气候转折期前后无锡站年际旱涝周期水文特性的对比分析

在人类影响不断加剧的大背景下,通过对气候转折期前后无锡站年际降雨序列水文特性的对比分析,探索旱涝周期演化的自然规律。研究表明,无锡站年际降雨过程线的外观和内在特征,在1978年前后发生了突变,证实了笔者"气候成因不同特征不同"的猜想,也是气候转折期存在的有力证据;无锡站年际旱涝周期性特征是水文自然演化规律的一部分,其时间序列的一致性,并未因人类活动的影响而改变;分段法的提出打破了旱涝无规律的传统思维定势,国家气候中心对气候转折期的研究成果是其存在的理论基础;本次研究解决了无锡站年际旱涝周期性分析的难题,首次实现了旱涝趋势预测模拟,可推进太湖地区中长期水文预报和气候预测研究。     

非典型周期和气候突变的识别与判定

通过两种新方法分析了无锡站降水年际变化的突变性、周期性等特征,揭示了旱涝演化的自然规律。研究表明,1934、1978、2013年是我国近现代气候突变的临界点,这是旱涝演化的自然选择;无锡站年际降水的观测历史可分成四个特征不同的时段,每个时段节点对应的都是一次气候突变;气候突变会改变年际降水序列的一致性,分段法研究可以大幅度降低模拟难度、提高预测效率。发现并确认了3个气候突变点,实现了超长缺测中断期(13a)旱涝趋势的精确插补,完成了无锡站近百年降雨序列的周期性分析与旱涝趋势预测模拟,研究成果改变了近现代气候历史无法细分的现状。     

秦岭北麓地下水位动态特征与影响因素

地下水是秦岭北麓地区的主要供水水源,研究该区地下水位动态变化特征及其影响因素对地下水资源合理开发及生态环境保护具有重要意义。以秦岭北麓的户县平原区为例,根据地下水埋深、气象、水文资料,结合研究区水文地质条件,运用克里金插值方法、主成分投影-聚类耦合模型,研究1980～2019年地下水位时空演变过程,以影响地下水动态的主要因素划分地下水动态类型,分析地下水位动态变化特征。结果表明,1980～2019年地下水位总体呈波动下降趋势;冲积平原和洪积平原年际变幅较大,而冲洪积扇前缘相对较小;研究区地下水动态类型可划分为水文型、降雨入渗-开采型、径流型、降雨入渗-水文-开采型4类;研究区地下水位态变化的主要外在影响因素为降雨、河流径流、开采。     

基于深度学习的流域洪水预报模型研究

随着水文信息系统的普及,水文数据的采集越来越方便。传统上依靠各类水文模型及参数率定以刻画水文数据和预报成果间的复杂关联,如何实现水文数据驱动的水文自动预报是当前面临的问题。近年来,人工智能技术蓬勃发展,深度学习技术开始应用于水文学领域,试图解决这一问题。本文以沮漳河西支峡口至远安区间流域为研究对象,结合分布式水文模型的原理及深度学习理论方法,基于流域多维度数据对流域产汇流特性进行提取,利用特征网络进行流域径流预报,构建基于卷积神经网络（CNN,Convolutional Neural Networks）的流域降雨径流预报模型。研究将模型模拟结果与前期影响雨量模型（API, Antecedent Precipitation Index）结果进行对比分析,结果表明,基于卷积神经网络的流域降雨径流预报模型模拟精度为90%,模型可靠,能满足大部分的降雨洪水预报,为流域降雨径流预报提供一种新的方法。     

耦合模式中北太平洋和北大西洋海表面温度年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性

利用一个全球耦合环流模式在理想模式框架下进行了3组动力预报试验,研究了北太平洋和北大西洋海表面温度异常(SSTA)的年代际可预报性和预报技巧。结果表明北太平洋年平均SSTA在年代际尺度上可预报性和预报技巧表现较低,明显弱于北大西洋。通过分析不同季节平均SSTA的可预报性与预报技巧,发现北太平洋中西部区域冬季平均SSTA的年代际可预报性和预报技巧显著高于其他季节,其量值和北大西洋相当,表现为明显的季节依赖性;北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧也显示了随季节变化的特征。进一步分析表明,北太平洋SSTA年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性归因于北太平洋冬季SSTA的年与年之间再现机制,这一再现机制源于北太平洋混合层显著的季节变化;而北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧的季节依赖性则可能与其他过程(如大西洋年代际涛动)的季节变化有关。研究结果表明,对于年代际气候预报,如果考虑所关注指标的季节平均,则可能在某些季节获得比年平均更高的预报技巧。     

七大流域水文特性分析

我国东西和南北方向地理跨度大,水文特性差异明显。从气候特征、降雨和径流、暴雨和洪水等方面,分析七大流域的水文特性,总结降雨和径流在上下游、干支流等空间上以及年内和年际等时间上的分布规律,并分析暴雨和洪水在成因、发生时间、空间分布、过程等方面的规律,为径流和洪水成果计算提供了基础,也为水文成果的合理性检验提供了参考。     

基于WA、ANN和水文频率分析法相结合的中长期水文预报模型的研究

针对传统中长期水文预报方法模拟预测结果精度低、未考虑水文不确定性因素的影响等问题,本文将小波分析(WA),人工神经网络(ANN)和水文频率分析法联合使用,建立了不确定性中长期水文预报模型:即在应用WA揭示水文序列变化特性的基础上,将原序列分为主序列和随机序列两部分,然后利用ANN对主序列进行模拟预测,对随机序列进行水文频率分析,最后将两部分结果叠加作为最终预测值.将该模型用于黄河河口地区作中长期水文预报,并与传统方法作对比,进行模型验证.结果显示:该模型能同时揭示序列的时、频结构和变化特性;预报值结果精度高;且合格率高;能定量分析和描述水文不确定性因素对预报结果的影响,可得到不同频率对应水文序列的模拟预测值.因此该模型的预报结果更加合理有效,对实际生产应用更具有指导意义.     

基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程

利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。     

中晚全新世湘西莲花洞石笋旋回沉积速率变化及其古气候意义

石笋旋回沉积速率是按照石笋沉积旋回测年得到的沉积速率,是石笋沉积过程的重要参数和反演古气候变化的有效代用指标。旋回沉积速率的波动可能反应了地表温度和降雨量的变化,与夏季风强度存在关联。文章以湖南湘西莲花洞LH2石笋为材料,利用42个230Th年龄获得的石笋旋回沉积速率序列重建了8.6 ka BP以来湖南湘西地区温度和降雨雨量的变化历史: 8.6-4.2 ka BP期间,气候以高温多雨为特征,夏季风强,石笋生长率高,但气候并不稳定,存在一系列千年-百年尺度的波动;4.2-0.05 ka BP期间,气候整体偏冷干,旋回沉积速率偏低。总体上,在轨道尺度上,LH2石笋的旋回沉积速率与该石笋的δ18O值之间存在负相关关系。旋回沉积速率的重复性检验证明了旋回沉积速率古气候记录的有效性。石笋旋回沉积速率变化主要受北半球夏季太阳辐射量的控制和ITCZ的直接影响,在百年尺度上,旋回沉积速率的波动可能与中晚全新世的弱季风事件存在关联。      

气候变化对黄河源区水资源的影响

利用气候模型结果和大尺度分布式水文模型评估黄河源区未来的水资源.根据IPCC DDC的13个系列的GCMs成果,结合黄河源区的实测气象资料,分析了该地区气候在未来100 a内的可能变化;建立了考虑融雪和冻土影响的分布式水文模型,经验证该模型能够适用于黄河源区.计算出了相应的径流情景,分析了黄河源区水量尤其是水资源特性(径流的年内、年际分布)的可能变化;对南水北调西线工程的需水量进行了简单评估.     

基于地理空间要素的雅砻江流域面雨量估算

反映流域整体降水情势的面雨量一直是水文模型的重要输入参数之一,在泰森多边形雨量法的基础上考虑地理空间要素对降雨空间分布的影响,采用面向对象的遥感信息聚类方法提取出雅砻江流域2项形状因子(周长、面积)和5项地形因子(平均高程、平均坡度、平均坡向、高程差周长比和高程差面积比)。降雨—径流相关性分析结果表明:地形因子雨量法在月尺度上的降雨估算精度高于年尺度,且在月尺度上能更好地反映流域不同区段的降雨空间分布特征;在月、年际降雨变化趋势分析方面,年尺度上的降雨与径流一阶差分后平均相关系数为0. 903,高于月尺度的0. 629,主要由于水电站调蓄过程对流域径流异质性的影响,且影响度随着时间尺度缩小而放大。     

降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响研究——以武烈河流域为例

降雨输入对分布式流域水文模拟具有重要影响。针对流域降雨资料不完整的情况,以武烈河流域为例,基于反距离加权平均法对雨量站降雨资料进行插补延长,并结合SWAT模型研究了降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响。结果表明:不同降雨输入对流域平均降雨量的影响较小,但基于气象站资料的降雨数据在降雨空间差异显著的年份会明显低估面雨量,且在夏季汛期表现更为显著;不同降雨输入对分布式流域水文模拟的影响较大;在雨量站降雨资料不完整的情况下,通过对雨量站降雨数据进行插补延长,相对于直接利用气象站降雨资料,在一定程度上可以提高径流模拟精度,满足降雨资料欠缺流域分布式水文模拟的实际需求。     

基于分布式水文模拟的三峡区间洪水预报(Ⅰ)——模型构建及验证

长江三峡区间因暴雨形成的洪水峰高量大,对三峡水库的防洪安全和运行调度的影响很大.本论文依据三峡地区的地形地貌特征,采用基于GIS的机理性分布式水文模型,来模拟三峡区间入库洪水,以尽量减少洪水预报中的不确定性.利用近期建成的78个自动雨量站网监测的小时降雨信息作为模型的输入,对模型参数进行了率定和验证,结果表明:大多数洪水过程的模拟精度较好,但也有的模拟结果较差,其中降雨信息缺失是洪水预报不确定性的主要来源.     

Recent hydrological behavior of the East African great lakes region inferred from GRACE,satellite altimetry and rainfall observations

We have jointly analysed space gravimetry data from the GRACE space mission, satellite altimetry data and precipitation over the East African Great Lakes region, in order to study the spatiotemporal variability of hydrological parameters (total water storage, lake water volume and rainfall). We find that terrestrial water storage (TWS) from GRACE and precipitation display a common mode of variability at interannual time scale, with a minimum in late 2005, followed by a rise in 2006–2007. We argue that this event is due to forcing by the strong 2006 Indian Ocean Dipole (IOD) on East African rainfall. We also show that GRACE TWS is linked to the El Niño-Southern Oscillation cycle. Combination of the altimetry-based lake water volume with TWS from GRACE over the lakes drainage basins allows estimating soil moisture and groundwater volume variations. Comparison with the WGHM hydrological model outputs is performed and discussed.     

呼和浩特近50a短时强降水统计特征

利用呼和浩特市1961-2010年6个国家气象观测站逐小时降水量资料,应用数理统计、滑动平均和M-K突变检验分析了呼和浩特市短时强降水时空分布特。结果表明：呼和浩特市短时强降水频次的空间分布不均匀,主要分布在呼和浩特市南部及山脉迎风坡;呼和浩特市短时强降水具有明显的季节变化和日变化特征,短时强降水频次最高在7月下旬和8月上旬,最容易发生在午后至傍晚,年代和年变化显示20世纪90年代为正距平,1993年之后,呼和浩特市短时强降水次数呈上升趋势,1997年通过显著性检验水平临界线,即呈明显上升趋势,1998年达到峰值。     

1971-2010年西藏怒江流域冷暖冬的时空变化分析

根据暖冬等级国家标准, 参照单站、 区域暖冬等级标准, 确定了单站和区域冷冬等级, 在此基础上分析了1971-2010年西藏怒江流域9个站冷、 暖冬事件的气候变化特征. 结果表明: 近40 a怒江各站冬季平均气温表现出一致的增温趋势, 增幅为0.31~0.77 ℃·(10a)^-1, 以那曲增幅最大, 察隅升幅最小; 1991-2010年气温快速上升为0.81~2.36 ℃·(10a)^-1. 在10 a际尺度上, 2000年代是近40 a最暖期, 与1970年代比较各站偏高1.0~2.5 ℃. 区域暖冬指数也呈显著升高趋势, 线性趋势为19.6%·(10a)^-1, 明显高于东北、 华北、 西北、 华南等地. 流域单站暖冬频率为40%~58%, 强暖冬频率为15%~33%; 区域暖冬共发生21次(年), 主要出现在2000年代, 其中强暖冬事件共发生过9次(年); 2001、 2006和2009年是过去40 a中范围最广、 强度最大的暖冬. 流域单站冷冬频率为15%~28%, 强冷冬频率为5%~13%; 区域冷冬共发生了8次(年), 以1990年代居多, 其中区域强冷冬事件出现了4次(年); 1983年是40 a中范围最广、 强度最大的冷冬, 1978年次之.     

忻州市不同水文下垫面降雨径流关系特性分析

河川径流是降雨与水文下垫面共同作用的结果。但在同量级的降雨量和降雨强度下,不同的水文下垫面条件,其产流机理是截然不同的,甚至差异会很大。对山西省忻州市各类水文下垫面代表站降雨径流关系特性分析,最终得出不同水文下垫面具有不同降雨产流机理、年径流系数受到水文下垫面影响和同类水文下垫面植被影响年径流系数三个结论。     

Variability of Indian monsoon-ENSO relationship in a 1000-year MRI-CGCM2.2 simulation

There is a close relationship between interannual variability of the Indian summer monsoon rainfall and the El Niño/Southern Oscillation (ENSO) (drought conditions over India accompany warm ENSO events and vice versa). However, recent observations suggest a weakening of this ENSO-monsoon relationship that may be linked to global warming. We report here an analysis of the ENSO-monsoon relationship within the framework of a 1000-year control simulation of the MRI-coupled general circulation model (GCM), MRI-CGCM2.2. An overall correlation between the June-July-August (JJA) Nino3.4 sea surface temperature and the JJA Indian monsoon rainfall is –0.39, with reasonable circulation characteristics associated with the modeled ENSO. The simulated ENSO-monsoon relationship reveals long-term variations, from –0.71 to +0.07, in moving 31-year windows. This modulation in the ENSO-monsoon relationship is associated with decadal variability of the climate system.     

Application of principal component analysis to understand variability of rainfall

The usefulness of principal component analysis for understanding the temporal variability of monsoon rainfall is studied. Monthly rainfall data of Karnataka, spread on 50 stations for a period of 82 years have been analysed for interseasonal and interannual variabilities. A subset of the above data comprising 10 stations from the coherent west zone of Karnataka has also been investigated to bring out statistically significant interannual signals in the southwest monsoon rainfall. Conditional probabilities are proposed for a few above normal/below normal transitions. A sample prediction exercise for June–July using such a transition probability has been found to be successful.