基于高分一号影像的武汉市洪涝遥感监测与分析

2016年6月30日—7月6日,强降雨引发了武汉及其邻近地区多处的城市内涝及河堤溃坝等严重洪涝灾害。以洪涝前后高分一号(GF-1)WFV影像和2015年30 m土地覆盖类型图为数据源,在分析典型地物与洪涝期不同水体的GF-1光谱曲线特征的基础上,对比NDWI阈值法与面向对象分析法提取研究区各类水体信息的适宜性,采用最优算法对武汉市洪涝灾害范围进行识别和判定。结果显示,面向对象分类法对洪涝期不同城市水体类型的遥感提取结果总体上要优于水体指数阈值法提取结果;城市郊区由河水漫堤和河堤溃坝等原因导致的洪涝淹没范围可以通过GF-1 WFV数据有效地进行识别。该研究成果可以对国产高分一号影像在城市洪涝灾害监测气象业务服务提供科学参考。     

利用HJ-1卫星数据监测山区水库资源

遥感技术能够快速、宏观地获得研究区域的数据,已成为湖泊环境动态变化监测的重要技术手段。但是对于山区的湖泊和河流而言,由于沟壑众多,河道狭窄,水体像元多为混合像元,利用现有方法提取水体遥感影像难度较大。水体与植被、城市和土壤等地物在不同波段的光谱反射率的差异是利用遥感手段提取水体信息的基本原理。本文在水体光谱特征分析的基础上,描述了HJ-1卫星数据特征及所采用的山区水体信息的遥感提取方法,并以南湾水库为例,描述了利用植被指数(NDVI)方法识别水体信息的技巧:首先将HJ-1数据的第3和第4波段经过波段运算得到NDVI图像;再将两种遥感图像中NDVI值小于0的像元判识为水体,NDVI值大于0的判识为水库周围的农田,经过计算像元数量得到水体面积信息;最后在各种专业软件的支持下,结合非监督分类的水体识别效果,将水体与其他地物类型区分开来。结果表明,利用HJ-1卫星数据可有效排除其他地物的干扰,显著提高水体监测的精度。     

鄱阳湖水体淹没模型研究

根据丰水季鄱阳湖流域降水对鄱阳湖水位的影响研究, 建立鄱阳湖水位变化降水预测模型;并利用近10年卫星遥感对鄱阳湖水域面积的监测及相应时相鄱阳湖水位资料的分析, 研究出丰水季鄱阳湖水体淹没模型, 解决了洪水季, 云天状况下, 气象卫星难以监测下垫面洪涝灾害的难题。通过对鄱阳湖水体淹没模型进行模拟验证, 结果表明, 鄱阳湖实施退田还湖以后, 湖体水面模拟结果与遥感测算值相对误差为0.9%～3.6%, 模拟效果好。     

基于MODIS和HJ-1数据的宿鸭湖水库面积遥感监测研究

水体与植被、城市和土壤等地物在不同波段的光谱反射率的差异是利用遥感手段提取水体信息的基本原理。以宿鸭湖水库为例,在水体光谱特征分析的基础上,采用归一化植被指数（NDVI）方法提取2010年的MODIS和HJ-1遥感影像上的水体信息。首先将MODIS数据的第1和第2波段,以及HJ-1数据的第3和第4波段经过波段运算得到NDVI图像。将两种遥感图像中NDVI值为负的像元判识为水体,NDVI值为正的判识为水库周围的农田,经过计算像元数量得到水体面积信息。水体判识阈值在全年变化范围在-0．08和0．08之间。HJ-1数据具有较高的空间分辨率,水体判识的结果比MODIS数据更加精确。利用HJ—I数据水体监测结果对MODIS数据结果进行校正,使得到的监测结果同时具有较高的时间分辨率和空间分辨率。研究结果表明：利用HJ-1数据校正后的MODIS数据所测得的水域面积与实际观测得到的水库蓄水量之间的复相关系数为0．8603,显著提高了水体监测的精度,从而为大范围的水资源与水环境动态监测提供了迅速、可靠的依据。     

基于FloodArea的山洪灾害风险区划研究——以淠河流域为例

致灾临界面雨量、洪水淹没范围及深度的确定是暴雨山洪灾害风险区划的核心环节。本文以淠河流域为研究区,利用统计方法与水文模型相结合的方法确定雨-洪关系,得到致灾临界面雨量;基于FloodArea开展洪水淹没模拟,叠加承灾体信息,得到T年一遇洪水淹没风险评估与区划图。通过对2015年13号台风"苏迪罗"强降水过程的淹没反演,验证表明:无论是洪水淹没范围还是淹没水深,FloodArea模拟值与实况值均较为吻合。综合来看,淠河流域暴雨山洪灾害风险区划与评估结果较为合理;基于FloodArea模型在淠河流域具有较好的洪水淹没模拟效果,可用于暴雨洪涝灾害风险评估与预警。     

基于GIS淹没模型的洪水演进模拟及检验

用部分溃坝的波流与堰流相交法模拟淦河流域溃口点的流量。以溃口点的流量、DEM为基础数据,利用GIS的暴雨洪涝淹没模型,对2010年7月14日淦河流域由强降水引发的溃口式洪水淹没过程进行模拟,并利用实际灾情对模拟结果进行检验分析。模拟结果表明:随着洪水演进,淦河流域的淹没面积不断地增大,其中0.5~1 m水深段的淹没面积增长最快;14日18时,洪水到达任窝村,20时淹没至马桥镇,22时淹没至严洲村。灾情调查检验结果显示,对于洪水到达时间和地点,淹没模型模拟值与实况值较为吻合,表明该模型在溃口式洪水淹没过程方面具有较好的模拟效果。     

基于FloodArea模型的大通河流域暴雨洪涝灾害风险评估

利用流域内所有国家气象站及区域自动站共39站逐小时降水实况、过程降水量和降水落区预报、数字高程模型(DEM)、土地利用、土壤类型以及实地灾情调查等资料,采用Flood Area模型的暴雨淹没情景,对2013年7月5日20时—6日20时大通河流域出现的历史罕见强降水时段进行洪水淹没模拟及效果检验。模拟结果表明:大通河流域中上游水位上涨明显,大部地区涨水超过1 m,部分支流水位上涨超过3 m,竹阳乡、酉华乡和乔木乡的局部地区涨水超过6 m。灾情调查检验表明,对于洪水淹没范围和淹没水深,Flood Area模拟值与实况值均较为吻合,表明Flood Area模型在大通河流域具有较好的洪水淹没模拟效果,可用于暴雨洪涝灾害风险评估与预警业务。     

MODIS资料在2003渭河洪涝灾害动态监测中的应用

本文通过对MODIS资料中植被、水体、土壤等不同地物的光谱特性进行分析,得出了可用于洪涝监测的通道,并提出了MODIS洪涝监测遥感资料处理流程和水体的量化判识指标。利用上述流程、方法和判识指标对2003年渭河流域发生的近50a来最严重的洪涝灾害的整个发生和发展过程实施了动态监测,制作了MODIS渭河遥感洪涝监测动态变化图像和水情专题图,并估算了淹没面积。为政府和防汛部门科学有效地组织救灾提供了可靠依据。     

2010年夏季吉林省特大暴雨洪涝灾害遥感监测信息的定量分析

利用FY一3A、HJ一1A／B和EOS多源卫星遥感数据,结合地面气象观测数据和基础地理信息数据,对2010年7月下旬至8月初暴雨导致的洪涝灾害进行了动态监测,并进行了以下三方面的分析：一是流域和区域的平均降水量和暴雨面积分析。将区域自动气象站降水量观测数据导入到地理信息系统中进行空间插值,根据降水量实况、地面灾情和决策服务的需求,选择流域或区域,基于1：25万水系数据划定各个受关注流域的边界,实现分流域和区域的平均降水量和暴雨面积统计分析。二是FY一3A和EOS中分辨率遥感数据区域洪涝整体状况分析。FY一3AMERSI数据和EOSMODIS数据主要用于区域洪涝整体状况的分析,选取降水过程前的晴空数据作为基准,在暴雨发生后,抓住晴空间隙的卫星过境数据,选择特定波段,基于数据直方图,对图像进行彩色增强,生成客观且直观的服务产品。三是H卜1A／B高分辨率遥感数据局部洪涝灾害详细监测和定量分析。HJ一1A／B数据本身带有地理坐标数据,但其精度不能满足分析要求,所以首先要进行几何校正,对几何校正后的数据进行彩色合成和增强后,一方面可以直接导入地理信息系统进行典型河道宽度的量测,另一方面可以用于图像监督分类法感兴趣区的选取,实现对高分辨率数据上复杂河道洪水信息的提取,而后在地理信息系统中进行洪水淹没面积的定量分析和直观成图。这些定量分析产品为抗洪救灾提供了科学依据。     

中国东部区域极端降水事件特征——两种方法监测对比

基于中国区域地面降水格点日值数据集,对比国家气候中心业务暴雨指数和区域极端强度-持续时间综合(Region-Extreme-Intensity-Duration,REID)指数识别区域极端降水事件方法,给出了中国5个区域极端降水事件(Regional Extreme Precipitation, REP)的频数、强度、影响面积以及持续时间统计规律及变化特征,探讨了两种方法识别结果存在的差异。结果表明:(1)两种方法识别持续时间为1~2 d,影响面积为200 000 km²左右的极端降水事件统计、气候特征相近。(2)REID法能客观识别华南和长江流域地区3 d以上的持续性REP,业务法会将其分割为多次降水过程。此外,REID法无日降水阈值,适用于监测日降水量小于50 mm的极端降水事件。再者,REID法可识别较小尺度REP,而业务法因降水主观比例的限制导致对此的监测存在不足。(3)业务法每日确定降水中心,有利于识别降水中心移动较快的极端降水事件。此外,REID法所识别的极端区域一般小于业务法基于50 mm的极端区域。在极端降水监测中,两种方法相互协作,取长补短,可以有效提高区域水灾预警预防能力。     

暴雨洪涝淹没模型在洪灾损失评估中的应用

为了开展客观定量的暴雨洪涝灾害评估,探讨了基于暴雨洪涝淹没模型的暴雨洪涝灾害损失评估业务流程,其核心环节有两部分：估算因降水造成的淹没范围和建立适用的经济损失评估模型。其中暴雨洪涝淹没模型以最大坡降算法和曼宁公式计算暴雨洪涝汇流过程,通过给定汇流时间得到研究区域的淹没面积和水深;经济损失评估模型由直接经济损失和间接经济损失构成,直接经济损失由淹没范围内各类财产的价值乘以其相应的损失率得到。以武汉市江夏区2010年7月一次暴雨洪涝灾害过程为例给出了整个评估流程的实现过程,结果表明基于暴雨洪涝淹没模型的洪涝灾害损失评估业务流程物理意义清楚,表达了暴雨-径流-洪涝灾害全过程,可用以提高洪涝灾害影响评估的定量化程度,同时也为暴雨洪涝风险管理提供一定的依据。     

东津河流域暴雨洪涝灾害风险区划

本文从暴雨致灾机理出发,以东津河流域为例,开展中小河流域暴雨洪涝灾害风险区划技术研究。根据气象资料、水文资料、地理信息资料、社会经济统计资料以及历史灾情资料等,运用TOPMODEL水文模型并结合统计法确定致洪临界面雨量,利用逐步回归法重建区域站资料序列,基于广义极值分布函数计算出不同重现期的致洪面雨量,根据流域内小时降水雨型分布,将不同重现期致洪面雨量以及叠加堤坝信息的DEM、manning系数等数据代人Flood Area模型进行洪水淹没模拟,得到不同重现期下洪水淹没图,再叠加流域内栅格化的人口、GDP以及土地利用信息,最终得到不同重现期下人口、GDP以及土地利用等风险区划图谱。建立的中小河流域暴雨洪涝灾害风险区划技术方法简便可行,区划结果精度高、实用性强,对于面向实时防灾减灾的动态灾害风险管理具有重要意义。     

1951-2006年黄河和长江流域雨涝变化分析

 根据1951-2006年黄河和长江流域雨涝灾害灾情统计资料,分析了两个流域雨涝灾害发生频率的时空分布特征,结果表明：近50 a以来,特别是20世纪80年代以来,受气候变化影响,黄河和长江流域雨涝灾害不断增加,农作物受灾、成灾面积呈增加趋势,损失日趋严重,且长江流域受雨涝灾害影响范围较大,灾害发生频率大于黄河流域。受暴雨影响,夏季两个流域雨涝发生频率最高、范围最广。20世纪80年代末以来,黄河流域雨涝灾害增加趋势较为明显,而长江流域80年代初雨涝受灾面积和成灾面积显著增加。两个流域雨涝灾害的受灾率均自上游至下游逐渐增加,其中长江流域中下游地区受雨涝灾害影响较大。     

“98.6”闽北罕见持续性暴雨的环流特征和预报

分析指出“９８．６”暴雨之所以超历史记录,是由于持续性暴雨环流特征值超历史记录造成的;闽北特大洪灾是长江流域及江南特大洪灾的组成部分,往往同年发生,以“９８．６”暴雨预报成功为例,为今后预报大暴雨造成的特大洪灾提供预报思路。     

长江流域及三峡库区近542年旱涝演变特征

选取长江流域沿线及三峡库区12个代表站,根据中国500年旱涝图集等级和各站建站以来5—9月降水量资料,按照旱涝等级标准,分别得到长江全流域、上游流域、中游流域、下游流域及其三峡库区1470—2011年旱涝等级序列。结果表明:长江各流域及其三峡库区均呈现较为明显的旱涝交替阶段,20世纪偏旱频率强烈增加,19世纪和20世纪偏涝频率明显增加。长江流域和三峡库区偏旱以上等级具有准160年周期震荡,全流域偏涝以上存在准140年的周期震荡,但20世纪后有所减弱,三峡库区偏涝以上等级存在准百年的周期震荡。三峡建坝蓄水前后库区降水EOF时空分布呈一致减少趋势,与此同时长江上游降水呈下降趋势,反映了长江上游流域及三峡库区气候趋旱;M-K突变检验显示水库蓄水前后流域上游和库区降水均未发生显著变化。在全球气候变化的背景下,三峡库区旱涝演变并不是孤立事件,而是与长江上游乃至整个长江流域旱涝背景密不可分。     

Development and Application of an Atmospheric-Hydrologic-Hydraulic Flood Forecasting Model Driven by TIGGE Ensemble Forecasts

A coupled atmospheric-hydrologic-hydraulic ensemble flood forecasting model,driven by The Observing System Research and Predictability Experiment (THORPEX) Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE) dat...     

基于FloodArea模型的一次特大暴雨洪涝淹没模拟

利用蒲河流域内所有国家气象站以及区域自动气象站共28站逐小时降水实况、过程降水量、数字高程模型、土地利用、土壤类型等资料,采用FloodArea水动力模型,对2020年6月19日21时-22日20时出现的历史罕见暴雨洪涝过程进行洪水淹没模拟及效果检验。模拟结果表明：1)全过程模拟水位与实测水位整体拟合度较高,确定性系数DC达93.22%;2)蒲河上游来水较小,持续性强降水是造成此次洪涝水位偏高的主要原因,模拟显示蒲河流域中上游水位上涨明显,其中石角水文站模拟的最大上涨水位达7.61米,与实测上涨水位7.14米较为一致;3)FloodArea水动力模型能够较准确地反演出蒲河流域暴雨致洪个例的淹没进程,能够直观地反映出淹没范围、淹没深度的空间差异,且淹没深度与逐小时实测水位的确定性系数较高,淹没深度的突增对洪峰的预报预警具有一定的指示意义。     

基于水位和雨量的洪涝受灾面积评估模型研究

在分析湖北省洪涝灾害孕灾环境和致灾因子的基础上,利用民政部门整理的1951～2000年洪涝受灾面积资料,建立了基于长江中游流域逐月最高水位和湖北省5～10月降水总量的湖北省洪涝灾害受灾面积定性和定量评估模型,并给出了该模型2001～2006年的独立样本检验值,探讨了该模型在年度灾害趋势预估和灾后评估中的应用。     

2004年中国长江以南地区严重秋旱特征及其同期大气环流异常

利用2004年8～10月的中国160台站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料，分析了2004年秋季发生在中国长江以南地区的严重干旱（简称2004年长江以南秋旱）前兆和发展特征以及秋旱持续期间的东亚大气环流异常。结果表明:2004年长江以南秋旱是以8月在广西境内出现小范围干旱为前兆，9月扩展到长江以南中部地区，10月遍及整个长江以南地区而达到鼎盛的一个发展过程。2004年长江以南秋旱事件的发生、发展和鼎盛期都受到了同期东亚大气环流异常的很大影响:2004年秋季东南亚上空的整层经向水汽输送出现了显著的负异常，说明2004年秋季长江以南地区上空的整层水汽在经向上由南向北的输送减弱而从北向南的输送加强；850 hPa水汽输送的异常加强了从北向南的水汽输送，从而影响了秋旱的发展。结合2004年秋旱持续期间850 hPa 流场异常分析，2004年秋季850 hPa的流场在台湾海峡附近上空出现了一个气旋性的异常环流，它导致了西南水汽及其与越赤道气流和东南水汽的混合气流（10°N～20°N, 135°E～150°E）在向北的输送路径上发生改变，并且此混合气流进入内陆从而加强了大陆上空由北向南的干冷气流，进一步影响了秋旱的发展。通过分析850 hPa等压面上的垂直速度场发现:秋旱同期长江以南地区下沉气流异常，这种天气形势不利于降水的产生。2004年秋季长江以南地区受到了闭合高压——西太平洋副热带高压（简称西太副高）的长期控制，形成少雨的天气。除此之外，中高纬地区脊区前方和槽区的后方易于冷空气的南下输送， 这在很大程度上也促使了秋旱的发展。     

高层大气三维热力结构异常及其遥相关特征对江淮流域旱涝的影响

文中分析了江淮流域旱涝过程与南北半球经向波列遥相关特征,结果表明,前期赤道地区高层大气的三维热力结构异常与中国江淮流域夏季旱涝异常存在显著相关。进一步研究发现,江淮流域夏季旱、涝年与前期春季低纬高层大气热力结构呈显著的反位相特征,且两者垂直方向均呈跨越南北半球经向波列结构特征,该波列扰动源可追溯到南极冰盖强信号因子。采用EP通量诊断分析可进一步揭示出与江淮流域旱涝过程相关的经向波列传播及高层大气波射线折射特征。