雅鲁藏布江流域多源降水产品评估及其在水文模拟中的应用

论文对比分析了1980—2016年基于站点插值降水数据CMA(China Meteorological Administration)和APHRODITE(Asian Precipitation-Highly-Resolved Observational Data Integration Towards Evaluation)、卫星遥感降水数据PERSIANN-CDR(Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Network-Climate Data Record)和GPM(Global Precipitation Measurement)、大气再分析数据GLDAS(Global Land Data Assimilation System)以及区域气候模式输出数据HAR(High Asia Refined analysis)在雅鲁藏布江7个子流域的降水时空描述,利用国家气象站点数据对各套降水数据进行单点验证,并以这6套降水数据驱动VIC(Variable Infiltration Capacity)大尺度陆面水文模型反向评估了各套降水产品在雅鲁藏布江各子流域径流模拟中的应用潜力。结果表明：① PERSIANN-CDR和GLDAS年均降水量最高(770~790 mm),其次是HAR和GPM(650~660 mm),CMA和APHRODITE年均降水量最低(460~500 mm)。除GPM外,其他降水产品在各子流域都能表现季风流域的降水特征,约70%~90%的年降水量集中在6—9月份。② 除PERSIANN-CDR和GLDAS外,其他降水产品皆捕捉到流域降水自东南向西北递减的空间分布特征。其中,HAR数据空间分辨率最高,表现出更详细的流域内部降水空间分布特征。③ 与对应网格内的国家气象站降水数据对比显示,APHRODITE、GPM和HAR降水整体低估(低估10%~30%),且严重低估的站点主要集中在下游(低估40%~120%)。PERSIANN-CDR和GLDAS整体表现为高估上游流域站点降水(高估28%~60%),但低估下游流域站点降水(低估11%~21%)。④ 在流域径流模拟上,当前的6套降水产品在精度或时段上仍无法满足水文模型模拟的需求。⑤ 通过水文模型反向评估,6套降水产品中区域气候模式输出的HAR在流域平均降水量和季节分配上更合理。     

雅鲁藏布江流域不同源降水数据质量对比研究

本文以雅鲁藏布江流域为研究区,利用13个气象站点的实测降水量数据在年和月尺度上验证了中国地面降水网格数据、CRU(Climatic Research Unit)降水数据和GLDAS(Global Land Data Assimilation System)降水数据的精度,并分析了不同源数据降水量年际变化特征和概率分布特性之间的差异。结果表明：4种不同来源的降水数据均存在一定程度的差异。年尺度和月尺度上中国地面降水网格数据与实测降水量数值最接近;而CRU降水数据和GLDAS降水数据与实测降水量相差较大,在使用时需谨慎。从空间差异性看,年尺度上CRU降水数据在每个站点与实测降水数据的相关性均高于GLDAS降水数据,说明前者的空间一致性较好,但相对误差却比GLDAS降水数据大。从年内变化趋势看,中国地面降水网格数据能较好地反映流域降水月尺度的变化特征,CRU降水数据则在流域大部分地区的汛期时段都存在明显的高估,而GLDAS数据无法反映月降水变化趋势,年内坦化现象十分显著。从年际变化特征看,中国地面降水网格数据能较好地反映实际降水量的年际变化特征,而GLDAS降水数据和CRU降水数据反映的降水量年际变化特征偏小,其中GLDAS数据的坦化现象更严重,会高估低降水值,低估高降水值。从降水概率分布情况来看,3种来源的降水数据均不能反映站点实测的极端降水事件。     

不同源降水数据在天山南坡阿克苏河流域适用性分析

降水是水热循环以及气候变化研究的重要环节,降水资料的准确与否直接影响流域尺度的水文过程研究。本文基于2000-2015年天山南坡阿克苏河流域气象站点观测降水数据,对比分析了Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）降水数据集和Global Land Data Assimilation System（GLDAS）两种具有代表性的降水格网数据集在阿克苏河流域的适用性。结果表明：TRMM3B43数据在阿克苏河流域的整体表现优于GLDAS-2数据。两种数据的精度在月尺度上表现最优,相关系数分别为0.938和0.901,通过了0.01的显著性检验;在季节尺度,TRMM3B43数据各季节与站点插值的拟合度要优于GLDAS-2数据,但二者均呈现出高估冷季降水而低估暖季降水的趋势;在年尺度上,两种数据表现较差。在空间分布上,两种数据类型均能够反映出阿克苏河流域降水自西北向东南递减的空间分布趋势。并且两种数据在平原区的表现均优于山区,低估高海拔地区降水而高估低海拔地区的降水。     

Comparison analysis of sampling methods to estimate regional precipitation based on the Kriging interpolation methods: A case of northwestern China

The accuracy of spatial interpolation of precipitation data is determined by the actual spatial variability of the precipitation, the interpolation method, and the distribution of observatories whose selections are particularly important. In this paper, three spatial sampling programs, including spatial random sampling, spatial stratified sampling, and spatial sandwich sampling, are used to analyze the data from meteorological stations of northwestern China. We compared the accuracy of ordinary Kriging interpolation methods on the basis of the sampling results. The error values of the regional annual precipitation interpolation based on spatial sandwich sampling, including ME(0.1513), RMSE(95.91), ASE(101.84), MSE(-0.0036), and RMSSE(1.0397), were optimal under the premise of abundant prior knowledge. The result of spatial stratified sampling was poor, and spatial random sampling was even worse. Spatial sandwich sampling was the best sampling method, which minimized the error of regional precipitation estimation. It had a higher degree of accuracy compared with the other two methods and a wider scope of application.     

基于CMIP5模式的干旱内陆河流域未来气候变化预估

我国西北干旱半干旱地区水资源短缺、生态环境脆弱,未来气候变化预估对水资源管理具有重要的现实意义。以黑河流域为研究区,基于1960-2014年月值NCEP再分析资料与气象要素实测资料,建立逐步回归降尺度模型;针对模型不足,提出一种补充逐步回归降尺度模型;经2006-2014年CMIP5中CNRM-CM5模式的区域适用性评价,选取适宜模型进行2016-2060年CNRM-CM5模式下的流域未来气候变化预估。主要结论为：（1）补充逐步回归模型的模拟效果总体要好于逐步回归模型,两模型对流域气温的模拟效果要好于降水。（2）降尺度模型的CNRMCM5模式适用性评价表明,RCP4.5与RCP8.5路径下,补充回归模型的适用性总体好于逐步回归模型。（3）两种路径下,黑河流域上中游未来年均降水量分别为324.94 mm、330.15 mm,未来流域降水分布的不均匀性增强。（4）两种路径下黑河流域中下游未来年均气温分别为10.25℃、10.77℃。     

How is the precipitation distributed vertically in arid mountain region of Northwest China?

Precipitation in the arid region of Northwest China (NWC) shows high spatial and temporal variability,in large part because of the region's complex topography and moisture conditions.However,rain gauges in the area are sparse,and most are located at altitudes below 2000 m,which limits our understanding of precipitation at higher altitudes.Interpolated precipitation products and satellite-based datasets with high spatiotemporal resolution can potentially be a substitute for rain gauge data.In this study,the spatial and temporal proper-ties of precipitation in the arid region of NWC were analyzed using two gridded precipitation products:SURF_CLI_CHN_PRE_DAY_GRID_0.5 (CHN) and Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B43.The CHN and TRMM 3B43 data showed that in summer,precipitation was more concentrated in southern Xinjiang than in northern Xinjiang,and the opposite was true in winter.The largest difference in precipitation between mountainous areas and plains appeared in summer.High-elevation areas with high precipitation showed more stable annual precipitation.Different sub-regions showed distinctive precipitation distributions with elevation,and both datasets showed that the maximum precipitation zone appeared at high altitude.     

四套全球网格降水数据集在伊朗的适用性评估

伊朗由于其独特的地理位置和脆弱的生态环境一直以来都是气候变化研究的热点区域,降水作为伊朗水资源的重要来源对生态环境和社会经济发展尤为重要,因此评估降水数据集的适用性是进行科学研究的基础。本文利用伊朗1988—2017年103个观测站的年降水数据（OBS）,以平均偏差（Mean Error,ME）、均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）、相关系数（correlation coefficient,R）对Global Precipitation Climatology Centre（GPCC）V2020、Climatic Research Unit（CRU）TS 4.05、Terrestrial Air Temperature and Precipitation: Monthly and Annual Time Series（UDEL）V5.01和NOAA's Precipitation Reconstruction over Land（PREC）四套全球网格降水数据集在伊朗的适用性进行评估,并进一步分析了地形对不同数据集精度的影响。研究结果显示：① GPCC降水数据偏差最小,与观测数据相关性最高,最适合伊朗现代气候变化研究。② GPCC、CRU、和UDEL均能反映伊朗降水的基本特征,但普遍会低估降水高值,PREC数据不能准确反映伊朗降水的空间分布模态,因此使用PREC数据分析伊朗降水特征时应当谨慎。③ 海拔和坡度对ME、RMSE以及R有一定影响,坡向对数据集精度影响不大。以上结论可为四套数据的订正及其在伊朗地区气候变化研究中的应用提供科学依据。     

基于TRMM 3B43产品的1998—2016年黄淮海平原降水时空特征研究

以黄淮海平原为研究区,基于59个气象站点的逐月降水数据,采用相关系数（R）、相对误差（BIAS）和均方根误差（RMSE）对TRMM 3B43降水产品的精度进行系统评估,揭示黄淮海平原降水的时空变化规律。研究表明：① TRMM 3B43产品对研究区内大部分气象站点存在轻微高估现象,总体上TRMM产品和站点数据在黄淮海平原的拟合效果较好,且月尺度的精度较年尺度高;② 1998—2016年黄淮海平原年降水和秋季降水增加明显,其余季节降水呈不同程度的减少趋势;③ 研究区降水在空间上呈从南到北递减的趋势,且南北降水差距较大。研究结果为卫星降水产品在中纬度地区水资源评估、农业生产和洪旱灾害等研究提供一定的参考。     

海河流域夏季降水关键区季内演变及其环流配置的定量化分析

海河流域夏季降水的空间分布具有明显的季节内变化特征,利用海河流域148个地面气象台站逐日降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了流域夏季各月降水关键区的分布变化以及与其对应的大气环流系统的季内配置差异,并定量计算了主要环流系统对季内各月关键区降水的影响作用大小。结果表明：海河流域夏季降水关键区稳定表现出一种季节内变化,即以海河流域东北部滦河和北三河下游台站降水贡献率最大值区为轴心,从初夏（6月）至盛夏（7月和8月）,降水关键区在季节内呈顺时针移动,由海河流域东北部移至流域东部和南部再移至流域东部和中部。初夏,东北冷涡活动对流域关键区降水影响最显著,相对贡献率达69.6%;盛夏7月,流域关键区降水异常主要和西太平洋副热带高压（西太副高）脊线位置有关,其相对贡献率在60%以上;8月,西太副高脊线和东亚夏季风指数对流域关键区降水的相对贡献大小相当。海河流域降水关键区在夏季各月的分布变化,与这些环流系统的季内变化路径（南北摆动或向北推进）具有很好的一致性。     

TRMM降水数据在中天山区域的精度评估分析

 遥感降水产品能反映降水的时空分布变化,对于资料稀缺的西北干旱区生态水文研究有重大意义。TRMM卫星降水资料在热带湿润地区有大量应用,但要将其用于我国西北干旱半干旱气候地区,还需对该数据产品在质量进行评估。选择干旱区内陆的新疆天山中部为研究区,并以周边15个台站的实测数据为依据对TRMM3B42降水数据质量进行评价。结果表明：（1）TRMM3B42数据对日降水事件的估计准确率较低,但是总体上暖季好于冷季,相对于较大的降水,对发生量小的降水估计更为准确;在暖季高估量小降水,低估量大降水,冷季则相反;（2）月降水情况来看,天山南坡两站与北坡的规律不符;对北坡山区降水估计的精度好于平原区,并且精度与海拔呈抛物线分布,降水越大的区域精度越高;偏差量的年内分布在各海拔区域之内一致性较好,但区域之间规律各有特点;（3）从年降水量来看,TRMM降水整体低于站点观测值,并且差量随着高程具有抛物线分布的特征。总之,该降水产品的质量总体上不高,但是其偏差在时间和空间上具有一定的规律性,该数据在干旱区的应用需要进一步校准处理。     

Spatial and temporal variability of daily precipitation in Haihe River basin, 1958–2007

The seasonal variability and spatial distribution of precipitation are the main cause of flood and drought events. The study of spatial distribution and temporal trend of precipitation in river basins has been paid more and more attention. However, in China, the precipitation data are measured by weather stations (WS) of China Meteorological Administration and hydrological rain gauges (RG) of national and local hydrology bureau. The WS data usually have long record with fewer stations, while the RG data usually have short record with more stations. The consistency and correlation of these two data sets have not been well understood. In this paper, the precipitation data from 30 weather stations for 1958–2007 and 248 rain gauges for 1995–2004 in the Haihe River basin are examined and compared using linear regression, 5-year moving average, Mann-Kendall trend analysis, Kolmogorov-Smirnov test, Z test and F test methods. The results show that the annual precipitation from both WS and RG records are normally distributed with minor difference in the mean value and variance. It is statistically feasible to extend the precipitation of RG by WS data sets. Using the extended precipitation data, the detailed spatial distribution of the annual and seasonal precipitation amounts as well as their temporal trends are calculated and mapped. The various distribution maps produced in the study show that for the whole basin the precipitation of 1958–2007 has been decreasing except for spring season. The decline trend is significant in summer, and this trend is stronger after the 1980s. The annual and seasonal precipitation amounts and changing trends are different in different regions and seasons. The precipitation is decreasing from south to north, from coastal zone to inland area.     

青藏高原降水季节分配的空间变化特征

青藏高原是全球气候变化影响的敏感区域。在全球气候变暖的背景下,其水文气候过程发生了显著的变化,直接影响到区域水资源演化。然而,目前对该区域水文气候过程的时空演变规律仍认识不足。本文以青藏高原气象站点降水观测数据为基准,结合水汽通量资料,对13种不同源降水数据集质量进行对比分析;并选用质量较好的IGSNRR数据集识别了青藏高原降水季节分配特征的空间分布格局。结果表明,青藏高原东南、西南以及西北边缘地区降水集中度和集中期较小,夏季降水占全年降水比例不足50%;随着逐渐向高原腹地推进,降水集中度和集中期逐渐增大,雨季逐渐缩短且推迟,雨季降水占全年降水比例逐渐增大。降水季节分配的空间分布格局与水汽运移方向保持一致,即主要是由西风和印度洋季风的影响所致。基于此,识别出西风的影响区域主要位于高原35°N以北,印度洋季风的影响区域主要位于高原约30°N以南,而高原中部(30°N~35°N)降水受到西风和印度洋季风的共同影响。该结果有助于进一步理解和认识青藏高原水文气候过程空间差异性。     

不同时间尺度、季节的气温数据空间平稳特征及其对插值结果的影响

不同时间尺度、季节的气温数据表现出不同的空间平稳特征。为探讨分析空间平稳性对气温插值的影响规律,采用趋势线法对气温数据进行空间平稳性探索,并对比分析不同空间平稳性条件下,普通线性回归、普通克里格、回归克里格的气温插值精度及插值结果的空间分布特点。结果显示：冬季日均、月均气温与年均气温呈现空间非平稳,插值精度随时间序列的增长而提高,随着气温数据逐渐趋于稳定,精度提高的幅度逐渐下降;夏季日均、月均气温呈现空间平稳,随时间序列的增长,插值精度的提高并不显著;夏季日均气温各插值方法的插值精度普遍高于冬季日均气温。与普通克里格相比,回归克里格能有效提高空间非平稳数据的插值精度。时间序列的增长削弱了不同插值算法之间的插值精度差异和插值结果空间分布差异。     

基于径流对气候变化敏感性指标的多源数据质量评估

准确评估径流对气候变化的敏感性对水资源管理至关重要。多源气象水文数据集已被广泛应用于径流对气候变化敏感性的分析中,但目前尚无研究从径流敏感性的角度评价不同数据集。基于中国6个不同气候条件流域的实测气象水文资料,本文计算了径流对降水和潜在蒸散发变化的敏感性,并以此为基准评估4类数据集GLDAS、ISIMIP2a、ISIMIP2b、CMIP6 共45套子数据集的径流敏感性模拟效果。结果表明：GLDAS数据集模拟精度较低,CMIP6、ISIMIP2a、ISIMIP2b数据集模拟精度差异较小;3套子数据集ISIMIP2a中的CLM4.0、CMIP6中的UKESM1-0-LL、MIROC6在6个流域均具有较好的径流敏感性模拟效果,可适用于不同气候条件下的径流敏感性模拟与演化趋势分析。本文研究结果可为气候变化影响下中国稀缺资料流域的径流和水资源变化预估提供参考。     

CFSR、ERA-Interim和MERRA降水资料在中亚地区的适用性

利用中亚1979-2011年间162个观测站点月降水数据（OBS）,以平均偏差（MBE）、相关系数（R）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）对CFSR、ERA-Interim和MERRA气象再分析降水数据在中亚地区的适用性进行评估。结果表明：（1）3套数据的模拟效果存在明显差异。其中MERRA的模拟精度最高（R=0.71）,ERA-Interim次之（R=0.53）,CFSR最低（R=0.50）;体现出3套数据不同的同化方案和数据源导致模拟效果的不同;（2）降水的年内变化上,3套再分析数据之间具有较好的一致性,但对[OBS]均表现出高估,并且对强降水月份（3,4月）高估幅度最大;（3）3套数据对海拔500～1 000 m地区的降水模拟精度最好,超过1 000 m后,随海拔升高模拟精度下降。以上规律可为3套数据的订正及其在中亚地区气候变化研究中的应用提供科学依据。     

库姆塔格沙漠周边地区极端降水的时空变化特征

根据中国气象局信息中心提供的库姆塔格沙漠周边地区20个气象站1960-2014年逐日降水量资料,分析了库姆塔格沙漠周边地区1960-2014年极端降水的时空变化特征。结果表明：（1）库姆塔格沙漠周边地区极端降水主要集中在夏季且存在很大的地域性差异。（2）1960-2014年库姆塔格沙漠周边地区极端降水事件、年大雨频次、年大降水事件降水量和年降水量显著增加。（3）库姆塔格沙漠周边地区西部极端降水主要由频数很少的暴雨贡献,而东部极端降水则由暴雨和大雨共同贡献。（4）库姆塔格沙漠周边地区极端降水指数在夏季和年尺度的空间分布相似,且强降水指数在年和夏季尺度的空间分布均呈“鞍型场”型。     

The influence of climate change and human activities on runoff in the middle reaches of the Huaihe River Basin,China

This study presents a soil and water integrated model (SWIM) and associated statistical analyses for the Huaihe River Basin (HRB) based on daily meteorological, river runoff, and water resource data encompassing the period between 1959 and 2015. The aim of this research is to quantitatively analyze the rate of contribution of upstream runoff to that of the midstream as well as the influence of climate change and human activities in this section of the river. Our goal is to explain why extreme precipitation is concentrated in the upper reaches of the HRB while floods tend to occur frequently in the middle reaches of this river basin. Results show that the rate of contribution of precipitation to runoff in the upper reaches of the HRB is significantly higher than temperature. Data show that the maximum contribution rate of upstream runoff to that of the midstream can be as high as 2.23%, while the contribution of temperature is just 0.38%. In contrast, the rate of contribution of human activities to runoff is 87.20% in the middle reaches of the HRB, while that due to climate change is 12.80%. Frequent flood disasters therefore occur in the middle reaches of the HRB because of the combined effects of extreme precipitation in the upper reaches and human activities in the middle sections.     

代表性人口空间分布数据集的精度评价——以2010年广东省为例

以人口密度差异显著的广东省为研究区,比较Worldpop、GPW v4和2种中国公里网格人口分布数据集的空间分布一致性,并以第六次全国人口普查数据为真值,按人口密度分为高、中、低3组,从误差的数值分布和空间分布两方面定量评价4种数据集的精度,最后讨论估算误差的可能来源及数据适用性。结果表明,4种网格人口数据集中Worldpop整体精度最高,且在人口密集区的精度也是最高;GPW v4在低人口密度和中人口密度区域精度略高于Worldpop,但对镇街内人口分布细节刻画不够详细;2种中国公里网格人口分布数据集精度较前两者低,主要受空间化方法和模型变量的选择所限制。Worldpop适合用于人口密度中等及人口密度高区域的精细化研究,GPW v4适合用于长时序、最小研究单元大于镇街的研究,第一种中国公里网格人口分布数据集适合用于需要考虑镇街内人口分布和空间异质性的研究,第二种中国公里网格人口分布数据集适用于需要考虑人口分布细节和空间格局变化的长时序研究。     

基于多种高分辨率卫星数据的TRMM降水数据降尺度研究——以内蒙古地区为例

利用内蒙古地区2001~2010年42个站点实测降水数据作为“真值”,采用LOO（Leave-One-Out）交叉验证、多元逐步回归等方法,构建TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水数据与地形及气候等要素之间的多元回归关系,在此基础上,利用回归值+残差值的方法,获得空间分辨率为1 km×1 km的TRMM年降水数据,并对降尺度TRMM数据进行精度检验。研究表明：① TRMM数据可用于区域年降水量估计,且与实测年降水量呈显著线性关系;② 通过建立不同年份、不同空间分辨率TRMM数据与其它遥感数据的多元统计模型,研究发现在中尺度下TRMM与观测年降水数据拟合效果较好,且在空间分辨率为0.50°×0.50°时的拟合效果最好;③ 降尺度分析提高了TRMM数据对研究区降水时空特征的描述能力,确定性系数、标准误差和偏差均有明显改善,表明降尺度算法在将TRMM降水数据空间分辨率提高到1 km×1 km的同时,并能提高降水数据的精度。     

黄河中上游流域夏季异常降水的变化特征及环流分析

 从中国气象局信息中心提供的全国地面台站逐日观测资料中选取黄河中上游流域66 个台站资料,结合NCEP/NCAR再分析资料,运用小波分析等统计方法,对黄河中上游流域夏季降水异常的变化特征、周期分布及影响降水的因子进行分析,研究结果表明：（1）流域旱涝年夏季降水空间分布上差异显著,易涝区位于河套平原,易旱区位于黄土高原东北部;（2）1960-2008年,流域夏季降水量线性趋势变化不明显,但年际间波动较大,多雨年少雨年相间出现,近50 a中降水整体呈现平稳—少雨—多雨—平稳—多雨—少雨的过程;（3）黄河中上游流域降水变化周期复杂多样,总体以2 a周期振荡为主,异常少雨年多表现为9 a周期振荡,异常多雨年多表现为15 a周期振荡,且流域主周期的空间分布可能与地形地貌、海拔高度及流域分布等地理因素有关;（4）丰、枯雨年环流形式差异显著,影响流域降水的环流系统有季风,西太平洋副高,温带气旋及贝加尔湖低压。