三种降水产品在雅砻江流域的时空适用性研究

基于雅砻江流域及邻近地区28个地面气象站点资料,在不同时空尺度采用降水探测评价指标评价了多源降水再分析产品——中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(CMFD)中的降水资料,全球降水计划多卫星集成降水产品(GPM-IMERG)和多源加权融合降水产品(MSWEP)三种降水产品在研究区的适用情况。结果表明:虽然CMFD在湿季和年尺度研究区有极轻微的低估现象,但在各时间尺度表现均优于IMERG和MSWEP;在日、月、年和湿季尺度,三者精度同纬度和高程成正比,在干季,纬度高海拔地区精度较中低纬度和中低海拔地区低;CMFD和IMERG精度随月、年、湿季、干季和日尺度的顺序降低;而MSWEP精度随月、年、干季、湿季和日尺度的顺序降低;IMERG在湿季、MSWEP在干季表现较好,在月尺度二者表现相近;CMFD探测不同量级雨量能力最高,MSWEP和IMERG分别次之;随着降水数量的增加,各数据集探测能力均变弱。研究结果为研究区水文气象工作提供借鉴。     

不同降水产品在长江流域的偏差校正研究

基于长江流域135个站点1983—2020年的月降水量观测数据,分别对ERA5-Land、PERSIANNCDR和MSWEP等三种降水产品进行了适用性评估,并对比使用了多种偏差校正方法来提高降水产品的观测精度。结果表明,MSWEP对于长江流域的降水模拟效果较好,空间相关系数高达0.91,相对偏差仅为1.64%;ERA5-Land则对长江流域降水高估严重,精度较差。经偏差校正处理后,三种降水产品的适用性均得到了不同程度的提升,尤其是ERA5-Land,KGE(Kling-Gupta Efficiency)指标值从校正前的0.72增加到了0.82。对比不同偏差校正方法的应用效果发现,线性缩放法和分段伽玛分布校正法在长江流域表现最优,且后者更加稳健。本研究可为降水产品及气候模式输出等的后处理工作提供指导。     

TRMM3B43卫星降水数据在京津冀地区的适用性研究

以京津冀地区为研究区域,利用散点斜率法、相对偏差、均方根误差和相关系数法,对研究区域内176个国家级雨量站2006-2015年的实测降水资料在不同时空尺度下检验了同期TRMM （Tropical Rainfall Measurement Mission）卫星降水产品3B43 V7的适用性。结果表明：TRMM 3B43多年均降水量与站点实测降水时空分布规律一致,在不同时间尺度下具有良好的相关性,相关系数均在0.85以上,随时间尺度的增加精度有所降低;整体上TRMM 3B43降水数据略小于站点实测降水,在常年降水高值区域出现低估现象,季尺度上,夏季和冬季误差较大;就区域而言,TRMM 3B43在西北山地高原地区相对偏差和均方根误差均较小,相关系数基本在0.9以上,拟合精度较高,可信度较强。     

中国大陆流域分区TRMM降水质量评价

根据中国境内2 257个气象站点1998-2013年逐日降水资料,结合流域分区,采用探测准确性、相关系数以及相对误差等指标,对热带降水测量（TRMM）降水精度和一致性进行系统评价。结果表明:① TRMM日降水准确性从东南沿海向西北内陆递减;② 气象站点年均降水日数显著大于TRMM年均降水日数;③ 西北片区以外气象站点降水量和TRMM降水量在月尺度和年尺度上均具有较好的相关关系;④ 各流域年均TRMM面降水量均高于气象站点面降水量,且TRMM面降水量相对误差雨季较小,枯季较大;⑤ 各流域TRMM面降水量与气象站点面降水量演变趋势基本一致,南方各流域年降水量均呈减少趋势,北方各流域年降水量均呈增加趋势,全国尺度上年降水量呈微弱的减少趋势。     

多卫星遥感降水数据精度评价

利用中国650个台站降水数据,在日、月、年尺度上,分析了多卫星降水分析数据(TMPA3B42)在中国大陆50°N以南地区的适用性,并利用MODIS逐日积雪数据评估了冬季TMPA数据在以青藏高原为主体区的精度。结果表明:TMPA日降水数据精度存在时空不稳定性,且随着时间尺度的增加,TMPA降水数据的精度提高;在同一时间尺度上,TMPA数据精度在降水量大的地区要明显好于降水稀少地区,但年尺度降水大于2500mm地区存在明显低估;TMPA数据冬季区域降水空间误差平均水平在15%,当只考虑积雪区时的降水空间误差平均水平在40%,这说明TMPA对冬季降水空间量较差,但同时这也意味着可以利用MODIS积雪数据修正TMPA冬季降水数据。     

华北地区冬季降水时空分布特征分析

利用华北地区29个测站,57年冬季降水量资料,采用EOF,REOF,小波分析等方法,对华北地区冬季降水量的空间分布特征和时间演变规律进行了诊断分析研究.结果表明:华北地区冬季降水的空间分布在整体一致的基础上,即存在南北分布差异,又有着环渤海湾地区与其它地区的差异;冬季整个华北地区可以划分为五个主要的降水异常区:黄河中下游区、京津唐区、呼伦贝东盟区、黄河河套区、冀北山地区;整个华北在70年代末期有明显的降水减少趋势;各区域冬季降水有不同尺度的年际和年代际周期变化,但基本上都存在着准12～14年、准3～5年的周期振荡.     

风场变形误差对北京降水记录及变化趋势的影响

风场变形误差是降水观测误差最主要的来源之一,其不仅影响观测值的准确性,也可能导致长期降水变化趋势中隐含虚假成分。结合北京地区20个气象站点1976-2015年逐日观测资料及前人研究成果,评估了风场变形误差对降水记录及其长期变化趋势的影响,结果表明:①近40年来北京地区平均降水捕获率为90%~95%,上升趋势较明显,但空间分布不均匀。城市化进程导致的风速减小是近10年来北京城、乡降水捕获率差异加大的主要原因。②北京地区风场变形误差存在明显的年际及季节差异。近40年来年均降水量订正值为23.1 mm,观测值较实际降水量年均低估了4.0%。订正后年均降水强度从实测的7.9 mm/d增加到8.3 mm/d,年降水量的下降速率从34.4 mm/10 a变为37.0 mm/10 a,观测值将降水强度低估了约4.8%,且将降水量的下降趋势低估了约7.0%。③对于强度越大的降水过程,风场变形引起的观测误差也越明显。对比发现,城市站点的风场变形误差年际振幅要大于乡村站点,弱降水过程中乡村站点的低估比城市站点明显,对大雨及以上强降水过程则相反,城市站点的低估比乡村站更显著。     

巴丹吉林沙漠腹地降水特征的初步分析

利用巴丹吉林沙漠腹地定位观测的降水数据,结合其外围南缘、东南缘、北缘和西北缘4个气象站同期降水资料,分析了沙漠腹地的降水特征以及高大沙山对降水的影响,比较了沙漠腹地与外围降水量的差异。结果表明,沙漠腹地降水以小雨为主,且一般在1～2 h内结束。沙漠腹地与外围的降水在季节分布上有较好的一致性,观测期间腹地的年降水量少于南缘阿拉善右旗气象站,但明显多于东南缘、北缘和西北缘。沙漠腹地降水的季节变率很大,年降水量往往由某些集中降水日决定,具有高度集中性。腹地的高大沙山对降水有一定影响,沙山顶部年降水量和年降水日数皆略多于丘间地,较长的单次降水过程之持续时间及累积降水量亦有类似特征。强降水事件发生时,沙漠腹地在16.8 km的空间距离上有"斑块"现象。日降水量的相关距离分析显示,夏半年日降水量空间相关性随距离的增大而明显减小;冬半年因多冷锋降水而使其日降水量在约50 km空间尺度上仍有较好的相关性,50 km以外相关性则显著减小。     

1961-2011年西北地区春季降水变化特征及其空间分异性

利用西北地区121个气象站1961-2011年降水量资料, 分析了西北地区春季降水的基本气候特征;通过EOF、REOF、功率谱等方法, 对西北地区春季降水的时空特性进行了研究, 用Mann-Kendall检验法检验西北地区春季降水序列是否存在突变现象.结果表明: 西北地区春季降水空间分布极不均匀, 其空间分布特征是东南部和西北部为多雨区、中间为少雨区.西北地区春季降水在第一空间尺度上为全区一致, 在第二空间尺度上可分为2个自然气候区, 在第三空间尺度上可分为6个自然气候区.从年代际变化来看, 1980年代是近半个世纪来降水最多的10 a, 1970年代是降水最少的10 a;西北地区春季降水的年际变率十分显著, 降水最多的年份是最少年份的3倍多. 1961-2011年间西北地区春季降水发生了明显的突变: 1973年出现了一次趋于减少的突变, 1985年出现了一次趋于增多的突变. 18~19 a的长周期是其主要周期, 其次是5 a和7 a的短周期. 未来20 a西北地区春季降水量呈缓慢下降的趋势.     

降水观测误差修正对降水变化趋势的影响

依据中国气象局国家气候数据中心提供的660个气象站1951-2004年逐日气温、降水、风速资料, 以及雨雪类型资料, 在乌鲁木齐河源降水误差对比观测试验基础上, 对我国的降水资料进行了系统的修正计算. 这一修正不仅使降水量在数量上增加, 更接近实际值, 同时由于相关气象要素的变化, 还会对降水的长期变化趋势产生影响, 通过对比分析原始观测降水系列和修正后的降水系列的长期变化趋势, 结合理论分析估计这一影响的大小.结果表明: 我国观测和修正后的全国面积加权平均降水量分别为565.2 mm和654.9 mm, 平均修正量为89.7 mm (16%);修正后的降水系列, 绝对趋势大于实际观测系列趋势, 而相对趋势则小于观测系列. 全部台站统计结果表明, 实际的降水变化趋势被低估了6%, 而相对变化趋势被高估了约10%. 同时, 由于我国大部分地区风速呈减少趋势, 导致降水观测误差减小, 结果实际的降水变化趋势远小于观测资料显示的趋势值, 1955-2004年全国实测降水的变化趋势为-1.9 mm·(10a)-1, 而修正后降水的变化趋势高达-6.0 mm·(10a)-1. 目前依据实测的降水观测资料得出的降水变化趋势远远小于实际的变化趋势.     

考虑有雨无雨辨识的多源降水融合方法

多源降水融合是精准估计降水时空分布的重要途径, 多聚焦降水量或降水强度的误差订正, 对短历时降水雨区辨识的重视不足。提出考虑有雨无雨辨识的多源降水融合框架, 耦合地理加权逻辑回归与地理加权回归模型, 构建兼顾雨区辨识及雨量估计的降水融合方法, 并应用于汉江流域MSWEP V2.1与地面站网观测日降水融合。结果表明: 所提方法成功再现有雨无雨空间格局并刻画了降水中心, 整体强化了MSWEP V2.1对地面降水的表征能力, 降低误报率和误报降水量的幅度超过了60%, 提高临界成功指数和Kling-Gupta效率系数达40%以上; 较降水空间插值数据, 削减误报降水量并提升Kling-Gupta效率系数高于10%;另外, 较参考数据, 降水融合改善强降水事件(雨强≥50 mm/d)分辨精度的增益不低于60%。所提方法有效改善了降水估计效果, 为多源降水融合提供了新思路。     

基于多变量M-K检验的北江流域降水趋势分析

降水是北江流域水资源的主要来源,因此研究北江流域降水趋势有利于水资源合理规划和实现可持续利用,但目前的趋势分析主要以单变量趋势检验为主,对多变量的趋势分析研究较少。基于此,分别采用单变量和多变量M-K检验趋势分析方法,针对北江流域6个代表性气象站点1959~2009年逐日降水资料,以各站的年降水量、年降水天数和年最大降水量三个变量为主要研究对象,分析得到北江流域的降水变化整体趋势。结果表明,仁化站、韶关站、乐昌站、连州站和广宁站的变化趋势不显著,清远站的变化趋势显著。在整体趋势分析方面,多变量趋势分析方法可同时考虑降水的多重属性特点,从而可更好分析流域降水整体趋势。     

青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系研究

利用青藏高原72个站逐日积雪、冻土观测资料,AVHRR归一化植被指数（NDVI）和全国550个站逐日降水资料,分析了青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系。结果表明,我国夏季降水在华北和东北南部,长江中下游和华南地区降水空间一致性较好,相邻站点间降水变化趋势近似。华南、长江中下游和淮河降水呈增加趋势,其中长江中下游每10年增加37 mm,但华北降水呈减少趋势。华南、长江中下游和华北对高原积雪、冻土和植被的变化均较为敏感,而淮河仅对高原植被变化较为敏感。利用高原积雪、冻土和植被建立了代表高原地表特征的变化序列,其对长江中下游、淮河、华北夏季降水均有较好指示意义,与夏季降水的相关系数由南到北表现为"负-正-负"的分布特征。最后,提出一种高原陆表状况影响中国夏季降水的概念模型：高原冬春积雪偏多（少）、冬季冻土偏厚（薄）、春季植被偏多（少）会使得夏季高原地区土壤湿度偏大（小）,高原地表感热偏弱（强）,从而使得南亚高压和西太副高偏弱（强）,南海季风偏弱（强）,长江流域降水偏多（少）,华南和华北地区降水偏少（多）。     

新疆阿尔泰山额尔齐斯河源区不同降水观测方法对比分析及1980-2015年降水变化研究

合理评估不同降水观测仪器的精度是评价区域降水变化的前提。基于阿尔泰山额尔齐斯河源区库威水文站ø20 cm标准雨量筒的人工降水观测和库威积雪站T-200b的自动降水观测,对比分析了T-200b和ø20 cm标准雨量筒的观测精度,在此基础上,基于1980-2015年库威水文站的降水观测,分析了阿尔泰山额尔齐斯河源区的降水变化。结果表明：两种方法观测的日降水、月降水和年降水量均具有良好的相关性;两种方法观测液态降水相关性要明显优于固态降水;随着降雨强度的增加,两种观测方法的相关性显著增强。总体上,T-200b观测的降水量较ø20 cm标准雨量筒偏高。1980-2015年间额尔齐斯河源区的年降水量以2005年为转折点呈现"先增加后减小"的变化趋势,且冷季（11月至次年3月）的降水增加显著,冷季的降水占年降水量的比例呈现逐渐增加的变化趋势。降水和融雪过程的变化已导致春季融雪水文过程发生改变,进一步合理评估地表可利用水资源的年内重分配是该地区水安全的重要保障。     

1960—2017年中国降水集中程度特征分析

降水集中程度是反映降水结构的重要指标。基于1960—2017年中国773个气象站日降水资料,运用降水集中程度（Q）,研究中国降水集中程度的时空特征,分析其与降水量、海洋状态之间的关系。结果表明:①中国年平均Q值为0.38,南北较低中间较高;冬季和秋季的降水集中程度相对较高,平均Q值分别为0.53和0.51,夏季和春季相对较低,分别为0.39和0.48。②年降水集中程度变化趋势较小,总体上略有上升,东南升高西北降低;在年和季尺度,Q和降水量均表现出较强的负相关性,年尺度相关系数为-0.71,秋季的相关性最强,相关系数为-0.89,春季的相关性最弱,相关系数为-0.70,降水集中程度和降水量共同影响水旱灾害受灾面积。③Q与NINO3.4指数间的相关性随着滞后时间的延长先增大后减小,当滞后时间为2个月时相关系数最大,平均为0.13,由北向南总体呈"-+-"分布;与PDO指数间的相关系数随着滞后时间的延长先减小后增大再减小,当滞后时间为4个月时相关系数最大,平均为0.12,以负相关为主。     

Spatio-temporal variations in precipitation on the Huang-Huai-Hai Plain from 1963 to 2012

Spatio-temporal variations in precipitation are affecting agricultural production in China in the context of climate change. Based on daily precipitation data from 63 national meteorological stations on the Huang-Huai-Hai Plain from 1963 to 2012, this paper analysed the spatio-temporal variations in precipitation in terms of precipitation days and intensity, using spatial interpolation, linear trend estimation and wavelet analysis. The results indicated that: (i) from 1963 to 2012, the number of annual precipitation days and intensity decreased gradually from the southeast to the northwest. Additionally, the distribution of the extreme precipitation index was similar to that of the annual precipitation index; (ii) the number of annual precipitation days and heavy precipitation days gradually decreased, while precipitation intensity and extreme precipitation days and extreme rainfall intensity remained relatively stable or decreased. The spatial patterns of annual variation trends were considerably different. The annual precipitation days and intensity trends are consistent with the overall trend, while that of the extreme rainfall index in some regions differs from the overall trend; (iii) the precipitation index displayed different periodic oscillations during the period, and the precipitation index values differed at different time scales. However, all the precipitation index values exhibited a 28-yr oscillation.     

Multi-scale Characteristics and Comprehensive Evaluation of Precipitation Heterogeneity in Guangxi

Aiming at the uneven spatial and temporal distribution of precipitation and frequent occurrence of drought and waterlogging disasters in Guangxi, the multi-scale characteristics and comprehensive evaluation of precipitation heterogeneity can provide scientific support for regional response to drought and waterlogging disasters and intelligent management of water resources. Based on the daily precipitation data of 87 grid points from 1961 to 2017 in Guangxi, the Precipitation Concentration Degree (PCD) and Precipitation Concentration Period (PCP) index were used to build day, pentad, ten days, month, season precipitation heterogeneity of multiple time scale level evaluation system. By using R/S analysis and geographical spatial analysis methods, the space-time evolution characteristics and climate division in Guangxi were discussed. The study showed that the spatial and temporal variation characteristics of PCD and PCP at the diurnal, synoptic and monthly scales were relatively consistent, and the heterogeneity of precipitation in Guangxi could be better expressed than that at the monthly and seasonal scales. The diachronic change of PCD in precipitation in Guangxi shows an increasing trend in northeast China and a decreasing trend in southwest China, and the trend of its future period is the same as the diachronic evolution. The spatial distribution of PCD in Guangxi has significant spatial autocorrelation and stratification heterogeneity, which are mainly reflected in the mean value, coefficient of variation and frequency of PCD. The comprehensive heterogeneity of precipitation in Guangxi is highly dispersed in the northeast, highly concentrated in the south, and slightly concentrated or dispersed in the northwest and central regions. The time-scale within a month is the best scale to express the non-uniformity of precipitation in Guangxi. If the advantages of more stable climatic and ten-day scales and more fine daily scales are taken into account, the use of climatic scale for daily sliding calculation and analysis will be the best way.     

Spatial-Temporal Variation Characteristics of Snow Cover Days in Northeast China in the Past 40 Years and Their Relationship with Climatic Factors

The snow cover days were extracted out of the snow data on depth distribution from 1979 to 2016 in China, combined with temperature, precipitation, humidity, sunlight and wind speed and other meteorological data, by taking advantage of traditional statistical methods and GIS spatial analysis methods, to study the temporal and spatial variation characteristics of snow cover days in northeast China region in the past 40 years, and to analyze their relationship with climatic factors. It turned out that the average annual snow cover days were 93 d in northeast China region, having an increasing trend, the rate was 0.6 d/10a, and the maximum average annual snow cover days appeared in 2013. Snow cover days in spring dominate the changes of the average snow days all year around. The snow cover days in northeast China region were affected by latitude, geography and land-sea thermal difference, which gradually decreased from north to south, and the maximum value appeared in the Da Hinggan area. Precipitation, humidity and snow cover days are positive correlation, and temperature, wind speed and sunlight are negative correlation. The correlation between climatic elements and snow cover days is as follows: temperature>humidity>wind speed>sunlight>precipitation. The influence of climatic elements on the seasonally frozen ground region is more significant than that in the permafrost region. The results show that temperature is the main factor that affects the average annual snow cover days in northeast China region.     

Study on the Climatic Change Features of Hebei Plain

Precipitation and groundwater are essential to water circulation and they mutually influence. Groundwater is the main water supply source in Hebei Plain. On the other hand, atmospheric precipitation infiltration recharge is the main supply source of the groundwater in this area. Therefore, the studies on Hebei Plain climatic change features are of great significance to further analyze the influences of climatic changes on groundwater resources. This paper selected 10 ground climatological stations in Hebei Plain in terms of daily precipitation and temperature data from 1961 to 2010 and analyzed the spatial-temporal evolution features of temperature and precipitation. The results showed that the minimum temperature of Hebei Plain in recent 50 years increased significantly; the maximum temperature basically is stable; and the mean temperature presents an obviously increasing trend. In the spatial distribution, it gradually decreases from southwest to northeast on the whole and gradually tends to increase from the coastal to inland. The precipitation in recent 50 years owns obvious interannual change features and spatial distribution features, with a trend of overall periodic decrease and significant decrease of extreme precipitation. The annual mean precipitation intensity and annual mean extreme precipitation intensity gradually increased from piedmont plain to coastal plain. Hebei Plain has a warming and drying development trend on the whole. In space, piedmont plain belongs to the high-temperature and few-water area; coastal plain lies in low-temperature and much-water area; and central plain is in transitional zone. The climatic change and human activities are two influential factors of groundwater resources. Further revealing of the climatic change features of different geomorphic types and measuring and distinguishing of the influences of climatic change and human activities on groundwater remain to be further explored.