基于CLDAS-Prcp多源融合降水产品的WRF-Hydro模式在綦江流域的水文效用

为了提升对中小尺度流域的径流模拟和洪水预报能力,给防灾减灾和科学研究提供参考依据,本文评估了CLDAS-Prcp多源融合降水产品在中小尺度流域中的水文效用以及WRF-Hydro模式在中小尺度流域中的模拟效果。首先利用CLDAS-Prcp多源融合降水产品和IMERG-Final多源融合降水产品分析了綦江流域7个典型洪水个例中的累计降水量空间分布特征以及小时面雨量时序变化特征,再利用两种多源融合降水产品分别驱动WRF-Hydro模式对綦江流域7个典型的洪水个例进行模拟,并与实测径流量进行对比分析。结果表明：（1）CLDAS-Prcp在累计降水量空间分布上比IMERG-Final刻画出了更多的细节,大值落区和降水总量上也更为准确;两种降水产品都能较好地刻画流域小时面雨量在洪水时段的变化趋势,CLDAS-Prcp在面雨量峰值以及变化趋势上更贴近观测数据。（2）基于CLDAS-Prcp多源融合降水产品的4场径流模拟中,有3场径流模拟的纳什系数高于0.9,表现优异;基于IMERG-Final多源融合降水产品的4场径流模拟中,除20200622号洪水事件外,其余场次模拟的纳什系数皆低于0.7,说明基...     

基于隐马尔可夫模型的中小河流致灾雨量阈值研究

基于数字高程模型(digital elevation model,DEM)高程数据和D8算法实现了湖南中小河流流域子流域划分。利用洪水预报网络传播模型,构建中小河流各子流域径流拓扑结构并提出了空间子流域等效面雨量的概念。基于等效面雨量序列和径流观测序列,构建了基于时空概念的隐马尔可夫降水-径流模型,并利用该模型计算了中小河流各子流域不同时间尺度条件下暴雨致灾临界面雨量阈值,最后利用2010—2015年实况资料对阈值进行检验,结果证明相比传统统计法,新方法的计算结果与传统方法结果一致且具有很好的准确性和稳定性。基于2015年6月的一次暴雨灾害预报,证明了该方法适应于业务化运行。     

在雷达测雨和洪水预报中自适应卡尔曼滤波法的应用

采用自适应的卡尔曼滤波方法，运用少量雨量计对雷达估测降水进行了校正，结合新安江水文模型和GAME／HUBEX项目1998年在史灌河流域观测的水文资料，对6月28日08：00～7月5日20：00史灌河流域的一次洪水过程进行预报，并与雨量计网测量的面雨量预报结果进行对比。比较结果表明，经过校正后的雷达估测雨量和雨量计测量的面雨量都能较好地预报出流域出口蒋家集的洪水变化趋势、洪峰时刻以及洪水总量，雷达预报的结果同实际观测更加接近，而雨量计预报结果明显偏高。     

面雨量分析和预报技术改进

松花江是我国重点防汛的七大江河之一,流域面积广阔,洪涝基本取决于流域内降水的多少。1998年超历史记录的特大洪水,就是由于流域内区域性的暴雨、特大暴雨造成的。利用流域内各气象站点逐日降水量计算出流域内各区域的面雨量值,并结合水位资料分析了嫩江、松花江流域水位变化与面雨量的关系。在此基础上,利用逐步回归、相似技术建立了流域内各区域面雨量的预报方法。经检验、试报,有较好的预报参考价值。在MICAPS业务平台上开发的面雨量预报业务系统可以投入业务运行。     

流域面雨量估算技术综述

面雨量是水文气象中一个重要参量。面雨量的估算直接关系到洪水预报精度和洪水调度决策的科学性。由于降水空间分布的复杂性,如何准确估算流域面雨量一直是个科学难题。传统方法根据常规降水观测,应用空间分析技术来估算面雨量。随着非常规观测技术的发展,以雷达、卫星估测降水资料为主并结合自动气象站降水观测资料,通过资料融合来进行估算已成为流域面雨量估算技术的发展趋势。而以GIS为平台,实现数据分析和显示一体化管理则代表了面雨量业务系统的发展方向。通过水文模拟与水文观测的比较,可以对面雨量估算结果进行间接检验。     

三种数值预报产品在清江流域面雨量预报中的应用检验

以2003年主汛期(6—8月)清江流域逐日面雨量为预报对象,采用自行开发的“数值预报产品分流域面雨量客观预报应用系统”的运行结果,对T213、MAPS、MM5等几种数值降水预报产品进行了一般性预报、定量误差值及重要降水过程预报的检验。通过这一检验分析,旨在加深对几种数值降水预报产品在清江面雨量应用中的认识,也为日常降水预报提供参考。     

基于QPE和QPF的遗传神经网络洪水预报试验

以湖北省清江上游水布垭控制流域为例,利用分组Z-I关系并结合地面雨量站资料对雷达估算降水进行校准,计算出流域实况平均面雨量;再利用遗传算法和神经网络相结合的方法建立订正AREM预报降水的模型;最后,将订正前后的AREM预报降水输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明：订正后AREM预报降水能明显提高过程的累计降水量预报精度,平均相对误差减小幅度在60%以上,对逐小时过程降水预报精度也有一定提高,但与实况相比仍有一定差距;订正前后AREM预报降水的洪水预报试验的确定性系数的场次平均从-32.6%提高到64.38%,洪峰相对误差从39%减小到25.04%,确定性系数的提高效果优于洪峰相对误差,整体上洪水预报精度有所提高。     

多种细网格模式对湖南水库流域面雨量的预报检验

选取2016年5—12月欧洲ECMWF、日本JMA、T639、德国GERMAN、湖南本地细网格HNGRIB的高分辨率降水预报产品,从预报时效、流域区域、面雨量量级、影响系统和预报偏差五个方面,检验分析了各模式对湖南水库流域面雨量的预报效果。结果表明:各细网格模式对流域面雨量的预报能力随预报时效的增加而下降,但ECMWF和JMA的预报效果相对较好且稳定,T639最差;各模式在非汛期10—12月的流域面雨量预报效果要优于汛期5—9月;随着面雨量量级增大,各模式的预报能力均下降,特别是对30mm以上的面雨量预报能力非常低;各模式对高空槽降水的预报能力最好,对西南低涡降水的预报能力最差;ECMWF、JMA、HNGRIB在各个时效上存在面雨量预报偏小的情况,而GERMAN、T639随着时效的增加,面雨量预报偏大的情况增多。     

北江流域清城洪水水位短期预报方法

对北江流域面雨量分布特征与洪水组合特性进行了研究,用非线性曲线的数据拟合和卡尔曼滤波方法,建立了面雨量与洪水水位预报系统,为北江防汛部门提供准确的降水和河流水位预报。     

第九讲 雷达定量测量降水

天气雷达除了具有探测降水和警戒灾害性天气的能力以外,还具有定量测量降水的能力。它能够较迅速地获得大范围内的降水量分布。应用回波功率(P_r)—降水强度(Ⅰ)统计关系式,可以定量地估算出降水强度的分布情况,这对于水文部门的洪水预报、水库的蓄放及江河流域水量的短时预报都是很重要的。六十年代以来,国外在雷达定量测量降水方面有许多研究,1966年美国国家强风暴实验室曾利用雷达测得的降水资料,经数字化处理后供业务上试用。七十年代初,我国也开始了这方面的工作。本文简要介绍如何利用天气雷达测量降水回波功率。并由此估算降水强度和降水量,以及雷达回波资料的数字处理等几个方面的问题。     

菲律宾海地区异常环流与长江中下游6月旱涝的关系

利用1951—2010年NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国160站月降水总量资料,研究了菲律宾海地区大气环流异常与长江中下游6月旱涝的关系。结果表明,菲律宾海附近是影响长江中下游地区6月降水的关键区。菲律宾异常反气旋（气旋）在对流层低层明显,强度随高度衰减。且这种大气环流异常与长江中下游地区6月降水的相关关系在低层850hPa最显著,到高层相关性减弱。当出现菲律宾异常反气旋环流时,垂直速度和水汽输送等异常分布特征有利于降水发生,使得长江中下游地区偏涝,反之则偏旱。     

三峡库区洪涝特征及其与大尺度环流的联系

利用三峡库区降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了1980—2007年三峡库区洪涝年际变化特征,研究了三峡库区洪涝典型年份大尺度环流合成特征,进一步讨论了水汽输送特征。近年来,三峡库区年均洪涝、区域洪涝强度变化趋势不明显,而区域性洪涝较为频繁;乌拉尔山高压脊加强,经向环流增强,引导冷空气南下,与低纬北上暖湿气流交汇,三峡库区在以上环流背景下,易于产生洪涝灾害;蒙古高原,以及我国东北地区的环流背景合成有差异,三峡库区建库前典型洪涝年份较建库后环流异常更有利于降水;水汽输送异常在三峡地区均有汇合,建库前指示特征比三峡建库后大;典型洪涝年2004、2007年以及典型洪涝事件中,各个关键区水汽输送强度较弱。     

庐山2002—2010年夏季强降水特征分析

利用气象观测资料,对庐山2002—2010年夏季(7—9月)强降水(日降水量≥50 mm)进行了统计分析和天气系统分型,并对降水期间的气象要素变化、卫星云图及雷达回波特征进行了归纳分析。结果表明,(1)庐山夏季强降水日数平均每年为2.8 d,少约1 d,多达5 d。四类天气系统中台风占44%,西风带占32%,副热带高压边缘占16%,东风波占8%。(2)强降水过境时的要素变化,不同系统有不同的表现形式,台风影响时会出现降压、降温、增湿、风向旋转、风速增大以及较山下大几倍至几十倍的降水等要素变化;西风带系统影响时,会出现气温明显下降、气压前降后升的过程;副热带高压边缘影响时,前期高温、气压无明显波动,降水以午后到傍晚雷阵雨为主,常伴有短时强降水和强雷电;东风波系统影响时,要素反应弱,降水既有副热带高压边缘的强降水,又有台风性质的大降水。(3)台风系统云图主要表现为螺旋状结构和中尺度对流云团结构,雷达回波表现为混合型降水;西风带系统则呈东北—西南带状云系和带状回波分布;副热带高压边缘在午后到傍晚有一些分散的对流云团不断生消,较少移动,雷达图上午后到傍晚有分散的对流性回波发展;东风波自东向西移动,有带状云系相配合,带来明显的强降水,利用雷达也可以监测到南北向回波带自东向西移动。     

安康水库蓄水前后上游气候变化特征

利用陕西省安康水库上游气象站点的月及日降水、气温、蒸发等气候资料,分析了安康水库蓄水前后上游流域气候变化特征。分析结果表明,年降水量呈逐年代减少趋势,年平均温度呈增暖趋势,年蒸散量呈减少趋势;蓄水后年及主汛期降水量、雨日、暴雨日数、极端强降水概率、蒸散量均比蓄水前减少,平均气温比蓄水前升高,其中冬季升温幅度最大;主汛期和年降水量、平均气温蓄水前后差异显著,冬季蒸散量蓄水前后差异显著。近45年来汉江径流量呈下降趋势,降水对径流影响显著。     

雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响——以西苕溪流域为例

天气雷达估测降雨是径流模拟和洪水预报的重要信息之一。由于雷达网格降雨存在误差,且误差随着网格水平尺度的增大而减小,因此对于径流模拟,高分辨率的雷达降雨数据并不意味着径流模拟的精度更高。采用FSS(Fractions Skill Score)方法和HEC-HMS模型(Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System)分析江苏省西苕溪流域雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响。在2010年和2011年夏季两场降雨实例中,雷达估测降雨在不同降雨阈值情况下,FSS达到目标精度值对应的最小有效水平尺度为2~8 km,分别以2、4、6、8 km水平分辨率的雷达估测降雨和雨量站测雨作为HEC-HMS模型输入进行径流模拟,结果表明:基于不同水平分辨率的雷达估测降雨的径流模拟结果与实测径流资料基本吻合,雷达估测降雨2、4、6、8 km水平分辨率的变化对径流模拟效果的影响不明显。      

Computation and prediction of the flood runoff of the Eastern Caucasus rivers

Analysis of observational data of the average monthly discharges, air temperatures, and precipitation totals collected at about 100 hydrological and meteorological stations before 2005 revealed that precipitation fallen on the Eastern Caucasus river basins in winter and spring plays the principal role in formation of floods that are observed in the period from April to June. The precipitation and runoff variability over the territory and altitudinal zones was studied and generalized. The hydrograph decomposition and the rivers classification according to their sources of feeding in the flooding period were performed. Analysis of correlation between the flood flow and winter and spring precipitation allowed obtaining reliable multiple regression equations that are suitable for computation and forecasting of the flood flow.     

一次局地强降水过程的中尺度特征及预报难点分析

利用常规气象资料和客观物理量场、卫星云图、多普勒雷达回波产品资料,对2007年8月30日发生在宜昌市北部的强降水天气过程的中尺度特征和预报难点进行了分析。结果表明：（1）地面中尺度辐合线、中尺度对流云团是造成此次强降水的重要中尺度系统;（2）强降水主要南-中尺度“人”字型雷达回波带稳定少动造成,回波带中有强对流单体不断新生、合并使强降水得以维持;（3）回波带上出现的逆风区与强降水落区有较好的对应关系,风切变区面积扩大和切变值增大是强对流回波单体不断发展并在一地维持的主要原因;（4）中低层偏南风到高层偏北风的转变所形成的垂直风切变为强降水的发生提供了动力条件,同时中低层暖湿平流加强为强对流云团的稳定维持提供了充足的水汽;（5）强对流单体,强回波短带,速度资料上的“逆风区”和风切变区等,可作为判断强降水落区的依据。     

地基GPS水汽总量在人工增雨中的应用

利用成都市地基GPS综合应用网的观测数据,反演出大气水汽总量,并结合多普勒天气雷达探测的垂直积分液态水含量(VIL),分析了这两种新型大气水汽探测资料在人工影响天气作业中的变化特征,初步得出了GPS大气水汽总量(GPS PWV)与人影作业前后降雨量的关系。研究表明:GPS PWV与人工增雨过程有较好的对应关系,人影作业后1～3h伴随小时雨量的增大GPS PWV有下降,体现了催化剂将空中部分冰面过饱和水汽凝华核化转化为降水过程。GPS反演的水汽资料结合新一代多普勒天气雷达探测的液态水资料在指导人工影响天气作业和短临天气预报方面具有良好的应用前景。     

太原市汛期旱涝规律分析

利用子波分析和合成分析等方法，分析了太原汛期降水的多时间尺度特征和造成太原汛期旱涝的大气环流异常分布。结果表明：太原市汛期降水存在准2年、10年、16年的周期；当贝加尔湖上空500hPa高度场异常偏低（高）、西太平洋副高异常偏强（弱）时，有利于太原汛期洪涝（干旱）的形成；在850hPa水平风距平场上，来自新西伯利亚岛的偏北气流在100-140°E，50°N附近分成两支，一方面使得北来的冷空气减弱，另一方面，南下后使得低纬季风增强，太原汛期偏涝。而来源于鄂霍次克海北部的偏北气流、西北太平洋的偏东气流以及贝加尔湖以东的西北气流在60°N，115-120°E附近汇合，使入侵我国东部的偏北气流风速加大，太原在一致的西北气流控制之下，汛期偏旱。     

2001—2010年大连地区暴雪天气与雷达回波特征分析

利用2001—2010年大连市7个市区县观测站冬季降水资料、常规观测资料和大连新一代天气雷达（CINRAD/SC型）回波资料,对发生在此期间8次暴雪过程环流形势分析的基础上,对雷达回波特征进行分析。结果表明：造成大连地区暴雪天气的环流形势,在500 hPa高空上多与东亚大槽建立前自中国华北伸向黄淮地区的高空槽有关,在地面上则与经华北南部和江（黄）淮地区东移或北上气旋（倒槽）与北方南下冷高压在大连附近交绥有关。雷达回波速度场以＂暖式切变＂型最多;该类型的降水强度,随南北气流的增强、风切变的增大和切变层在边界层和对流层低层的抬升与暖平流的匹配而加强;随西南气流在边界层和对流层低层减弱与冷平流的出现而减弱。研究结果可为预报冬季暴雪天气提供参考。