四种再分析资与长江中下游地区降水观测资科的对比研究

为了获得对中国区域降水刻画能力较好的再分析资料,以长江中下游地区为例,将PREC/L、CMAP、GPCP及NCEP2四种再分析降水资料与台站降水观测资料进行了多年和逐年平均的年、季、月降水量距平的时空相关分析和方差分析,比较了再分析资料对该区降水刻画能力的差异.首先对该区域的观测资料、CMAP、GPCP及NCEP2资料进行插值,使所有资料具有相同的空间分辨率,在此基础上比较再分析资料与观测资料年、季、月平均的降水变化特征.结果表明,四种再分析资料与观测资料的距平相关系数(均方根误差)由大到小(由小到大)的变化次序为:PREC/L→CMAP→GPCP→NCEP2,四种再分析资料均能较好地刻画出长江中下游地区降水的时空分布特征,尤以PREC/L资料对该区域降水变化的时空演变规律描述得最好.最后,利用PREC/L资料与观测资料对该区域降水的时空特征进行了相关分析、EOF分析和功率谱分析,结果显示夏季平均降水量具有2.3和3.1年的显著周期,EOF分析的前两个模态的时间变化分别具有2.3和2.8年的显著周期,这些显著周期都通过了95%的红噪声检验.     

夏季南亚高压年代际变化及其对长江中下游降水的影响

夏季南亚高压对我国长江中下游旱涝分布有重要影响,为深入认识长江中下游夏季降水年代际演变规律和机理,提高其短期气候预测水平,利用1960~2015年NCEP/NCAR再分析资料和地面气象站降水资料,分析夏季南亚高压年代际变化及其对长江中下游降水的影响。结果表明：夏季南亚高压强度、面积、南界、东伸脊点、西伸脊点和脊线均存在显著的年代际变化,长江中下游夏季降水也有明显年代际转折,南亚高压脊线与长江中下游夏季降水相关最好,呈显著负相关。夏季南亚高压脊线年代际偏南期,南亚高压偏大偏强,长江中下游高层气流强,且形成发散;副高增强西伸,印度有稳定低压存在,长江中下游处于副高西北侧和西风槽前,盛行西南风,与北方来的偏西气流汇合;低层风场有明显切变和辐合,从孟湾、南海输送来的水汽在长江中下游辐合上升,导致降水偏多。1990s初至2000s初,夏季南亚高压年代际减弱西撤,副高减弱东撤,但由于两个高压减弱程度较小,长江中下游夏季降水仍偏多。     

基于TRMM卫星资料分析三峡蓄水前后的局地降水变化

为揭示三峡蓄水对局地气候的影响,利用TRMM 3B42卫星降水产品分析了三峡蓄水前后（以2003年为分界）库区的局地降水变化。分析表明,蓄水以后,库区西北部年累积降水量增加,东南部年累积降水量减少,这种降水变化是大尺度上降水变化的区域体现。蓄水对干流附近降水产生了一定影响,干流站点间降水量差别增大,但整个大库区平均的年累积降水量无明显变化。蓄水之后的降水变化具有季节差异。冬季几乎整个库区的降水量都有所增加;春季降水量在干流的上游个别地区和下游减少,中游增加;夏季除库区下游部分地区外,大部分库区降水量有所减少;秋季,库区的上游和中游降水增加,下游降水减少。区域平均的季节降水量无明显年际趋势。结果表明,三峡蓄水带来的降水变化空间尺度只局限在近库区,对整个大库区降水变化的影响可忽略不计     

全球升温1.5℃与2.0℃情景下长江中下游地区极端降水的变化特征

基于长江中下游地区1961~2100年区域气候模式COSMO-CLM(CCLM)模拟与1961~2005年气象站观测的逐日降水数据,通过统计计算年降水量、强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率4个极端降水指数,研究全球升温1.5℃与2.0℃情景下,长江中下游地区极端降水的时空变化特征。结果表明:(1)全球升温1.5℃情景下,年降水量相对于1986~2005年减少5%,强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率分别增加7%、33%和4%;概率密度曲线表明,年降水量均值下降,强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率均值上升,极端降水方差增大;年降水量、强降水量和暴雨日数在空间上表现为南部增加北部减少,极端降水贡献率则相反。(2)全球升温2.0℃情景下,年降水量下降3%,强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率分别上升15%、46%和15%;年降水量均值稍有减少且方差稍有上升,强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率均值和方差明显增加;年降水量减少区域位于长江主干以北,强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率表现为绝大部分地区增加的空间变化特征。(3)全球升温由1.5℃至2.0℃时,年降水量、强降水量、暴雨日数和极端降水贡献率分别增加3%、7%、10%和11%;随升温幅度的增加极端降水均值和方差上升;极端降水呈增加态势的范围扩大。因此,努力将升温控制在1.5℃对降低极端降水的影响具有重要意义。     

不同再分析降水数据在洞庭湖流域的精度评估

收集了4种不同数据来源的再分析降水数据:欧洲中期天气预报中心大气再分析数据(ERA-intreim)、英国East Anglia大学气候研究中心数据(CRU TS3.21)、全球降水气候学项目数据(GPCP V2.2)、TRMM多卫星降水产品——TRMM 3B43(V7)和中国气象科学数据共享服务网提供的降水实测数据(CMD),用均值、偏差和偏差百分比及标准差等统计指标对再分析降水数据在洞庭湖流域的模拟精度进行评估。结果表明:(1)4种再分析数据年、季节降水量的年际变化与CMD总体相似,其中秋冬季节与CMD的一致性好于春夏季节。(2)ERA-interim数据对年均降水量的高估比例为20%以上,对季节平均降水量的高估比例为10.13%～33.65%,年、季降水量偏差百分比变化的年际变化较大;标准差的年内变化范围为12.40%～70.13%,数据集的离散程度最大。GPCP和CRU两种数据的年季降水量偏差在 -6.19%～5.71%之间变化,均值与CMD数据最为接近;CRU数据年季降水量偏差百分比的年际变化和标准差的年内变化均较GPCP的大。TRMM数据对年季降水量的高估比例为 3.67%～ 6.52%,降水量偏差百分比的年际变化稳定;标准差的年内变化范围为4.58%～14.03%,数据集的离散程度最小。(3) ERA-interim、CRU、GPCP和TRMM数据年降水量的偏差范围分别为 1 000.21～-649.51、 333.89～-643.82、292.55～-686.85、256.20～-561.27 mm。再分析降水数据对降水的低估区域均出现在以南岳站为中心的衡阳盆地,而高估区域分布则有明显差异:ERA-interim的高估极值出现在地势较高的西部,CRU和GPCP的高估极值出现在南部山地,TRMM无明显高估区域。ERA-interim数据离散程度的空间分异明显,CRU和GPCP居中,TRMM分异较不明显。所有再分析数据在西部和南部山地区域的离散程度最大。     

基于FY2C卫星数据的藏北高原降水估算研究

如何确切的掌握降水的时空分布,对区域气候、水文和生态应用等至关重要。以藏北高原典型区为研究区,在大量地面实况降水观测数据与对长时间序列FY 2C 影像光谱特征和云图特征分析的基础上,获取卫星降水模拟参数特征集以刻画云降水的发生与发展过程,选用最值归一化方法对不同量纲云图特征参数进行归一化处理。构建基于三层前向型反向传播神经网络的卫星降水估算模型,用于该地域降水估算,并采用多指标体系分析模型的降水模拟精度。结果表明：静止气象卫星红外波段能较精确地揭示云的降水机理,较高时间分辨率遥感图像可以监测云图的变化细节,并获取能够反映云图降水特征的降水模拟参数;人工神经网络能较好地刻画该地域卫星降水特征的非线性规律;三层前向型反向传播神经网络卫星降水估算模型的估算结果与雨量计实测值间的相关性可以达到0.57。模型估算结果系统性的低估偏小,预示着对该地域弱降水强度将有较好的指示性     

经验正交函数方法和TRMM数据对长江流域降水模式与极端水文过程的研究

气候变化加剧了极端天气和水文事件的发生,降水是区域干旱与洪水事件最直接驱动因素。以TRMM/PR月累积降水反演遥感数据为基础,利用经验正交函数EOF（Empirical Orthogonal Function）方法对长江流域降水时空变化模式进行提取,并对比分析了主要模式振幅强弱与极端水文事件的对应关系。结果表明在流域尺度上EOF方法及TRMM/PR数据可以较好地识别降水主要模式,通过时空尺度变换成功揭示主要降水模式强弱与流域极端水文事件的对应关系。鉴于日益丰富的巨量水文气象时空数据,EOF方法在模式提取、水文模拟、极端事件预估及灾害适应性研究等方面具有应用潜力     

三峡库区来水流量与长江流域上游前期降水的关系研究

较为准确地预估三峡库区9月份来水流量,对于安全而有效地完成三峡水库蓄水任务具有重要的实用意义。通过相关分析,发现三峡库区9月的来水流量与长江流域（Yangtze River Valley,YRV）上游大多数气象站点的8月降水量有显著的正相关,据此定义了影响三峡库区来水流量的长江流域上游前期降水关键区。计算关键区内各气象站点8月降水量的算术平均值,并对比其与三峡库区9月三峡库区来水流量的年际变化,发现两者的变化较为一致,同样具有显著的正相关关系,因此长江流域上游前期降水关键区的8月降水量可以作为预估9月三峡库区来水流量的一个重要因子,这可以为三峡水库蓄水计划的制定提供一定的参考依据。还分析了相应的大气环流背景,发现三峡库区来水流量的多少与大气环流的变化具有密切的联系,即三峡库区来水流量偏少的年份,天气形势及水汽输送等因素都不利于降水过程的发生,进而可能导致三峡库区后期的来水流量偏少;相反地,在三峡库区来水流量高值年,天气形势和水汽输送都有利于降水过程的发生,使后期三峡库区来水流量偏多     

中国春季降水与南印度洋偶极子的关系研究

利用美国国家海洋和大气管理局海温资料和1951~2010年中国160站月降水量资料,分析了前期冬季（12~2月）印度洋海表温度与中国160站春季降水的关系及其影响机制。研究表明：冬季印度洋海温异常的空间模态主要有两种：符号一致的单极和东、西符号相反的南印度偶极。将第2模态的时间系数定义为南印度洋偶极子指数。该指数与中国次年春季降水关系较好,并利用NCEP/NCAR再分析资料进行机制分析,发现主要南印度洋偶极子通过以下途径影响中国春季降水：中高纬,SIOD的影响主要引起低纬度的海温及对流异常,通过中低纬度间的相互作用,在中高纬产生较强的遥响应,从而影响同期冬季欧亚大陆的环流变化,这种扰动在西风气流的作用下引起后期春季北太平洋地区对流活动异常,通过中低纬度间的相互作用,加强中高纬地区的遥响应,表现为欧亚大陆EUP波列;低纬,SIOD的影响主要引起南海-海洋性大陆的海温及对流异常,引发经向环流异常,导致黄河至长江中下游地区垂直运动异常和气流辐合异常     

基于RBF神经网络的城市建成区面积预测研究——兼与BP神经网络和线性回归对比分析

城市建成区面积预测是城市研究的一个核心问题,其与城市经济社会之间表现为一种复杂的非线性关系,传统的方法模型难以精确预测。作为一种较新的人工神经网络模型,RBF神经网络能以任意精度全局逼近任意非线性关系,表现出了极强的处理复杂非线性系统的能力。以合肥市建成区面积预测为例,构建了基于RBF网络的预测模型,作为对比,同时用BP神经网络、一元线性回归和多元线性回归模型进行了预测。预测结果的综合分析表明,在预测精度上,RBF网络＞BP网络＞多元线性回归模型＞一元线性回归模型。研究显示,RBF网络能为城市建成区面积预测提供一种新思路和新方法,进而可为城市土地利用及其规划制定提供科学的决策依据     

集合经验模态分解在长江中下游梅雨变化多尺度分析中的应用

基于长江中下游流域5个梅雨监测站1961~2012年的日数据,利用集合经验模态分解（EEMD）方法,对研究期内梅雨时间序列进行多尺度的分析,探讨其在不同时间尺度上的振荡模态结构特征。结果表明：近50多年来,长江中下游梅雨变化呈现出显著的年际和年代际尺度振荡特征,在年际尺度上表现出准3 a和6 a的周期变化,而在年代际尺度上显示准13 a和24 a的周期变化;各分量方差〖JP2〗贡献率显示,年际振荡在梅雨长期变化中占据主导地位;自1961年以来,EEMD分解的梅雨长期变化趋势表现出先增加后减少的倒“U”型特征,其中1961~1985年呈上升趋势,1985~2012年呈下降趋势,尤其是在2000年之后的下降趋势最为明显。由此可以看出,EEMD能够有效地揭示梅雨长期序列在不同时间尺度上的变化规律,可用于诊断非线性、非平稳性信号变化的复杂性特征     

近52a长江中下游地区极端降水的时空变化特征

长江中下游地区是我国主要农业区,同时也是降水异常,洪涝灾害频繁发生的地区之一,对长江中下游地区极端降水变化的研究,可以为该区农业生产及防洪减灾提供参考依据。利用1961~2012年间的长江中下游地区84个站点的逐日降水观测资料,基于年最大日降水(AM)序列与超门限峰值降水(POT)序列,通过滑动平均、Mann-Kendall检验法、线性倾向估计等方法,分析了该地区极端降水事件的时空变化特征。结果表明:(1)长江中下游地区近52a来极端降水量呈现为较明显的增加趋势,且极端降水量速率为9.3mm/10a,存在较为明显的年代际波动变化特征,1990年以后进入极端降水量偏多的时期;(2)AM与POT序列多年平均值大值主要分布在江西省大部、湖北东南部以及安徽南部;AM与POT序列多年标准差大值主要分布江西东南部与北部,湖北东南部以及湖南西北部;AM序列多年平均值与标准差均高于POT序列,AM序列年际间振幅要明显强于POT序列,极端降水年际变化幅度大于年内变化;(3)长江中下游沿岸地区年最大日降水量主要表现为增加趋势,长江以北的西部地区则主要表现为减少趋势;长江沿岸地区以及中东部地区的极端降水量主要表现为增加趋势,西部地区则主要表现为减少趋势。     

长江中下游人工鱼礁水动力特性实验研究

受三峡蓄水的影响,长江中下游水文生态系统发生明显变化,导致四大家鱼产卵适宜度下降以及像中华鲟这类生殖洄游性鱼类鱼卵孵化率降低。建设人工鱼礁是缓解长江渔业资源衰退、保护长江物种多样性、保持长江渔业可持续发展的一项重要措施。基于水槽模型实验,以透空正六面体型人工鱼礁为研究对象,将鱼礁块体与护岸相结合铺设在河道岸坡上,构成鱼礁型生态护岸。通过对鱼礁型护岸周围水面线及水流流速等水力特性进行测量分析,得到了鱼礁型护岸的鱼类产卵场水力因子。结果表明:在长江中下游河道两岸铺设透空型人工鱼礁其周围水流流速可维持在0.84~1 m/s之间,处于四大家鱼产卵繁殖最适宜的流速范围内;且由于鱼礁的存在,使岸坡附近水流流速梯度增大并产生上升流及背涡流等一些复杂的水流流态,这些水力因素又刺激了四大家鱼的交配活动,增加鱼类的产卵量。     

长江中上游四大家鱼资源监测与渔业管理

根据1994～2001年的监测结果, 结合历史资料对长江中上游四大家鱼资源现状进行了分析。结果表明：(1)长江中上游四大家鱼在渔获物中的比列呈下降趋势 ;(2)四大家鱼群体结构中低龄鱼比重上升,高龄鱼比重下降;(3)1997～2001年监利江段四大家鱼鱼苗径流量分别为35.87亿尾、27.47亿尾、21.54亿尾、28.54亿尾和19.04亿尾,与1981年该江段67亿尾相比,分别下降46.5%、59.0%、67.9%、57.4%、71.6%。针对影响长江四大家鱼资源的主要因素,提出了保护长江四大家鱼繁殖和栖息地,保持天然水域的相对稳定,降低长江四大家鱼捕捞强度,加强渔政管理等一系列保护长江四大家鱼的措施。     

长江中下游河道与岸线演变特点

分析了长江中下游河道岸线变化的主要因素，它们分别是河岸崩塌，泥沙淤积及人类活动等，其中河岸崩塌是河道岸线演变的最主要原因。总的来说长江中下游干流河势是稳定的，但五个河段有各自演变特点和规律，其中宜昌－枝城段河道与河床比较稳定，岸线顺直，但葛洲坝和三峡水利枢纽建成后对河床的冲刷作用较大；荆江段是长江著名的河曲段，其冲淤变化较大；城陵矶至湖口段为节点和分汊河床组成，一般来说节点较为稳定，而分汊河床不太稳定，湖口至江阴河段岸线一般较为稳定，但弯道河床变化较大；河口段不但受江流作用影响，还受潮流与波浪等共同影响，所以河口河床演变迅速，主要表现为汊道主泓迁移摆动。     

长江中下游湿地保护与流域生态管理

湿地是地球上具有多功能的、独特的生态系统,是人类最重要的生存环境之一。长江中下游湿地保护必须从流域管理角度进行规划和保护,应由过去主要是单块湿地保护向按流域系统保护的转变。具体可采取以下措施：在流域内建立统一协调机制,对流域湿地进行保护与合理利用,合理布局,统一规划;按湖泊流域和物种分布整合现有保护区,建立新的湿地保护区,解决目前管理上的制约问题;大力开展湿地修复重建;推进退耕还林、长江防护林等工程建设,发挥森林治理水土流失、涵养水源的作用;在保护的前提下科学合理地利用长江中下游湿地资源,开拓新的生产力;同时加强湿地科学研究。     

长江中下游湖泊保护和管理的若干建议

长江中下游地区是我国面向21世纪的经济重地,长江是我国唯一具有全国意义的战略水源地,是我国水资源供需平衡的最后防线。然而在自然演化宏观背景下,流域经济的高速发展,大规模开发利用等人类活动的强烈影响,引发了一系列负面环境效应。湖泊湿地生态环境被破坏问题严重,突出表现在生态调节和自我恢复功能大幅度降低,并已造成了严重的生态后果,危及长江水系的生态平衡,影响了区域经济的可持续发展。在大量野外考察和调查基础上,针对长江中下游湖泊湿地当前的生态环境状况及存在的问题,提出了若干对策和建议。     

长江中游地区洪涝灾害的土地利用思考

长江中游地区是我国长江产业带的腹地和承东启西的重要地区。进入20世纪90年代以来,长江中游地区的洪水屡屡成灾,经济损失越来越大。尽管洪涝灾害的发生与气象、地貌等自然条件密不可分,但人类不合理的土地开发利用对洪涝灾害的影响不容忽视。通过定性与定量相结合的方法分析了洪水位、河流湖泊的调蓄能力、洪涝灾害的经济损失等与土地开发利用的关系,论述了长江中游地区土地利用,特别是围湖造田、围垦江洲、分蓄洪区的开发等,与洪涝灾害的关系,指出长江中游地区不合理的土地利用所引起的河湖调蓄能力的下降是加剧中游地区洪涝灾害的重要因素。据此提出了中游地区减轻洪涝灾害的土地利用对策,如编制易灾区土地利用总体规划、实施“退田还湖、移民建镇”战略、发展“避洪农业”、建设分蓄洪区、提高土地利用率等。最后,分析了实施这些措施的可能性及实施过程中有待进一步解决的问题。     

长江中游土壤潜沼化现状及其利用

讨论了长江中游地区土壤潜育化沼泽化现状,土壤渍害的原因及其危害,并总结提出了一些改良措施。该地区土壤潜育化沼泽化十分普遍,四湖地区处于这种状况下的水稻土达84%,洞庭湖地区达51%,内外排水不畅是产生土壤渍害的重要原因。土壤渍害的产生极为频繁,并强烈影响作物的产量。从整个区域出发,综合考虑水利设施的规划以及因地制宜、因时制宜采取合理而有效的土壤改良措施,是改造潜沼化低产土壤的原则。