淮河流域极值降水的统计参数特征及在水文频率分析中的意义

以淮河流域为研究区域,利用线性矩精确求解极值降水统计特征值,为极值降水频率估计值的计算提供理论基础和依据.主要结果表明：淮河流域各站点的年最大日降雨量（Annual Maximum Precipitation,AMP）的均值和离差范围分别为92.79~130.28 mm和0.193~0.266;各站点的AMP分布都为右偏分布,即至少有一半以上的AMP值是小于平均值的,有少数的AMP值远大于平均值,且对平均值的影响较大;各站点的分布相对于正态分布而言,都属于尖峰厚尾.极值降水统计特征值的空间分布表明：大值主要分布在流域的西南山区和东部丘陵地带,即这些地方具有更多更强的AMP极值.极值降水统计参数不仅能够反映AMP的一般平均水平和年际AMP的波动情况,还能更好地掌握AMP的两端分布情况,特别是尾端的暴雨极值.因此分析极值降水统计参数可以给洪涝灾害提供很好的指导.     

海河流域近60 a降水极值的频率分析及时空分布特征

以海河流域为研究区域,利用MK和F检验对站点的年最大日降雨序列进行趋势、突变和跳跃分析。基于水文气象分区线性矩法进行一致区的划分、最优分布的选择和降水极值的频率估计值计算,并分析其空间分布特征。结果表明:MK趋势和突变检验显示只有8个站点(22.9%)呈现显著下降趋势,通过了信度为0.1的显著性水平检验,特别是京津唐区域具有显著的下降趋势,突变时段主要发生在1980-1990年。均值和方差的跳跃性显示大部分站点都呈现出显著的向下跳跃,主要分布在流域的滦河子流域和北三河水系;趋势和跳跃的综合分析能够对降水极值有可能引起的旱涝灾害进行更全面合理的判断。不同重现期下的频率估计值的空间分布总体趋势一致,从东南到西北、从沿海到内陆逐渐减少,并与地形表现出很好的一致性;降水极值空间分布的中心主要集中在滦河子流域的遵化和青龙附近;大部分站点50 a一遇的估计值和AMP序列的最大观测值能够保持较好的一致性,间接反映了估计值的合理准确性。     

重庆主城区暴雨强度公式推算和应用探讨

根据重庆市主城区沙坪坝、北碚、巴南、渝北站1981-2013年逐分钟降水资料,基于年最大值和年多个样法两种数据采样方式,采用皮尔逊Ⅲ型分布、耿贝尔分布和指数分布曲线拟合,分别编制了暴雨强度公式。结果表明:年最大值法取样推求的暴雨强度值在10 a以下重现期部分小于年多个样法,在11-30 a重现期部分两者差别小,在31-100 a重现期部分年最大值法大于年多个样法。4站均以年多个样法取样推求的暴雨强度公式误差最小。巴南和北碚选用1981-2013年、渝北与沙坪坝选用1991-2013年降水数据根据年多个样法取样采用指数分布曲线拟合推算的暴雨强度公式。通过分析各历时降水量空间分布特征,划定了新编暴雨强度公式在重庆主城区的适用范围。     

基于区域历史回归法的雷州半岛火箭增雨作业效果检验

利用ERA5再分析资料,区域自动站雨量资料以及双偏振雷达基数据,采用区域历史回归方法,对2020年7月4日雷州半岛火箭人工增雨作业进行物理检验和统计检验。结果表明:作业后作业区域云系云冰含量大幅增加,强回波区面积增大,回波顶高度升高,平均回波强度显著增加。选取1971—2000年作业影响区和对比区逐年7月的平均日降水量资料作为历史样本建立回归公式,结合作业当天区域自动站的雨量资料,计算得出日降水量和作业后3 h累积降水量的绝对增雨量分别为11.07 mm和2.32 mm,相对增雨率分别为51.08%和38.73%,均通过了置信水平为α=0.05显著性检验。因此,雷州半岛开展人工增雨作业对缓解气象干旱,满足水库蓄水等有重要意义。     

基于EMD和BP算法的降水数据插补

为解决气温观测记录缺测的问题,选择反距离权重插值（Inverse Distance Weighted,IDW）、普通克里金插值（Ordinary Kriging,OK）和多元线性回归（Multiple Linear Regression,MLR）三种方法,以湖北省2020年为例,对全省逐日平均气温（T）、最高气温（T_max）和最低气温（T_min）进行空间插补,并采用平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）对3种方法的插补结果进行检验。结果表明：用MLR插补得到的T_max、T_min、T的MAE最小,分别为0.41℃、0.31℃和0.20℃,其中T的插补误差在1℃以内的站点比例高达100%;相比IDW和OK,MLR插补结果的MAE空间分布均匀,其不仅随海拔高度变化较小,随季节变化也相对较小。单站试验结果表明,当用于MLR模型的样本数量越多、时间离散度越大时,MLR对气温的插补效果越好。总体上,对日气温缺测数据的插补效果,MLR最优,IDW次之,OK最差;对于建立气象站点长时间连续气温数据集而言,MLR更适合解决区域自动气象站日气温数据缺测问题。

     

Regional Frequency Analysis of Observed Sub-Daily Rainfall Maxima over Eastern China

Based on hourly rainfall observational data from 442 stations during 1960–2014, a regional frequency analysis of the annual maxima(AM) sub-daily rainfall series(1-, 2-, 3-, 6-, 12-, and 24-h rainfall, using a moving window approach) for eastern China was conducted. Eastern China was divided into 13 homogeneous regions: Northeast(NE1, NE2), Central(C), Central North(CN1, CN2), Central East(CE1, CE2, CE3), Southeast(SE1, SE2, SE3, SE4), and Southwest(SW).The generalized extreme value performed best for the AM series in regions NE, C, CN2, CE1, CE2, SE2, and SW, and the generalized logistic distribution was appropriate in the other regions. Maximum return levels were in the SE4 region, with value ranges of 80–270 mm(1-h to 24-h rainfall) and 108–390 mm(1-h to 24-h rainfall) for 20- and 100 yr, respectively.Minimum return levels were in the CN1 and NE1 regions, with values of 37–104 mm and 53–140 mm for 20 and 100 yr,respectively. Comparing return levels using the optimal and commonly used Pearson-III distribution, the mean return-level differences in eastern China for 1–24-h rainfall varied from-3–4 mm to-23–11 mm(-10%–10%) for 20-yr events, reaching-6–26 mm(-10%–30%) and-10–133 mm(-10%–90%) for 100-yr events. In view of the large differences in estimated return levels, more attention should be given to frequency analysis of sub-daily rainfall over China, for improved water management and disaster reduction.     

数据处理方法对中国区域平均降水序列精度的影响

利用地面观测站点资料研究大范围地区的降水长期变化规律,选取不同的指标会使分析结果出现显著差异。利用中国大陆区域内2139个国家站的逐日降水资料,比较不同数据处理方法得到全国和中国西部、中国东部地区的降水量、降水日数和降水强度的区域平均时间序列,探讨对其变化趋势估算的偏差。研究表明,1951—1957年估算的中国区域平均降水量原始值出现虚假的偏高,使趋势估算出现较大误差;1951—2016年中国西部地区平均降水量距平百分率时间序列的波动幅度显著偏大;区域平均降水量、降水日数和降水强度的距平和标准化距平序列较为可信。全国平均降水量、降水日数的原始值和距平值序列都基本反映了中国东部湿润地区降水的变化,降水量距平百分率的变化主要由西部干燥区域的降水变化构成,降水量标准化距平则可综合反映湿润和干燥地区的降水变化。     

统计降尺度方法在天津小时降水和气温精细化预报中的应用

基于ECWMF模式预报数据对2018年3—11月降水和2 m温度进行统计降尺度,利用先频率匹配法、再阈值法对插值后的降水订正,利用Kalman滤波型的递减平均统计降尺度法对插值后的温度订正,最终获得逐小时降水量和温度的预报。结果表明：(1)对于晴雨预报准确率,绝大多数预报时效频率匹配法和阈值法均对其有明显提高,前者最大改进幅度可达20%以上。对于相对误差,阈值法对空报现象有较显著改进。对于1 h降雨量大于等于20 mm的短时强降水,频率匹配法订正后的TS评分有明显提高。对2018年“安比”台风事件,除具有以上改进效果外,频率匹配法提高了降水主体形态和量级的预报水平,阈值法对空报站订正正确。(2)对于温度的ECWMF模式预报检验,几乎在任何预报时效内都是3月的绝对误差最大。通过Kalman滤波型的递减平均统计降尺度法后,各月的绝对误差都有不同程度减小。总体上,订正后的绝对误差曲线仍具有订正前的周期性波动,波峰、波谷位置也与订正前基本一致,且绝对误差越大,订正幅度越大。个例分析也表明订正后保留了温度预报空间分布的准确性,且绝对误差有明显下降。     

基于频率匹配法和最优TS评分法的降水预报订正效果对比

利用2020年1月1日—2023年1月2日ECMWF、NCEP模式降水预报资料和眉山地区降水观测资料,采用频率匹配法（Frequency Matching Method,FM）、最优TS评分法（Optimal Threat Score,OTS）对ECMWF和NCEP的模式降水预报进行订正,对比检验评分和预报个例,并验证两种方法的适用性。结果表明：FM、OTS订正明显改善了小雨空报和暴雨漏报,提高了晴雨预报准确率、小雨ETS评分、暴雨TS评分,且OTS优于FM;FM可能出现参考数据与实况数据有较大偏差的情况,从而影响订正效果,OTS则不受参考数据的影响;数值模式降水的预报偏度明显大于1或小于1时,FM、OTS订正效果越好;FM、OTS难以订正小雨漏报、暴雨空报,也难以对降水差值较大的空漏报或降水落区偏差进行订正。     

基于全球及区域气候模式的江苏省降水变化趋势预估

利用气象观测资料,8个全球耦合气候系统模式的集合平均以及区域气候模式(RegCM4)的结果,通过方差分析、相关分析、趋势分析、扰动法等方法对模式性能进行了评估,并对江苏省在未来RCP8.5高端排放情景下降水的变化趋势进行了预估。结果表明,在RCP8.5情景下,至2020、2030和2050年,全球模式模拟的江苏省年平均降水在未来有逐渐增加的趋势,线性增加率约为7 mm/(10 a)。至2050年,江苏省年平均降水量将增加2%左右;区域模式模拟的年平均降水在未来线性增加率为1.5 mm/(10 a),变化不显著。区域模式模拟的夏季降水在未来有所增加,最多可增加20%～30%,但增幅随时间逐渐减小;全球模式模拟的夏季降水比现在有所减少,至2050年,减少了大约10%。区域模式模拟的冬季降水在未来不同时间段均比现在有所减少,同现在相比,最多可减少30%～40%;而全球模式模拟的冬季降水在未来则是先减少,后增加,至2050年,比现在大约增加10%。对于不同季节,总体而言,南部地区降水量的变化较北部地区显著。对于极端降水事件来说,江苏省未来小雨日数将减少,而暴雨日数则微弱增加。但由于全球模式本身的性能、区域模式对全球模式的依赖性以及温室气体排放的不确定性使上述预估结果仍具有不确定性。     

基于微波资料的乌鲁木齐春季两次强降水相态对比分析

利用常规观测、自动站逐小时观测及微波辐射计等资料,对比分析2018年3月17—18日和4月11—12日（简称“0318”过程和“0411”过程）乌鲁木齐两次强雨雪天气成因。结果表明：两次过程均发生在两脊一槽的环流背景下,中亚低槽东移影响北疆,乌鲁木齐附近中高层槽前西南气流、低层西北气流及风切变是强降水维持的环流配置,且 “0411”过程中亚低槽及高低空风场强度均较“0318”过程明显偏强,其强弱可作为降水量级的重要参考。乌鲁木齐微波辐射资料分析表明,两个过程均在1.2—1.5 km温度变化趋势一致,均为雨转雨夹雪温度比雨夹雪转雪略高,但0—1.2 km,“0318”过程雨转雨夹雪温度比雨夹雪转雪低,“0411” 过程则相反;地面气温-0.4~0.5℃、1.5 km温度-2.5～-3.0 ℃,可作为雨雪相态转换的参考指标。3 km以下水汽密度和液态水含量值纯雪最大,雨夹雪转雪次之,雨转雨夹雪最小;4 km以下湿度均＞80%,且“0411” 过程的高湿区和伸展高度均较“0318”过程明显偏大偏高;两次过程强降雪时水汽密度最大达10.6～12 g·m-3、液态水含量最大达0.4～0.8 g·m-3。