基于气象水文耦合的水库实时洪水预报方法

以水库实时洪水预报为研究对象,针对中小流域预见期短,流域天然预见期难以满足水利工程生产要求的问题,研究水库实时洪水预报方法,构建基于气象水文耦合的水库实时洪水预报模型。首先,采用短时临近外推技术及STMAS-WAF中尺度天气模式,建立24 h降水预报模型;然后将气象预报成果耦合至水文预报,实现气象水文的时空尺度匹配;最后建立基于来水预报成果反馈的降水预报修正方法,根据前期规律滚动修正未来24 h降水预报成果,将修正后的降水预报输入水文模型,实时预测水库来水,使水文模型从源头上实现准确输入,实现高精度长预见期的水库实时洪水预报,解决了传统水文模型预见期不足的问题。以新安江水库为例开展了模型的实例研究,编制新安江水库气象水文耦合预报方案,进行水库实时洪水预报,并探讨不同降雨输入形式对预报精度的影响,研究结果表明:基于气象水文耦合的水库实时洪水预报方法考虑了气象水文的双向反馈,将新安江水库实时洪水预报预见期从6 h左右提升至18 h,确保18 h预见期内预报精度在80%以上。与不考虑降水预报及使用未修正降水预报的2种传统方法的有效预见期相比,新方法的有效预见期分别提升了200%和29%,有效延长了水库实时洪水预报预见期,提高了洪水预报服务能力,给水库实时洪水预报提供了一种行之有效的方法。

长江上游地区气象水文要素变化趋势研究

为分析不同区域的气象水文要素演变规律,基于统计数据及水量平衡法,文章对长江上游地区不同经度、纬度的水文演变规律进行研究,得出地域变化对该地区的水文要素变化趋势影响显著,且当纬度大于31°时,其影响程度较为明显的结论。经纬度较小时,经度变化对于该地区全年平均降水量的影响较大,当经纬度较大时,纬度对于该地区的全年平均降水量影响较大。研究可为该地区水文气象变化特征提供相关参考依据。

黄河上游气象水文要素演化规律分析

黄河上游是我国重要的生态屏障,高原地区的气候、地形和水文特征对黄河水文循环和生态环境具有重要影响。研究采用M-K检验和小波分析法,开展黄河上游12个气象站及4个水文站气温、降雨以及径流的突变、趋势和周期分析,揭示了黄河上游气象水文要素的演变规律。结果表明:黄河上游气温以0.336℃/10 a的速率增长,气温的突变发生在1996年;降水量以6.07 mm/a速率减少,减少速率较低,基本处于稳定状态,突变发生在1982年,主周期为16 a;黄河沿站流量上升速率为0.23(m^(3)s^(-1))/a,唐乃亥、青铜峡、头道拐站流量下降速率分别为1.23(m^(3)s^(-1))/a、1.41(m^(3)s^(-1))/a和3.83(m^(3)s^(-1))/a,径流量总体波动较小。最后,采用R/S重标极差法预测了未来气象水文要素的发展趋势,结果表明气温和降水的可持续性不强;而径流发展具有反持续性,未来的趋势将可能与过去相反,其中唐乃亥站流量的反持续性较强。

2020年8月黄河中游致洪暴雨气象水文特征

利用ECMWF提供的ERA5再分析资料(分辨率0.25°×0.25°)和黄河流域加密的气象水文实况资料,分析了降水集中期的气象水文特征。结果表明:平均中纬度低槽、南亚高压和阻塞高压偏强,副热带高压位置偏西、偏北,且异常偏强是造成2020年8月黄河中游持续性强降水的主要环流背景;水汽输送较常年同期偏多,来自东海和孟加拉湾的东南和西南暖湿气流沿副热带高压边缘不断输送到黄河中游地区,并和中纬度低槽携带的冷空气在此交汇形成持续性的强降水。水文特征分析表明,导致潼关水文站出现3次洪水的较大面雨量,主要来源于潼关以上的8个子流域;2020年8月的洪水超过2011年9月的,为潼关站近20 a来的最大的洪水过程;5号和6号洪水连续超过编号标准的时长,为120 h和44 h,最大流量达6300 m^(3)·s^(-1);流量开始增加的时间落后降水开始的时间12 h~3 d,峰值落后降水结束的时间12 h~4 d;黄河支流水文站的流量峰值与水文站所在子流域降水范围、量级呈正相关,流入潼关站的流量从大到小依次为龙门站、华县站、状头站和河津站。历史对比表明,2020年8月黄河中游累积面雨量为近30 a来最大,北部6个子流域面雨量表现更为极端,降水持续时间更长。

VSAT卫星气象水文数据通信装备VR训练平台设计与应用

虚拟现实技术近年来在图形图像处理领域得到广泛应用,针对当前军事装备教学中存在的问题,以VSAT卫星气象水文数据通信装备为例,就如何建设VR训练平台从设计思路、结构、功能与应用以及后台管理等方面进行了说明,并就实际应用情况和效果进行了总结。

秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因分析

研究秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因对该流域水旱灾害防御工作具有重要指导意义。利用秦淮河流域气象水文观测数据和遥感资料,采用β-z-h三参数综合指示法、联合突变检测法等分析该流域气象水文序列时空变化趋势、变异点和变异度,采用弹性系数法定量评估气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:(1)秦淮河流域年平均气温和年径流深呈显著增加趋势,且未来仍将保持显著增长趋势;年降水量和参考作物蒸散量呈不显著增加趋势,且未来仍将维持微弱上升;年平均相对湿度呈显著减少趋势,且未来仍将维持显著减少。年降水量未发生变异,年平均相对湿度在2004年发生巨变异,年平均气温在1994年发生强变异,年参考作物蒸散量在2003年发生中变异,年径流深在2002年发生弱变异。(2)基准期(1981—2002年)和变化期(2003—2019年)秦淮河流域径流深与降水量呈显著正相关,与参考作物蒸散量、下垫面指数呈负相关;变化期较基准期参考作物蒸散量和下垫面指数弹性系数增大,而降水量弹性系数减小,下垫面指数的变化对径流增加贡献量较大(91.20%),表明人类活动引起的下垫面变化是径流增加的主要因素,起正贡献作用。秦淮河流域城市发展应充分考虑土地利用和覆被变化的水文效应,一方面保护滞蓄能力较强的耕地和林地,另一方面关注气候变化带来的防洪压力。

气象水文集合预报的多源不确定性影响评估研究

评估复杂水文预报的来源不确定性对于深刻理解和改进水文预报精度至关重要,以往研究较少关注多源不确定性对气象水文预报复杂过程的影响。本研究提出了一种通用的基于贝叶斯模型平均(BMA)的集合框架,用于评估多源不确定性对气象水文预报全过程的影响。采用TIGGE中心的八种数值天气预报产品,四种完全不同结构的水文模型和1000组参数分别考虑来自输入、结构和参数的不确定性。在中国金溪池潭流域的实际应用表明:气象水文预报中数值预报输入的不确定性比水文模型的不确定性更大,水文模型结构的不确定性则明显大于模型参数的不确定性。洪峰流量预报的精度与数值天气预报的精度紧密相关,水文模型结构和参数及其交互作用则是枯水期流量预报的主要不确定性来源。当同时考虑三种不确定性来源时,径流过程预报精度更高。通过考虑复杂预报过程的主要不确定性源,基于BMA集合预报的预测精度更高,并可降低其他因素带来的不确定性。本文提出的多源不确定性评估框架可以较好地提升对气象水文预报过程的理解,在提高复杂水文预报精度方面具有广阔的应用前景。

变化环境下气象水文预报研究进展

随着全球气候变化、下垫面改变及高强度人类活动的不断加剧,流域降水、蒸发、径流等气象水文要素都受到直接性的影响,水文序列的一致性假设不复存在。在变化环境下,传统径流预报方法适用性逐步变差,从而对气象水文的精准预报带来挑战。本文分别从气象水文预报的各个环节——多源降水数据融合、数值天气预报、流域水文模型、参数率定、数据同化、集合预报等方面综述了变化环境下的气象水文预报的研究进展。可以看到,国内外学者围绕上述技术都开展了大量研究,并取得了大量成果。未来针对变化环境下气象水文预报研究,将主要围绕以下方向开展:(1)落地和预报降水精度及时空分辨率的进一步提高;(2)水文模型结构的改进及不确定性分析;(3)水文预报误差的描述方法及其可靠性。

基于数值天气预报产品的气象水文耦合径流预报

以福建金溪池潭水库流域为例,采用TIGGE数据中心的ECMWF、UKMO、NCEP等7种模式控制预报产品驱动新安江模型,开展径流集合预报。通过集合挑选、多模式集成前处理以及基于BMA模型的后处理等过程,探讨不同处理方案和初始集合质量对气象水文耦合径流预报精度及不确定性的影响。结果表明,不同的处理方案均能有效提高径流预报的精度和稳定性,同时进行前处理和后处理能从降低误差输入和控制误差输出两方面减小预报误差,相对于其他方案表现更好。初始集合质量对气象水文耦合径流集合预报有一定影响,但前处理或后处理对预报误差的有效控制使得该影响并不显著。总体而言,前处理和后处理过程是提高气象水文耦合径流预报准确性和可靠性必不可少的环节,应予以重视。

1998年夏季中国暴雨洪涝灾害的气象水文特征

文章分析了 1 998年夏季我国长江、嫩江、珠江流域发生的严重洪涝灾害的气象、水文特征及其成因。 6月中、下旬珠江、长江、嫩江流域出现了持续性强降水 ,局部地区下了大暴雨 ;7月下旬长江流域出现了“二度梅” ,湖南、湖北和江西省普降暴雨 ;8月上半月嫩江流域再次出现持续性强降水。频繁的强降水使长江、嫩江、华南西江等干、支流水位迅猛上涨 ,支流河水不断涌入干流 ,使得干流洪峰迭起。雨水和洪峰迭加 ,引发了百年一遇的大洪水。1 998年 7月副热带高压南落是造成长江流域“二度梅”的主要原因。副热带高压、南海季风涌、中高纬冷空气和从青藏高原东移的中尺度对流系统 (MCS)等 4个因子的最佳组配 。

气候变化对澜湄流域气象水文干旱时空特性的影响

受全球气候变化影响,澜沧江-湄公河流域气象水文干旱发生了较大变化,预测未来流域干旱的时空变化与传播特征是应对气候变化、开展澜湄水资源合作的基础。利用SWAT模型通过气陆耦合方式模拟了澜沧江-湄公河流域历史(1960—2005年)和未来时期(2022—2050年,2051—2080年)的水文过程,采用标准化降水指数和标准化径流指数预估并分析了流域未来气象水文干旱时空变化趋势。结果表明:①澜沧江-湄公河流域未来降水呈增长趋势,气象干旱将有所缓解,但降水年内分配不均与流域蒸发的增加,将导致水文干旱更为严峻,干旱从气象到水文的传播过程加剧;②水文干旱具有明显的空间异质性,允景洪和清盛站的水文干旱最为严重,琅勃拉邦、穆达汉和巴色站次之,万象站最弱;③未来流域水文干旱事件发生频次略有减少,但其中重旱、特旱事件占比增加,极端干旱将趋多趋强,且空间变化更加显著。

呼伦湖湿地消长对气象水文因子变化的响应

利用1961—2005年呼伦湖湿地的气象及水文资料,基于灰色关联度分析、Mann-Kendall检验及小波分析、回归统计等方法,分析了湿地消长对气象水文因子变化的响应特征。结果表明:年与夏季气候在湿地消长中起主导作用。区域年降水量每增加10 mm,年降水量的直接作用是使湿地水域面积和水位深度分别增加2.6 km^2和1.6 cm;年径流量每增加1×10~8m^3,湿地水域面积和水位深度分别增加4.8 km^2和3.0 cm。45年来,湿地消长对影响因子连续变化过程的响应特征具有一致性,特别在20世纪90年代后响应更显著,湿地萎缩加快;气温与降水量变化在湿地水域面积、水位深度消长中的贡献率分别为33.1%与66.9%,22.5%与77.5%,降水量变化起主导作用。湿地消长对影响因子的多时间尺度周期性具有很好的响应。在27年的年代际尺度主周期与11～16年次周期、2～10年年际尺度准周期的叠加作用下,45年来,湿地消长出现了2次减少、1次增加的周期过程,并呈现短周期波动特征。

气象水文因子对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的影响

利用呼伦湖湿地50年的气象资料、水文资料和生态环境监测资料,采用迈阿密模型及回归统计分析方法,分析了气象水文因子对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的影响,结果表明,①50年来该湿地植物气候生产潜力变化趋势总体为下降趋势,减少的气候倾向率为每10年157.7 kg·km-2,峰值时段为1970—1990年,两个谷值时段为1961—1969年、1991—2010年,最大值和最小值与降水量出现的最多值和最少值一一对应。②在15个气象水文因子中有年降水量、年蒸散量、生长季径流量、春季大风日数、水位、春季平均风速、年大风日数、水域面积8个因子达到显著性检验(P<0.150～0.001),上述8个因子的排序也是与湿地区域植物气候生产潜力相关程度由大到小的排序。综述表明,呼伦湖湿地区域呈暖干化趋势,并且干旱灾害比较严重,是限制气候生产潜力的重要原因。③气象水文因子协同作用对该湿地区域植物气候生产潜力的影响较大,复相关系数为-0.997,年蒸散量与年平均气温、年降水量、生长季径流量和水位因子对湿地区域植物气候生产潜力的贡献相反,随其减少或增加,湿地区域植物气候生产潜力变化率增加或减少149.7 kg·hm-2。可以看出,该湿地气象水文因子的匹配并不理想,暖干化趋势依然是制约该区光能利用率低下的重要原因。④该湿地区域植物现实的生产力远未达到气候生产潜力,约有近60%的潜力可以开发;光能利用率较小的主要原因:一是现有的生态保护、修复技术及管理水平还比较落后,二是该区域暖干化趋势显著;而提高气候资源利用率的有效途径是加大保护生态环境力度和积极实施人工增雨、节水灌溉工程。

气象水文耦合中的降尺度方法研究进展

简述遥感技术特别是雷达估算降水技术发展对缓解气象水文尺度不匹配的贡献,着重介绍目前国内外研究应用较多的统计降尺度模型(SDSM)、EOF迭代方法、主分量分析与逐步回归相结合、动力与统计相结合等4种降尺度方法。同时,简要介绍中国气象局武汉暴雨研究所改进的一种降尺度方法,并选取一次降水过程,对利用该方法降尺度后的降水预报结果与其实况进行对比分析。结果表明,该降尺度方法有效地提高了降水预报结果的空间分辨率(2km×2km),有利于天气模式与水文模式相结合。

亚丁湾地区春夏季气象水文要素特点

为找出亚丁湾地区春夏季气象水文要素变化的规律,为未来进行亚丁湾地区气象水文预报打下良好基础,依据亚丁湾地区春夏季气象水文要素实时及历史观测资料,分析了该地区春夏季气象水文要素的特点及气象水文预报的关键点。结果表明:亚丁湾地区春夏季的降水十分稀少,能见度较好;春夏季气象水文预报的重点是风浪的变化,而风浪的变化与当地的地形、地貌等自然地理环境密切相关,且在4月份存在明显的转折,即由4月份之前较弱的东北季风转为较强的西南季风,并使得亚丁湾不同区域的风浪呈现不同的变化规律。

古尔图河气象水文要素变化特征与下游艾比湖生态的关系

基于1974—2014年古尔图河新渠首水文站的水文气象数据,运用累积距平法、Mann-Kendall突变检验法及小波分析法对气象水文要素的序列变化趋势、突变特征及周期变化规律进行综合分析,并论证古尔图河气象水文要素与奎屯河、艾比湖之间的关系。结果表明:(1)近40年来,气温、降水、径流均呈现先降后升的变化趋势,其年际变化率分别为7.95%,15.84%,6.68%;(2)气温在1980s末期发生突变,降水突变时间早于气温(1980s初期),径流突变时间最晚(1990s末期);(3)气象水文要素呈现多种不同尺度的振荡周期,气温、降水和径流的年代际变化周期以25~28年、17~22年、4~6年最为常见;(4)径流与气温之间存在良好的相关性,与降水的关系较为复杂;(5)奎屯河的径流变化趋势基本与古尔图河呈正相关关系,20世纪70年代初期艾比湖生态环境恶化的主要驱动因素是人类的过度开发。

大伙房水库汛期气象水文特征分析

洪水具有利害两重性,将洪水转化为可利用的水资源对增加流域可利用水资源量、提高流域水资源承载能力具有十分重要的意义。在汛期水文气象特征分析的基础上,依据大伙房水库汛期日平均降水量及日平均入库流量资料,利用数理统计方法分析了汛期各旬平均降雨量、暴雨发生频率及汛期各旬平均入库流量的变化规律。根据汛期日平均入库流量资料,采用模糊集合分析法对大伙房水库流域汛期分期进行了研究。结果表明:大伙房水库汛期具有明显的分期特性,可将6月1日至7月11日作为前汛期,7月12日至8月26日作为主汛期,8月27日至9月30日作为后汛期。

基于气象水文数据融合的小型水库监测预警系统建设

我国小型水库数量多、运行风险大、病险率高,小型水库安全度汛问题十分突出,每年都有相当数量小型水库出险或垮坝。针对小型水库预报预见期短、预警难度大的特点,基于小型水库监测数据,在实况降雨的基础上,融合气象预报降雨,采用水位-库容-纳雨能力-预报降水“四轴三相”的预警技术来提升小型水库预警能力。应用表明,基于气象水文融合技术的小型水库雨水情信息服务及预警系统,提高了小型水库信息管理效率,强化了水库信息安全管理,有效延长了预警预见期,提升了预报预警能力,对于小型水库防洪度汛管理具有重要的应用价值。

2007年淮河暴雨洪涝的气象水文特征

利用常规气象和水文资料,分析了2007年淮河洪涝期间的气象水文特征,探讨了淮河暴雨致洪原因。结果表明:2007年淮河入梅后经历了7次暴雨和大暴雨过程,其中导致淮河洪涝的强降雨主要出现在2007年6月29日—7月10日的4场强暴雨过程。大尺度的环流分析表明:淮河的强降水出现在大尺度环流形势相对稳定的梅雨形势下,副热带高压的稳定对于强雨带的建立影响最明显;淮河干流的水位流量变化呈现出上游水位高,汛情严重的特征。王家坝的水位经历了两次快速上涨后超过保证水位,水位的变化与淮河强降雨、尤其是淮河上游强降雨过程有较好的对应关系。与历史上淮河洪涝年比较发现:2007年淮河梅雨期的总降水量低于历史上淮河洪涝年的1954年、1991年和2003年的降水量,为历史第4位;淮河干流的水位则超过了1991年和2003年,为历史第2位,上游降水量大导致了淮河出现1954年以来的高水位。

气象水文模型耦合在黄河三花间洪水预报中的应用

水文预报的有效预见期越长,预报精度越高,其对防洪减灾的价值就越大,而气象水文模型的耦合是延长水文预报有效预见期的一个重要研究方向。选取黄河流域三门峡水库以下、花园口水文站以上集水面积为研究区域,基于空间分辨率为90 m×90 m的数字高程模型数据构建数字流域水系,利用中尺度非静力模式MM5进行降雨预报和气温预报,并将之作为分布式时变增益水文模型降雨和蒸发计算的输入进行关键站点的水文预报,实现了分布式时变增益水文模型与大气中尺度非静力模式MM5的单向耦合及定量降水预报与洪水预报的结合,为花园口防汛工作提供了一定的参考价值。2012年与2010年的流量滚动预报结果相比,2012年预报结果的效率系数较大,径流深相对误差较小,说明2012年预报效果较好。对预报结果分析表明,实测的水情资料完整性直接影响预报结果,而滚动预报时间段的增加,水文预报的初始场对径流预报的影响逐渐减弱,水文预报的精确度逐渐提高,预报的效果变好。