中国降水混沌识别及空间聚类

0-1混沌测试方法是一种新的可直接作用于时间序列的混沌识别方法,不需要进行相空间重构,通过对Chebyshev映射的检验验证了有效性。运用0-1方法对中国640个气象站1960-2011年月降水序列进行混沌识别,并运用基于密度的顾及非空间属性的空间聚类方法（DBSC）对计算结果进行空间聚类。结果表明,各气象站月降水序列均表现出明显的混沌特性,且K值的空间分布具有明显的分区特征：从大尺度上看,全国可分为西北高值区、南方次高区、华北-东北中值区和青藏低值区;从小尺度上看,全国分出了29个空间簇。中国降水混沌空间聚类结果不仅与大尺度的气候类型分布相吻合,而且也反映了局部降水动力系统变化特征,这就为降水系统的时空规律研究提供了一条新的途径和方法。     

TRMM降水产品在天山及周边地区的适用性研究

资料稀缺地区的面雨量估算是水文学研究中的热点和难点问题。遥感逐渐成为解决这一问题的重要手段。拟以天山及周边地区为典型区,利用TRMM降水资料,探讨其适用性。利用研究区2000~2010年TRMM数据与区域内21个气象站的站点观测数据进行对比分析,通过不同时间尺度(月、季、年)和空间尺度的差异对比分析表明,在时间尺度上,相关系数均在0.7以上;在空间尺度上,其相对误差大部分在-40%~40%之间;最后对二者进行多项式拟合,确定性系数均在0.7以上,达到了显著相关水平。表明TRMM降水数据在天山山区有很好的适用性。研究结果对干旱区无资料区的水文过程研究具有重要应用价值。     

引洮供水工程水源区年降水量多时间尺度波动特性分析

为了研究引洮供水工程未来的水资源供给问题,以引洮供水工程水源区的岷县气象站为例,应用EEMD方法对该站1951~2013年的年降水量系列进行多时间尺度分解,以分析其在不同时间尺度上所具有的波动特性,预计在21世纪的前半叶,岷县站年降水量将呈增加趋势,所得结果对于引洮供水工程的调度和管理工作具有一定的参考价值。     

混沌序列WA-VOLTERRA耦合模型在月降水量预测中的应用

由于月降水量时间序列含有大量噪声, 并表现出明显的混沌特性, 现有预测模型均存在一定程度的不足.基于混沌理论的小波分析-VOLTERRA级数自适应(WA-VOLTERRA)耦合预测模型, 在对月降水量时间序列进行混沌特性识别的基础上, 先用小波分析对月降水序列进行时频分解, 再分别对各频率分量进行相空间重构并用3阶VOLTERRA级数自适应模型建模预测, 最后综合得到原始序列的预测值.以相近区域杭州市和南通市的月降水序列为例, 并通过与小波分析-支持向量机(WA-SVM)模型进行比较, 发现该模型具有较强的适用性和更高的预测精度.      

珠江流域降水干湿时空特征及气候因子影响研究

利用模糊C-均值聚类算法、皮尔逊相关和滑动相关分析等方法,对珠江流域做了气候一致性分析,在此基础上,研究了珠江流域不同分区年降水和干湿季降水变化的时空特征,分析了区域干湿变化与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和太平洋10年涛动(PDO)等主要气候因子的遥相关关系,探讨了珠江流域干湿变化的气候成因。在此基础上,进一步研究上述气候指标对不同时间尺度干湿变化影响的平稳性与差异性。除此之外,还研究了气候指标的冷暖期对基于6个月SPI值的珠江流域干湿状态的影响。研究表明:(1)IOD、NAO和ENSO分别是导致珠江流域年降水、湿季降水和干季降水发生变化的主要影响因素,且对当年及下一年降水的影响是相反的。(2)珠江流域不同时间尺度的降水与对其有显著影响的气候指标(年降水与IOD,湿季降水与NAO,干季降水与ENSO),两者之间不同时期的滑动相关往往具有较强的相关性和前后相关一致性。(3)各气候指标对珠江流域不同时间尺度降水的影响在空间分布上不太均匀。(4)不同位相下气候指标对珠江流域干湿状态的影响存在较大差异。总体而言,当处于各气候指标暖期时珠江流域出现湿润期的概率较冷期时更大且在空间分布上更均匀。     

洪水混沌特性初步研究

混沌与随机是本质上不同的两种特性。区分产生洪水过程系统的混沌性和随机性是进行洪水模拟和预测的基础。从洪水时间序列出发,通过非线性动力系统重构和信息提取识别其基本特征。初步结果表明,洪水时间序列具有混沌动力系统的一些特征,即存在具有较低分维值、正的Lyapunov指数和Kolomogolov熵的奇怪吸引子,从而表明看起来异常复杂的洪水现象可能是由内在的非线性动力系统演化的结果。     

广西降水非均匀性多尺度特征与综合评价

针对广西降水时空分配不均、旱涝灾害频发的现象,开展降水非均匀性多尺度特征和综合评价,可为区域应对旱涝灾害及水资源智慧管理提供科学支撑。基于1961—2017年广西87个格点的逐日降水资料,采用降水集中度(PCD)、降水集中期(PCP)指数构建日、候、旬、月、季多时间尺度的降水非均匀性等级评价体系,借助R/S分析和地理空间分析方法讨论了广西时空演变和气候分区特征。研究表明:日、候、旬尺度的PCD和PCP时空变化特征相对一致,较月、季尺度更能表达广西降水的非均匀性特征;广西降水的PCD历时变化在东北地区主要呈现递增趋势,而在西南地区主要呈递减趋势,其未来一段时期的变化趋势与历时演变相同;广西降水的PCD空间分布存在显著的空间自相关性和分层异质性,主要表现在PCD的均值、变异系数和发生频率上;广西降水的综合非均匀性总体呈现东北部地区高度分散、南部地区高度集中、西北和中部地区则为轻度集中或分散的分布格局。月以内的时间尺度是表达广西降水非均匀性的最佳尺度,若要考虑侯、旬尺度更加稳定和日尺度更加精细的优势,则采用候尺度进行逐日滑动计算分析将是最佳方式。     

基于小波变换的北京地区1724～2009年降水量多尺度分析

基于小波分析方法,对1724~2009年北京气象站年降水量序列的变化特征进行了分析。结果表明,北京地区年降水量在其计算时域内各时间尺度分布不均匀,具有明显的局部化特征;其中,19~23a的时间尺度,震荡中心分别在1889年和1979年;35~37a左右的时间尺度主要发生在1920~1928年、1950~1960年和1983~1991年;83~87a的时间尺度在整个计算时域上均有发生,1769~1859年间表现明显。分析结果显示北京地区年降水量具有21a、35a和86a左右的主周期,其中86a左右的周期振荡最强,为第一主周期。计算的趋势表明,未来10余年北京仍属于降水偏少的时期。     

1956—2016年中国年降水量及其年内分配演变特征

为分析中国降水时空演变格局,本文在月尺度上对水利部门与国家基本气象站的降水量监测数据进行融合,针对融合后的4 177个站点,使用趋势分析、突变检验和年内分配向量法等方法分析了集中度、集中期和最大4个月累积降水量占全年之比等多个指数的分布格局,分析了1956—2016年中国年降水系列的趋势性和突变性特征,以及降水年内分配过程的时空演变。主要结论如下：(1)中国降水时空分布不均,自东南到西北,年降水量总体递减,降水年内分布集中度递增;站点年降水量序列的变化趋势呈现较强的地带性,自东南到西北呈“增—减—增”的3个条带;显著增加条带分别位于东南和西部地区,显著减少的条带位于中部,从东北地区向西南绵延至边境;年降水序列的趋势性变化大多伴随着突变,发生在20世纪80年代的站点最多。(2)沿200 mm和400 mm年降水量等值线,中国北方出现1个“汛期降水减少”条带,但其时间尺度效应较强;在月尺度上,站点汛期降水占比下降,非汛期降水占比增加;而在日尺度上则相反,连续3～7 d累积降水量的波幅加大,表明降水事件的极端程度在增强。(3)降水序列变化与径流的同步性较好,中国西北和东南地区年降水量呈增加趋...     

混沌时间序列支持向量机模型及其在径流预测中应用

以重构相空间理论为基础,探讨了混沌时间序列的支持向量机预测模型建模的思路、特点及关键参数的选取。利用饱和关联维数法进行相空间重构,并运用改进小数据量法计算最大Lyapunov指数,对宜昌站月径流时间序列进行混沌特性识别。在运用混沌时间序列的支持向量机模型对月径流预测的应用中,引入了径向基核函数,简化了非线性问题的求解过程。实例表明,该模型能较好地处理复杂的水文序列,具有较高的泛化能力和很好的预测精度。     

城市化对上海市区域降水的影响

随着城市化进程加快,城市局地气候特征发生改变,降水的变化尤为显著.采用同时期不同站横向对比,不同时期同站纵向对比的方法对上海市城区及郊区代表雨量站1979～2007年降水时间序列进行研究,分析表明城区的年降雨量、汛期降雨量、主汛期降雨量、月降雨量等均存在较明显的增雨效应,且降雨在年内的分配有向主汛期集中的趋势.城区的梅雨及台风雨增雨明显,城市化对不同类型降雨的影响随降水量级的升高而逐渐显著.城市化使城区的强对流及灾害性天气增多,防洪排涝压力增大,在进行城市规划时应充分予以考虑.     

南洞地下河月径流时间序列的混沌特征及预测

利用基于相空间重构技术、混沌识别与预测理论对1993-2013年南洞地下河月径流时间序列的非线性特征进行了分析,由所获得的延迟时间和最佳嵌入维数实现了月径流时间序列的相空间重构,运用饱和关联维数法和小数据量法计算出南洞地下河月径流时间序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数,并运用Volterra模型对南洞地下河月径流时间序列进行了多步预测研究。研究结果表明,南洞地下河月径流时间序列相空间重构的延迟时间和最佳嵌入维数分别为τ=5、m=8,饱和关联维数D和最大Lyapunov指数λ分别为4.63、0.748 9,从定性和定量的角度证明了南洞地下河月径流时间序列具有弱混沌特征。Volterra自适应滤波模型的预测结果能较好地表征南洞地下河月径流的变化趋势和规律,对18个月内的短期预测精度较高,模拟效果较好。      

我国过去50a来降水变化趋势及其对水资源的影响(Ⅱ):月系列

应用全国范围内的678个气象站1951-1998年长系列逐月降水资料, 用线性回归方法研究降水量的变化趋势, 同时结合长江、黄河和松花江主要控制水文站同期的径流资料, 研究径流对气候变化的响应. 结果表明: 降水的年内变化表现出较大的区域特性, 最显著的变化特点是秋冬季 (8～12月) 东部地区降水量普遍减少, 1～3月江南地区降水有增加趋势. 气候的上述变化趋势对我国干旱的西北地区有利, 该区河流径流量有明显增加; 另一方面, 夏季降水的增加可能会导致洪水事件的濒发, 与此同时, 降水量的年内不均匀变化, 特别是在 8～12月长时间的降水减少趋势, 导致枯水期径流的减少, 从而加剧秋冬季水资源的供需矛盾. 长江、黄河和松花江主要控制水文站6个站1～4月径流基本上表现为增加趋势, 而6～12月大多表现为减少趋势, 只有黄河上游唐乃亥站6月, 长江下游大通站7月和松花江哈尔滨站8月径流为增加; 另外, 气候变暖使发源于青藏高原的长江(宜昌站3、 4月)和黄河上游(唐乃亥站4～6月)的春季的融雪过程提前, 融雪期径流增加.     

近50年大凌河流域径流变化特征分析

以大凌河流域3个水文站的径流资料和15个雨量站的降水资料为基础,利用多指标、多方法分析了近50年大凌河流域径流的年内和年际变化特征。结果表明:大凌河流域径流年内分配不均匀,主要集中在7、8月份;径流年际变化大。近50年来,大凌河流域年径流量呈显著减少趋势,流域径流量在1981年出现明显的减少突变,自然因素和人类活动特别是大量水利工程的修建是造成径流变化的重要因素。     

黑龙江省汛期逐时降水的时空变化特征分析

利用黑龙江省1961-2014年逐时降水资料,采用线性倾向估计方法分析了汛期（5-9月）降水量、降水频率、降水强度以及不同持续时间降水的时空变化特征.结果表明：汛期逐时累积降水量平均为430.0 mm,高值区集中在松嫩平原东部和南部以及小兴安岭南部;降水频率平均为297.2 h,仅在省西部的齐齐哈尔、大庆和绥化等地以及哈尔滨西部地区偏少,其余地区台站均在300 h以上;降水强度平均在1.2~1.7 mm·h^-1之间,增加趋势显著（P<0.01）,空间分布与降水频率分布相反;全省多数台站的汛期降水量、降水频率趋势变化不明显,但却有39%的台站降水强度增加明显.汛期降水量的日变化呈单峰型,超过半数的降水集中在11：00-22：00;降水频率的日变化表现出双峰型,00：00-04：00和13：00-19：00为高值区间;降水强度的日变化也呈单峰型,高值区间集中在13：00-18：00.全省的降水事件中短历时降水优势明显,降水量占总降水量的46.7%,降水历时占全部降水历时的49%;持续5~6 h的降水雨强最强,其次是持续3~4 h降水雨强,最弱的是持续1~2 h的降水雨强.     

华北地区大气降水稳定同位素特征与水汽来源

选取华北地区的包头,石家庄,天津,太原IAEA/WMO/GNIP大气降水的氢氧同位素组成的资料,分析了华北地区降水稳定同位素的时空分布特征及其影响因素.研究表明:华北地区降水中的δ18O值都表现出明显的“夏高冬低”的季风气候特征,夏季表现雨量效应,冬季温度效应明显;华北各地区降水线方程与全国及全球降水线相比,斜率和截距都偏小,揭示了华北地区降水是在非瑞利条件下进行的,并且除天津外,其他地区稳定同位素特征还受到降水过程中局地水汽循环的影响;d值总体表现出冬高夏低的季节变化特征,说明了冬季风和夏季风期间降水的水源区蒸发条件不同.     

珠江流域降水周期特征分析

运用小波分析方法,研究了珠江流域全年、汛期(4～9月)和非汛期(10～翌年3月)三种降水序列时间周期演变特征,结果表明:(1)珠江流域不同区域降水周期不一,大体可分成三个片区,周期尺度分别为6～8a、12～14a和20～21a;(2)珠江流域全年与汛期降水周期以年际变化为主,且两者降水周期分布一致;非汛期降水周期以年代际变化为主,与全年及汛期的降水周期差异较大。     

兰州市降水同位素变化特征及影响因素

利用2018年4月至2021年4月在兰州市4个站点收集到的349个降水事件样品,对兰州市降水同位素的变化特征和影响因素进行了研究。结果表明：兰州市降水同位素表现出夏季高冬季低的季节变化特征,并且夏半年降水同位素的空间变异性比冬半年显著。兰州市的大气降水线为δ²H=7.34δ¹⁸O+7.28（R²=0.96,P<0.01）,反映了兰州较为干旱的气候特点。在影响因素方面,兰州市降水同位素表现出温度效应。后向轨迹表明,兰州市夏半年降水受到季风水汽和西风带水汽的影响,冬半年降水主要来自于西风带水汽的输送;利用潜在源贡献因子（PSCF）分析法和浓度权重轨迹（CWT）分析法发现,潜在蒸发源区在夏半年主要分布在兰州东部区域,而冬半年几乎不存在潜在蒸发源区。此外,在夏半年,降水事件前几天的对流活动会对降水同位素产生综合影响,累积时间与对流活动的强度及频率有关,在季风初期和末期累积时间较长,季风强盛期较短;在冬半年,降水事件前几天的温度会对降水同位素产生综合影响,累积时间受到冷空气南下频率的影响。以上认识将为季风边缘区水循环过程的研究提供新的视角。