三种再分析气温降水资料在青藏高原的适用性评价

基于青藏高原61个区域级气象站的气温降水地面观测数据，对CMFD(中国区域高分辨率地区驱动数据集)、CRA(全球大气和陆面再分析资料)以及MERRA-2(大气再分析资料)数据集的日、月、季节以及年气温、降水数据进行精度对比分析，评估3套数据的准确性以及在青藏高原的适用性，结果表明：(1)3套年平均气温资料70%的R_MSE<4℃，其中CMFD拟合精度最高，2/3的站点R_MSE<2℃；CMFD和CRA对年降水的拟合精度较高，MERRA-2低估了高原中部的年降水量。(2)CMFD对季节平均气温整体拟合结果最好，尤其是气温较高的夏季和秋季；CRA在降水较为集中的夏季和秋季拟合结果最接近观测值，而在降水较少的春季和冬季CMFD拟合结果最好。(3)CMFD对月平均气温拟合结果整体上最接近观测值；月降水拟合结果与季节降水结果相似，CMFD对降水偏少月份拟合结果较好，CRA在降水偏多月份最接近观测值。(4)对61个区域站进行日尺度平均气温和降水数据精度评估，发现CMFD和CRA拟合效果最好，CMFD拟合趋势一致性好。     

WRF模式对江西2006—2015年夏季气候模拟的性能分析

基于NCEP/FNL再分析资料,利用中尺度天气预报模式（WRF）对2006—2015年1月1日—8月31日的天气形势进行模拟,分析探讨了模式对江西省夏季(6—8月)气温和降水的模拟能力。结果表明：WRF模式能准确模拟出江西省气温和降水的空间分布气候特征,模拟结果与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）接近。其中,降水的模拟精度低于气温模拟;模拟的气温在鄱阳湖地区出现低值,与CMFD的偏差最大。WRF模式模拟的地面反照率偏大导致气温模拟结果偏低。     

黑河中下游不同类型下垫面的能量收支差异及其成因研究

选取2014-2018年黑河流域中下游不同类型下垫面(荒漠、玉米田、湿地、胡杨、胡杨柽柳混合林)的站点观测数据,定量比较了不同下垫面地表能量收支的变化;探讨了不同气象要素以及灌溉作用对潜热输送的影响。结果表明:潜热的年变化与向下短波辐射以及气温的年变化保持一致;不同下垫面能量收支差异较大,玉米田下垫面月均潜热峰值可达200 W·m~(-2),荒漠下垫面只有100 W·m~(-2);荒漠下垫面潜热季节变化幅度较小,湿地、混合林和胡杨林的季节变化更为明显,变化幅度更大,其中湿地最大;玉米田下垫面潜热通量受灌溉的影响较大,灌溉导致土壤湿度突然增大,潜热通量也随之迅速增大;地表热通量在能量收支中占比较小,且随季节变化不大,在各个下垫面均是如此。     

黑河流域土地覆盖分类数据的建立及其影响的模拟

基于黑河流域1:100000土地覆盖分布图, 融合了1:1000000植被分类图, 按照美国地质调查局(USGS)提出的土地覆盖分类标准, 合成了与全球土地覆盖类型分类标准相同的空间分辨率为1 km黑河流域土地覆盖类型分布(简称综合分类).将综合分类数据与USGS全球土地覆盖类型数据在黑河流域范围内进行对比, 发现土地覆盖类型分布变化区域主要集中在流域中游的绿洲区, 许多绿洲在全球数据中体现为草地, 在综合分类中为灌溉农田, 同时综合分类数据中较全球数据增加了许多城镇用地.利用两套土地覆盖类型分布数据对2003年黑河流域中上游大气要素进行了模拟, 比较了不同土地覆盖类型分布对气温等大气要素的影响, 结果显示, 土地覆盖参数中地表反照率和比辐射率的空间分布与近地层大气要素和土壤温、湿场分布的空间相关性高;比辐射率和粗糙度变化对局地大气、土壤要素影响较大, 绿洲区土地覆盖类型大多由草地变为灌溉农田, 导致了气温升高, 其中不排除城市化的影响, 无论从特征参数变化与大气要素模拟值变化场的空间相关性还是特征参数变化引起的气温变化的关系看, 气温变化与比辐射率变化关系较密切.在黑河流域中上游可以通过增大灌溉农田比辐射率来提高气温模拟的准确性, 这一结论还需要更多的观测与模拟的验证.     

黑河流域土壤质地分类数据建立及其模拟效果检验

原全球土壤质地类型分布在黑河地区的数据(下称原全球数据)不能体现该流域不同海拔高度土壤分布的非均匀性特征,为了定量表征研究区土壤的非均匀分布,在流域范围收集了53个土壤亚类剖面数据,对照土壤三角,与国际通用的STASGO 30 s土壤质地类型分类标准对应,基于黑河流域1∶100000土壤亚类分布图,建立了黑河流域30 s分辨率的土壤质地类型分布图(黑河数据)。这套数据可以描述出原全球STASGO 30 s数据不能表现出的山区和绿洲区的土壤非均匀分布实际。分别使用黑河数据和原全球数据作为下垫面土壤分布,运用耦合了陆面过程的中尺度大气模式,对黑河流域中上游区域进行了模拟,检验了两套数据对气温模拟的准确性,讨论了土壤分布变化对环境要素模拟的影响。结果表明,使用黑河土壤分布数据对上游山区的气温模拟性能好于原全球数据,中游绿洲区使用两套土壤分布数据的模拟值都偏高,大部分站点使用黑河土壤分布数据的模拟值略高于使用原全球数据的模拟值。这可能与模式中使用的全球土壤水、热参数在研究区的代表性以及中游区的人类活动加剧了土壤温、湿度的时空异质性有关。因此,黑河流域土壤水、热参数以及高分辨率的土壤温、湿度分布是提高该区域土壤—大气相互作用数值模拟性能的重要途径。环境要素变化与土壤类型分布变化呈非线性关系。气温模拟值对土壤分布变化最为敏感。     

4种城市下垫面地表温度年变化特征及其模拟分析

利用对沥青、水泥、裸地和草地等4种城市下垫面地表温度的2年观测资料,系统分析了4种城市下垫面地表温度年变化特征及其影响因素,建立了地表温度模拟模型.主要结果:(1)4种城市下垫面日平均温度、日最高温度、日最低温度的年变化特征总体与气温一致,不同下垫面间温度差异在夏半年均大于冬半年.(2)沥青、水泥、裸地和草地的日平均温...     

下垫面对WRF模式模拟黑河流域区域气候精度影响研究

利用高精度的土地覆盖、土壤质地类型和地形高度值替换了天气研究和预报模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)中的相关数据,通过数值模式试验检验了下垫面数据对WRF模拟精度的影响。同时,通过与黑河综合遥感联合试验中7个测站观测数据的比较,以平均误差、均方根误差和相关系数为指标,分析了WRF模式下垫面数据改变对近地表气象要素的模拟精度的影响。结果表明:(1)WRF模式本身的地形高度信息在黑河流域上游地区有较大误差,造成了一定的模拟误差。而使用高精度的下垫面数据可以提高WRF模式在黑河流域上游复杂区域的模拟能力;(2)2m气温除了随地形高度递减外,还受土壤质地和土地覆盖小幅度影响,而且进行地形订正后的2m气温与2m湿度的模拟在下垫面为水体的区域对比强烈,因此为模式提供准确的水体分布信息也至关重要;(3)2m气温和湿度等要素的模拟差异值与地形高度资料的差异呈负相关,而降雨量的差异与地形高度差异呈微弱的正相关,与土壤质地差异和土地覆盖差异的相关性也比较弱。     

不同分辨率地形数据对黑河流域模拟结果的对比分析

陆面模式和分布式水文模式都要求细致的地面要素场描述,其中地形数据是一个重要的因子。目前,美国地质调查局(USGS)制作的全球30″地形数据已广泛应用于陆面模式和分布式水文/生态模式中,这套全球地形数据可以比较准确地描述地形的大尺度分布,然而若描写复杂地形的小尺度分布细节则略显不足。在黑河流域,我们有高分辨率的30 m地形数据,这里首先对黑河流域范围的该两套数据进行了比较;为评估黑河流域超高分辨率地形数据在大气模式中对气象要素的模拟能力,在中尺度大气模式(MM5)中分别使用黑河流域超高分辨率地形数据和全球30″地形数据,对黑河流域2003年6月大气要素场进行模拟。模拟结果显示,无论从要素场本身与地形空间分布的相关性还是要素变化的空间分布与地形变化的相关性看,地形对气压场、土壤和大气温度场以及大气可降水量场都有着重要影响,地形分布对月总降水量的空间分布也有一定影响。黑河数据对气温以及风向的模拟能力好于USGS数据,对降水过程模拟的改善程度不是很明显。     

伊犁地区不同草地类型植被指数与气候因子的关系

基于2006—2012年主要生长季(5—9月)MODIS旬最大值合成NDVI数据,结合同期气温、降水插值栅格资料,采用均值法、线性回归法、相关系数法分析了伊犁河谷地区七大不同草地类型NDVI的时空变化规律及其对气象因子响应的敏感性及滞后性。结果表明:(1)伊犁河谷草地植被NDVI整体呈微弱增加趋势,其中,温性荒漠类草地的增加趋势略高于其他几种类型。(2)温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、高寒草原、低平地草甸的NDVI主要受降水影响,即NDVI与生长季平均降水量呈极显著正相关,且平均降水量每增加1 mm,其NDVI分别增加0.005、0.006、0.007、0.004、0.003。(3)不同草地类型与气温、降水存在不同的滞后响应,多数草地类型5月气温、降水与7月NDVI表现出显著相关性。其中,温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原NDVI受气温和降水共同影响,气温每升高1℃,NDVI分别减少0.020、0.028、0.027,降水每增加1 mm,NDVI分别增加0.002、0.003、0.003;高寒草原主要受降水影响,降水每增加1 mm,NDVI增加0.003;低平地草甸主要受气温影响,气温每升高1℃,NDVI减少0.016;温性荒漠、沼泽与气温、降水没有明显相关性。不同草地类型对水热因子的需求不同,是产生这种结果的主要原因。     

黑河流域植被覆盖度计算及其影响的中尺度模拟

运用基于遥感的中国西北土地覆盖动态监测系统(NOAA AVHRR Processing Chain,NOAA-Chain)预处理系统对改进的甚高分辨率扫描辐射仪(AVHRR)影像资料进行处理得到的归一化植被指数(NDVI),基于像元二分原理得到2002年黑河流域植被覆盖度分布,将其与Gutman 1998年所作全球植被覆盖度数据在黑河流域范围进行了对比分析,发现2002年黑河流域中上游植被整体呈退化趋势,主要绿洲区植被覆盖度增大。分别将这两套植被覆盖度数据引入中尺度大气模式MM5中进行黑河流域中上游气候模拟。通过与气温观测值的比较,发现用黑河流域植被覆盖度数据模拟的气温偏差小于用全球植被覆盖度的模拟结果;植被分布与潜热通量分布的空间相关性最好;植被覆盖度变化对局地温度场变化影响很大。     

两套新型高分辨率再分析降水资料在湖南年季尺度上的适用性评估

利用1979—2018年实测降水资料对同期中国区域地面气象要素数据集(China Meteorological Forcing Dataset,CMFD)、中国全球陆面再分析40年产品(CRA-40/Land,CRA-40)再分析降水资料在湖南省内的均值、年际变化和相关性等进行比较评估。结果表明:(1)在年平均降水分布上,两套再分析资料对少雨区反映均较好,CMFD对湘西北、湘南地区降水分布反映较CRA-40好,而CRA-40对湘东地区降水分布反映好于CMFD。(2) CMFD资料和CRA-40资料的降水值绝对偏差均主要集中在0～50 mm和50.1～100 mm区间,CMFD资料分别占比56.8%和20%,CAR-40资料分别占比40%和35.8%。(3)在多年各季平均降水分布上,CMFD资料的四季平均降水均以大于实况值为主;CRA-40资料四季平均降水在湘北以负偏差为主,在湘南则以正偏差为主。(4)在年平均降水的年际变化上,两套资料各时段变化趋势均与实况一致,1979—1984年、1999—2010年年降水量呈减小趋势,1985—1998年、2011—2018年为增加趋势,对比各时段气候倾向率可知,CMFD降水资料较CRA-40更接近实况。(5)两套再分析资料的降水与实况降水的相关系数普遍在0.75以上,有90%以上的站点相关系数通过0.05显著性水平检验,再分析降水资料与实况降水资料的年际变率相关性在湘北和湘南地区最好、在湘中一带较差。     

气侯变化背景下黑河上游春季融雪洪水预估研究

气候变暖将导致高山区冰冻圈加剧融化,一方面融水资源时空分布的不确定性增大;另一方面,融水洪水灾害发生的频度和强度也将发生改变。基于气象、水文数据和MODIS积雪覆盖数据,利用融雪径流模型(SRM),对1990—2012年共23年祁连山黑河札马什克控制区融雪期径流进行模拟与验证。结果表明：SRM在该流域具有较高的模拟精度（纳什系数为0.91),可用于分析和预估控制区径流强度变化。为此,采用黑河流域气温、降水降尺度数据,预估了未来气候变化背景下积雪范围变化及不同重现期洪水变化趋势。结果显示,与基准期相比,在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,最大积雪范围可减小3%~7%,且随着海拔升高,变化愈剧烈。RCP2.6情景下因气温和降水变化幅度较小,到21世纪末各重现期洪水强度保持在10%以内波动;RCP4.5情景下,各重现期洪水强度最高增大约20%;在RCP8.5情景下,各重现期洪水强度最高可增大超30%。相关分析结果显示,不同重现期洪水径流与气温和降水均具有较强相关性：重现期越长,洪峰与气温的相关性越大;重现期越短,洪峰与降水的相关性越大。通过预估气候变化背景下的融雪性洪水事件强度及重现期变化,有助于有效开展区域洪水风险管理、提高洪水资源的利用价值。     

自动观测在不同下垫面的温度观测差异

利用重庆市巴南区花溪城市站的多种下垫面(石板、水面、泥土、鹅卵石、草地、水泥、沥青等)及裸露空气(裸温)温度观测资料,分析了各下垫面温度及裸温的季、月、日变化特征和变化规律,结果如下:(1)各下垫面温度和裸温具有显著的季、月变化特征,夏季(尤其是7月)最高,春秋次之,冬季最低。各观测项之间温度的差异在夏季最为明显,冬季差异最小;(2)各下垫面温度和裸温日变化趋势与百叶箱气温基本一致。白天,水泥和沥青的温度值较高,日变化幅度最大,夜间水泥温度最高,草地温度最低;(3)无论是连晴高温天气还是连阴雨天气,水面温度的日变化幅度都最小,主要原因是各下垫面中水的热容量最大,水泥和沥青的热容量则相对较小,即在相同的太阳辐射条件下,水面温度变化最小,水泥和沥青温度则变化较大。连阴雨天气下,夜间各观测项之间差异相对明显,且夜间水泥温度一直处于较低位置,这是与连晴高温时的不同之处。      

半干旱区典型下垫面反照率特征的初步分析

利用2008-2009年7-9月中国半干旱区9个通量观测站的通量和常规气象数据结合同期MODIS的EVI植被覆盖数据,分析了不同下垫面反照率的月、季特征及其与降水之间的关系,系统地探讨了特殊天气条件下各类下垫面的反照率日变化特征。结果表明:(1)按照季平均反照率的大小,各类下垫面排序依次为荒漠草地高寒草甸退化草地农田;(2)除退化草地外,其余各类下垫面反照率的拟合结果均通过0.05显著性水平检验,高寒草甸的拟合好于荒漠草地、农林混交农田和东北农田,而荒漠草地和农林混交农田拟合效果相当;(3)在荒漠草地下垫面,夜雨不会对次日反照率的"U"型分布产生影响,存在潜热维持土壤湿度和感热加强蒸腾作用两种机制;(4)无雪盖高寒草甸的反照率主要受植被覆盖度和高原植被叶面特性的影响;退化草地下垫面在强降水日白天出现反照率"√"型分布,由于09:00(北京时,下同)-11:00云量偏多、反照率偏高,15:00-17:00太阳高度角对反照率增大作用强于土壤湿度的减小作用,反照率缓慢回升造成的。低矮作物农田在雨日15:00-17:00反照率的骤升是植被覆盖度和太阳高度角相互作用所致,受浅层土壤含水量的影响不大。     

基于InVEST模型的黑河流域上游1990-2018年产水量模拟

基于InVEST模型,以1990年、2000年、2010年和2018年土壤、气象及土地利用/覆被数据作为输入,对黑河流域上游近30年产水量进行评估,采用时空地理加权回归方法（Geographically and Temporally Weighted Regression,GTWR）分析降水、潜在蒸散发及植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）对产水服务影响的时空异质性,从而探究黑河流域上游产水服务时空演变特征,结合土地利用/覆被变化揭示流域不同下垫面下产水能力及差异,并识别不同区域的主导驱动因素及驱动强度。结果表明：（1）1990-2018年4期产水总量均值为1.67×109 m3,产水深度均值为167.11 mm,2018年产水量最高（205.80 mm）,2000年产水量最低（137.01 mm）。（2）草地对黑河流域产水总量的贡献最大（76.5%）,冰雪和荒漠的平均产水深度最高,林地平均产水深度最低。（3）降水对产水量影响的正向效应显著,潜在蒸散发对产水量负向驱动明显,NPP对产水量影响整体上负向驱动较强,正向驱动微弱。（4）各因素对产水量影...     

湖泊和上风向地形对纳木错地区秋季降水影响

首先利用中国区域地面气象要素数据集(CMFD)分析了1992-2015年纳木错地区月平均降水分布,发现湖泊效应导致的下风向降水在10-11月较为明显。其次根据中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站自动气象站2 m的风速和气温的数据,分析了2005-2015年焚风累积发生次数的月分布特征,发现12月焚风发生几率最大,且10月是秋季中发生焚风现象次数最多的月份的结果。再者,运用WRF模型对纳木错地区10月份降水进行了模拟,发现在已有大气环流背景条件下,纳木错地区秋季降水受到湖泊存在的影响比上游地形影响显著。有、无湖模拟试验表明,纳木错地区湖泊的存在会使周边地区尤其是湖泊下风向降水增多,影响范围可达100 km。上风向较高地形会使整个区域降水小幅增加,上风向地形导致的焚风效应对纳木错地区降水的影响较弱。     

2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

21世纪黑河流域降水统计降尺度及预估北大核心CSCD

借助第五阶段国际耦合模式比较计划(CMIP5)多模式集合数据、欧洲中期预报中心再分析资料及黑河流域站点观测记录等,检验了模式降水估计偏差,设计了3种降尺度方法,对2011~2100年模式集合预估降水做了降尺度偏差订正。结果表明,即使去掉模式气候飘移,在黑河流域的模拟或估计降水偏差依然较大。本文选用15个CMIP5模式集合做降水预估。依据贝叶斯模式平均(BMA)和多元线性回归(MLR)构造降尺度模型,其因子有700 hPa位势高度场、经向风和比湿等。检验表明,两种降尺度模型各有优缺点,BMA降尺度降水平均值精度较高,但方差和相关系数较低;MLR的方差和相关系数均较高,但在黑河下游极端干旱区或少雨季节易出现“负降水”偏差。在降尺度模型中加入模式降水因子后,BMA的降水方差和相关系数均有明显提高,MLR的负降水问题得到一定程度抑制。BMA模型在黑河上游最优,MLR在中、下游及整个流域最优。因此,选用BMA和MLR对RCP4.5情景下2011~2100年的降水预估做降尺度偏差订正,结果表明,经BMA和MLR降尺度后预估的整个黑河流域降水呈下降趋势,相对于1971~2000年参考期,流域前期(2011~2040年)、中期(2041~2070年)、后期(2071~2100年)降水下降率依次为−9.7%、−12.5、−12.1%,即前、中期降水明显减少,后期变化不大。其中上游降水有一个弱的增加趋势,其变化率依次为1.4%、1.6%、2.3%;中游降水呈明显减少趋势,其变化率依次为−16.3%、−21.4%、−22.6%;下游降水前期减少,中、后期明显增加,其变化率依次为−13.0%、4.2%、21.4%。该预估结果表明,随着全球气候暖化,黑河上游祁连山区降水会缓慢增加,但中游农耕区降水明显减少,流域水资源供需矛盾可能会进一步加剧。因此,黑河流域未来的分水方案及相关的生态、农业、经济等发展规划需要据此做一些调整,以适应未来气候和黑河流域水资源的可能变化。     

基于陆面水文耦合模式CLHMS的淮河流域水文过程的模拟评估及其不确定性分析

利用最新的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。     

基于Delta分位数映射法的青藏高原中东部IMERG卫星降水误差订正

可靠的降水资料对理解青藏高原水量平衡和水循环过程尤为重要。IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement)是新一代卫星降水产品,具有更广的覆盖范围与更高的时空分辨率,但在高原复杂地形条件下仍然存在较大的不确定性。鉴于此,本研究应用Delta分位数映射法(Quantile Delta Mapping, QDM),对IMERG日降水数据进行偏差订正,使用2001-2010年的中国区域地面气象要素数据集(China Meteorological Forcing Dataset, CMFD)降水数据和IMERG日降水产品分季节建立传递函数,对2011-2014年的IMERG逐日降水进行订正。研究结果表明：(1)Delta分位数映射法能够有效订正IMERG的降水频率、数值和空间分布,对极端降水和负偏差较大区域的订正效果更为明显。订正后的IMERG降水概率分布更加接近观测概率分布,降水偏差也更符合正态分布,改进了对全年和季节降水空间分布的刻画,提高了月降水的精度。(2)订正后日降水量均...