虚拟站点在黑河流域降水模拟中的应用

降水作为气候系统的关键因素,也是影响区域植被生长以及生态变化规律的重要因子。本文针对黑河流域气象站点分布稀疏情况,采用信息熵及半变异函数理论构建该流域虚拟气象站点,并结合部分已有站点对整个流域降水进行插值模拟。信息熵可以计算每个站点降水值所包含的信息,通过联合熵以及条件熵来依次选取所含信息量多的站点,同时结合半变异函数模型来观察各站点之间的空间相关性,以此构建最优站点数据集。利用1991-2003年该流域15个气象台站的年平均降水量作为基础数据,考虑高程、坡度、坡向对降水的影响,对降水进行相关性分析,建立回归方程反演虚拟站点降水值。最后,采用协同克里金（Co-Kriging）与具有漂移的克里金（KED）方法对该流域进行插值,对比插值精度。结果表明,增加虚拟站点有效提高了降水插值精度,在该情况下使用KED方法插值结果与观测值最接近。     

滇池流域降水时空变异特征分析

降水是区域水资源形成的主要影响因素,其时空变化趋势也直接影响着各种生态系统的结构、服务功能及空间分布与演变。降水时空变异分析是认识区域水资源形成与时空演变的主要手段和方法。本文利用滇池流域及周边雨量站逐月数据,采用回归分析、距平、空间相关性分析、Mann-Kendall检验、Co-kriging插值及交叉验证等方法,对1953-1987年和2007-2012年2个时序系列的时空变异特征分析结果表明：（1）1953-1987年春、秋和冬季降水量有升高趋势,夏季呈减少趋势,但各季节的增减趋势不显著,2007-2012年春、夏、冬季呈减少趋势,秋季为增加趋势,近期降水量明显有减少趋势;（2）1953-1987年流域降水量呈现增加趋势（11.12 mm/10a）,大致经历下降-上升-下降过程,2007-2012年流域降水量呈显著的锯齿状减少趋势,处于枯水期;（3）1953-1987年各时段的雨量主要呈现负相关性（不显著）,2007-2012年间呈现正相关性,通过LISA统计分析认为,空间异质性随地理位置和时间而变化;（4）年均降水量与雨季降水量的空间分布特征基本相似,出现2个降水高值区和2个低值区对顶分布态势。但在2007-2012年,降水量的高值范围有所减少,低值区范围相应有所扩大。     

基于GIS的汉江流域水汽输送与降水时空模式研究

水汽输送及降水模式对流域水文模型及水资源研究具有重要意义。汉江流域水资源对南水北调以及下游生态环境有重要影响,研究汉江流域水汽输送和降水的时空分布特征是水文模拟和水资源环境管理的基础。本文利用NCEP/NCAR再分析资料和汉江流域19个气象站点的降水资料,以及GIS数据库和分析工具,分析了汉江流域的水汽通量、可降水量、实测降水量和降水转换率的计算方法;以汉江流域1998年7月的气候再分析资料和降水资料为例,计算并分析了汉江流域1998年7月可降水量与实测降水量的空间分布特征,以及降水转化率的分布特征;探讨了水汽输送、可降水量、实测降水量,以及降水转化率的相关性和空间分布特征。通过分析汉江流域1981-2010年的可降水量和实际降水量的分布表明,汉江流域可降水量与降水量变化趋势基本相同,降水转换率近年有所增加。     

河南省雨季降水时空变异特征分析

降水的时空变异分析是认识区域水资源形成与演变的重要方法。时空变异特征分析不仅可以系统地对降水的时间序列进行分析,而且能从空间上把握降水的分布格局。本文将河南省近51年雨季降水资料,结合数字高程模型(DEM),利用回归分析、空间自相关分析、空间插值模拟及交叉验证等,对河南省降水时空变异特征进行分析。结果表明:(1)河南省雨季降水整体来看呈增加趋势,近年来尤为明显;但9月份表现异常,呈下降趋势。(2)月降水量差异明显,最大降水量在7月份,平均达到178.3 mm;(3)在空间上降水呈现出明显的南多北少,东多西少的格局;有明显的集聚特点,在南部以罗山、潢川为中心形成降水丰沛聚集区,北部以辉县为中心形成降水稀少聚集区;林县、栾川和西峡表现为空间例外,明显高于相邻区域的降水量。     

流域水文模型研究的进展

流域水文模型是对流域上发生的水文过程进行模拟计算的数学模型 ,在水文过程模拟中 ,对流域内的产流 ,坡面汇流以及河道汇流过程的模拟是很重要的。坡面产汇流模型模拟从降水到流域产流和流域坡面汇流的水文子过程 ,河道演进模型模拟河网汇流水文子过程 ,现有的水文模型大多数是没有考虑水文变量和水文参数空间变化的概念性水文模型。随着地理信息技术的发展 ,考虑水文变量和水文参数空间变化的分布式水文模型得到了极大的重视与发展 ,而且 ,遥感技术的发展满足了分布式水文模型对空间信息的需求.     

利用广义三角帽法评估GRACE/GRACE-FO反演流域陆地水储量变化的不确定性北大核心CSCD

利用广义三角帽法评估5个最新版本GRACE/GRACE-FO时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的不确定性,并探讨地理位置、气候类型和流域面积对不确定性的影响。结果表明:1) COST-G、CSR、JPL、ITSG和GFZ时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的平均不确定性分别是0.41 cm、0.63 cm、0.66 cm、0.81 cm和0.97 cm;2)流域陆地水储量变化的不确定性与流域面积和地理位置存在较强的相关性,与气候类型的相关性较小;3)当观测数据质量较差时,不同模型反演的流域陆地水储量变化存在较大差异。     

地基GNSS区域电离层延迟实时格网算法研究

采用中国区域陆态网络跟踪站的GNSS数据,利用载波相位平滑后的组合伪距观测值提取电离层延迟,扣除由CODE产品确定的卫星硬件延迟,利用半变异函数确定VTEC的空间相关性以及由经验值确定的时间相关性,建立VTEC和接收机DCB的随机模型,实现区域电离层实时格网建模。结果表明,模型99.7%的残差分布在1 m以内,内符合精度约0.3 m。以IGS电离层GIM为参考,格网点VTEC周日变化特征与之符合较好。接收机硬件延迟比较稳定,日变化量在1.5 ns以内;利用IGS卫星硬件延迟和球谐系数,从原始观测信息中分离出区域测站接收机硬件延迟,以此为参考,周日均值较差在2 ns以内。     

金沙江流域年与季气候特征统计分析

利用金沙江流域30个气象站46年的气温与降水资料,运用线性相关分析法和小波分析法对金沙江流域的气温和降水在年与四季中的变化及空间分布特征进行分析。结果表明:流域的年均气温在20世纪90年代后呈明显上升趋势,冬季增温效应最明显;流域的降水量总体呈不明显的增加趋势,春冬两季的降水量变化较明显。至2006年后,除时间尺度6a以下,流域的气温在其他时间尺度上将处于偏高期。夏秋两季降水量在2006年后将处于偏低期,年、春冬两季降水量则将处于偏高期。流域的气温变化具有区域性差别,高值区与低值区分别位于流域的下游和上游地区;而降水的发生主要在流域的东北部。     

基于多尺度最小二乘支持向量机优化的克里金插值方法

克里金插值方法根据待估位置点、已知样本数据点的位置关系和区域化变量的空间相关性,实现空间加权估计,满足估计的无偏性和最优性。传统方法理论模型形状固定且选择具有人为主观性,无法反映空间数据的变化趋势及其空间多尺度特征。本文为解决上述问题,提出了一种基于多尺度最小二乘支持向量机优化的克里金插值方法,此方法为拟合实验变异函数提供了一种新的思路。从实际样本数据的变化趋势出发,采用最小二乘支持向量机拟合实验变异函数,并利用不同尺度小波核反映不同尺度下的空间变化。最后,实验环节包括模拟和应用,模拟主要验证经多尺度最小二乘支持向量机优化后插值方法的科学有效性以及准确性,应用主要研究青岛市PM_2.5浓度时空分布特征,为城市生态科学防护及控制提供理论依据。结果表明,基于多尺度最小二乘支持向量机优化的克里金插值方法能够更好地刻画变异函数,反映不同尺度下的空间变化细节,从而在一定程度上提高插值的精度,是一种可选的克里金插值方法。     

面向稀疏降水站点的套合各向异性贝叶斯地统计估计研究

由于形成过程中各种影响因素在不同尺度上的运行和相互作用,降水的空间变异普遍是发生在多尺度上地理过程叠加后的结果。建立较好地反映该动力学过程的多尺度复杂空间模型对于区域降水变量估计和空间分析是很有必要的,尤其是面向稀疏监测区域。贝叶斯地统计模型具有多尺度结构化建模的能力,提供了一种可以融合观测值（含有误差的外在实现）、未知变量、先验信息和复杂数据模型（隐藏的真实过程）的统计推断框架。鉴于降水现象在尺度和各向异性上的叠加特征,本研究将基于贝叶斯和地统计的理论和方法探讨二维随机场中存在的套合各向异性分解估计的可行性,并在对每个独立组分贡献定量计算的基础上,进一步分析和挖掘套合各向异性模型在降水插值中的应用潜力。结果表明：通过贝叶斯方法,稀疏数据中叠置的多尺度性和多方向性通过地统计套合模型可以得到有效的分解;复杂套合模型估计具有向下兼容简单套合模型的能力;套合各向异性协方差结构的使用对于区域降水插值的精度提升具有明显作用。     

基于TRMM数据的福建省降水时空格局BME插值分析

传统空间插值方法可获得福建省区域内降水的总体分布,但该地区气象站点较稀疏且分布不均,导致该区域内降水的空间插值结果误差较大。为提高插值精度,本文利用TRMM卫星数据以弥补站点数据的不足,尝试将TRMM数据作为"软数据"、台站数据作为"硬数据",两者相结合后采用贝叶斯最大熵(Bayesian Maximum Entropy,BME)方法对福建省降水的时空格局进行分析。以2000-2012年近13年20个气象站点的年降水量和月降水量为基础数据,分别利用普通克里格法(Ordinary Kriging,OK)和TRMM为"软数据"的BME插值法,分析福建省多年降水的时空分布格局,并对2种方法的插值结果进行比较。结果表明:在时空分布上,以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果能更好地体现降水的局部差异特征;在误差评价上,以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果的MAE和RMSE较小,表明TRMM数据作为"软数据"参与插值的BME方法可以在一定程度上弥补站点数据的不足,有效降低预测结果的绝对误差。通过对福建省降水插值的时空分布格局分析和误差评价可看出,BME插值法通过对基础台站数据,以及TRMM卫星产品数据的利用,使降水的时空分析结果更加真实客观,同时,为TRMM卫星降水数据的应用提供了一个新思路。     

Evaluating Spatial Heterogeneity of Land Surface Hydrothermal Conditions in the Heihe River Basin

Land surface hydrothermal conditions(LSHCs) reflect land surface moisture and heat conditions, and play an important role in energy and water cycles in soil-plant-atmosphere continuum. Based on comparison of four evaluation methods(namely, the classic statistical method, geostatistical method, information theory method, and fractal method), this study proposed a new scheme for evaluating the spatial heterogeneity of LSHCs. This scheme incorporates diverse remotely sensed surface parameters, e.g., leaf area index-LAI, the normalized difference vegetation index-NDVI, net radiation-Rn, and land surface temperature-LST. The LSHCs can be classified into three categories, namely homogeneous, moderately heterogeneous and highly heterogeneous based on the remotely sensed LAI data with a 30 m spatial resolution and the combination of normalized information entropy(S') and coefficient of variation(CV). Based on the evaluation scheme, the spatial heterogeneity of land surface hydrothermal conditions at six typical flux observation stations in the Heihe River Basin during the vegetation growing season were evaluated. The evaluation results were consistent with the land surface type characteristics exhibited by Google Earth imagery and spatial heterogeneity assessed by high resolution remote sensing evapotranspiration data. Impact factors such as precipitation and irrigation events, spatial resolutions of remote sensing data, heterogeneity in the vertical direction, topography and sparse vegetation could also affect the evaluation results. For instance, short-term changes(precipitation and irrigation events) in the spatial heterogeneity of LSHCs can be diagnosed by energy factors, while long-term changes can be indicated by vegetation factors. The spatial heterogeneity of LSHCs decreases when decreasing the spatial resolution of remote sensing data. The proposed evaluation scheme would be useful for the quantification of spatial heterogeneity of LSHCs over flux observation stations toward the global scale, and also contribute to the improvement of the accuracy of estimation and validation for remotely sensed(or model simulated) evapotranspiration.     

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日降水量的空间插值方法与应用对比分析——以深圳市为例

综合分析了四种空间插值方法,即距离权重倒数法、局部多项式法、普通克里金法和考虑海拔的协克里金法的特点,并以深圳市36个雨量站2006年雨季27天的日累计降水量数据为实例进行了研究和验证,采用交叉检验的方法对插值结果进行比较。研究表明,四种方法均能反映降水总体情况,但插值曲面相对真实曲面较平滑,距离权重倒数法的插值曲面最为平滑;多项指标比较显示,克里金法优于距离权重倒数法和局部多项式法。与普通克里金法相比,考虑海拔的协克里金法对插值精度没有明显提高。依照雨量站海拔、日均降水量分别对插值结果数据分组统计比较表明,海拔高的雨量站插值结果普遍大于实测结果,海拔低的雨量站则相反;日均降水量较大时(>50mm),插值误差明显增大。     

降雨事件对上海地铁通勤客流时空影响的精细尺度研究

全球气候变化背景下,降雨事件日益增多,严重影响城市交通和居民的日常出行。本文以上海市为例,基于分时降雨数据和地铁OD客流数据,运用Prophet时序模型拟合降雨事件下的客流常态值,从站点和OD二个维度定量评估降雨造成的地铁通勤客流变化时空格局。研究结果表明：① 通勤客流总体随小时雨量增大而下降,不同类型站点客流的降雨波动性呈现差异;降雨会造成进站客流的时间滞后性和堆积性,通勤出行需求越大的站点类型堆积效应越显著;由于出发时间弹性差异,不同时点客流的降雨敏感性也不同,7:00和17:00敏感性较高,8:00—9:00和18:00—19:00则相对刚性;② 降雨会造成行程时间≤15 min的短距离客流显著上升,总体增加7.3%,中长距离客流变化不明显,总体减少1.3%;在不同功能区之间,早高峰居住型→产业型的客流波动和时间堆积性最为显著,晚高峰商服型→居住型的返程客流波动性较低;早高峰降雨敏感性线路的起始站点多分布在大型居住区,晚高峰则位于大型产业园区和商业中心;晚高峰返程客流的波动性低于早高峰。尽管降雨事件对通勤客流总量影响不明显,但会造成局部空间区域和时点的客流激增。本文的研究方法与结果有助于量化降雨对地铁通勤客流的影响程度,并为空间化的交通运行保障提供决策依据。     

Optimization of groundwater level monitoring network using GIS-based geostatistical method and multi-parameter analysis: A case study in Wainganga Sub-basin,India

Groundwater is one of the most important resources, its monitoring and optimized management has now become the priority to satisfy the demand of rapidly increasing population. In many developing countries, optimized groundwater level monitoring networks are rarely designed to build up a strong groundwater level data base, and to reduce operation time and cost. The paper presents application of geostatistical method to optimize existing network of observation wells for 18 sub-watersheds within the Wainganga Sub-basin located in the central part of India. The average groundwater level fluctuation (GWLF) from 37 observation wells is compared with parameters like lineament density, recharge, density of irrigation wells, land use and hydrogeology (LiRDLH) of Wainganga Sub-basin and analyzed stochastically in Geographic Information System (GIS) environment using simple, ordinary, disjunctive and universal kriging methods. Semivariogram analyses have been performed separately for all kriging methods to fit the best theoretical model with experimental model. Results from gaussian, spherical, exponential and circular theoretical models were compared with those of experimental models obtained from the groundwater level data. Spatial analyses conclude that the exponential semivariogram model obtained from ordinary kriging gives the best fit model. Study demonstrates that ordinary kriging gives the optimal solution and additional number of observation wells can be added utilizing the error variance for optimal design of groundwater level monitoring networks. This study describes the use of Geostatistics methods in GIS to predict the groundwater level and upgrade groundwater level monitoring networks from the randomly distributed observation wells considering multiple parameters such as GWLF and LiRDLH. The method proposed in the present study is observed to be an efficient method for selecting observation well locations in a complex geological set up. The study concludes that minimum 82 wells are required for proper monitoring of groundwater level in the study area.     

降雨数据空间分辨率在城市流域洪峰变化分析中的影响

在气候变化和城市化背景下,城市暴雨的局部特征愈发明显,而降雨监测和预报数据空间分辨率难以满足空间分布描述要求,造成城市洪涝模拟和预测结果存在不确定性。本文选择深圳市城区的3个流域,基于118场实测降雨数据,通过逐步增大网格尺寸以达到降低降雨空间分辨率的效果,同时以流域边界作为限制,保证流域内面平均雨量不变,然后将不同空间分辨率的降雨数据分别作为城市洪涝模型的输入条件,对流域出口断面的洪水过程进行模拟计算,每场降雨得到6种不同空间分辨率下的洪峰流量。结合降雨中心、流域几何中心等空间特征参数,分析降雨空间分辨率对流域洪峰的影响。研究结果表明,针对118场实测降雨,随着降雨数据空间分辨率逐渐降低,3个流域的出口断面的洪峰变化幅度逐渐增大;如果忽略了流域内部降雨数据的空间分布差异,洪峰变化幅度和方向与降雨中心和流域几何中心的空间关系具有相关性,降雨中心在流域几何中心上游方向的距离越大,洪峰降低的幅度越大。本文基于3个城市流域得到了相似的研究结论,研究方法可为城市流域洪涝模拟提供借鉴,研究结果可为河道洪水风险评价提供参考。     

Characteristics of rainfall erosivity based on tropical rainfall measuring mission data in Tibet, China

Rainfall erosivity in Tibet from 2000 to 2OlO was estimated based on simplified erosion prediction model using daily rainfall data derived from the Tropical Rainfall Measurement Misssion （TRMM） 3B42 rainfall measurement algorithm. Semi- monthly erosive rainfall and rainfall erosivity were validated using weather station data. The spatial distribution of annual rainfall erosivity as well as its seasonal and annual variation in Tibet was also examined. Results showed that TRMM 3B42 data could serve as an alternative data source to estimate rainfall erosivity in the area where only data from sparsely distributed weather stations are available. The spatial distribution of rainfall erosivity in Tibet generally resembles the distribution of multi-year average of annual rainfall. Annual rainfall erosivity in Tibet decreased from the southeast to the northwest. The concentration degree of rainfall erosivity shows an increasing trend from the southeast to the northwest. High rainfall erosivity accompanies low rainfall erosivity concentration degree and vice versa. Rainfall erosivity increased in the middle and western Tibet and decreased in the southeastern Tibet during the 11 years of this study.     

基于BP神经网络的地磁变化场预测研究

以现有地磁台站的长期海量观测数据为基础,忽略地磁场成因及众多影响因素的复杂作用机理,对地磁变化场的时空关联性进行分析,挖掘数据中蕴含的规律信息,进一步构建基于BP神经网络的地磁变化场预测模型。通过实际地磁台站的观测数据对模型预测结果进行验证,结果表明,对于任意选取的100组验证数据,均方根误差为4.8 nT,求解精度能够满足一般科学研究对地磁变化场的精度需求。