区域气候模式RegCM3 初始和侧边界条件的敏感性分析

不同初始和侧边界条件的选取对区域气候模式的模拟结果有着直接影响。本文分别采用NNRP1和ERA40两套应用广泛的全球再分析资料作为区域气候模式RegCM3的初始场和侧边值,采用20km水平分辨率和An thes-Kuo积云对流参数化方案对海河流域1998年夏季(6—8月)降雨和温度进行了模拟。结果表明:两套资料驱动下模式都能够模拟出海河流域降雨和温度的大尺度空间分布特征。从降雨中心、高(低)温中心位置和分布范围上,使用ERA40资料要好于NNRP1资料;从不同时间(日、月、季)尺度站点降雨和温度模拟与观测值上,ERA40资料也好于NNRP1资料,但两套资料驱动下对降水极值过程模拟效果均不理想。就本次模拟而言,ERA40再分析资料的可信度更高,更适合海河流域气候变化的数值模拟研究。     

模式水平分辨率对梅雨锋降水定量预报的影响

利用三维非静力平衡中尺度／云模式对1999年6月23日08时～24日08时江淮地区一次梅雨锋系统降水过程进行了五种不同水平分辨率的数值模拟试验。模拟结果表明，提高模式水平分辨率，明显提高了大到暴雨的定量预报(大于25mm和大于50mm)的精度；但研究发现，这种精度的改进随着水平分辨率的进一步提高存在明显的阈界，即在水平分辨率提高到18公里以后，再提高水平分辨率，对暴雨预报成功率的改进幅度不大，因此，对于梅雨锋雨带中尺度强降水的业务预报，将模式水平分辨率提高到18公里比较适宜。     

乌梁素海流域气候模式适用性评价及旱涝预估

根据2001—2011年乌梁素海流域及周边气象站点的实测逐日降水数据,利用CMIP5中5个全球气候模式在3种不同代表性温室气体浓度路径情景下的降水模拟结果,计算了模拟变量和实测数据的相对误差、均方根误差和相关系数,选用在乌梁素海流域模拟降水效果较好的模式进行集合平均,检验了该模式对乌梁素海流域降水的适用性。结果表明:单个模式的模拟结果与实测值的相关性相对较差,采用集合平均方法修正后的结果与实测值拟合程度较好,相关性更高;2021—2050年降水量主要体现出夏季更集中、冬季更少的特征,降水量年际变化大,旱涝事件频发,特别是2025—2035年旱涝事件交替出现,发生旱涝事件的年份约占总年份的1/3。     

区域气候模式在南水北调西线水源区的应用

为了检验高分辨率区域气候模式RegCM3对南水北调西线工程水源区气候的模拟能力,对1998年和2001年夏季气候进行了模拟试验,并针对模拟的温度场和降水场作具体分析.分别利用NCEP的温度数据和南水北调西线水源区内78个气象站点的逐日降水资料对温度场和降水场进行了检验分析.温度场的模拟结果表明,模式能较好地反映研究区域的温度场分布特征,但在数值上出现"冷偏差",整体偏低4～7℃;模式很好地再现了西线水源区的夏季降水特征:两大降水高值区分别位于研究区域的西南部和东南部,西南部雨带呈东西分布,东南部雨带呈南北分布.模式对东部地区的降水模拟较接近实测值,但对西北部青藏高原周边地区的模拟效果较差.     

基于模式集成的松花江流域气候模拟预估

以松花江流域为研究对象,采用CMIP5已发布的9个气候模式,模拟1951年～2000年历史降水和气温的月数据,对比实测资料运用3项数理统计指标评估模式的模拟性能;各模式降尺度后应用到4种集成方法。模拟结果表明,Can ESM2和MPI-ESM-MR模式模拟效果较好,多元回归集成表现最佳。利用优选的2个模式方法预估流域下游佳木斯站在RCP4. 5气候情景下未来逐月的降水和气温,并以预估的降水气温为因子构建线性回归模型计算流域未来径流的月变化过程。预估径流结果可为水资源管理及洪旱防治提供数据参考。     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

汉江“83·10”致洪暴雨重预报研究

受气象监测及预报能力限制,1983年10月3~6日汉江流域的致洪暴雨过程,普遍未能准确预报,从而对丹江口水库防洪调度形成了很大压力。通过比较2015年和1983年气象监测水平、降雨预报水平,利用中尺度数值模式WRF和区域气候模式Reg CM4分别对"83·10"暴雨过程以及1983年以来与"83·10"相似量级来水天气过程进行模拟,在当前技术条件下,重现"83·10"暴雨预报过程,并研究预报效果。研究表明:2015年气象监测预测水平较1983年有本质提高,中尺度数值模式能够提前3 d预测出该过程,区域气候模式能提前一个月预测出1983年10月上旬降雨集中;在当前技术条件下,充分运用现有各种观测资料,综合应用多种数值预报模式,可使汉江上游大范围强降雨过程基本不会漏报。     

未来50年东北地区旱涝演变规律预估

基于东北地区89个气象站点观测数据及IPCC AR4中ECHAM5/MPI-OM模式降尺度的0.5°×0.5°分辨率的月平均降水格点场资料,结合统计学相关系数以及干旱评价指数Z指数,评估了气候模式对该地区降水变化的模拟能力,并对其未来50年东北地区旱涝时空演变规律进行了预估。结果表明:(1)东北区及其各省实测年降水与模拟值时空上拟合度较差,修正后的数据模拟能力有较大提高;(2)未来50年全区及东三省降水呈上升趋势,内蒙古东部地区则呈减少趋势,且具有2015~2034年降水持续减少,2035后干湿交替发生特征;(3)未来东北地区旱涝依然呈广发、频发态势,且洪涝更为突出,旱涝多发区主要集中在三江平原、松嫩平原以及辽河平原等地。     

基于区域气候模式RegCM4的长江流域降水预报效果分析

为更好地开展长江流域气候预测业务工作,进一步提高气候模式预测水平,采用距平符号一致率、空间距平相关系数、均方根误差及趋势检验等评分方法对区域气候模式RegCM4在长江流域的预报效果进行检验。评估检验区域气候模式RegCM4对长江流域2016年主汛期6～8月、秋汛期9～10月及2017年主汛期6～8月的降水预报效果。结果表明:主汛期6～8月,clm 3. 5陆面方案的预报效果最好,clm 4. 5的陆面方案预报效果次之,但均明显优于bat陆面方案的预报效果。bat陆面方案对长江中游的预报效果较好。clm 3. 5及clm 4. 5陆面方案对长江上中游、汉江的预报效果较好。按预报起始时间来看,中、下旬的预报效果优于上旬的预报效果。秋汛期9～10月,对长江上游的预报,bat陆面方案的预报效果要优于clm 3. 5及clm 4. 5陆面方案;对汉江流域的预报,这3种陆面方案的效果均较差。     

WRF模式微物理方案对山西省一次强降雨 过程模拟的影响

应用新一代中尺度非静力模式WRF,采用单向两重嵌套方案,水平分辨率分别为27 km和9 km,对我国山西省2009年7月7日～8日一次典型强降雨天气过程进行不同微物理方案的模拟,得到了降水的数量特征、时空分布变化以及雨区范围和移动过程等方面的数据。对比分析了临县测站和方山测站的降雨模拟效果,结果表明：WSM6方案和M2M方案对降水过程的模拟较好,可作为降水模拟的备选微物理方案。     

Effect of Global Warming on Intensity and Frequency Curves of Precipitation, Case Study of Northwestern Iran

Predicting natural phenomena like flood and drought and consequently presenting an appropriate solution for fighting such natural hazards in northwestern Iran is considered in this study through clustering the precipitation regime. To compare the reference period (past) with the simulated data, the statistics of daily precipitation in six stations of Ardebil, Ghazvin, Hamedan, Kermanshah, Sanandaj, and Tabriz, have been provided for a 30-year period (1961–1990) and compared with the simulated data of 2021–2050. The simulated data was generated by general atmosphere circulation model HADCM3, A1scenario and was downscaled using the LARS-WG model. The method for comparing precipitations was done based on clustering in the form of 5 clusters for all the stations and study periods. One of the results of this research is the greater concentration of precipitation for the cold periods of the year (winter and fall) and the increase of annual precipitation by the amount of 20.62 mm for future period. Furthermore, the normality of two coordinates of precipitation and cluster frequency percentage was evaluated. The outputs of this section demonstrate that the precipitations of cluster 3 which have the features of light rain with average intensity, fall on this normal line for most of the stations and study periods. On the other hand, precipitations of cluster 1 indicating very heavy and intense precipitations, have the most distance to the normal line in most cases. Therefore, the precipitations of the third cluster need optimal exploitation management while those of the first cluster need required risk and crisis management.     

兰州市1951—2015年降水量变化特征研究

为了解兰州市降水量的变化特征,利用兰州气象站1951—2015年月降水量序列数据,采取线性倾向估计法、滑动平均法、累积距平法、Mann-Kendall非参数检验法及Morlet小波分析等方法分析兰州市近65年来年降水量及各季降水量的变化特征。研究结果表明：近65年来兰州市年降水量总体呈波动式下降趋势,倾向率为-8.20 mm/10年。4季中除冬季降水量呈略微上升趋势外,其余3季降水量均与年降水量变化趋势相同,呈波动式下降趋势。年降水量于1979年发生由增多至减少的突变,各季降水量变化同样存在若干突变点。兰州市降水量变化存在多时间尺度效应,其中年降水量变化的第一、第二及第三主周期分别为46年、32年及14年。目前处于第一主周期降水偏丰阶段,且在未来5~7年内仍将处于偏丰状态。研究成果可为兰州市农业生产活动提供一定的科学依据。     

TOPMODEL for Streamflow Simulation of a Tropical Catchment Using Different Resolutions of ASTER DEM: Optimization Through Response Surface Methodology

The unavailability of proper hydrological data quality combined with the complexity of most physical based hydrologic models limits research on rainfall-runoff relationships, particularly in the tropics. In this paper, an attempt has been made to use different resolutions of DEM generated from freely available 30 m-based ASTER imagery as primary input to the topographically-based hydrological (TOPMODEL) model to simulate the runoff of a medium catchment located in the tropics. Response surface methodology (RSM) was applied to optimize the most sensitive parameters for streamflow simulation. DEM resolutions from 30 to 300 m have been used to assess their effects on the topographic index distribution (TI) and TOPMODEL simulation. It is found that changing DEM resolutions reduces the TOPMODEL simulation performance as the resolutions are varied from 30 to 300 m. The study concluded that the ASTER 30 m DEM can be used for reasonable streamflow simulation of a data scarce tropical catchment compared with the resampled DEMs.     

不同分辨率 DEM 提取三峡库区地形参数的精度研究

数字高程模型（ Digital Elevation Model , DEM ）能表达地形形态的起伏变化,从中提取的地形参数,可为径流预报提供一定的基础数据。但 DEM 数据是按照一定的分辨率对地表进行近似描述的,多种分辨率 DEM 数据的存在导致了尺度问题的产生。通过提取三峡库区内虾子岭小流域不同分辨率 DEM 的地形参数,分析了不同分辨率 DEM 对坡度和汇流网络精度的影响。研究结果表明：DEM 分辨率对坡度和汇流网络有较大影响,坡度和汇流网络的准确性和 DEM 的空间分辨率密切相关;1m DEM 能够准确反映当地的地形,从中提取的坡度与汇流网络接近于实际值,从 5m DEM 提取的坡度和汇流网络也能较为准确地反映实际值,而10m DEM 、25m DEM和 50m DEM 则不能准确地反映坡度和汇流网络。因此,在进行较为精确的径流预报时,建议采用至少 5m DEM 。在进行粗略估计或较大尺度的径流预报时,可采用 10m DEM 、 25m DEM 和 50m DEM 。     

基于Hurst系数的安徽省气候时空变化分析

根据1955~2011年安徽省18个站点气候资料,运用R/S分析方法对安徽省近56年来的降水量、平均气温等指标的冬季、夏季及年均值进行了计算分析;并利用GIS的空间分析方法分析了该区域的气候要素空间分布情况。结果表明,安徽省近56年来气候变化存在赫斯特现象,并且降水和气温及其持续性都存在空间差异,整体上,南部地区降水多,气温高,持续性强;中北部区域降水少,气温低,持续性较弱。     

基于崩岸监测的多波束系统参数设计

随着多波束技术的快速发展,多波束技术在测深方面的应用也越来越广泛,同时对多波束技术的观测精度也提出了更高的要求。在对SONIC2024多波束的测深系统分辨率模型的基础上,对精细化崩岸监测进行了参数设计研究,分别得出了横向、纵向分辨率的分布规律,推导出了采样率、发射角、最大有效航行速度、扇面开角等参数关系及推荐值,分析了探测精度与水深和发射角的关系、扇面开角与横向分辨率的关系、SONIC2024测深系统纵向分辨率优于横向分辨率等结论。这些结论可作为多波束扫测前对关键参数进行技术设计的依据。最后总结得出了参数的设计流程,并在精细化崩岸监测中对这些参数设置提出了相关建议。     

Characterization and Evaluation of Elevation Data Uncertainty in Water Resources Modeling with GIS

Grid based digital elevation models (DEM) are commonly used in water resources modeling. The quality of readily available DEM, however, varies from source to source in terms of horizontal resolution and vertical accuracy which are the two important aspects of elevation uncertainty in the modeling with raster GIS. This paper addresses the issue of elevation data uncertainty in GIS supported hydrologic simulations. The essential role of elevation data in the modeling is revealed by presenting DEM processing processes in distributed and semi-distributed hydrologic analyses. It is very difficult to examine the elevation uncertainties analytically due to complexities of the hydrologic models. An ideal approach is to assess the effect of the DEM uncertainty by applying varying resolutions or accuracies of elevation data in the modeling. Different grid sizes of DEM are used in observing DEM resolution dependence and resulting model outputs are compared to obtain a profile of its effect. Impact of DEM vertical accuracy is explored by Monte Carlo simulation with a large number of DEM realizations generated based on different levels of specified error. The approach is implemented in a case study with a topography based hydrologic model on an experimental watershed to analyze both aspects of the uncertainty. The results show that both DEM grid size and vertical accuracy could have profound effect on hydrologic modeling performance. The impact can be compensated by model calibrations due to interactions between model parameters and spatial factors. The study indicates that the DEM uncertainty can be effectively evaluated using the applied method. The work is to provide some insight into the characterization of elevation data quality and the association between topography and water resources models.     

应用光滑支持向量机预测汉江流域降水变化

统计学降尺度方法是国内外研究全球气候模型尺度降解的热点问题。研究和探讨了基于光滑支持向量机的统计学降尺度方法;建立大尺度气候观测资料和实测降水之间的统计关系;模拟和预测汉江流域降水变化,并同传统的多元线性回归分析方法相比较。结果表明,基于光滑支持向量机的统计学降尺度方法的模拟精度不仅高于多元线性回归分析方法,而且明显优于CGCM2气候模型的输出降水结果。     

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 分辨率是基于地形测绘数据插值生成DEM的基本问题。利用合适的分辨率既可使生成的DEM如实反映和描述地面地形特征，又可避免引入新误差。基于地貌学原理，以读取基础数据所有信息和有效表达地貌特征为目标，利用多种栅格DEM的坡度均方差 栅格尺寸关系曲线，结合对插值DEM上地貌特征的分析，可以客观地确定地形图插值生成DEM的合适栅格尺寸。系统介绍了这种方法的基本原理，并以黄土高原1∶25万地形图插值生成DEM为例，对该方法的应用进行了讨论。典型地区试验研究表明，黄土丘陵区1∶25万和1∶1万地形图（等高距分别为100 m和5 m）插值生成DEM，DEM的坡度均方差 栅格尺寸关系曲线拐点分别位于50 m和2.5 m处，因而分辨率分别为50 m和2.5 m。本研究可以为改进我国DEM质量提供支持。
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The Utility of Land-Surface Model Simulations to Provide Drought Information in a Water Management Context Using Global and Local Forcing Datasets

Drought diagnosis and forecasting are fundamental issues regarding hydrological management in Spain, where recurrent water scarcity periods are normal. Land-surface models (LSMs) could provide relevant information for water managers on how drought conditions evolve. Here, we explore the usefulness of LSMs driven by atmospheric analyses with different resolutions and accuracies in simulating drought and its propagation to precipitation, soil moisture and streamflow through the system. We perform simulations for the 1980-2014 period with SASER (5 km resolution) and LEAFHYDRO (2.5 km resolution), which are forced by the Spanish SAFRAN dataset (at 5km and 30km resolutions), and the global eartH2Observe datasets at 0.25 degrees (including the MSWEP precipitation dataset). We produce standardized indices for precipitation (SPI), soil moisture (SSMI) and streamflow (SSI). The results show that the model structure uncertainty remains an important issue in current generation large-scale hydrological simulations based on LSMs. This is true for both the SSMI and SSI. The differences between the simulated SSMI and SSI are large, and the propagation scales for drought regarding both soil moisture and streamflow are overly dependent on the model structure. Forcing datasets have an impact on the uncertainty of the results but, in general, this impact is not as large as the uncertainty due to model formulation. Concerning the global products, the precipitation product that includes satellite observations (MSWEP) represents a large improvement compared with the product that does not.