基于地面站点观测降水资料的中国区域日降水融合产品精度评价

论文对中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料（1998—2010年）和全国633个气象站点观测降水资料进行了对比,分析了融合降水资料误差的空间分布和时间变化特征,研究了海拔高度及地形起伏度对融合降水资料精度的影响,同时就日降水融合产品不同降水强度进行了误差分析。结果表明：日降水融合产品与台站资料的年平均降水量空间分布具有很强的一致性;全国大部分地区日降水融合产品与台站资料的累计年降水量相关系数大于0.8,东部地区则普遍在0.9以上;日降水融合产品的误差特征值及其空间分布均较为合理,年际变化不大;海拔高度对日降水融合产品平均偏差和平均相对偏差的影响比地形起伏度大,且海拔高度的影响在高海拔区域比低海拔区域更显著。     

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990~2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度（DEM分辨率）与准确性（降水插值）对径流和总氮模拟结果影响.结果显示：DEM分辨率变化（30~300m）对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数（ENS）和R²可达到0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.     

SWAT模型降水输入参数的改进研究

水文模型的运行和模拟精度,很大程度上依赖于输入参数的质量。论文通过不同途径获取的降水数据作为SWAT模型的输入参数,比较分析模型模拟精度。研究发现通常SWAT模型在模拟过程中选择的降水站点是固定的,如果某些年份缺失数据则会调用天气发生器,天气发生器基本可以满足SWAT模拟的需要,可以取得比较满意的结果。利用空间插值为缺乏降水观测的子流域提供降水输入参数,一定程度上提高了SWAT的模拟精度。不过在某些降水过程时空变率较大的情况下,空间插值的降水量往往偏低,导致SWAT模型对洪峰的模拟效果不好。     

基于区域气候模式CCLM的中国极端降水事件预估

选用中国气象局国家气候中心由逐日观测资料插值而成的格点化观测数据集,评估了区域气候模式COSMO-CLM(CCLM)对中国极端降水的模拟能力,并对2016—2050年中国极端降水事件进行预估。文中主要采用强度-面积-持续时间(Intensity-Area-Duration,IAD)方法,识别了既定时间尺度下具有一定强度和影响面积的极端降水事件,分析未来中国极端降水事件的特征和变化趋势,结果表明:1)区域气候模式CCLM对中国极端降水的空间分布和变化趋势均有较强的模拟能力;2)2016—2050年中国极端降水事件整体呈增加趋势,RCP 8.5情景下变化更为显著,事件强度更大;3)未来不同情景下,均有可能发生强度或影响面积超过基准期最大值的事件,其中影响面积大的事件多发生在华北和东北,强度大的事件多发生在西南和华南。     

秦岭南北降水空间分异研究

为了探讨秦岭南北降水空间分异特征,本文以秦岭山脊线南北22个气象站点2011~2018年间的逐日降水量及全球资料同化系统风向数据为基础,借助协同克里金插值和混合单粒子拉格朗日积分扩散传输模型(HYSPLIT模型)的后向轨迹模式等方法,对秦岭山区降水进行了空间格局分析、水汽轨迹追踪及水汽源地贡献率计算。结果表明:(1)秦岭山区等降水量线南北空间变化格局反映了山地水汽阻隔效应,同时北麓年降水总量空间差异较小,而南麓年降水总量自西向东则有高-低-高的分布特征、空间变异较大;(2)秦岭山区水汽输送路径主要有三条:源自印度洋孟加拉湾的西南水汽、源自西太平洋的东南水汽、来自蒙古-西伯利亚的北方极地大陆水汽;(3)夏季的秦岭西部山地对西南水汽的阻隔作用效果大于东部山地作用于东南水汽,而秋季的印度洋水汽输送基本对山脉北麓降水没有显现影响,而西太平洋水汽的输送路径只是向东有所偏移。     

FY2 号气象卫星估算地面太阳辐射研究

综合考虑太阳因素、地形因素、地表积雪覆盖情况、云量以及非均质大气对太阳辐射的影响,基于FY2 号静止卫星构建晴空太阳总辐射计算模型,并利用山西省3 个辐射观测站2011 年逐时、逐日、逐月太阳总辐射观测资料对其估算结果进行检验。研究结果显示：逐时误差在±1 MJ·m^-2之间,逐日误差在±5 MJ·m^-2之间,表明模型计算的太阳辐射误差较小,稳定性较好;逐月误差结果显示,三个站模拟值都大于实测值,且误差趋势一致,均表现为冬季误差高于夏季;进一步对模拟值和实测值进行相关性分析,三站线性拟合度均在0.86～0.92 之间,且相关系数均达到显著相关水平,表明模型计算的太阳辐射准确性和精度较高,且在数值拟合上较好地反映了实际的太阳总辐射量,证实该模型应用于FY2 号气象卫星的可行性。     

哀牢山山区降水时空分布的影响因素及插值方法比较

为了研究哀牢山山区降水的影响主要因素并探索适于山区降水的空间插值方法,本文利用研究区内30个地面测站10年(2005~2014)的降雨实测数据,根据降雨的时间分布特征,将研究时段划分为年季、干季和湿季,并对影响降水的因素进行空间自相关分析,确定并组合得到影响降水的主要因子,使用留一法交叉检验插值精度,通过分析验证,寻求最优的降雨插值方法。研究结果表明,1)影响降水的主要因子为高程、纬度、坡度、坡向和主风向效应指数(PWEI);2)影响年季降水变化的主要因子为高程、纬度、坡度和坡向;影响湿季降水的主要因子为高程、纬度、坡度和PWEI;影响干季降水的主要因子为高程、坡度、纬度和坡向;3)插值过程中结合环境特征引入影响降水的因子,很大程度上提高了插值结果的精确性。由此可见,降雨插值精度不仅和插值方法本身的结构有关,更重要的是在降水特征的基础上合理筛选及引入主要环境影响因子。     

边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM_(2.5)浓度模拟的影响

准确的空气质量数值预报模式依赖于精确的气象条件模拟,尤其依赖于大气边界层的准确模拟.为理解边界层过程如何影响空气污染物的传输与混合,利用WRF-Chem模式不同边界层方案(YSU和MYJ)进行敏感性试验,针对山西冬季典型静稳天气,对地面温度场、地面风场、PM_(2.5)浓度及边界层内部的动力和热力层结进行模拟分析,并与观测资料进行对比,分析不同PBL方案对于气象要素和PM_(2.5)浓度分布的模拟能力,探讨边界层内部热力层结和湍流输送差异对PM_(2.5)浓度模拟的影响.结果表明:2种边界层方案均能较好模拟出冬季静稳天气背景下地面温度、风速及PM_(2.5)浓度的空间分布和日变化特征,气温模拟的较大误差主要出现在夜间,而地面风速和PM_(2.5)浓度的模拟结果在午后误差较大;相对于YSU方案,局地MYJ方案模拟的温度、风场和PM_(2.5)浓度的误差更小,模拟结果更接近于实况观测.地面PM_(2.5)浓度的模拟误差可能与近地面逆温层、混合层及地面风速等的模拟误差有关;不同边界层参数化方案导致的边界层内热力层结和湍流输送的模拟差异,可能是影响近地面PM_(2.5)浓度模拟差异的主要原因;夜间MYJ方案逆温层厚度较厚,地面PM_(2.5)模拟浓度较低;午后MYJ方案混合层高度较低,加之地面风速较弱,导致地面PM_(2.5)模拟浓度较高.     

WRF数值模拟超强台风“凡亚比”路径强度及降水特征分析

采用中尺度数值模式WRF对2010年第1 1号台风“凡亚比”的发生发展过程进行数值模拟.通过设计的模式方案较好地模拟再现了“凡亚比”台风的发展、演变以及登陆过程,并利用台风最佳路径集提供的路径、中心气压、地面最大风速等信息资料,NCEP/NCAR分析资料,TRMM降水资料以及卫星云图、降水观测等各种资料与模式模拟结果开展了较细致的对比分析.模式模拟的台风路径与观测路径较为一致,分析出“凡亚比”台风的移动路径、强度、云系和降水分布等方面的特征.结果表明,台风的高低层环流形式、垂直运动场模拟结构也完全匹配,同时很好地把握住了中国沿海地区由台风造成降水的降水中心位置以及降水强度,但是对台风两次登陆时间的模拟均比真实的情况要迟6h,并且登陆位置偏西南.     

海面动力学粗糙度参数化方案对近海风资源评估结果的影响

采用数值模拟手段可以获取风能资源开发利用高度处资源量的区域分布状况,海面的动力学特性对近海面风速的数值模拟结果影响较大,论文采用WRF模式来研究不同海面动力学粗糙度参数化方案对近海及沿海地区风能资源的数值模拟评估结果影响以及方案的适用性.采用不考虑粗糙度变化(P_0)、WRF模式中参数化公式系数为定值的方案(P_WRF)、Yelland和Taylor 的分风速对参数化系数进行取值的方案(P_YT)对杭州湾近海及沿海地区风场进行模拟研究.通过与观测资料的对比分析可以得出以下结论:通过参数化方法改变海面动力学粗糙度可以改进近海和沿海地区风速的模拟效果,且P_YT 方案的模拟效果要优于P_WRF方案;当观测点为海风时,考虑粗糙度变化方案的风速模拟结果改进更加明显;观测点风速低于约8 m/s 时,所有方案模拟结果的相对误差均随风速增加而降低,P_YT 方案的模拟误差最小,P_0 的误差最大;而当风速大于8 m/s 时,相对误差会随风速的增加而增加,P_YT方案模拟误差最大,P_0 方案误差最小.三种方案模拟风能资源差异主要体现在陆地沿海和近海区域,离海岸线较远的陆上地区模拟结果相差不大,在沿海和近海区域方案P_WRF平均风速模拟结果比方案P_YT的偏高约为0.5 m/s,平均风功率密度偏高约为50 W/m².     

近30年黄河流域降水量的时空演变特征

利用中国气象局和黄河水利委员会近30年269个观测站的降水资料,采用光滑薄面样条插值法对黄河流域各月及年降水量进行插值,在ArcMap/ArcInfo中进行图象处理和分类,完成了1km×1km栅格降水的空间化,在此基础上分析了降水的空间分布。利用GIS软件编程实现了Mann-Kendall非参数统计法与空间化技术的结合,生成了各月及年降水在空间上随时间的变化趋势图。结果表明:27年来,流域总降水量呈下降趋势,空间上表现为北半部以增加为主,南半部以减少为主。各月间差异很大,在秋冬季节,以下降趋势为主,部分地区达到显著;春夏季节除少数月份外,大部分地区降水量有不显著的增加趋势。全年降水呈下降趋势的月份占多数,但主要集中在降水较少的秋冬季节,呈增加趋势的月份集中在雨水充沛的春夏,这种变化趋势使得降水的分布更加不平衡,表现为秋冬季的降水减少,而雨水较多的5～7月降水有微弱的增加趋势。     

中国陆地生态信息空间化技术研究(Ⅲ)——温度、降水等气候要素

利用国家气象局722个气象台站1971～2000年的气象资料,采用三维二次趋势面分析与空间插值相结合等方法,在ArcGIS平台上对气温、降水、空气湿度等气候要素进行空间化,生成国家尺度的1km×1km栅格各种要素气候图180多幅。经检验,平均绝对误差,平均气温和平均最高、最低气温为0.5℃左右,极端最高气温为1℃左右,极端最低气温为1.5℃左右,平均风速为0.4m·min-1;而平均相对误差,≥0℃、5℃、10℃、15℃的积温和平均相对湿度多在5%以下,降水量和饱和差在10%左右;其空间化的精度基本上达到了实用要求。为生态学、地学、资源与环境等学科的发展提供了重要的基础数据与研究平台。研究表明,空间化误差的时空分布与测点密度、气候要素本身特性等因素有关。一般规律是:西部地区大于东部地区,冬季大于夏季,离散的气候要素大于连续的气候要素,极端值大于平均值。     

基于格点数据的西北干旱区极端降水事件分析

根据国家气象信息中心发布的0.5°×0.5°中国地面逐日降水格点数据集,选取最大1 日降水量(RX1day)、最大5 日降水量(RX5day)、R95 极端降水量(R95)、湿天降水量(PRCPTOT)、持续干旱日数(CDD)和日降水强度(SDII)等指数,利用Sen 斜率法、相关分析法等方法分析了1961-2011 年中国西北干旱区极端降水特征,并探讨了各极端降水指数与北极涛动的关系,此外还与早期基于气象台站观测数据的相关研究结果进行了对比。结果表明:在时间尺度上,除CDD显著下降(P<0.01)外,其他指数均呈微弱上升趋势。在空间上,RX1day、RX5day、R95、PRCPTOT和SDII 在研究区内主要呈现西部明显增加、东部微弱减小的趋势,但CDD则整体呈现减小趋势。基于NCAR资料的夏季北极涛动指数与西北干旱区的CDD有很好的相关性(P<0.05),表明夏季北极涛动与该区的干旱事件发生之间存在一定联系。与早期站点数据的研究相比,格点数据覆盖度更好,能更为细致地描述空间变化特征,特别是在天山、阿尔泰山等山区的细节刻画上表现出一定的优势。     

空气质量数值预报优化方法研究

基于源清单“Nudging”修正方法和XGBoost算法对徐州市2016年12月13个监测站点的PM_2．5、PM₁₀、O₃、SO₂、NO₂、CO等6种污染物浓度预报值进行修正,并分析了修正前后模式预报改善效果.在源清单“Nudging”修正部分,本文结合IDW空间插值算法对SO₂、NO₂、CO等3种污染物浓度预报值进行修正,与修正前后模拟结果相比,采用同化源模拟的预报浓度值与观测值的相关系数提高了0.06~0.27不等,平均绝对误差和均方根误差减少的幅度较为明显,平均相对偏差（MFB）和平均相对误差（MFE）均在理想水平范围内,NO₂修正效果最好,其次是SO₂和CO.基于XGBoost算法的统计修正部分,本文结合WRF气象预报要素建立统计回归模型,对6种污染物进行统计修正,经滚动修正之后,预报偏低或偏高现象得到很大的改善,除了SO₂之外,相关系数均提高到0.6~0.7左右,各项误差统计指标改进幅度非常明显.总体而言,本文采用的两种修正方法对中小尺度空气质量数值预报改进效果非常明显,反映了此优化方案的可行性和科学性.     

降雨资料时间序列长度对降雨侵蚀力平均值置信度的影响

降雨资料时间序列长度是计算多年平均降雨侵蚀力过程中的重要不确定性因素.论文以中国601个气象站1980-2009年逐月降雨资料为数据源,利用Wischmeier经验公式计算了各气象站逐年降雨侵蚀力(R因子),用简单随机抽样方法抽取样本容量分别为30 a、 20 a、 10 a和5 a 四种不同的R值样本,计算了R平均值相对允许误差10%和25%条件下抽样估计的置信度.结果表明:降雨资料的时间序列长度对R平均值的估计置信度有显著影响;R平均值置信度存在明显的地域差异,长江以南、 青藏高原东部以及河西走廊南部的祁连山地区置信度较高;在降雨资料有限的情况下,必须根据土壤侵蚀研究的精度要求分析R平均值的抽样误差及其置信度,以保证土壤侵蚀定量预报的客观性与准确性.     

一种改进的Cressman插值方法在渤海表层总氮数据处理中的应用

根据渤海常规监测站的站位分布特征,提出了一种用来处理渤海表层总氮数据的改进的Cressman插值（MCI）方法。由渤海常规监测总氮数据反应的污染状况设定污染物浓度的两种理想分布,通过理想实验发现利用MCI方法插值得到的误差比传统的Cressman方法、Kriging方法和Local Polynomial（LP）方法更小,验证了MCI方法的有效性。实际实验利用交叉验证方法来计算插值的误差,并用MCI方法插值出2009年和2010年共4个月份的表层总氮空间分布,为渤海污染状况分析提供较为准确的数据支持。     

近50年华北地区降水量时空变化特征研究

利用华北地区(京、津、晋、冀、鲁、豫)92个气象台站近50年的逐日气象数据,采用趋势分析法和小网格法分析华北地区降水量的时空变化规律,并利用G IS工具实现空间分异表达。结果表明:华北地区降水相对较少,年均降水量为614 mm。年均降水量呈由东南向西北逐渐减少的趋势。春季降水纬向分布明显,而夏季降水经向分布更为突出,秋冬季降水与年降水分布相似。随着年降水量由多到少变化,多雨区由东部沿海向南部地区移动,少雨区呈由中西部地区向中北部地区移动的趋势。该区降水年际变异性强,年降水和夏季降水均呈明显的降低趋势,春季降水略呈升高趋势,冬季降水升高趋势更为明显。1980年为由多雨期向少雨期的转折点,降水量存在8~10 a的显著振荡周期。20世纪60年代为月降水正距平出现最多的时期,而80年代和90年代为月降水负距平出现最多的时期。华北地区降水量季节性差异明显,夏季降水集中,全年65%~85%的降水量集中在6—9月。     

霾天气影响下的京津冀气候变化特征与成因

利用1961~2016年京津冀90个国家级气象站的霾数据集、日平均相对湿度、14：00能见度、日平均气温、日累计降水、日平均风速、辐射等数据,采用MASH方法、线性趋势分析方法、曼-肯德尔（Mann-Kendall）法以及相关分析等方法研究了京津冀地区霾天气影响下的气候变化特征.结果表明：京津冀地区年平均霾日数呈明显的增长趋势,增长率为5d/10a以上,大中城市年平均霾日数明显高于其他地区,霾日数突变增多发生在1992~1993年,在国家大气污染防治专项资金注入以后年平均霾日数增长趋势减缓;京津冀地区霾日和非霾日年平均气温呈上升趋势,年平均能见度呈下降趋势;年平均降水日数总体趋势减少,但是霾日降水日数逐年增加,而非霾日呈现减少趋势,两者呈现对称相反关系;京津冀霾日和非霾日年平均风速均呈逐年下降趋势;霾日数具有随着GDP、能源消耗的增加逐年递增趋势.京津冀地区霾日和非霾日年平均总辐射和散射辐射都是逐年下降,霾日比非霾日下降趋势更加明显,年平均总辐射比散射辐射下降明显;年平均霾日数与年平均总辐射、年平均风速、年平均降水呈负相关,但是与年平均气温、GDP、能源消耗呈正相关.     

近50年来浙江省降雨特性变化分析

基于浙江地区17个气象站的日降水资料,利用统计学方法,分析了近50年来浙江省在汛期、枯季和全年的降雨变化特性。研究结果表明,浙江省东北部的汛期降雨量主要呈现增加趋势,而西南部主要为减少趋势,汛期降雨频率主要表现出不显著的减少趋势,而汛期降雨强度和汛期降雨量在变化趋势上相似;枯季降雨量有较为显著的增强趋势,而枯季降雨频率在浙江东部地区为减少趋势,浙江西、北部、浙江南部有增加趋势;年降雨量在浙江西、北部为增加趋势,且存在明显的11、21年两种不同时间尺度的周期;而浙江南部降雨量在1980年后开始呈现为减少趋势,存在20、8年的明显变化周期;浙江东部年降雨量在1986年前主要为增加趋势,而后为减少趋势,同时也存在11、8、21年3个不同时间尺度的变化周期。     

CLIGEN生成干旱半干旱地区降水相关参数的验证

选用黄河上中游地区无定河流域为中心的15个气象站1959~1999年的降水日值资料,对随机天气发生器CLIGEN在干旱半干旱地区再现降水的能力进行了验证。结果表明:CLIGEN模型较好地模拟了该区域的降水发生概率;很好地再现了年、月、日降水总量平均值,平均相对偏差分别为2.4%、2.4%和2.1%;CLIGEN再现了96.4%的日降水变率、95.9%的月降水变率和84.1%的年降水变率。对年降水变率估计稍差,表明CLIGEN在模拟降水变率方面还有改进的必要。从降水极值看,年降水最大值的平均相对偏差为11.1%,偏差最大的是干旱区的临河站（39.1%）;年降水最小值的平均相对偏差为20.5%,偏差最大的是临河站（-30.7%）;月最大降水量除两站稍低外,其它站平均偏高20.2%;日降水最大值除临河站偏低3.4%外,其余各站平均偏高43.2%。总体上讲,CLIGEN在干旱地区的模拟能力比在半干旱区稍差。鉴于CLI-GEN模拟的极大值绝大部分都偏高,因此利用CLIGEN模型生成的降水资料运行径流和土壤侵蚀模型有高估径流量和土壤侵蚀量的可能,需要进一步利用自计雨量计的资料对CLIGEN生成次降水的参数进行验证,以确保径流和土壤侵蚀预测的精度。