基于VIC模型的三峡库区流域小时尺度实时洪水预报

VIC模型在流域面积大于3 000 km^(2)的大型流域日或月尺度洪水模拟中表现出良好的适用性,而在大型流域小时尺度实时洪水预报过程中的适用性尚未得到验证。以三峡库区大型流域为例,通过建立小时尺度VIC分布式洪水预报模型,构建三峡库区流域实时滚动洪水预报方案,将VIC分布式洪水预报模型实地化部署并应用于2022及2023年三峡库区实时洪水预报。结果表明:VIC模型应用于2014—2021年三峡库区各子流域历史洪水模拟,率定期和验证期的洪量、洪峰平均合格率均在80%以上,确定性系数均值在0.70以上,构建的VIC分布式洪水预报模型在三峡库区及其子流域洪水模拟中表现出良好的适用性;在2022及2023年三峡库区4场典型洪水的实时洪水预报中,径流深和洪峰的平均相对误差达到16.3%和5.0%,重点产流区产流量平均相对误差为7.8%,能够准确把握库区重点产流区的洪量及来水过程,因此VIC模型在大型流域小时尺度实时洪水预报中具有较大的应用潜力。

引入用能行为概率和群智能优化的数据驱动高精度小时尺度建筑能耗预测体系

提出了一种改进的用户用能行为概率模型,作为新输入集成入能耗预测中,引入麻雀搜索算法(SSA)用于优化长短期记忆神经网络(LSTM)的超参数选择,建立了高精度小时尺度建筑能耗预测体系。在某建筑中的实际应用显示,相比于传统预测体系,改进的能耗预测体系可以使决定系数R 2平均增大0.201,平均绝对百分比误差(MAPE)平均减小18.10%,均方根误差的变异系数(CV-RMSE)平均减小0.176。

考虑次小时尺度运行灵活性的含储能机组组合

大规模可再生能源并网加重了电网的调频负担,对电力系统快速响应功率变化的能力,即次小时尺度的运行灵活性提出了更高要求。对此,文中提出一种考虑次小时尺度运行灵活性的含储能机组组合模型。在对系统净负荷区间变化规律进行分析的基础上,确立净负荷波动的关键场景并依此设置运行灵活性约束,明确了机组组合中小时尺度调度决策与次小时尺度运行灵活性需求间的牵制关系;同时,基于对储能在充电、放电、非充非放等各运行状态下提供运行灵活性的原理与制约因素的分析建立相关数学表达,并将其加入系统能量、功率平衡方程与运行灵活性约束,由此构建储能统筹利用与机组组合一体的数学模型。通过线性化处理,整个模型形成混合整数线性规划问题以实现求解。仿真分析表明,所提方法可优化利用储能,有效实现系统次小时尺度运行灵活性的提升。

小时尺度有效积温在水稻出苗期预测中的应用

为改善日尺度有效积温未考虑日内气温变化的缺陷,分析小时尺度有效积温的应用范围,从而更准确地评估水稻生育期内热量需求。文中以南昌县塔城乡2018年10个播期直播早稻(中嘉早17)为研究对象,比较不同播期处理下播种—出苗始期日尺度有效积温和小时尺度有效积温的差异,结果表明:1)当日平均气温>12℃且日最低气温<12℃时,日尺度有效积温不为0℃·d,但小于小时尺度有效积温;当日平均气温≤12℃时且日最高气温>12℃,日尺度有效积温为0℃·d,而小时尺度有效积温不为0℃·d。在日平均气温接近生物学下限温度时采用小时尺度计算有效积温更为有效。2)利用小时尺度确定了中嘉早17品种播种—出苗始期所需的积温阈值为54.46℃·d,出苗日数与播种期呈极显著的二次函数关系,且播期每推迟5 d,出苗日数将平均缩短2 d。

太湖小时尺度水面蒸发特征及3种模型模拟效果对比

小时尺度水面蒸发可影响水面大气边界层热力和动力结构,分析湖泊小时尺度水面蒸发主要影响因素,选取准确模拟其特征的蒸发模型,将有助于改善流域天气预报和空气质量预报.基于太湖避风港站2012—2013年通量、辐射和气象观测数据,分析太湖小时尺度水面蒸发主要影响因子和3个模型(传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型)的模拟效果.结果表明:影响太湖小时尺度水面蒸发的主要因子为水气界面水汽压差和风速的乘积,而非净辐射.传统质量传输模型、Granger and Hedstrom经验模型、DYRESM模型模拟值与全年实测值的一致性系数分别为0.92、0.87和0.89,均方根误差分别为28.35、41.58和38.26 W/m^2.传统质量传输模型对太湖小时尺度水面蒸发的日变化和季节动态模拟效果最佳,其夜间模拟相对误差小于3%,除秋季外,其他季节的模拟绝对误差均小于4 W/m^2.Granger and Hedstrom经验模型系统性地高估太湖潜热通量,在大气较为稳定的午后(高估22~32 W/m^2)和冬季(高估72%)高估最为明显,模拟效果最差.DYRESM模型也系统地高估太湖潜热通量,模拟效果居中.考虑水汽交换系数随风速的变化特征将有助于改善传统质量传输模型和DYRESM模型对太湖小时尺度水面蒸发的模拟精度.

黑河上游亚高山草地小时尺度蒸散发研究

选择黑河上游天涝池小流域为研究区,亚高山草地为研究对象,利用涡度系统计算2014-2016年小时尺度蒸散发量,选择Penman、FAO Penman-Monteith、FAO Penman、Priestley-Taylor模型模拟研究区亚高山草地小时尺度蒸散发量.结果表明,除Priestley-Taylor模型,其他3个模型模拟结果与涡度计算结果相关关系较好,但是模拟结果偏大,修正后的模型模拟结果较好,可以用来模拟研究区小时尺度蒸散发量.根据Priestley-Taylor模型,修正FAO Penman-Monteith模型,模拟结果与Priestley-Taylor模型相似,模拟结果不好.利用2014年涡度计算小时尺度蒸散发量与净辐射、风速、空气温度、相对湿度和大气压强做Person相关分析,与其都呈极显著相关关系,利用2015和2016年涡度计算小时尺度蒸散发量验证经验公式,结果较好.

小时尺度积温在灞桥樱桃始花期预报中的应用

为减轻陕西省西安市灞桥樱桃冻害损失,做好樱桃始花期预报至关重要。为此,可利用灞桥樱桃物候期和气象资料,分析小时尺度积温与樱桃始花期之间的联系,对比小时尺度和日尺度积温在预报樱桃始花期中的优劣性,初步建立灞桥樱桃始花期预测模型。结果显示:(1)灞桥樱桃始花期与小时尺度积温的关联性比日尺度积温更高;(2)相比使用≥5℃积温和≥10℃积温数据,使用>0℃积温数据计算的灞桥樱桃始花期预报准确度更高;(3)理论上使用小时尺度积温数据计算的樱桃始花期比日尺度积温效果更好,但日尺度积温数据的预测值更准确,所以在樱桃始花期预报中应根据实际情况选择使用何种数据。

千米尺度模式降水的检验评估进展及展望

数值模式检验评估是理解模式偏差、完善数值模式和提升预报服务产品质量的有效方法,是现代数值模式发展的基础环节之一。传统的降水业务检验主要基于累积降水量的评估,较少考虑降水的发展演变过程。随着模式分辨率和降水精细化预报需求的提升,仅基于降水量的检验评估已不能满足定时、定点、定量的降水预报服务需求。在回顾已有降水检验评估方法的基础上,重点介绍基于降水频次、强度等小时尺度特征量及其日变化峰值时间的新评估方法,并示例给出此类评估结果对于深入认识日内降水预报偏差的应用价值。初步结果表明,相关方法和结论为丰富和深化数值模式评估,改进客观预报方法具有有益的启发作用。随着千米尺度模式在降水精细化预报业务中的广泛应用,未来仍需进一步发展和完善针对不同区域降水过程分类、分型的细致评估方法,并进一步研发面向快速更新循环系统和对流可分辨集合预报模式应用的检验评估指标,为千米尺度数值模式的改进和模式产品的合理应用提供科技支撑。

千米尺度数值预报模式对泰山地区暖季降水预报性能的评估

为深入认识对流可分辨模式对小尺度孤立地形区降水的预报性能,使用2017年暖季(5—9月)台站逐时降水观测数据,以小时尺度降水特征为指标,细致评估了千米尺度分辨率(3 km)的北京“睿图”短期数值预报子系统(RMAPS-ST)对泰山及其周边地区降水特征的预报能力,并对比了不同起报时次(北京时08时和20时)的预报差异。评估发现,RMAPS-ST可以再现泰山站的局地降水中心,但区域西南侧降水预报小于观测,而泰山站及其东北侧则相反。清晨和午后时段的降水预报与观测相比存在较大偏差。以泰山站为例,RMAPS-ST易于低估夜间至清晨时段的降水频率,这可能与模式对降水系统发展演变过程的预报偏差以及清晨泰山站弱降水事件的漏报有关;清晨泰山站降水强度的预报在不同起报时次的结果中存在差异,20时起报存在大幅度高估的问题,进而导致其暖季平均降水量预报大于观测,而08时起报对于清晨降水强度的高估不明显;08时起报易高估泰山站午后的降水频率,这与其午后短历时降水事件数预报偏多有关,模式对山区热动力场的预报偏差是午后降水空报的可能原因。小时尺度降水特征已应用于中国气象局区域数值预报模式的业务评估体系中,本研究结果也表明,此类评估有助于深入认识千米尺度数值预报模式对降水日内变化的预报能力,从而为精细化降水产品的订正提供更详实的科学依据。

基于整点时刻与逐日平均气温的夏玉米温度适宜度差异比较

为更精细评价温度对作物的影响,以河北省夏玉米生育期气象条件为例,基于温度适宜度模型,比较分析逐小时整点时刻的温度和逐日平均温度的夏玉米温度适宜度。结果表明:2015-2020年肥乡、栾城和涿州3个国家级农业气象观测站6个年度基于小时温度的日温度适宜度与基于日温度的日温度适宜度两者逐日差值≥0.6、≥0.5、≥0.4、≥0.3、≥0.2、≥0.1和≥0.01的占比依次为0.05%、0.6%、2.1%、6.9%、23.8%、62.4%和96.3%,3个站中两者差值的变异系数>100%、10%~100%、<10%的占比依次为0.2%、50.0%和49.8%,50.2%差值样本存在中等或较大程度的差异。基于小时温度的日温度适宜度与基于日温度的日温度适宜度差值与温度日较差呈正相关,若日较差小于12.5℃,则两者差值有80.1%的样本低于0.2;若日较差小于8.4℃,则两者差值样本中有34.6%在0.1以内。连续高温日下,基于小时温度的日温度适宜度和基于日温度的日温度适宜度均能反映高温的影响,检验结果一致性为91.7%;连续低温日下,基于小时温度的日温度适宜度能反映低温的影响,而基于日温度的日温度适宜度则不能,两者一致性仅30.0%。

M_(s)6.0以上强震临震前几小时震中区域天气特征

1研究背景大气电场(Atmospheric electrical field)是描述空间电荷分布的一个重要物理量,受空间天气、气象活动、地质活动等因素的影响。20世纪即对地震前大气电场开展观测,异常结果与假说也被现代技术的最近测量所证实(Jin et al,2020;陈涛等,2021)。但利用震前大气电场异常现象预测地震,需要克服的难题就是大气电场对天气条件的敏感性。目前,只有晴天气象条件下的大气电场异常才被认为是地震前兆信号。

基于SWAT与新安江模型场次洪水模拟研究及评估

中小河流洪水大多位于资料短缺的山丘区,具有突发性强,汇流时间短的特点,已成为当前防洪工作的重点和难点。新安江模型和SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型都是应用广泛的水文模型,但其在中小河流洪水模拟中的对比分析及效果评估方面还鲜有研究。以北潦南河为例,建立了日尺度和小时尺度的新安江模型和SWAT模型,评估2种模型在径流深、洪峰流量和峰现时间等关键要素方面的计算效果,分析各自优缺点。结果表明,在率定期间,新安江模型相对径流误差(RRE)、洪峰流量相对误差(RPE)和峰现时间误差(PTE)平均值分别为-2.6%、-4.3%、-0.3 h, SWAT模型RRE、RPE和PTE平均值分别为-4.3%、-3.3%、-0.1 h,新安江模型在RRE方面优于SWAT模型,但SWAT模型在RPE、PTE和多峰洪水模拟方面则优于新安江模型;在验证期得出了与率定期相同的结论。

CMA-MESO模式对2020年夏季四川盆地及周边降水预报性能的评估

利用2020年夏季(6~8月)CMA-MESO模式逐日08:00(北京时,下同)起报的12~36 h逐时降水预报数据和地面—卫星—雷达三源融合逐时降水产品,着眼于小时尺度降水特征,细致评估了CMA-MESO对四川盆地及周边地区的降水预报性能。结果表明,CMA-MESO较好把握了夏季降水的空间分布特征,即小时平均降水量和降水频率的大值区位于四川盆地西部、北部和东部的高海拔山区,而降水强度大值区主要位于山脉迎风坡一侧,但CMA-MESO预报的降水量和频率大值区位置较观测偏南。CMA-MESO合理描述了研究区域内降水量和频率峰值时间位相自西向东逐步滞后的特征,能够把握区域平均的降水量和频率清晨主峰、傍晚次峰的双峰形态以及降水强度的单峰特征,但预报的降水日变化位相超前于观测。CMA-MESO预报的逐时降水量均大于观测,明显的降水量预报正偏差发生于夜间(21:00至次日03:00)和午后至傍晚(14:00~20:00),分别由一般性降水(0.1~10 mm h-1)预报偏差和强降水(≥10 mm h-1)预报偏差主导,其偏差大值区分别位于青藏高原东南缘至四川盆地西部和四川盆地以东、以南地区,模式对热力和动力场的预报偏差结合地形的影响是降水量预报偏差的成因。

六盘山华北落叶松林分蒸腾日内变化及其对环境因子的响应

【目的】理解林木蒸腾日内变化及其对主要环境因子的响应规律,进一步阐释短时间尺度下环境条件调控森林蒸腾的机理。【方法】以宁夏六盘山香水河小流域华北落叶松人工林为研究对象,在2018年生长季(5—10月)连续监测样树的树干液流变化,并同步观测气象条件和土壤湿度,分析小时尺度的林分蒸腾对环境因子的响应,并建立多因素影响的蒸腾模型。【结果】(1)在小时尺度上,林分蒸腾量(T)对太阳辐射(Rs)和饱和水汽压差(VPD)的响应均呈二次多项式函数关系;随Rs和VPD的增加,T均先增加,当Rs和VPD分别达到666.7 W/m2和1.86 kPa后达到峰值,然后逐渐减小。(2)T对土壤可利用水分(REW)的响应符合趋于饱和的指数关系,T随REW的增加表现为先增加,当REW> 0.3后,T逐渐趋于稳定。(3)在确定T响应Rs、VPD和REW的类型并耦合形成蒸腾模型后,利用生长季内的奇数天小时观测值进行拟合参数,并用偶数天小时观测值进行验证,得到T响应多因素变化的耦合模型:T=(-6.347 0×10-5Rs2-0.637 0Rs-208.734 8)×(-0.003 2VPD2+0.013 8VPD+0.001 7)×(-0.008 1-0.004 6(1-exp(-12.469 6REW))),该模型在校准阶段(R2=0.74,纳什效率系数(NSE)=0.82)和验证阶段(R2=0.77,NSE=0.84)均表现出较好的模拟效果。【结论】在小时尺度上,林分蒸腾量可以由耦合了太阳辐射、饱和水汽压差和土壤可利用水分影响的耦合模型进行较好的预测。本研究结果可为精确预测变化环境下的华北落叶松林分日内蒸腾提供理论基础,同时模型的构建方法可为其他区域和其他树种的林分蒸腾模型的建立提供参考依据。

计及运行灵活性约束的综合能源系统优化调度

电-气-热互联的综合能源系统(IES)在能量传输过程中具有多时间尺度特征,且气-热网络动态特性蕴含着丰富的灵活性容量,充分挖掘IES潜在的灵活性可有效提高可再生能源的消纳水平。为此,提出了一种计及次小时尺度运行灵活性的IES优化调度模型。在分析净负荷变化区间内系统运行规律的基础上,推导了电力系统的灵活性需求和资源的数学表达。然后,分析气网和热网的动态特性,并分别建立了气网和热网提供运行灵活性的数学模型。基于此,构建了计及次小时尺度运行灵活性约束的综合能源系统优化调度模型,并将模型中的非线性项进行了线性化处理。最后,采用电-气-热IES 24-20-16系统进行算例分析,结果表明,气-热网络动态特性在短时间尺度内能够提高系统的灵活性,进而显著提升系统运行的经济性。

江淮流域大范围雨带降水的精细化特征研究

利用中国地面与CMORPH融合逐小时降水产品(CMPAS)和欧洲中期天气预报中心的全球气候第5代大气再分析产品(ERA5),基于面向对象的诊断评估方法(MODE)量化雨带空间特征信息挑选大范围雨带,再根据雨带形态不同将其分为纬向型和经向型。基于江淮流域雨带不同空间型的分类合成,分析了江淮流域不同空间型雨带的降水和环流特征。对比不同空间型雨带的降水时、空特征发现,大范围雨带多呈西南—东北向,降水量、降水频率的日变化表现为夜间主峰值、午后次峰值的双峰特征,降水强度存在夜间至凌晨的单峰特征。纬向型雨带空间分布为西南—东北向,在暖季随时间自南向北推进,降水集中在6月中、下旬至7月上、中旬,对应江淮梅雨期降水,强降水的发生频率高、雨区面积大,雨带的降水量、降水频率及降水强度的日变化特征同大范围雨带基本一致。经向型雨带降水在8月季风间歇期发生的频次较高,降水影响范围相对较小,降水量、降水频率日变化为午后单峰特征,降水强度也是午后较夜间大。进一步对比两类不同空间型雨带对应的环流特征发现:两类雨带降水都对应中高层暖、低层冷的温度异常垂直结构,风场的异常环流在高层为反气旋,低层为气旋。纬向型正异常南北两侧温度梯度较大,经向型东西两侧温度梯度较大。纬向型位于高层反气旋的中心,高层辐散提供了上升需要的动力条件,低层西南风异常提供了丰沛的水汽,有利于形成大范围的降水。经向型位于高层反气旋的后部,低层风场主要为东南风或东北风异常,形成经向度较大降水空间分布,辐合上升的局地性较强,强降水中心较为分散。

2021-04-16河北滦州M_(S)4.3地震前的大气电场异常信号分析

中国科学院国家空间科学中心分布在天津市宝坻区和廊坊市永清县的2个观测台站在2021-04-16河北滦州M_(S)4.3地震前均观测到大气电场异常。宝坻站监测到过境云与地质活动混合型电场异常信号;永清站监测到湾型持续电场异常信号,属于典型的临震前小时尺度先兆信号,其幅度和持续时间均明显高于宝坻站的异常电场信号。对比电场异常期间2个台站的气象活动和空间天气活动发现,虽然2台站电场异常信号的表现方式不同,但背景变化中均隐含大型地质活动信号。分析结果表明,未来可通过分析多源活动导致的空间静电演变过程,形成有效的识别方法,在一定的气象活动范围内,从大气静电监测数据中提取中等以上强度地震的前兆信息。

近60年江西省时段最大降水变异诊断

选取江西省91个气象站点1954—2012近60年小时尺度降水数据,采取水文变异诊断系统(HDMS)分别对各站点连续1、3、6、12、24 h年最大降水进行变异诊断分析。首先,在详细诊断中结合数理分析法利用线性趋势、Kendall、Spearman法进行趋势检验,跳跃诊断则采取M-K、累积距平、有序聚类、滑动F、滑动秩和等多种检验法判别;其次,综合诊断采取效率系数值R^(2)判断最终诊断结果并时空分析;最后,对站点各时段最大降水量分别大于等于16、30、50 mm发生频次的空间特性分析。结果表明:(1)江西省最大1、3、6、12、24 h时段内最大降水的空间分布特征较为相似,伴随历时的增加,变异站点类型以跳跃增大居多,其中发生显著变异的站点数北部平原多于南方山岭地区,空间分布呈现为"北密南疏";(2)南方山岭与北方平原地区降水序列变异程度与高程分别成正相关性、负相关性,研究表明大气环流指数AO(北极涛动)、NAO(北大西洋涛动)、PNA(太平洋-北美涛动)与研究区域内站点降水量分别呈现负、正、负相关性,因此大气环流指数与江西省降水序列的变化有一定相关性,是造成时段最大降水变异的成因之一;(3)区域暴雨发生频次随着历时的增加逐渐减少,受地形因素的影响各历时暴雨事件北方平原地区少于其他山岭地区。基于对江西省多年逐小时降水资料的分析,以期望为短时暴雨预报及洪涝预警相关工作提供一定参考。

长江干流航道超高分辨率近地表风场数值模拟——以武穴航段为例

为保证长江水上交通安全,需要深入研究长江航道复杂地形的风场特征。本研究利用中尺度WRF模式结合微尺度CALMET诊断模型对长江干流航道上武穴航段进行30 m超高水平分辨率近地表风场模拟。结果表明:1) 不论是月平均小时风速,还是月最大小时风速,均存在两个大风速分布区,河流上游北岸山地区和河流中下游南岸区。2) 模拟区的风场存在显著的季节变化趋势。7月风速是最弱的月份,4月风速是最大的月份。3) 地形对风速存在一定的影响。富池镇南部的大岭山和长江北岸的土山的风速强度为模拟区平均风速和小时最大风速的高值区,富池镇附近的水域相对高于其他水域风速。复杂的地形会对水体上风场产生局地的影响,因此需要加强类似地形水域的风场监测,确保通航环境安全。

基于随机模型预测控制的电网联合调度

针对大规模风电并网给电力系统运行调度带来的问题,指出风电在小时级的波动性和不确定性是风电并网给系统运行带来的根本挑战,为应对该挑战,利用随机模型预测控制对含负荷响应的系统联合调度运行进行建模,并从数学上证明运行策略的全局最优性。通过算例仿真验证了负荷响应在小时级的灵活性对系统运行的经济性和风电消纳的重要作用。