基于CMIP5模式预估长江上游流域气温及降水时空特征

针对8个气候模式模拟的降水量较观测值系统偏大、模拟的平均气温较观测值系统偏小的问题,采用双线性内插降尺度方法及等距离分位数误差修正方法来减小系统误差,修正后的模拟效果均得到了大幅改善,且多个模式集合平均的模拟效果优于各个模式。基于长江上游82个气象站点的气象数据,利用修正后的8个模式预估长江上游2006～2099年降水、气温的变化情况。结果表明,在RCP4.5和RCP8.5情景下,8个气候模式模拟的长江上游未来时期的降水、气温均呈增加趋势,气温呈显著性增加;RCP4.5情景下的降水、气温增加趋势逐渐减弱,RCP8.5则逐渐增强,且RCP8.5的年际波动更大,4、5月的升温幅度要低于其他月份,且RCP8.5情景下的升温趋势要高于RCP4.5。两种情景下流域降水空间分布不均,呈东部及盆地多川西高原少、南多北少。冬季的降水线性趋势低,夏、秋季区域变化比较明显;秋、冬季的升温幅度要高于春、夏季。     

珠江流域2015～2100年降水及气温的时空变化预测

为提供珠江流域可靠的水文气象信息,分别采用算术平均法(AM)和贝叶斯模型平均(BMA)集合预测方法预测1997~2005年的月均降水和月均气温,并与实测结果进行了对比,验证了BMA的优越性。接着采用BMA方法,结合第5次耦合模式比较计划(CMIP5)的数据,预测了珠江流域在RCP2.6、RCP8.5两种情景下2015~2100年的月均降水和月均地表气温。结果表明,除RCP8.5情景下的月均降水呈轻微下降趋势外,其他均呈上升趋势;在RCP8.5情景下的夏季,月均气温、月均降水的空间变化差异显著,月均降水的线性增长趋势的空间变化趋势与月均降水在该流域空间分布总趋势相一致,而月均气温则与其相反。研究成果为BMA方法应用于流域水文气象信息长期预测提供了依据。     

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。     

变化环境下北京清水河流域径流响应研究

为辨析北京市清水河流域在变化环境下径流量的变化情况,利用分布式水文模型(WEP-L)模拟流域水文过程,利用模型计算结果分析气候(气温、降水)和土地利用类型发生变化的情况下清水河流域径流响应情况。结果表明,汛期降水减少和气温升高导致年径流量显著减少;气候变化是流域径流量减少的主要原因;在气温不变的情况下,随着降水的减少,径流量减少的量逐渐变小,但减少率增大;降水不变的情况下,径流量随着气温升高先增加后减少,减少率变化不明显;降水减少是径流量减少的主因。研究成果可为水资源开发管理和土地利用的合理规划提供依据。     

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。     

基于贝叶斯模型平均法的洪水集合概率预报

为提高洪水预报模型的精度和可靠性,基于贝叶斯模型平均方法(BMA),结合水动力学模型和统计相关模型,对秦淮河流域东山站水位进行多模型集合预报并进行模型率定与验证。结果表明,BMA的预报确定性系数CCE均高于水动力学模型和统计相关模型,且均方差RRSME最小;BMA法降低了单一水文预报结果的不确定性,保证洪水预报具备较高的精度,并提供了洪水水位的置信区间,为防洪规划提供了依据。     

基于集合卡尔曼滤波的实时校正技术在流域洪水预报中的应用

为提高金华江流域实时洪水预报精度，建立了耦合MIKE 11 NAM与MIKE 11 HD的流域洪水预报模型和基于集合卡尔曼滤波的实时校正模型，实现了金华江流域洪水预报实时校正。流域洪水预报模型对流域内主要站点的模拟效果较好，洪水流量和洪水水位模拟精度较高；实时校正模型在预见期10 h以内，校正效果随预见期增加而降低，在预见期前期可有效降低预报误差。整体上，建立的流域洪水预报模型和基于集合卡尔曼滤波的实时校正模型能够满足金华江流域洪水预报应用要求。     

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。     

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。     

清江流域SWAT模型多出口率定与单出口率定的比较

针对传统SWAT模型参数率定方法是以流域总出口为控制点的单出口率定,忽略了各子流域防洪要求以及不同子流域水文特征空间变异性的问题,利用清江流域26个雨量观测站及5个流量观测站1993~1995年的日资料数据,建立了基于SWAT模型的清江流域分布式水文模型,以各流量站点为子流域出口将整个流域划分为5个子流域,选取不同数目的控制点(2~5个)构成不同的多出口率定情景。与单出口率定结果对比发现,各多出口率定情景下流域总出口处的模拟精度与单出口率定结果基本相似,但在4个控制点的率定情景下,子流域出口处的模拟精度在率定期、验证期分别提高了11%~20%、2%~17%。表明多出口率定能在不降低流域总出口模拟精度的前提下提高各子流域的模拟精度;且对清江流域来说,选取4个控制点进行多出口率定时,模拟效果最好。     

多源卫星降水数据在瓯江流域的适用性分析

为利用卫星降水数据开展流域水文模拟预报,基于瓯江流域内94个雨量站1998~2013年逐日降雨量数据,分析了多源卫星降水数据(TMPA、RT、CMORPH和PERSIANN)在该地区的适用性。结果表明,PERSIANN数据精度最低,其次为CMORPH和RT,TMPA数据精度最高,其中PERSIANN和CMORPH数据低估了实际降水量,而RT和TMPA略高估了降水量;梅汛期和非汛期的精度高于台汛期,月时间尺度降水量的精度高于日时间尺度。各卫星降水数据中,TMPA和RT数据在中雨级别下精度最高,对小雨和大雨级别的降水分别存在低估和高估现象,而PERSIANN和CMORPH数据对所有量级下的降水均存在低估现象;随着雨量的增加,卫星降水的误报率均有不同程度的增加。     

SWAT模型在大尺度流域的应用探索

为检验SWAT模型在大尺度流域径流模拟的应用效果，构建了巴西巴拉那河上游流域分布式水文模型并分析了模型的敏感性参数，利用17个流量站进行模型参数率定和验证。结果表明，土壤蒸发补偿系数和SCS径流曲线数是影响模拟的最敏感参数；对于实测站点密度较大的子流域，模型可以较好地模拟流域径流变化，17个流量站中有11个站的R²值大于0.5;受降水数据不足和土地利用变化等因素的影响，模型验证期表现不如率定期。可见SWAT模型可以作为大尺度流域的径流模拟工具，但模拟精度很大程度上取决于降水数据质量。     

CMORPH卫星站点融合降水的沂河流域径流模拟适用性评估

为验证卫星地面融合降水在北方半湿润地区径流模拟中的适用性，对比了2008～2012年沂河流域汛期的CMORPH融合降水和实测网格降水时空分布，并分别驱动HEC-HMS模型进行日径流模拟、洪水模拟，进而评估利用卫星地面融合降水进行洪水预报的可行性。结果表明，在沂河流域，CMORPH卫星站点融合降水与实测网格降水具有较高的相关性，其洪水模拟精度与实测网格降水相当，径流深和洪峰的预报能力更优，在研究区洪水预报中具有很好的适用性。     

气候变化对于桥水库径流影响研究

为研究气候变化对于桥水库径流的影响,耦合BP神经网络构建的径流模型和国际模式比较计划第五阶段(CMIP5)中的气候模式,通过偏差校正和空间缩减(BCSD)降尺度方法预测了天津市水源地于桥水库流域的气温和降水量降尺度,选取RCP4.5和RCP8.5两种情景作为径流模型的输入,预测气候变化下于桥水库径流变化趋势。结果表明,BP神经网络径流模型收敛速度快,模拟精度高,均方误差为0.013 32,模拟的相对误差不到10%,可用于于桥水库的径流模拟;BCSD降尺度方法对该区域模拟效果较好,于桥水库未来气温和降水均呈增加趋势,径流相较基准期有7.10%、10.20%的增幅。研究成果有利于掌握不同气候情景下对于桥水库未来径流影响,亦为该地区水库环境管理提供科学依据。     

变化环境下非一致性极端水文事件的模拟及预测

在气候变化与高强度人类活动综合作用下,洪水事件的时空格局发生了变异,洪水序列的不一致性导致流域洪水设计值难以界定,应对难度加大。为研究变化环境下洪水特征的非一致性,更好地估计洪水特征变化,以汉江流域为例,运用GAMLSS模型,以时间、气象因素(气温和降水)和人类活动(水库指标)为协变量,对汉江流域1951～2005年的最大洪峰流量序列进行非一致性频率分析,并基于CMIP5模式下两种典型浓度路径RCP2.6、RCP4.5情景下的输出数据,利用率定好的最优非一致模型模拟未来变化环境对汉江流域最大洪峰流量的影响。结果表明,构建的具有物理意义的非一致性模型可较好地模拟汉江流域洪水过程的非一致性特征,且该模型在一定程度上能适应环境变化;在RCP2.6、RCP4.5两种情景下,汉江流域的年总降水和年均气温在2006～2100年呈上升趋势;在不考虑汉江流域未来水利工程继续建设的情况下,气候变化在未来将会导致流域洪水风险进一步增加。     

基于深度学习的无资料地区多源降水融合与性能综合评估

为研究卫星-地面站点降水融合校正对遥感降水数据在无资料地区水文应用的意义,构建了考虑时空因素的深度神经网络(CNN-LSTM)融合模型,结合地形因子和气象站点实测资料对渫水流域TRMM 3B42遥感数据进行融合校正,并定量评估校正后的日降水误差。结果表明,经过CNN-LSTM模型校正后的降水数据精度有所提高,其与站点降水资料的相关系数在0.65以上,均方根误差、平均绝对误差、探测率分别比原始TRMM数据精度提升4.01%、8.09%、16.61%,且校正后的数据明显低估了降水;在不同雨强条件下遥感融合校正降水精度表现良好,但对于暴雨事件探测的精度仍有待提高。     

目标函数不确定性对汉江安康以上流域水文模拟的影响

不同优化算法和目标函数组合将导致不同的模拟结果,进而影响流域水文预报精度。通过设定不同目标函数组合方案,对比汉江上游安康以上流域在多目标优化算法(NSGA-Ⅱ和MOPSO)下对HyMod模型性能评估的影响,并识别季尺度目标函数统计规律与模拟精度的本质联系。结果表明,NSGA-Ⅱ算法更适合于汉江流域(年尺度、季尺度模拟精度更优);模拟值与实测值的拟合误差控制函数和高流量误差控制的函数(F_2、F_3)为多目标模型参数校准的首选目标函数,其重要性大于水量模拟的误差控制函数和枯水流量的误差控制函数(F_1、F_4)。     

沱沱河流域水文气象要素变化特征分析

为更好地理解气候变化对沱沱河流域径流变化的影响,采用累积距平法、M-K检验和小波分析方法综合分析了沱沱河流域1961~2010年以来的气温、降水和径流深序列年际变化特征。结果表明,近50年以来,沱沱河流域气温、降水和径流深序列均呈不同程度的上升趋势,且分别以0.32℃/10a、8.7mm/10a、4.1mm/10a的速度上升;气温、径流深序列均有显著上升趋势,而降水的上升趋势不太显著;气温、降水、径流深序列分别在1999、2004和2007、2004和2007年发生突变;沱沱河流域水文气象要素呈现出多年周期不同尺度的振荡特性,气温、降水和径流深年代年际变化周期分别以25、20、22年为第一主周期。     

基于物理相似法的山丘区流域水文分类及模型参数移用方法

以我国东部64个山丘区流域为研究对象，提取35个流域地理特征(降雨、地形地貌、土壤和地质)作为相似指标衡量流域间的水文相似性，结合K-means聚类和参数区域化技术识别相似流域群和移用模型参数。结果显示，该64个山丘区流域依据降水、地形等特征可划分成11类相似的流域群。在具有水文相似的流域群内进行水文模型参数移用试验，水文过程模拟的确定性系数中值集中在乙级、丙级预报精度，且洪量相对误差不超过实测值的20%,能有效重现无资料流域的径流过程。该方法对无资料山丘区的水文预报具有重要借鉴意义，有助于山丘区洪水灾害防治及水资源管理。     

安徽省淮河流域近56年来气候时空变化的R/S分析

基于1955~2011年安徽省淮河流域7个水文站点气候资料,运用R/S分析方法对安徽省淮河流域近56年来的平均气温、降水量等指标的冬季(12月~次年2月)、夏季(7~9月)及年均值进行了计算,分析了该流域段的气候要素空间分布情况。结果表明,平均气温和冬季降水量呈上升趋势、夏季降水量呈微弱上升趋势,年降水量上升趋势不明显;各项指标的H值均大于0.5,说明存在明显的赫斯特现象,反映了该流域近56年来气候变化存在趋势性成分;气候因子的1月、7月、冬季、夏季和年平均H值存在季节性差异,均为夏季大于冬季,说明安徽省淮河流域夏季的气候效应影响高于冬季;气温和降水都存在空间分布差异,整体表现为西南部气温高、降水多,东北部气温低、降水少,中部气温适中、降水少的特点。