黄河上游和源区气候、水文的年代际变化及其对华北水资源的影响

利用我国气象观测站1951~2000年降水、气温资料以及黄河上游有关水文测站1960~2003年的径流资料,分析了黄河上游和源区气候的年代际变化及其对径流变化的影响,并分析了黄河上游径流变化对华北水资源的影响。分析结果表明:黄河上游和源区降水从20世纪90年代有所减少,气温明显上升,导致了黄河源区和上游径流量锐减。黄河上游径流的减少是90年代黄河下游流量锐减、黄河断流天数增多的重要原因,并表明了黄河上游来水量的多少是影响华北地区水资源的重要原因。     

西拉木伦河流域降水和径流特征分析

在搜集整理西拉木伦河流域近30a(1981—2010年)降水资料和同期径流数据的基础上,运用统计方法分析了该流域的降水和径流年内和年际变化特征,并对年降水量和径流二者之间的关系进行了初步探讨。结果表明,西拉木伦河流域年内降水分配不均匀,降水主要集中在夏季,近30a年际降水量呈波动减少趋势。受降水影响,西拉木伦河流域径流年际变化同样也较为强烈。以西拉木伦河流域年降水量、径流量建立数学模型为:Q=-4.624+0.029P年(R=0.706)。     

中国6个CMIP5模式对全球降水年际-年代际变率模拟的定量评估

本文利用美国全球降水气候中心(GPCC)的降水资料和中国参加国际第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)的6个气候模式[BCC_CSM1.1、BCC_CSM1.1(m)、BNU-ESM、FGOALS-s2、FGOALS-g2和FIO-ESM]的历史模拟试验的降水数据,采用可以表征降水变率相对和绝对量级的方法,定量评估了6个模式对降水年际-年代际变率的模拟能力。研究表明,观测降水的年际变率一般占总方差的65%~80%,年代际变率占总方差的10%~35%。在CMIP5历史试验中,6个模式平均的降水年际分量方差对总方差的贡献(超过70%)较观测偏强,模拟降水年代际分量的方差对总方差的贡献较小(约为10%~20%)。模式总体低估了全球平均总降水、年际降水和年代际降水的变率,但是高估了年际降水对总降水的贡献、低估了年代际降水对总降水的贡献。与观测相比,6个模式对东亚和澳大利亚地区的年代际降水的模拟都比较好,模拟与观测年代际降水方差的比值为1左右。在非洲、南美洲和海洋性大陆,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年代际变率最接近观测;在欧亚和北美,BNU-ESM模式模拟的降水年代际变率与观测最接近。在欧亚大陆上,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测;在非洲和美洲,FGOALS-s2模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测。本文的研究结果有助于理解中国当前气候模式对降水年际-年代际变率的模拟能力,以及未来改进模式。     

我国西南周边地区夏秋季节降水变化及相应环流特征分析

利用云南省124站观测资料及CRU(Climatic Research Unit)高分辨率降水数据分析了我国西南周边地区的降水时空变化特征, 并进一步对该地区夏、秋季节降水的周期、降水与季风活动的关系以及旱涝时期环流背景做出分析, 以探讨其年代际变化的可能影响机制。结果表明, 我国西南周边地区的降水空间分布随季节演变, 西南地区处于降水量相对小值区, 各季节降水量存在明显的年际变化以及年代际振荡特征。通过周期分析发现, 研究区域夏、季秋季降水均存在明显的年代际尺度周期, 近年来西南地区连续干旱很可能是由夏季和秋季的年代际尺度周期负位相配合造成, 并且降水的减少与夏季风活动偏弱、季风持续时间偏短有关。夏季秋季少雨时期与多雨时期环流场存在显著差异, 表现为少雨时期我国东部低层异常的偏北风, 青藏高原附近高层异常的反气旋型环流, 多雨时期则相反。     

西安近57年降水量变化分析

利用1951—2007年西安国家气象观测站二级站的月降水量资料,分析西安年代际、季和月降水量演变趋势。结果表明：西安年降水量总体呈下降趋势,20世纪90年代降水递减趋势明显。1991—2007年17a平均比历年（1951—2007年）平均减少28．7mm,比前40a（1951—1990年）平均减少40．9mm;季节降水量秋季、冬季为递增趋势,其中秋季递增率较大;春季、夏季为递减趋势。其中春季递减率较大,年代际平均递减率为9．7mm／10a。月降水量递减率较大的有：3,4,5,7,8月和11月,月降水年代际平均递减率分别为2,4,2,7,3,4mm／10a;6月,9月和10月降水量递增率较大,月降水年代际平均增长率分别为3,4,4mm／10a;其他月份随年代际变化不明显。     

华南降水季节演变的年代际变化

利用中国测站的逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了近35年华南降水季节演变的年代际变化特征及其相关的大气环流异常特征。华南地区降水季节分布型在1990年代初期发生了年代际转变,其中,华南西部降水在1990年之前为双峰型分布,1990年之后变为以6月为峰值的单峰型分布;华南东部降水在1990年之前是以5月、8月为峰值的弱双峰型分布,1990年之后变为以6月、8月为峰值的显著双峰型分布。华南东、西部降水季节分布的年代际变化分别与华南全区6月降水量的年代际增加以及8月华南东、西部降水显著反相的年代际变化（东多西少）密切相关。1990年之后,大雨及以上强降水事件发生频率的增强是导致上述年代际变化的主要原因。华南6月降水年代际的增强与南海区域的西北太平洋副热带高压（简称西太副高）脊线位置的年代际异常偏南密切相关。7月华南地区降水的年代际增加与西太副高年代际东撤及影响华南地区的热带气旋频数年代际增多有关。8月华南东、西部降水显著反相的年代际变化（东多西少）,一方面受印度洋及南海上空夏季风年代际减弱的影响,使得输送到华南西部的水汽减少,另一方面西太副高的年代际增强并西伸,使得源自副高西南侧的水汽更直接输送至华南东部地区有关;同时也与登陆和影响华南东、西部的热带气旋的年代际增多和减少有关。      

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究

利用我国160个台站1951～2000年夏季(6～8月)降水和气温观测资料,以及NCEP/NCAR海温、风场和水汽的再分析资料,分析了我国夏季风降水和气温的年代际变化特征及其可能成因.分析结果表明,我国夏季降水有明显的年代际变化,在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,从1977年到2000年夏季长江流域的降水明显增加,而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重干旱.分析结果还表明,我国西北地区降水的振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5～8年,华北地区气候年代际时间尺度变化是从1977年起降水减少,气温上升;但西北地区从20世纪70年代开始,则温度升高,降水增多.此外,分析结果也表明我国气温同样有年代际变化,但不如降水年代际变化明显.作者还从热带太平洋SST(海面温度)的年代际变化及其对中印半岛和东亚上空水汽输送的影响,分析了上述我国气候年代际变化的可能成因.分析结果表明,热带中东太平洋的SST也有明显的年代际变化,从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖,出现了明显的"类似El Nino型"的SST距平分布,呈现出"年代际的El Nino现象".这种海温异常分布减弱了亚洲夏季风,从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送,造成水汽输送在长江流域辐合,使到达华北地区的水汽大大减弱,因此引起长江流域降水明显增加,而华北地区明显减少,出现了持续性严重干旱.     

西南地区春季及其各月降水的气候特征分析

利用1951～2017年我国西南地区26个台站的降水观测资料,本文研究了该地区春季及其各月降水的基本气候特征。结果表明:5月是春季我国西南地区降水最多的月份,其占春季总降水的55.3%,此外,5月降水年际变化强度最大;西南地区春季及其各月降水均具有显著的年代际变化特征,5月降水在春季降水的年代际变化特征中占据主导地位;在年代际突变特征方面,西南地区春季降水存在显著的年代际突变特征,其在1970年代后期发生了减少突变,而在1990年代中后期发生了增加突变;在变化趋势方面,春季西南区域平均降水的变化趋势不明显,但从空间上看,西南地区东部表现出显著增多的趋势,而西部则表现出显著减少的趋势;在周期方面,西南地区春季及其4～5月降水均具有显著的年际和年代际变化周期,需要说明的是,3月降水没有明显的年代际变化周期,总体上看,5月降水在春季降水周期变化中占据主导地位。     

气象水文耦合预报模式预警洪涝—以湄潭县河流为例

本研究项目主要针对湄江河流域上游重点地域的防汛工作而开展，利用流域面雨量预报技术，结合水文关于流量、水位的洪涝预报模式，开发研制了湄江河流域洪涝监测预警系统，基于定性和定量的集成方法原理，探讨洪水流量、水位预测的综合分析方法，随时向湄江河防汛决策部门提供准确的、客观的、可靠的洪涝预警信息以及防汛决策所需的水文、气象服务信息，这对湄江河乃至全市相关县市提高气象预报决策服务效益、增强流域洪涝监测预警能力和更好地配合党政决策部门做好防灾减灾工作、提高我市可持续发展战略能力等都具有十分重大的意义。     

武汉城市强降水内涝仿真模拟系统研制

通过采集武汉市城市地理、河道地形、工程设施、气象监测、防洪调度等基础空间信息,构建完整的武汉市暴雨内涝数学模型,反映了降雨量分布、产汇流原理、地面流、河道明渠流、堰流等多种工程情况及其相互连接问题。此外,选择典型的暴雨个例作为降雨边界条件,代人模型中进行计算,将模型的计算结果和实测结果进行比较,分析两者的绝对误差及误差分布特征。结果表明：城市暴雨内涝仿真模拟系统的模拟结果基本可信,模型具有良好的适用性。     

基于HBV模型的开都河致灾洪水临界雨量分析

本文应用HBV水文模型对开都河流域焉耆站以上段进行了模拟,通过对模型的率定和校正,表明模型模拟的径流过程基本与实测值吻合,能够反映出年、月、日径流量的变化趋势,但是对峰值的模拟存在一定误差。通过HBV模型的应用,计算了不同流量和水位所对应的临界致灾面雨量,同时与历史上发生洪水的24小时和120小时的实际降水量进行对比分析,发现通过HBV水文模型推算的临界面雨量大于实际24小时降水量,可能与模型对洪峰的模拟效果有关。     

影响黄河下游断流的气象因素分析

分析了影响黄河下游断流的气象因素 ,结果表明 :降雨量减少造成产流量减少是影响黄河下游断流的重要原因 ;气温升高 ,蒸发量增大 ,造成农业灌溉等用水增加 ,加剧了黄河水资源的供需矛盾 ;而各区间耗水量的增加 ,使进入下游河道的水量减少是断流的主要原因     

雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响——以西苕溪流域为例

天气雷达估测降雨是径流模拟和洪水预报的重要信息之一。由于雷达网格降雨存在误差,且误差随着网格水平尺度的增大而减小,因此对于径流模拟,高分辨率的雷达降雨数据并不意味着径流模拟的精度更高。采用FSS(Fractions Skill Score)方法和HEC-HMS模型(Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System)分析江苏省西苕溪流域雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响。在2010年和2011年夏季两场降雨实例中,雷达估测降雨在不同降雨阈值情况下,FSS达到目标精度值对应的最小有效水平尺度为2~8 km,分别以2、4、6、8 km水平分辨率的雷达估测降雨和雨量站测雨作为HEC-HMS模型输入进行径流模拟,结果表明:基于不同水平分辨率的雷达估测降雨的径流模拟结果与实测径流资料基本吻合,雷达估测降雨2、4、6、8 km水平分辨率的变化对径流模拟效果的影响不明显。      

极端强降水下小河流域泥石流灾害评估研究

基于马尔康红苕沟流域的DEM、地貌特征、土地利用类型、土壤类型和土壤湿度程度等地理信息数据和分钟降水资料,根据SCS模型的产流-汇流原理和泥石流配方法计算模拟了2015年6月30日红苕沟暴雨-泥石流灾害规模。模拟结果表明,与泥石流实地勘查资料相比较,SCS模型的模拟精度在95%以上,说明SCS模型径流模拟和泥石流配方法是可以应用于类似红苕沟这样无降水观测资料的小河流域泥石流灾害的评估方法。应用此方法计算红苕沟极端强降水触发的泥石流总量是2015年6月30日发生泥石流总量的5倍。      

左江洪涝特征分析

台风是造成左江洪涝的主要影响系统,后汛期洪涝频率明显高于前汛期,洪水汇流量与降雨性质、地形地貌、土壤含水量有关,依不同降雨量径流量不同的原理及洪涝特征估测洪水量、洪峰流量较接近实况,具有应用价值。     

Calculations of river-runoff in the GISS GGM: impact of a new land-surface parameterization and runoff routing model on the hydrology of the Amazon River

This study examines the impact of a new land-surface parameterization and a river routing scheme on the hydrology of the Amazon basin, as depicted by the NASA/Goddard Institute of Space Studies (GISS) global climate model (GCM). The more physically realistic land surface scheme introduces a vegetation canopy resistance and a six-layer soil system. The new routing scheme allows runoff to travel from a river's headwater to its mouth according to topography and other channel characteristics and improves the timing of the peak flow. River runoff is examined near the mouth of the Amazon and for all of its sub-basins. With the new land-surface parameterization, river run-off increases significantly and is consistent with that observed in most basins and at the mouth. The representation of the river hydrology in small basins is not as satisfactory as in larger basins. One positive impact of the new land-surface parameterization is that it produces more realistic evaporation over the Amazon basin, which was too high in the previous version of the GCM. The realistic depiction of evaporation also affects the thermal regime in the lower atmosphere in the Amazon. In fact, the lower evaporation in some portions of the basin reduces the cloudiness, increases the solar radiation reaching the ground, increases the net radiation at the surface, and warms the surface as compared to observations. Further GCM improvement is needed to obtain a better representation of rainfall processes.     

Freezing types and winter runoff of small rivers

Investigations carried out in the Northern Dvina River basin revealed that the decrease in the ice thickness on small rivers is of significant importance in the increase in the water content of rivers in winter in recent decades. This process resulted in the improvement of the channel capacity as a result of the decrease in the ice formation intensity on the rivers and of the increase in the fraction of ground waters participating in the winter river runoff formation. It is proposed to consider the initial winter ice conditions as a separate important factor of this process as they define the types of river freezing influencing on the winter river runoff formation as well.     

Implementation of a Surface Runoff Model with Horton and Dunne Mechanisms into the Regional Climate Model RegCM_NCC

A surface runoff parameterization scheme that dynamically represents both Horton and Dunne runoff generation mechanisms within a model grid cell together with a consideration of the subgrid-scaie soil heterogeneity, is implemented into the National Climate Center regional climate model （RegCM_NCC）. The effects of the modified surface runoff scheme on RegCMANCC performance are tested with an abnormal heavy rainfall process which occurred in summer 1998. Simulated results show that the model with the original surface runoff scheme （noted as CTL） basically captures the spatial pattern of precipitation, circulation and land surface variables, but generally overestimates rainfall compared to observations. The model with the new surface runoff scheme （noted as NRM） reasonably reproduces the distribution pattern of various variables and effectively diminishes the excessive precipitation in the CTL. The processes involved in the improvement of NRM-simulated rainfall may be as follows： with the new surface runoff scheme, simulated surface runoff is larger, soil moisture and evaporation （latent heat flux） are decreased, the available water into the atmosphere is decreased; correspondingly, the atmosphere is drier and rainfall is decreased through various processes. Therefore, the implementation of the new runoff scheme into the RegCMANCC has a significant effect on results at not only the land surface, but also the overlying atmosphere.