可用于陆面过程模型的地形指数水文模型中简化参数化方案的研究

在全球气候系统模型中,陆面水文过程对提高模拟精度有显著作用.土壤水分空间非均匀分布对于蒸发和径流的计算以及能量在潜热和感热之间的分配具有重要的影响,但现有的多数陆面过程模式未能考虑土壤水分水平非均匀性的影响.地形指数模型以其较好的物理基础、参数少、计算量小,且能考虑地形变化对土壤水分非均匀分布影响等优点,使其有潜力模拟陆面过程中水分过程分布非均匀二维特性.目前地形指数水文模型已被推荐应用于陆面过程模式(Land surface models,LSMs)中以改进对陆面水文过程的模拟能力.在地形指数模型中,数据的空间分辨率、河道的起始临界值、非饱和区域的分区和空间各点的坡度等因子不同的确定,都能对模拟结果产生重要影响,对它们如何合理地给定,既不降低模型精度,又能省时、省资源是十分重要的.本研究通过大量的敏感性模拟试验,较系统地探讨上述参数不同的确定方案对流域水量平衡模拟结果的影响.主要结论有:(1)将流域按地形指数值大小分为16块与仅区分饱和区与非饱和区或仅区分饱和区、较湿润区和较干区3块模拟结果相差不大,因此将地形指数模型应用于陆面模式时仅区分饱和区与非饱和区或区分饱和区、较湿润区和较干区3块这种简化方案也许是一种可行的选择;(2)不考虑坡度会扭曲水量平衡各要素的计算,用一个平均坡度替代实际坡度的办法就会有比较接近了实际坡度的结果.因此,LSM模型中一维均匀的网格做法应该改进,但太细致的坡度取法也许没必要.以上结论可为今后发展用于陆面模式的大尺度水文模型提供依据.     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

陆面模式SSiB耦合TOPMODEL对流域水文模拟影响的数值试验

为了检验陆面模式SSiB耦合TOPMODEL模型对流域水量平衡模拟结果的影响,用原始SSiB与TOPMODEL按饱和区和非饱和区两种方案耦合的耦合模型(下称SSiBT)进行长江下游青弋江流域水文的数值试验,通过耦合模型与原始SSiB模式模拟结果的比较,并利用流域实测逐日流量和水量平衡资料,揭示了流域水文模拟结果对SSiB耦合TOPMODEL的响应和原因.结果表明:(1)与原始SSiB的模拟结果相比,SSiBT增加了土壤湿度的模拟结果和各层土壤湿度之间的差异,流域蒸散发增加而总径流减小.(2)原始SSiB不能准确地将径流在地表径流和基流之间分配,对于较小的土壤饱和导水率,原始SSiB产生过多的地表径流和洪峰流量;对于较大的土壤饱和导水率又产生过多的基流和明显偏小的洪峰流量.(3)即使土壤饱和导水率大到不会产生超渗产流,由于饱和区的存在,SSiBT在洪水期间也能产生足够大的地表径流,从而形成洪峰流量.由于考虑了地形引起的土壤湿度空间非均匀形成的饱和区产流,SSiBT改善了雨季逐日流量的模拟结果.     

陆面气象要素非均匀分布对模式计算的影响及其参数化初步探讨

为改进陆面过程的参数化，初步探讨了模式中陆面气象要素次网格尺度不均匀性分布对模拟计算结果的影响。应用平均化方法初步探讨陆面过程的参数化，并分析了气象要素次网格尺度不均匀性分布对计算结果的影响特征。结果表明，次网格尺度不均匀性分布对模式的计算结果会产生一定的偏差，可用平均化方法对陆面过程次网格尺度不均匀性分布进行初步参数化。     

数字高程模型不确定性对地形参数和TOPMODEL的影响

数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是基础数据,数据本身不可避免地存在不确定性.不确定性会随着传播而累积,从而影响DEM应用结果的可靠性.从DEM不确定性传播的角度,利用蒙特卡罗模拟技术研究了DEM不确定性传播对坡度、上坡集水面积、地形指数和TOPMODEL模型的影响,发现DEM不确定性传播对坡度、上坡集水面积和地形指数有一定的影响,对上坡集水面积影响最大,对地形指数影响最小;但DEM不确定性传播对TOPMODEL模型影响甚微.     

细网格推算流域面雨量方法应用浅析

介绍了流域细网格化的划分、在不固定测站条件下通过距离权重插补网格结点的雨 量和流域面雨量计算的方法，以及利用API函数(GetPixel)统计流域内网格结点的技术。     

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。     

计算非均匀地表通量的一种简化PDF及其应用

提出描述地表非均匀特性的简化概率密度函数（PDF），它可代替各种具体的PDF用于求解次网格尺度平均通量而不影响其精度，这种简化PDF可直接加入陆面过程模式方程组中进行陆－气通量交换的数值试验。它对非均匀地表陆面过程参数化具有一定的普适性。本文仅讨论了对称分布的简化计算（非对称分布另文讨论），列举了非均匀分布的观测事实，并以地表净红外辐射通量计算为例，详细验证了应用这种简化PDF的可行性和可靠性。     

甘肃省各流域降水量的GIS模块插值估计与改进

考虑了我国西部流域降水量的主要因素,应用GIS插值模块及其改进方法以甘肃省为例对不同流域单元区年平均降水量进行插值估计,并进行了分析对比.改进方法是:根据气象台站海拔高度面与数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)之间的海拔高度差,并以流域地形坡面、不同流域单元降水的垂直变化率为参数,引入ArcGis的 Spline、IDW、Kriging 3个模块进行插值.结果表明:与气象站降水量统计值相比,这不仅更有效地表达降水量空间分布变异程度,而且通过调整参数和反复验证可有效地提高插值精度,以弥补西部流域气象台站稀少所造成的数据空白,避免某些方法或模型(如PRISM)对上述流域降水模拟估计值偏小的不足.     

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.     

基于转移累计概率分布统计降尺度方法的未来降水预估研究:以湖南省为例

基于最新一代CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式历史情景和未来RCP4.5情景下的模式逐日降水数据,使用转移累计概率分布（CDF-t）统计降尺度方法,从空间变化和时间变率两个方面评估该降尺度方法对湖南日降水量模拟能力的改善效果,并在此基础上对未来降水量变化进行预估。结果表明, CMIP5气候模式由于分辨率较低,无法细致反映湖南地形变化和大气环流影响导致的区域降水变化特征。经过CDF-t统计降尺度处理之后,模式对湖南降水的时、空分布模拟与实况更为接近,绝大部分模式对降水空间结构的模拟能力都有显著提高。基于CDF-t统计降尺度的多模式集合预估结果表明,21世纪湖南省日降水量呈弱的增多趋势（0.95%/（10 a））。21世纪初、中和末期相对于1986—2005年的气候平均态,湖南省日降水量分别增加了4.6%、5%和5.2%。3个时期湖南省日平均降水变化的空间分布存在较强的一致性,皆表现为湖南西北、东北和东南3个地区降水增幅最为显著,且随着辐射强迫的增大,3个地区降水增幅也呈递增趋势。需要指出的是,预估结果在模式之间存在一定差异,并且这种差异随着辐射强迫的增大而增大。      

卫星遥感结合地面资料对区域表面动量粗糙度的估算

利用地面湍流观测资料估算了黑河实验区几个典型下垫面的局地地表动量粗糙度，与卫星观测Landsat TM资料相结合得到了由标准化差值植被指数(NDVI)计算地表动量粗糙度的经验关系式，进而估算了实验区夏季和近冬季的地表粗糙度的区域分布，并对所得关系式进行了合理性检验。     

气候概率分布理论的新内涵及其展望

近年来,国内外学者关于气候概率分布理论和应用的研究已经取得了许多新的成果,本文简要回顾近年来这一领域已经发展起来的新内涵,并提出未来可能的研究设想。     

天文气候中的两个分布函数

研究了任何时刻,地球表面上看到的太阳所在的高度恰好是高度角h的情况占了多大面积的问题。结论是这个面积与高度角h的余弦成正比例。还研究了任何时刻,地球表面接收的不同太阳天文（没有经过大气的吸收）辐射强度各占多少面积的问题,结论是对应昼半球,不同辐射强度所占据的面积是相同的。     

基于T639集合预报的持续性强降水中期客观预报技术研究

针对持续性强降水预报困难的问题,根据Anderson-Darling检验原理,构建基于中国气象局T639集合预报系统的持续性强降水中期客观预报方法。对比分析2010-2015年5-9月T639集合预报降水与实况降水的累积概率分布函数差异,在此基础上采用扩展时间序列和空间范围的方法构建3种模式气候累积概率方案,通过批量预报试验和检验,选取最优概率方案纳入预报模型,考察持续性强降水个例的最长预报时间。结果表明,随着预报时效的延长,集合预报模式的降水逐渐集中于小和中雨量级,无降水和暴雨以上量级的降水概率低于观测,168 h以后模式降水概率趋于稳定。通过扩展时间序列和空间范围能弥补模式气候资料年限不足所带来的偏差,根据区域气候特征细分模式气候的方法重点突出了不同区域的降水特征,明显优于简单集合所有区域数据的模式气候方案。基于集合预报的持续性强降水预报模型对持续性强降水个例的预报能力为8-9 d,随着预报时效的延长,降水强度以及雨带位置的预报能力逐渐减弱。      

Excel中的常用分布函数及其在气候统计中的应用

介绍了 Excel中常用分布函数 FDIST、FINV、CHIDIST、CHINV、TDIST、TINV及其在统计分析中的应用方法 ,既解决了查表方法中插值的繁琐、不能准确检验的难题 ,又克服了编程计算的麻烦 ,这种方法非常适合在气候统计分析中应用     

天津地区雷电流幅值及累积概率分布特征

为研究天津地区雷电流幅值特征,选取2008—2018年ADTD闪电定位数据,研究分析了雷电流幅值时间分布特征和累积概率分布特征。结果表明:天津地区11 a间共计发生闪电106474次,负闪占比89.26%,远高于正闪;雷电流幅值主要集中在2—100 kA,占闪电总数的97.76%,160—200 kA范围内的闪电次数较少,平均正闪电流强度明显大于负闪电流强度;雷电流强度季节特征较为显著,正闪雷电流强度呈双峰分布,负闪雷电流强度分布较为平均,春季正闪活动频繁,秋季次之,夏季负闪频发,冬季雷电活动发生较少,以正闪居多;雷电流高于25 kA时,正闪电流幅值累积概率显著高于负闪,低于25 kA时,负闪电流幅值累积概率高于正闪。负闪电流幅值的累积概率分布与总闪更为接近,与正闪分布差异显著,闪电总数电流累计概率分布主要受负闪影响。通过对比分析发现IEEE工作组(电气与电子工程师协会)推荐的累积概率分布函数更适合于天津地区,特别是雷电流幅值在25—55 kA范围内时,累积概率与推荐公式基本相同。将天津地区雷电流幅值累积概率公式尝试应用于雷电灾害风险评估中,可为精准确定雷电灾害风险评估参数P_(B)取值,精确计算雷击建筑物损失风险提供参考。     

衢州市雾天气的成因分析和预报研究

利用1980—2017年逐日雾观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,采用统计学、天气学、累积频率等方法分析了衢州市雾日的时空分布特征及雾预报方法。结果表明:①衢州市雾的空间分布呈北多南少、山区明显多于平原的特征;雾出现时间主要集中在冬春季,83.2%的雾出现在23时—次日09时,峰值在06时;②容易导致衢州出现区域性雾的地面天气类型有4类:冷锋前暖区型、大陆高压型、入海高压后部型和低槽型;500 hPa高空环流形势有3种:低槽型、高压脊型和纬向气流型;③雾发生前一天对流层低层小风、高湿并伴有逆温,其中低槽型雾逆温层接地,其他3种类型逆温层抬离地面;④用累积频率法定量给出了雾出现的相对湿度、风速、逆温的阈值与消空指标。⑤经过两年使用,该预报模型预报准确率达71.2%,具有较强的预报价值。     

多年平均年降水量的面积分布律

通过对全国，新疆，天山乌鲁木齐河流域三种不同区域多年平均年降水量的计算分析发现，在这三种区域里，多年平均年降水量与其占有的面积之间丰同一种函数关系－我指分布函数关系。这一关系式的得出，有助于（１）定量地描述某一气候区的降水气候状况。并且，这种对问题的提法既不太粗，也不太细，而是只提降水量为某一值的区域占有多大的比例；（３）根据河水径流深估计无雨量站区域的多年降水量和计算水文气象学中的一些参数。     

1980-2003年京、津、冀地区大气能见度变化趋势研究

利用京、津、冀88个气象站1980—2003年能见度、相对湿度和天气现象等气象要素资料,剔除气象因素对能见度的影响,采用累积百分率和Ridit两种方法,分析了由于人为空气污染所造成的区域大气能见度变化趋势。结果表明,24年来京、津、冀大部分地区能见度呈下降趋势,其中沧州、廊坊、天津、衡水和邯郸五地区下降趋势最为明显。四个季节中,夏季下降趋势最显著。1995年以后,京、津、冀能见度低值主要出现在石家庄、邢台、邯郸、廊坊、天津和沧州地区,而北京市能见度出现明显上升趋势。2001—2003年大部分地区能见度仍呈下降趋势,夏季和冬季下降趋势最为明显,河北省西南部太行山地区能见度最差。将区域能见度趋势与同期能源消耗量和机动车趋势进行对比,结果表明,大气能见度趋势与能源消耗和机动车增长存在很好的相关性。