Delaunay三角剖分法在降水量插值中的应用

Delaunay三角剖分方法在空间分析中具有重要地位,文中简要介绍了Delaunay三角网特性和常用的3类算法,并对随机增长法实现过程进行了详细阐述.根据三角分片线性插值原理,求得插值系数,实现对任意点的三角分片线性插值.利用2008年中国2200个观测站的08时24 h降水量资料,对全中国范围及划分的8个区域内相应的0.28125°×0.28125°降水量格点场,使用交叉检验方法,对比分析了三角分片线性插值和反距离权重法的估值准确率.结果表明:在各区域,三角分片线性插值法的均方根误差偏小;在站点较密集的区域,均方根误差、平均绝对误差比较中,三角分片线性插值都有一定的优势;在平均误差对比中,三角分片线性插值优势明显,在全中国范围交叉检验中,三角分片线性插值法对应的年平均误差是0.005 mm,而反距离权重法为-0.107 mm,对其可能的原因进行了分析,证明了Delaunay三角剖分法的合理性.同时,从图形上展示了降水量的Delaunay三角网的三维结构图和三角分片线性插值后的格点场,在直观上,Delaunay三角剖分后得到降水分布和实况保持一致,并有较好的视觉效果;通过三角分片线性插值得到的格点场降水量分布图,克服了反距离权重法的固有缺陷,使获得的降水量格点场趋于合理,提高了插值精度.最后,探讨了Delaunay三角网在气象领域的应用前景.     

基于Delaunay三角网的区域等值线绘制关键算法

基于三角网格法进行等值线绘制比常用气象绘图软件的矩形网格法更客观更快速,而在众多的三角网剖分方案中,以Delaunay三角网最好最正规.本文是关于二维离散场等值线绘制的算法集成,详细介绍了Delaunay三角网的逐点插入生成算法中所涉及到的凸壳生成、初始三角网生成、逐点插入、LOP优化、寻找包含插入点P的三角形等过程的算法流程,并给出了不规则区域等值线绘制中所采用的二次B样条曲线光滑、交点计数法点面关系判识、互为异侧法线段相交判识等关键算法.     

基于Delaunay三角网的区域等值线绘制关键算法

基于三角网格法进行等值线绘制比常用气象绘图软件的矩形网格法更客观更快速，而在众多的三角网剖分方案中，以Delaunay三角网最好最正规。本文是关于二维离散场等值线绘制的算法集成，详细介绍了Delaunay三角网的逐点插入生成算法中所涉及到的凸壳生成、初始三角网生成、逐点插入、LOP优化、寻找包含插入点P的三角形等过程的算法流程，并给出了不规则区域等值线绘制中所采用的二次B样条曲线光滑、交点计数法点面关系判识、互为异侧法线段相交判识等关键算法。     

一种求解区域平均值的权重面积设计及其应用

针对求解物理量在一定区域内的平均值问题，设计了一种权重面积方法。并以求解西北区域年平均降水量、1月份和7月份的平均空中水汽含量为例，将该方法与算术平均法、泰森多边形法、网格插值法进行了对比试验。结果发现该方法在站点较多、但不均匀的大范围区域内计算气象场的平均分布是可行的，其优点是计算量小、受缺测站点影响较小。     

利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报

通过对近两年收集的降水过程的雷达回波资料进行统计分析,得到本地区主要降水过程类型及其回波演变特征;利用反射率因子的基数据和风廓线产品数据等资料,运用交叉相关法计算区域速度、读取风廓线得到环境风速度,自动判别降水回波类型、识别回波整体及单体移动速度;应用本地实时的dBz-I关系及线性外推法计算未来1～2 h站点降水量及面雨量,实现降水临近预报自动化;应用自动站雨量资料及雷达联合自动站资料所作的雨强实时分析场对1 h站点雨量预报及区域雨量预报进行初步检验,1～24.9 mm和≥25 mm以上站点预报的平均相对误差分别为58%、33%;区域雨量预报的雨区范围及中心分布与实况具有较好的一致性;2 h降水预报在回波较稳定时,仍有较好的预报效果.     

数据处理方法对中国区域平均降水序列精度的影响

利用地面观测站点资料研究大范围地区的降水长期变化规律,选取不同的指标会使分析结果出现显著差异。利用中国大陆区域内2139个国家站的逐日降水资料,比较不同数据处理方法得到全国和中国西部、中国东部地区的降水量、降水日数和降水强度的区域平均时间序列,探讨对其变化趋势估算的偏差。研究表明,1951—1957年估算的中国区域平均降水量原始值出现虚假的偏高,使趋势估算出现较大误差;1951—2016年中国西部地区平均降水量距平百分率时间序列的波动幅度显著偏大;区域平均降水量、降水日数和降水强度的距平和标准化距平序列较为可信。全国平均降水量、降水日数的原始值和距平值序列都基本反映了中国东部湿润地区降水的变化,降水量距平百分率的变化主要由西部干燥区域的降水变化构成,降水量标准化距平则可综合反映湿润和干燥地区的降水变化。     

海河流域近60a降水极值的频率分析及时空分布特征

以海河流域为研究区域,利用MK和F检验对站点的年最大日降雨序列进行趋势、突变和跳跃分析。基于水文气象分区线性矩法进行一致区的划分、最优分布的选择和降水极值的频率估计值计算,并分析其空间分布特征。结果表明:MK趋势和突变检验显示只有8个站点(22.9%)呈现显著下降趋势,通过了信度为0.1的显著性水平检验,特别是京津唐区域具有显著的下降趋势,突变时段主要发生在1980-1990年。均值和方差的跳跃性显示大部分站点都呈现出显著的向下跳跃,主要分布在流域的滦河子流域和北三河水系;趋势和跳跃的综合分析能够对降水极值有可能引起的旱涝灾害进行更全面合理的判断。不同重现期下的频率估计值的空间分布总体趋势一致,从东南到西北、从沿海到内陆逐渐减少,并与地形表现出很好的一致性;降水极值空间分布的中心主要集中在滦河子流域的遵化和青龙附近;大部分站点50 a一遇的估计值和AMP序列的最大观测值能够保持较好的一致性,间接反映了估计值的合理准确性。     

多年平均年降水量的面积分布律

通过对全国，新疆，天山乌鲁木齐河流域三种不同区域多年平均年降水量的计算分析发现，在这三种区域里，多年平均年降水量与其占有的面积之间丰同一种函数关系－我指分布函数关系。这一关系式的得出，有助于（１）定量地描述某一气候区的降水气候状况。并且，这种对问题的提法既不太粗，也不太细，而是只提降水量为某一值的区域占有多大的比例；（３）根据河水径流深估计无雨量站区域的多年降水量和计算水文气象学中的一些参数。     

未来极端降水对气候平均变暖敏感性的蒙特卡罗模拟试验

利用Weibull分布拟合逐日降水的原始分布模式,并基于统计降尺度和蒙特卡罗随机模拟方法,对中国东部区域各站逐日极端降水量在未来气候变暖条件下的响应特征进行统计数值试验.结果表明,在全球变暖背景下,区域平均温度的改变即可导致区域极端降水概率分布特征的变动.从两个典型代表区域的预估结果中可见,长江中下游南部平均降水量对平均温度升高有正响应,模拟得到的区域极端降水概率分布曲线有明显的向右平移,导致大量级的极端降水的再现期缩短即概率增大.山东及渤海湾区域平均降水量对平均温度升高有负响应,模拟得到的区域极端降水概率密度分布尺度参数变小更明显,即方差增大,表现为左右两侧概率密度增加,同样导致大量级的极端降水再现期缩短即概率增大.本文仅考察了气候均值改变条件下,未来区域气候极端值的概率预估的可行性方案.对于未来气候方差的变化并未作试验,但理论上已经证明,未来气候极端值的概率对于气候方差变化的敏感性可能更大.由于目前尚未整卵出考察方差变化的较为完整的实际观测资料,该问题还有待进一步深入研究.     

三源融合降水产品在陕西省的适用性评估

基于陕西省391个自动站逐小时降水量观测数据对国家级格点实况三源融合降水产品的适用性进行检验评估,结果表明:融合降水产品与站点观测之间的误差小、相关性高,但融合降水产品的标准差和极大值明显小于站点观测;相关系数较低的站点以区域站为主,国家气象观测站的效果明显优于区域站;误差时空分布和降水特征关系密切,在降水频次增多和强度增大时,融合降水产品相比站点观测的误差增大。将融合降水产品视为一种“预报”,站点观测资料作为“真值”进行分级检验,结果显示:融合降水产品可以较好反映有无降水,随降水量级增大空报率变化平稳,漏报率增长明显,导致TS评分逐渐下降。对典型个例的误差成因分析显示:融合降水产品可以较好地体现降水起止时间及性质、强弱演变趋势,但对雨强较大的区域性降水、分散性局地强降水表现欠佳。多种指标综合显示:融合降水产品小量级降水准确率高,对大雨以上量级降水强度有一定程度削弱;陕南秦巴山地的融合降水产品与站点观测偏差较大,应用中需特别关注。     

Delaunay三角形网络逐点插入法的优化算法

Delaunay三角形网络逐点插入法虽简单易行,但效率低下。针对其效率低下原因,提出一种改进的Delaunay三角形网络逐点插入生成算法。将已知插入点X坐标大小排序,当X坐标相等时,以Y坐标大小顺序排序构建新的插入点顺序,并得到插入点坐标集合中的最大值和最小值。适当放大插入点坐标中最大值、缩小坐标最小值后,得到X、Y坐标新的两个最大值和两个最小值,用4个值构建4个临时新插入点,可以构建出Delaunay三角形网络矩形的凸壳。按照新的插入点顺序逐点插入构建三角形网络,只判断插入点与以X坐标最大的两个边界矩形顶点为顶点的三角形位置关系。生成三角形网络后删除与4个临时顶点相关的三角形,就是所需要的三角形网络。通过证明每个插入点必定落在X坐标最大的两个边界矩形顶点为顶点构成的三角形上,可以减少插入点与已生成三角形位置关系的判断次数,较大程度提高逐点插入法的效率。将新算法与常规算法计算复杂度比较,结果表明,改进的算法能提高逐点插入效率,运算量稳定,达到逐点插入法的最好水平。     

基于台站降水资料对不同空间内插方法的比较

如何把离散的气象台站资料通过合适的空间内插方法转变成规则的网格数据,对于气候变化分析和模拟研究具有重要的意义.作者利用中国区域160个常用台站10年降水观测资料为例,分别采用克里格(Kriging)插值、反距离加权、Delaunay三角剖分线性插值、双谐样条(Biharmonic Spline)插值和Cressman客观分析等几种常见的空间内插方法,较为系统地分析和比较了这几种内插方法插值结果之间的异同,对其优缺点和适用范围进行了适当讨论,并采用不同的网格分辨率和影响半径对Cressman客观分析方法做了进一步分析比较.结果表明:在台站分布密集的区域不同空间内插方法之间差异较小,在台站分布稀疏的区域则差异较大;与更加密集的台站观测资料的比较显示,自动调节影响半径的Cressman客观分析方法与双谐样条插值方法误差相对较小.     

中国台站冬夏季气温、降水的气候变化特征及其显著性检验

利用1951—2010年中国160站气温、降水资料,分析中国代表性台站冬季和夏季气温、降水的气候值及气候变率在前后30 a的差异,并对结果使用不同方法进行显著性检验。结果表明,季气温气候平均值的变化总体与全球增暖一致,以升温为主,但夏季在秦岭以南及长江中游地区出现显著局部变冷现象;季气温气候变率的变化相对较小,冬季总体不显著,夏季仅有少数台站显著。降水的气候变化总体不明显,季降水气候值变化的空间分布复杂,冬季南方地区、夏季东部地区总体增加,冬、夏季降水气候变率的变化均不显著。理论检验方法（t检验、F检验）与随机模拟方法（EMC法）的显著性检验结果,对气温的差别较小、对降水的差别较大,这与样本距平序列是否服从正态分布有关。EMC法可在确保样本统计特征不变的情况下,通过多次随机模拟,无需考虑其理论统计分布特征,使检验结果更为可靠。     

Model Projections of Precipitation Minus Evaporation in China

Changes in precipitation minus evaporation (P -E) are analyzed to investigate the possible impacts of climate change on water resource conditions in China. Simulations of SRES A1B and 20C3M scenarios from the WCRP CMIP3 GCMs are employed in the study. Time slice analysis shows that there would be more annual mean P -E across China in 2040-2055 and 2080-2099, compared to 1980-1999, with the largest percentage change over Northwest China and the Bohai Rim area. Precipitation and evaporation would also increase over entire China during these two periods. Annual mean P -E, precipitation, and evaporation averaged over the whole China and its eight sub-areas all yield generally upward trends during the 21st century. This indicates that on annual mean scale, the global warming related precipitation dominates the hydroclimate conditions in China. On seasonal mean scale, although precipitation is projected to increase over China, P -E exhibits both decreasing and increasing trends over certain regions of China. This suggests that the variation of global warming related evaporation dominates hydroclimate conditions over some parts of China, especially in northern China. Therefore, in hydroclimate condition projections, considering both evaporation and precipitation changes should be more reasonable than considering only precipitation.     

Response of the East Asian summer monsoon to doubled atmospheric CO2: Coupled climate model simulations and projections under IPCC AR4

Summary The East Asian (China, Korea and Japan) summer monsoon precipitation and its variability are examined from the outputs of the coupled climate models performing coordinated experiments leading to the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (IPCC AR4). Out of the 22 models examined, 14 reproduce the observed shape of the annual cycle well with peak during the boreal summer (June through August), but with varying magnitude. Three models simulate the maximum a month later and with lower magnitudes. Only one model considerably underestimates the magnitude of the annual cycle. The remaining 4 models show some deviations from the observed. Models are unable to simulate the minimum in July with peaks in June and August associated with northward shifts of the Meiyu-Changma-Baiu precipitation band. The realistic simulation of the annual cycle does not appear to depend on the model resolution. The inter-model variation is slightly larger during summer, implying larger diversity of the models in simulating summer monsoon precipitation. The spatial rainfall patterns are reasonably well simulated by most of the models, with several models able to simulate the precipitation associated with the Meiyu-Changma-Baiu frontal zone and that associated with the location of the subtropical high over the north Pacific. Simulated spatial distribution could be sensitive to model resolution as evidenced by two versions of MIROC3.2 model. The multi-model ensemble (MME) pattern reveals an underestimation of seasonal precipitation over the east coast of China, Korea-Japan peninsular and the adjoining oceanic regions. This may be related with the mass-flux based scheme employed for convective parameterization by majority of the models. Further the inter-model variation of precipitation is about 2 times stronger south of 30° N, than north of this latitude, indicating larger diversity of the coupled models in simulating low latitude precipitation. The simulated inter-annual variability is estimated by computing the mean summer monsoon seasonal rainfall and the coefficient of variability (CV). In general the mean observed seasonal precipitation of 542 mm and CV of 6.7% is very well simulated by most of the models. Except for one model mean seasonal precipitation varies from 400 to 650 mm. However the CV varies from 2 to 9%. Future projections under the radiative forcing of doubled CO₂ scenario are examined for individual models and by the MME technique. Changes in mean precipitation and variability are tested by the t-test and F-ratio respectively to evaluate their statistical significance. The changes in mean precipitation vary from −0.6% (CNRM-CM3) to about 14% (ECHO-G; UKMO-HadCM3). The MME technique reveals an increase varying from 5 to 10%, with an average of 7.8% (greater than the observed CV of 6.7%) over the East Asian region. However the increases are significant over the Korea-Japan peninsula and the adjoining north China region only. The increases may be attributed to the projected intensification of the subtropical high, Meiyu-Changma-Baiu frontal zone and the associated influx of moist air from the Pacific inland. The projected changes in the amount of precipitation are directly proportional to the projected changes in the strength of the subtropical high. Further the MME suggests a possible increase in the length of the summer monsoon precipitation period from late spring through early autumn. The changes in precipitation could be stabilized by controlling the CO₂ emissions.     

人工增雨效果评估中的面雨量计算分析

选取北京地区两次不同性质降水过程,分别对仅用气候站和并入自动气象站/雨量站的雨量资料,应用算术平均法和泰森多边形法对固定目标区进行面雨量计算分析.结果表明,泰森多边形法在不同性质降水过程面雨量计算中都表现出了一定优越性;并入自动气象站/雨量站的面雨量结果较仅用气候站资料所得结果更具代表性.在人工增雨效果评估中,可以尝试对由气候站计算的面雨量统计订正的办法,较精确地获得历史期目标区(包括控制区)面雨量实际值,这对提高人工增雨效果的评估精度具有重要实用价值.     

中国南方地基雨量计观测与星载测雨雷达探测降水的比较分析

利用热带测雨卫星(TRMM)上搭载的测雨雷达(PR)探测结果和中国40°N以南地区约430个台站雨量计观测结果,分析研究了1998-2005年中国南方地区这两种降水资料气候分布的异同.研究结果表明两种降水资料在2.5°空间水平分辨率上,所描述的中国南方降水率气候分布在多年年平均和季平均上具有较好的一致性,但在降水率极值和极值区范围大小等细节上两者还存在一定的差异,主要是地面雨量计结果相对PR结果偏高,其中中同南方50%以上地区两者相差在1 mm/d以内、30%的地区两者相差在1-2 mm/d,夏季差异可超过2 mm/d.对两种降水资料差异的原因分析表明,地面雨量计空间分布密度是影响两者差异的决定性因素,当格子内雨量计超过6个时,两者的相关系数大于0.7;夏季两种降水资料的相关性都比其他季节差,不论格子内的雨量计数量多与少;对流降水多发地区,两种降水资料之间的差异大于层云降水多发地.利用PR探测结果对夏季青藏高原多年月平均降水率分布及高原东、西部的降水特点的分析表明,6月高原东部出现2 mm/d左右的降水区,而在7和8月1 mm/d的降水区域基本覆盖了除高原西部以外的整个高原,其中高原中部地区出现降水率近3mm/d的大值区.月降水距平的时间演变表明,高原降水偏少月份要多于偏多月份.     

华南5-6月降水量场统计特征与站网关系

由华南区15、42个测站构成了相互独立的低、高密度两种站网。用1958-2000年5-6月逐日降水资料，分析了两种站网华南前汛期降水量场特征的异同。统计表明：1）两种站网给出的华南区域平均季、月降水量无显著差异，候、日降水量有显著差异；2）两种站网给出的逐日气候及其异常场均存在显著差异。     

气候变暖背景下我国南方旱涝灾害时空格局变化

我国南方地区各季节降水异常主要包含三种优势模态：长江及其以南地区降水呈整体偏多或偏少的一致型,长江中下游流域与华南呈反相变化的南北反相型以及东南与西南呈反相变化的东西反相型。其中一致型是南方地区各季节降水变率的第一优势模态。总体而言,在1961—2013年南方地区平均降水存在明显的年代际和长期趋势变化。其中,夏季和冬季南方区域平均降水具有相似的年代际变化特征,而秋季降水的年代际演变几乎与上述两个季节的相反。不过,在近30年南方各季降水量发生年代际转折的时间不尽相同：春季和秋季降水分别在21世纪初期和20世纪80年代中后期之后进入干位相,冬季和夏季降水则分别在80年代中期和90年代初期之后进入湿位相。自21世纪初期以来,南方夏季和冬季降水逐渐转入中性位相。此外,南方春季和秋季降水均呈减少趋势;而夏季和冬季则相反,均呈增多趋势。对于西南地区,除了春季外,其他三个季节的降水均呈减少趋势,出现了季节连旱的特征,尤其是秋旱最为严重。不过,不管是季节降水量还是旱/涝日数,在我国南方大部分地区其线性变化趋势并不十分显著,这与南方降水年代际分量对降水变率存在较大贡献相关。分析还发现,我国南方区域洪涝受灾面积具有比较明显的年代际变化,而干旱受灾面积则没有明显的年代际变化特征,近十多年来西南地区干旱和洪涝受灾出现了交替互现的特点。