分布式降雨径流物理模型的建立和应用

根据流域降雨径流的主要过程,考虑流域气象及下垫面要素的空间异质性,建立了具有物理基础的分布式降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性分栅格单元为坡面单元和河网单元。在坡面单元上主要计算降雨、下渗、坡面流、壤中流等水文过程,而河网单元则主要计算河道汇流过程。模型利用空间权重插值方法将雨量站点的降雨量插值到各个计算单元,采用运动波方程来计算坡面流,将壤中流概化为垂向流和侧向流,分别用Green-Ampt公式和运动波方程来模拟,河道汇流也采用运动波方程。模型结构简单、参数的物理意义明确,大多数参数可利用DEM、土壤类型图、植被类型图直接获取,少数敏感参数通过率定确定。模型在浙江省甬江上游黄土岭流域和皎口流域进行了应用和检验,其结果令人满意。     

降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响研究——以武烈河流域为例

降雨输入对分布式流域水文模拟具有重要影响。针对流域降雨资料不完整的情况,以武烈河流域为例,基于反距离加权平均法对雨量站降雨资料进行插补延长,并结合SWAT模型研究了降雨输入不确定性对分布式流域水文模拟的影响。结果表明:不同降雨输入对流域平均降雨量的影响较小,但基于气象站资料的降雨数据在降雨空间差异显著的年份会明显低估面雨量,且在夏季汛期表现更为显著;不同降雨输入对分布式流域水文模拟的影响较大;在雨量站降雨资料不完整的情况下,通过对雨量站降雨数据进行插补延长,相对于直接利用气象站降雨资料,在一定程度上可以提高径流模拟精度,满足降雨资料欠缺流域分布式水文模拟的实际需求。     

白龙江流域不同降雨侵蚀力模型对比研究

降雨侵蚀力不仅是评价土壤流失、输沙量和水质模型的重要参数,也是气候环境变化模拟中的重要参量。基于白龙江流域5个气象站点逐日降雨观测资料,利用Renard等8个降雨侵蚀力模型分别计算白龙江流域降雨侵蚀力,并分析各模型之间的差异。结果表明Renard-Lo年降雨侵蚀力模型误差最大为76.2%,周伏建月降雨侵蚀力模型误差最小为2.1%,月降雨侵蚀力模型计算结果在白龙江流域优于年雨量和日雨量模型结果。白龙江流域年平均侵蚀性降雨占年降雨量的34.5%~46.0%。年降雨量与年平均降雨侵蚀力之间呈现高度相关,可以用幂函数拟合,各站相关系数均超过0.98。     

降水空间不均匀性对径流过程模拟的影响

应用数字高程流域水系模型，通过子流域和网格2种空间离散方式，采用传统的子流域法、雨量插值子流域法、逐个网格法3种雨量数据输入处理方法，分别作日流量模拟与洪水过程模拟，模拟过程与实测水文过程相比较表明：日模中3种雨量处理方法计算精度相当，次模中逐个网格法优于传统子流域法和雨量插值子流域法；降雨空间分布不均匀性考虑得越充分，水文过程模拟精度越高。     

淮河流域极值降雨频率估计时空分布一致性检验和纠正

由于地面雨量站点空间不均及站点资料长度有限、相邻时段和相邻一致区的最优分布函数选择不同,造成降雨频率估计值出现交叉和空间不连续的现象,时空不一致的问题尚没有得到合理的解决。为了获取更加完善合理、时空一致的频率估计值,利用水文气象分区线性矩法计算出的频率估计值,通过误差分摊和二次空间插值及平滑技术对时空分布一致性进行检验和纠正,消除分布曲线的交叉和边界梯度的问题。研究结果表明:通过误差分摊纠正后,消除了交叉异常曲线,各个时段的频率估计值相互制约更加合理;通过空间二次插值纠正后,边界梯度和误差得到明显改善,各站点的频率估计值的经验频率与理论概率更接近,空间分布也更合理。多时段不同重现期下的频率估计值空间分布总体趋势一致,最大值主要分布在淮河流域的东北沂蒙山区,最小值分布在流域的北部平原地区,与站点的实际观测相一致,可为工程设计暴雨和洪水提供基础资料和重要水文依据。     

基于分布式水文模拟的三峡区间洪水预报(Ⅱ)——雷达测雨应用

降雨时空分布信息缺失是影响洪水预报精度的一个重要因素,尤其是雨量站点稀疏的山区,站点观测的降雨信息难以充分地表征山区降雨的空间差异.本文针对长江三峡区间,利用雨量站点观测值来校准雷达测雨数据,并作为分布式水文模型的降雨输入,借助水文模拟结果综合评价雷达测雨数据的适用性.两个示例小流域的研究结果表明:相对于雨量站而言,雷达估测的降雨信息更能体现降雨的空间变化,它与分布式水文模型相结合,是提高洪水预报精度的有效途径.     

基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程

利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。     

基于模糊集理论的降雨不确定性传播影响研究

基于模糊集理论,耦合遗传算法,量化分析降雨的量级、空间分布和时程分配产生的不确定性对流量模拟的影响。雨量量级的不确定性使用模糊集概念表示,运用遗传算法对时段雨量在时间上进行随机解集,并通过在各子流域上采用不同的时间解集模式以同时考虑降雨时程分配和空间分布不确定性。应用TOPMODEL对资水流域新宁水文站洪水过程进行模拟研究,结果表明,雨量不确定性的传播对洪水预报的影响处于主导地位,降雨时空分布引起的不确定性对洪水模拟的影响次之。此外,通过对1 h和0.5 h解集结果的比较发现,本文中采用1 h作为模拟的时间步长已可以较充分反映雨量的时间变异性。     

基于信息熵的雨量站网优化研究

基于信息熵理论,研究金沙江下游流域站点信息熵对降雨信息量和时空变异性特征的反映程度,发现信息熵能够在降雨量级和时空分布上充分表达降雨信息,确定了熵理论运用于本流域雨量站网规划的合理性;采用与组内互信息量最小为原则对三个实验流域站点进行重要性排序,以组内站点信息量和与组外互信息量总和最大为目标函数进行末位淘汰优选站网,结果显示站点优先级顺序一定程度上表达了其本身的信息量和在流域内的空间信息,优化后的站网比原站网数量减少15%~25%。     

TRMM3B42降雨数据在渭河流域的应用分析

运用渭河流域24个气象站点日降雨数据对2001~2012年热带测雨卫星(TRMM)3B42数据在不同子流域、不同降雨强度以及不同时间尺度的精度进行了对比验证,并对比分析了基于TRMM和站点数据的渭河流域降雨时空分布特征。结果显示:在不同子流域的日TRMM数据比站点观测数据对低值降雨更为敏感,而在极大值降雨数据观测上两者差距较大,月尺度TRMM站点观测数据确定性系数在0.89到0.96之间;两种数据在流域降雨的时空分布上表现一致性,在年内6月中旬~10月初为湿润多雨期,其余月份降雨较少,空间分布呈东南部大,西北部小的格局。     

近50年来黄河流域400 mm等雨量线空间变化研究

以黄河流域及周边地区1 026个雨量（水文）站1956—2000年逐日降水过程资料为基础，以GIS技术为关键数据处理平台，建立等值线加权平均位置的定量化表征方法，采用时间序列分析技术，对黄河流域近50年来400 mm等雨量线的空间位移特征进行了系统揭示。1956—2000年间，黄河流域多年平均降雨量为454.62 mm；400 mm等雨量线加权平均位置坐标为（105°0′4″E，36°57′54″N）。整体上看，近50年来，黄河流域400 mm等雨量在纬向上的移动是典型的平稳随机序列过程；在经向上的移动尚不能满足平稳随机序列过程。趋势检验结果表明，黄河流域400 mm等雨量线有向东和向南发生移动的趋势，且向东移动的趋势显著。功率谱分析表明，黄河流域400 mm等雨量线在经向上发生迁移的显著周期为3年；在经向和纬向上均有7年和2年周期；同时，位移具有反向持久性。     

松花江流域年降水和四季降水变化特征分析

利用松花江流域35个气象站1960~2010年的降水资料,采用协克里格插值法、线性倾向估计方法以及M-K秩次相关法等,分析了流域年降水和四季降水的时空变化特征。结果表明:(1)流域年降水由东部向西部递减,51年来流域大部分地区年降水呈不显著减少趋势。(2)流域春季降水呈不显著增加趋势,夏季呈不显著减少趋势,秋季呈不显著减少趋势,冬季降水呈显著增加趋势。(3)流域四季降水在二松源头地区一带较大,流域西部地区降水较少,松花江中下游两侧地区居中。(4)春季,流域大部分地区降水增加,但不显著。夏季,大部分地区降水减少,但不显著。秋季,全流域降水呈不显著减少趋势。冬季,全流域呈增加趋势,且绝大部分地区显著增加。(5)嫩江流域、松花江流域年降水-径流关系发生显著变化的时间是1974年、1980年和1999年。     

滨江流域降水时空演变规律分析

降水是水循环的关键环节,直接影响着径流过程和可利用水资源量的时空分布,关系到区域水资源安全和可持续发展。为了探讨气候变化下华南湿润区典型小流域降水时空演变规律,利用珠江流域北江一级支流滨江流域内及其邻近共10个站点近47年日降水量观测资料,采用非参数统计方法Mann-Kendall(M-K)趋势检验和Mann-Whitney-Pettitt(MWP)检定方法,对年、汛期/非汛期、年日最大和年月最大降水量进行分析。结果表明:滨江流域多年平均降水量呈北少南多分布,主要与区域气流走向及流域地形有关;年降水量总体呈现减少趋势,其中流域南部呈显著减少趋势,北部呈不显著减少趋势,其主要是汛期(4~9月)降水量减少,非汛期(10~翌年3月)降水量变化不大;年日最大和年月最大降水量均呈减少趋势。流域南部年降水量和汛期降水量在1983年发生了显著性变异;流域北部年最大日降水量和年月最大降水量分别在1987年和1985年左右发生显著性变异。     

IMERG卫星降水数据在嘉陵江流域的干旱监测效用评估

针对嘉陵江流域存在雨热同期,水旱灾害频发的现象,为快速且准确地把握流域内降水与干旱情况,利用覆盖范围广且分辨率高的网格化IMERG卫星降水数据对嘉陵江流域进行多时空尺度反演,并基于卫星降水数据采用标准化降水指数(SPI)对流域实行干旱监测。结果表明：1)根据分类指标与统计指标的计算结果,三种卫星降水数据中的IMERG-F能更准确地反映流域内的日降水量,与地面降水数据CC达0.737,整体高估地面降水2.6%,具有在干旱监测方面的应用潜力。2)三种卫星降水数据驱动的SPI指数在干旱监测方面存在一定的差异,IMERG-F驱动的SPI指数与地面降水数据驱动的SPI指数保持较高的一致性(CC>0.9),较近实时产品IMERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征。3)卫星识别降水与干旱监测的能力受地形地貌的影响,IMERG卫星降水数据在平原丘陵地带具有较好的适用性。     

TRMM卫星降水反演数据在珠江流域的适用性研究——以东江和北江为例

为评估最新一代TRMM 3B42-V7卫星降水反演数据产品在珠江流域的精度和适用性,选取位于珠江流域下游的东江和北江流域为研究区域,基于地面雨量站点数据评估了该产品的精度和适用性,并结合可变下渗容量（Variable Infiltration Capacity,VIC）水文模型进行了水文模拟验证。对比分析结果表明,在网格尺度上,大多数网格日尺度相关系数达到0.60以上,月尺度相关系数达到0.90以上,3B42-V7产品表现出较好的精度,在区域尺度上精度得到了进一步提高;水文模拟验证分两种情景下进行,情景Ⅰ的结果表明,当水文模型由地面雨量站点数据率定时,3B42-V7产品数据的水文模拟效果不佳,个别区间内存在对洪峰流量明显的低估;情景Ⅱ的结果表明,由3B42-V7产品数据重新率定水文模型时径流模拟效果有了较大改善,说明该产品可在一定程度上作为资料缺乏地区的降水数据来源。     

长三角地区夏季降水结构演变及其非平稳性

基于长三角地区72个站点1960—2016年逐日降水量观测数据, 采用Pettitt与Mann-Kendall非参数检验法, 从降水量、降水日数、降水强度和不同等级降水(小雨、中雨、大雨与暴雨)发生率方面, 分析长三角地区夏季降水结构的时空演变及其非平稳性特征, 并探讨其可能的成因。结果表明: ①长三角地区夏季小雨发生率以减少为主, 其他6个降水指标均以增加为主。其中, 小雨发生率非平稳的站点表现为单调减少, 降水量、降水强度、大雨和暴雨发生率非平稳的站点表现为单调增加, 并且主要分布在太湖流域, 增加了该区域遭受洪涝灾害的风险。②东亚夏季风强度与长三角地区多数站点的小雨发生率呈正相关关系, 而与其他降水指标呈负相关关系。③长三角地区城市化典型区(太湖流域)城市化对夏季降水量、降水强度、大雨和暴雨发生率有增加作用, 贡献率分别为25.4%、27.9%、54.6%和25.5%;对降水日数、小雨和中雨发生率有减少作用, 贡献率分别为-37.3%、-33.2%和-100%。     

考虑有雨无雨辨识的多源降水融合方法

多源降水融合是精准估计降水时空分布的重要途径, 多聚焦降水量或降水强度的误差订正, 对短历时降水雨区辨识的重视不足。提出考虑有雨无雨辨识的多源降水融合框架, 耦合地理加权逻辑回归与地理加权回归模型, 构建兼顾雨区辨识及雨量估计的降水融合方法, 并应用于汉江流域MSWEP V2.1与地面站网观测日降水融合。结果表明: 所提方法成功再现有雨无雨空间格局并刻画了降水中心, 整体强化了MSWEP V2.1对地面降水的表征能力, 降低误报率和误报降水量的幅度超过了60%, 提高临界成功指数和Kling-Gupta效率系数达40%以上; 较降水空间插值数据, 削减误报降水量并提升Kling-Gupta效率系数高于10%;另外, 较参考数据, 降水融合改善强降水事件(雨强≥50 mm/d)分辨精度的增益不低于60%。所提方法有效改善了降水估计效果, 为多源降水融合提供了新思路。     

基于GRACE的黄河流域陆地水储量时空变化研究

黄河流域是我国目前主要的煤炭经济可采量和产能聚集地。了解和掌握黄河流域水资源及其变化不仅是推进黄河流域水资源节约集约利用的前提,更是开展黄河流域煤炭矿区生态保护与高质量发展的基础。相较于传统地面水资源监测手段受限于监测点分布和数目的影响,GRACE重力卫星为中长尺度陆地水储量时空变化研究提供一种新的途径。利用GRACE重力卫星数据,开展2002年4月到2017年6月黄河流域水储量的时空变化规律研究。利用纬圈长度加权平均,计算黄河上中下游水储量变化均值,发现黄河不同流段表现不同的变化趋势,且反映出2003年黄河流域水资源变化受到洪水等因素影响。进一步通过箱形图分析黄河流域上中下游水储量的月平均变化规律,反映出该流域“冬干春旱,夏秋多雨”的气候特点与水储量变化的密切关系。采用时间序列分解方法分析整个黄河流域水储量变化的趋势、年周期及半年周期等特征。结果表明,黄河流域水储量变化存在随经度由西向东递减趋势越来越明显的现象,其中黄河上游源头附近区域的水储量变化呈微弱的增长趋势;黄河流域水储量变化年周期和半年周期振幅存在明显区域差异,这与高山融雪、降水量的季节性差别及区域气候环境密切相关。了解和掌握上述黄河流域水储量时空变化,可为流域矿区的生态保护与可持续发展提供基础数据与参考。      

四川盆地降水日变化特征分析和个例模拟

利用台站观测降水资料,分析四川盆地及周边地区降水分布和日变化特征,得到以下结论:四川地区降水存在2个高值中心,均位于盆地周围的山地;盆地降水"夜雨"特征明显;川西高原降水峰值以午夜前降水量的贡献为主;盆中与盆地西南边缘山地的降水峰值由夜间降水量与降水频率共同作用;盆地东北边缘的山地是午前降水频率与后半夜的降水量均有贡献。其次,结合WRF模式的数值试验,对2008年9月23～24日发生在盆地的夜间暴雨过程进行模拟研究和综合分析。结果表明WRF模式较好地模拟了此次天气过程降水的空间分布和日变化规律,通过分析模拟的环流场与温湿场发现,夜雨的形成与大尺度环流场的影响和地形强迫关系密切。     

1819年黄河中游极端降水:史实、特征及气候背景

据清官档案与方志记载,复原了1819年(清嘉庆二十四年)黄河中、下游大范围房屋倒塌、民田冲没、人口伤亡、黄河多处决溢等雨涝灾情图景及时空分异特征,这是在明清小冰期大气候背景下的极端气候事件和重大气象灾害.研究指出,该年黄河中游夏秋季雨期长(连阴雨)、且多大到暴雨,二级流域(汾河、渭河)6-9月份降水县区雨日高达40日以...