新安江流域降雨量空间插值方法和参数筛选

选取新安江流域48个雨量站点2000-2010年的降雨量数据以及地理地形资料,利用反距离权重(IDW)、径向基函数(RBF)、普通克里金(OK)和残差克里金(RK)方法进行插值,根据交叉验证结果筛选最佳的方法和参数.结果表明:年尺度上,考虑高程、纬度等地形因子影响的RK方法插值精度最高,然后是IDW,OK和RBF;邻近站点的搜索策略对IDW插值精度影响较大;考虑各向异性的OK法插值精度较高,模型之间的差别不大.月尺度上,IDW法对降雨量丰富的月份插值精度较高;RBF对降雨较少且分布均匀的月份插值效果好;数据越符合正态分布,OK法的插值精度越高;RK方法则适用于降雨与地理因素相关性好的月份.     

四川省降水空间分布的插值分析

降水的空间分布特征是区域生态研究的重要内容,基于GIS的空间插值是获取降水分布特征的主要方法,以四川省49个气象站(其中15个为校验站点)2000~2007年的年平均降水量和四川省DEM为数据源,选取了反距离加权法(IDW)、普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)和考虑高程、坡度、坡向的协克里金法(Co-Kriging,CK)3种空间内插方法,对四川省降水的最优空间插值方法的选取进行了探讨。结果表明:考虑高程、坡度、坡向的协克里金插值取得了较好的效果;四川省降水存在较大的空间变异性,有明显由东往西递减的趋势,最大降水量主要分布于东北部的达州、巴中地区以及东南部的乐山、雅安地区。     

中国流域降水数据的空间插值方法评估

降水量的空间分布信息在水资源管理、旱涝灾害预测和可持续发展等研究领域具有重要价值。以中国1 915个气象站在1981～2010年间的平均降水量观测数据为基础,选取了反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、全局多项式法(GPI)、局部多项式法(LPI)、普通克里金法(Ordinary Kriging)、简单克里金法(Simple Kriging)、泛克里金法(Universal Kriging)以及经验贝叶斯克里金法(EBK)8种空间内插方法进行评估。研究依据DEM数据的流域分析结果,对我国三大流域的降水量进行区域插值,同时采用交叉验证方法,对中国范围整体插值精度以及分区后三大流域的插值精度分别进行了验证。结果表明:对全国范围内采用经验贝叶斯克里金插值法取得了较好的效果;三大流域中,对黄河流域采用泛克里金法最优,对长江流域采用普通克里金法最优,珠江流域采用径向基函数法最优。最后以流域内的城市为例进行验证,结果表明各流域的最优空间插值方法具备有效性和指导价值。     

降雨空间插值方法在东江流域的比较运用

利用东江流域46个站点的已知实测降雨量,运用基于ArcGIS的三种空间插值方法(IDW、Spline、Krige)选取不同数目雨量站对东江流域降雨量进行空间插值并检验插值结果的优劣。结果表明:三种插值方法的插值结果基本能反映流域降雨量的空间分布特征,IDW法更适合东江流域的降雨量空间插值;东江流域的降雨空间插值受已知降雨量站点数目大小影响,各站点降雨量空间插值精度因插值方法的选择而异。     

基于PSO-CV算法的信息扩散插值模型及其在黄河源区的应用

根据有限的雨量站观测资料进行空间插值是探索降水空间特征的有效手段。介绍了一种基于信息扩散理论的空间插值模型,并在已有经验信息扩散插值模型的基础上,考虑其关键参数估计的不足,提出一种基于粒子群算法(PSO)与交叉验证(CV)相结合的最优信息扩散插值模型。以黄河源区为例,引入反距离加权法、普通克里金法、泛克里金法及考虑高程的协克里金法作为对比参照,分别从年、季、月和日4种时间尺度评价了信息扩散插值模型的插值效果。结果表明,整体来看最优信息扩散插值模型的精度最高,反距离加权法的精度最低,经验信息扩散插值模型与其他3种空间插值方法的精度差异不大,不同方法间的精度差异随着时间尺度的减小而减小。     

基于水汽输送与IDW法耦合的降雨插值方法研究

在普通反距离权重法(IDW)的基础上,构建基于水汽输送与反距离权重法耦合的降雨插值方法(IDWWVT)。以三峡库区为例,利用库区及周边22个气象站点资料,分别采用IDW-WVT方法和IDW方法对22个站点2009~2013年的日降雨量进行空间插值模拟,以典型流域澎溪河的14个雨量站观测降雨资料对插值效果进行评价。结合SWAT模型,进一步分析插值降雨对澎溪河径流过程以及面源负荷过程的影响。结果表明:IDW-WVT方法对降雨量空间插值的精度明显优于IDW方法,在日尺度和月尺度中插值精度分别提高了23.1%,16.9%;同时使用IDW-WVT对径流过程和面源负荷过程的模拟效果也提升显著。     

粤东地区降水量空间插值方法研究

以粤东地区70个雨量站40 a(1980—2019年)降水资料和DEM数据为基础,结合GIS技术,采用反距离权重插值法(IDW)、径向基函数插值法(RBF)、普通克里金插值法(OK)、回归克里金法(RK),分别对年平均降水量和月平均降水量进行空间插值,选取58个为插值站点,12个为检验站点,通过平均绝对误差(MAE)、...     

粒子群算法优化BP在降雨空间插值中的应用

为更好地表达降雨量的空间分布,将粒子群算法(PSO)优化后的反向传输(BP)神经网络分别运用于三峡区间流域日、月和年降雨量的空间插值中,并与单纯BP神经网络和克里金的插值效果作对比。研究结果表明:在日和年的时间尺度上,PSO-BP插值性能较BP有明显改善,且优于克里金的插值效果;在月时间尺度上,PSO-BP插值效果与BP接近且优于克里金。因此,PSO-BP能较好地揭示降雨量在空间的分布规律,也具备在不同时间尺度上对降雨量进行空间插值的能力,是一种较优的降雨空间插值方法。     

基于空间插值方法的重庆降水信息展布

不同空间插值方法在不同地区的插值精度不同。为确定重庆市降雨量的空间分布,采用重庆市12个气象站1960-2014年降水数据,运用系数为2、3、4的反距离权重法、普通克里金法、考虑高程的协同克里金法及考虑温度的协同克里金法,按多年平均、最大3个月及最小3个月不同降水量指标进行分析,并以均方根误差和纳什效率系数进行验证。结果表明,对于三种指标,不同插值方法的优劣从好到差均为考虑高程的协同克里金法、考虑温度的协同克里金法、普通克里金法、系数分别为4、3、2的反距离权重法。对于反距离权重法,系数越大则误差越小。三种降水量指标以多年平均降水量为输入数据的插值结果更加准确。考虑温度的协同克里金法在降水量较小或降水与温度相关性较强时有良好的插值精度。在重庆地表变化幅度较大的地区,考虑高程的协同克里金法更能体现高程变化对降水量的影响。     

岔巴沟流域降雨不同时间尺度的空间变异特征

基于黄土高原岔巴沟流域13个雨量站2004—2006年5 min降雨数据资料,分析了流域2 h、6 h、24 h、3 d、7 d、月和年(5—10月)等7个时间尺度的降雨量空间变异特征。结果表明:①以曹坪雨量站为代表的单站5—9月降雨量占全年的90%以上,其中7—8月以中雨和大雨、暴雨为主,降雨量占年降雨量的60%～80%。②不同时间尺度降雨量的空间变异程度不同,2、6、24 h最大降雨量的变异系数C_V分别为0.27～0.93、0.06～0.81、0.06～0.69,呈减小趋势;3 d到7 d尺度上C_V值并非一直减小;月降雨的C_V以6月最大,年(5—10月)降雨量的C_V为0.05～0.11。③暴雨中心在2004年、2005年分布在流域上游,2006年则移至下游。降雨量的空间变异性随着丰水年水汽运移强度增大及降雨量增大而减小,局地性降雨尤其是局地暴雨是引起空间不均匀性的主要原因。     

基于降雨分布不均匀性的空间插值方法适用性研究

为定量评估降雨空间分布不均匀程度,以史灌河流域为研究区选取48个雨量站1998年到1999年92场日降雨观测资料,首次提出降雨空间集中度概念,分析降雨空间集中度与面平均雨量、插值误差的关系。采用反距离权重法、局部多项式法、径向基函数法、普通克里金法以及协同克里金法对拟定的站点进行空间插值,并用相对平均误差评判插值结果的好坏,分析不同降雨空间分布下各种插值方法的优劣。     

梧州市近30年降雨量时空变化分布分析

分析Kriging、IDW、Spline和Trend法的插值效果,选出适合梧州市降雨量的空间插值方法,分析梧州市季年降雨量的时空变化分布特征。结果表明Kriging、IDW和Spline法在季年降雨量空间插值中的应用效果较好;春季降雨量分布自北部向南部递减,夏季降雨量分布自西北部向东南部和北部递减,秋季降雨量分布自南部、西北部向中部递减,冬季降雨量分布自北部与南部向中部和东部递减,年降雨量分布自北部与南部向西部和东南部递减。梧州市大部地区四季和年降雨量呈增加趋势;梧州市20世纪80年代降雨总体相对较少,90年代降雨较80年代增多,21世纪前10年降雨较90年代有所减少。     

基于GIS的黑龙江省多年平均降水量空间插值分析比较

以黑龙江省分辨率为90m的数字高程模型(DEM)的数据为基础,结合ArcGIS软件,分析黑龙江省83个气象站点1971—2018年的降水资料,采用克里金法(Kriging)、反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、全局多项式插值法(GPI)和趋势面法(TS)五种方法进行空间插值模拟.结果表明,黑龙江省年平均降水量东多西少,具有自边缘到中心逐渐增加的特征.西南部和西北部(漠河和北极村)的降水量大多在500mm以下,部分中部地区的降水量超过700mm.总体年平均降水量在400mm—700mm之间,大部分地区属于半湿润区.在该研究区域中,通过克里金指数模型插值方法获得结果的准确性优于其他插值方法.     

空间插值方法在锦州湾海水富营养化评价中的应用

采用空间插值和营养指数方程相结合的方法,对锦州湾海域海水富营养化状态进行评价.选择反距离权重(IDW)、径向基函数(RBF)和普通克里金(OK)三种插值方法及相应的关键参数,对2009年8月份锦州湾附近表层海水的高锰酸盐指数(COD)、无机氮(DIN)和无机磷(DIP)指标进行空间插值,通过交叉验证筛选出精度最高的插值方法.结果表明:(1)从插值精度上看,除了RBF法的薄盘样条(TPS)函数精度较低外,其余方法精度差别不显著;(2)从等值线图对空间变化趋势的表现效果上来看,OK法效果较好.最后利用OK法所得的插值结果评价锦州湾海水的富营养化状态,得出营养指数E≥1的海域面积占调查海域的2.4％,与传统的评价方法相比,所绘出的富营养化空间分布图可直观、准确地反映该海域的富营养化状况,为海水水质评价工作提供了新思路.     

仿生算法优化BP神经网络在降雨空间插值中的应用

人工神经网络能够充分挖掘已知样本中的规律,从而对未观测数据进行预测,可应用于降雨量空间插值计算中。在BP神经网络进行降雨空间插值的基础上,引入遗传、粒子群和蚁群3种仿生算法对BP神经网络初始权值和阈值进行优化,将优化后的BP神经网络应用于三峡区间流域年、月和日3个时间尺度的降雨空间插值中。结果表明:仿生算法对BP神经网络初始权值和阈值优化求解后,降低了BP神经网络陷入局部最小以及过拟合的风险,在插值过程中表现出较好的稳定性,取得了理想的插值结果。     

陕西省月平均气温空间插值方法研究

为弥补陕西省气象站点数量有限、空间分布不均等问题,对常用空间插值方法进行比较研究,探寻适宜陕西省气温空间插值方法。根据陕西省内外110个气象站点1981-2010年的月平均温度,选用反距离权重法、普通克里金法与多元线性回归法进行空插值,利用实际验证法进行精度评估。结果表明,考虑了经度、纬度和高程的多元线性回归法的插值精度最高,普通克里金法次之,反距离权重法精度最低;多元线性回归分析法对陕西省气温插值最为适宜。     

佳芦河流域极端暴雨可能来沙量研究

黄河水沙变化情势尤其是来沙量变化趋势判断是确定治黄方略的重要依据。以近年来径流泥沙锐减的黄河中游佳芦河流域为研究对象,分析了极端暴雨情况下的可能来沙量。结果表明:依据佳芦河流域1962—2017年204场降雨、输沙量实测资料点绘的次洪雨量—沙量双累计曲线在1972年、2002年出现明显拐点,相同降雨量条件下拐点后输沙量明显减少,可把1971年以前作为天然时期、把2002年以后作为现阶段;采用次降雨量拟合法、降雨侵蚀力(降雨因子组合)拟合法、次降雨分时段雨量拟合法、上包络线法等4种方法和大于50 mm场次降雨量拟合的佳芦河次洪输沙量计算公式,拟合效果较为理想;次降雨分时段雨量拟合法分析表明,场次降雨过程中最大1 h降雨量、最大2 h降雨量减去最大1 h降雨量、最大3 h降雨量减去最大2 h降雨量这3个分时段降雨量对次洪输沙量的影响较大;采用4种拟合公式和历史实测极端强降雨组合法设定的极端暴雨,计算的现阶段佳芦河可能来沙量为0.12亿～0.22亿t,与天然时期相比减沙效益为88.7%～94.8%,其中最大可能来沙量0.22亿t是实测最大次洪输沙量0.52亿t的42.3%。     

城西试验流域水文特性及水文过程模拟

水文试验是认识水文规律的重要基础工作。根据我国东部低山丘陵区城西试验流域的实测资料,分析不同尺度降雨径流之间的响应关系,再利用新安江流域水文模型进行径流模拟,进一步探讨该模型在我国东部低山丘陵区的适用性。结果表明:在试验流域空间尺度(几十平方公里)的暴雨洪水过程中,洪水峰现时间一般滞后雨峰3～4 h;场次和月尺度上的降雨径流具有较好的正相关关系;在日尺度上,降雨径流关系散乱,以10和70 mm降雨量为阈值呈U型分布; 3种时间尺度上,径流均受到前期退水过程的影响,其中,时间尺度越短,受前期退水过程的影响越显著;新安江流域水文模型在我国东部低山丘陵区具有较好的水文模拟能力,且月尺度水文过程的模拟效果优于日尺度,对天然流域的模拟效果优于人类活动扰动的流域。     

江苏省不同尺度降水量插值方法适应性分析与评估

基于江苏省23个气象站点近年的气象资料,对数据进行处理,划分为多年、四季及丰枯水年3种时间尺度的降水资料,将站点分为插值站和验证站,再使用反距离加权法、趋势面法及克里金法对降水数据进行插值。综合平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差、相关系数4个评估指标以及构建的综合指标,对插值方法的精度进行综合评估。从年均降水量来看,泛克里金法的插值精度最高;从四季降水来看,趋势面法对春季降水的插值效果最好,简单克里金法对夏季降水的插值效果最好,反距离加权法对秋季降水的插值效果最好,泛克里金法对冬季降水的插值效果最好;从丰枯水年的角度来看,对枯水年的插值推荐使用趋势面法,对丰水年的插值推荐使用简单克里金法。     

1957-2017年泾河流域降雨量及降雨侵蚀力时空变化分析

泾河流域受土壤侵蚀的影响,水土流失较为严重,为对流域水土流失风险评估和防治等提供参考依据,根据1957-2017年泾河流域5个气象站点的日降水资料,运用ArcGIS空间插值、小波分析、R/S分析等方法,分析了该时段降雨量及降雨侵蚀力时空变化规律。结果表明:泾河流域及各气象站点的降雨量与降雨侵蚀力均呈显著正相关关系;泾河流域降雨量与降雨侵蚀力年内分布不均,主要集中在夏季,分别占全年的67.80%和52.86%;泾河流域年均降雨量和降雨侵蚀力分别为496.83 mm和1 481.24 (MJ·mm)/(hm~2·h),年际总体呈波动上升趋势且未来降雨侵蚀力将延续增加趋势,两者均在1996和2009年出现突变点且第一主周期分别为27和17 a;泾河流域降雨量和降雨侵蚀力在空间上均呈从西北到东南递增的趋势。