥感降水数据的可替代性,以2001~2010年站点实测降水数据为依据,采用相关系数、均方根误差和平均误差三个指标,分别从年、季、月尺度对14种卫星降水数据进行精度评价,并以水系为空间单元对极端降水事件进行评估。结果表明,在年、季、月尺度上,ITPCAS的精度均相对较高,GSMaP、PERSIANN的精度最低。季节上,降水数据均易高估春、夏季暴雨以下降水,低估暴雨以上降水;均易高估秋季大雨以下降水,低估大雨以上降水。对于极端降水,GSMaP、CHIRPS呈严重高估,PERSIANN呈严重低估;区域上,甘宁、内蒙水系各数据集对极端降水的评估与实测降水的一致性较强,其余水系中各数据集对极端降水评估的精度差异较大。     

基于EEMD的鄱阳湖流域年降水量周期预测

气候变化影响下的降水量周期变化对于认识鄱阳湖枯水具有重要意义。采用EEMD方法分别将实测和模拟年降水量分解成不同频率的成分,然后采用FFT求得各IMF分量周期,以便对比未来和基准期的周期变化。结果表明,鄱阳湖流域1961～2001年的实测年降水量序列整体存在2.5～3.5、6.5～8.0年的周期,较大尺度的周期表现不显著;ASD统计降尺度模型对序列的周期特性模拟能力良好。未来情况下,主周期相对基准期整体呈增大趋势,中小尺度周期仅有微小差别,较大尺度周期普遍增大,鄱阳湖流域年降水量过程波动剧烈程度降低。     

基于WGEN天气发生器的石羊河流域降水模拟

为实现石羊河流域降水的模拟,通过改进WGEN天气发生器模型算法,选择民勤、永昌、武威、门源、乌鞘岭、景泰、靖远和西宁等8个站点,利用各站点1968～1997年雨季逐日降水资料进行了降水模拟参数估计,并在此基础上采用KS检验及绘制Q-Q图对模型在石羊河流域的适用性进行评价,发现除尾部拟合不理想外,GAMMA分布能较好地拟合石羊河流域的降水状况;利用各站点1998～2017年雨季逐日降水资料实测值与模拟值,选取月平均降水日数、日平均降水量、雨日平均降水量和月最大降水量作为评价要素,分别计算4个评价要素中模拟值与实测值的均方根误差、平均绝对百分误差和相关指数,以此来评价降水模拟效果。结果表明,该模型能较好地模拟石羊河流域除极端降水情况以外的其他降水状况。     

基于EEMD的鄱阳湖流域年降水量周期预测

气候变化影响下的降水量周期变化对于认识鄱阳湖枯水具有重要意义。采用EEMD方法分别将实测和模拟年降水量分解成不同频率的成分,然后采用FFT求得各IMF分量周期,以便对比未来和基准期的周期变化。结果表明,鄱阳湖流域1961~2001年的实测年降水量序列整体存在2.5~3.5、6.5~8.0年的周期,较大尺度的周期表现不显著;ASD统计降尺度模型对序列的周期特性模拟能力良好。未来情况下,主周期相对基准期整体呈增大趋势,中小尺度周期仅有微小差别,较大尺度周期普遍增大,鄱阳湖流域年降水量过程波动剧烈程度降低。     

新疆和田降雨小波分析和非趋势波动分析

运用小波变换和非趋势波动分析得到了降水量的波动变化特性,探讨了降水量序列的长程相关性及其内在规律性.结合小波分析方法提取了主要的周期和趋势变化特性.采用两种方法在不同时间尺度上对降水序列分析,结果表明和田降水量近几年将持续减少,减少趋势至少将持续21个月.     

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。