伊犁河上游流域三种日尺度降水产品性能评估

伊犁河上游喇叭口地形条件导致其降水空间分布极不均匀,有限的地面观测站点难以真实反映日降水时空变化,因此,有必要评估不同降水产品在伊犁河上游的适用性。选用7种统计指标与广义三角帽法分别对三种降水产品(GPM、ERA5、CHIRPS)在伊犁河上游地区的精度与不确定性进行评估。结果表明:(1)ERA5的相关性、探测率、错报率最高,其估计的中雨与大雨降水量最准确;GPM的均方根误差最小,探测率、错报率最低;CHIRPS的相对偏差与平均误差最小,其探测率、错报率均介于GPM与ERA5之间,其估计的小雨降水量最准确;三种降水产品估计的暴雨降水量精度均不高,但ERA5要好于GPM与CHIRPS。(2)ERA5的日降水量不确定性介于GPM与CHIRPS之间,信噪比最大;GPM的日降水量不确定性最小,信噪比介于ERA5与CHIRPS之间;CHIRPS的日降水量不确定性最大,信噪比最小。(3)ERA5的日降水质量好于GPM与CHIRPS,可用于伊犁河上游地区降水特征分析;GPM的日降水量不确定性最小,通过系统校正提升其质量的可能性最大。研究成果可为伊犁河上游流域水文模拟与水资源变化分析提供支撑。

基于日尺度旱涝急转指数的重庆市旱涝急转事件演变特征分析

为准确地反映旱涝急转事件的“突发性”与“交替性”特征,对重庆市34个气象站采用日尺度旱涝急转指数DWAAI提取1960—2018年旱涝急转事件,根据重庆市的实际情况划分不同强度旱涝急转事件对应的DWAAI数值范围,探究不同强度旱涝急转事件发生频次的时空演变特征。结果表明:重庆市旱涝急转事件以旱急转涝为主,旱急转涝事件占旱涝急转事件累计次数的85%,主要发生在4—9月,多年平均次数为22.64站次,其中,中度、重度事件占所有旱急转涝事件的11.7%、2.9%;旱急转涝事件频发于重庆市西部、中部及东北部区域,发生频次的变化趋势不显著;涝急转旱事件主要发生在7—9月,多年平均次数为5.60站次,轻度、中度事件占所有涝急转旱事件的92.9%、7.1%;涝急转旱事件在重庆市东南部、中部以及东北部区域的西部地区(如开县)频发,频发地区的发生频次总体呈增加的趋势。研究成果可为保障重庆市及相关地区水安全、加强防旱抗涝减灾工作提供理论基础。

日尺度标准化前期降水蒸散指数及其在安徽省的适用性分析

旱涝灾害是影响农业丰产增效的主要灾害之一。目前广泛应用的旱涝指数,多以旬、月、季尺度的旱涝指数为主,其时效性与精准性水平与农业旱涝灾害绿色应对和防控服务需求还有差距。本文选取位于南北气候过渡带的安徽省,应用78个地面气象观测站数据,通过对日尺度前期降水蒸散差值指数(antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI)序列值进行三参数log-Logistic概率分布拟合,构建日尺度的标准化前期降水蒸散指数(standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI),并在沿淮淮北、江淮之间、沿江江南不同干湿性区域选取代表站,对SAPEI在安徽省旱涝监测评估中的适用性进行分析。结果显示:不同区域代表站APEI序列的经验概率分布曲线与log-Logistic理论概率分布曲线高度拟合,有无降水时逐日SAPEI曲线能反映农田水分收支状况;2011年6月8日、6月28日旱涝急转应用案例中,SAPEI旱涝等级与变化趋势,与同期土壤水分监测的旱涝等级与演变趋势具有很好一致性。基于SAPEI的小麦全生育期累年平均旱涝积空间分布,符合安徽省实际旱涝分布型;全生育期SAPEI累年平均值(ISAPEI)的0值线以北、以西为负值、偏干区域,与安徽省小麦主产区一致。研究表明,日尺度的SAPEI及其旱涝积指数,可以反映降水时间分布及日雨量大小对旱涝的影响,精准刻画安徽省不同区域日尺度的旱涝变化及旱涝过程累积效应,可在安徽省旱涝逐日动态监测与农业旱涝影响评估服务中应用。

基于日尺度的安徽省冬小麦生长过程阴湿害灾损评估模型研究

为了构建日尺度的冬小麦阴湿害评估方法,综合应用基于HP滤波趋势产量分解法的安徽省冬小麦历年气象减产率数据、地面气象观测数据,以日尺度的标准化前期降水蒸散指数、日照百分率为阴湿害关键影响因子,通过有效阴湿害积与过程敏感性耦合方式,构建冬小麦全生育期阴湿害综合指数(overcast and waterlogging composite index,OWCI),并选取阴湿害典型年样本,分别以Logistic曲线敏感性、等敏感性两种方法计算的阴湿害综合气象指数OWCIs、OWCIe为自变量、气象减产率(△Y)为因变量进行相关性分析,比较、验证两种方法在冬小麦阴湿害评估中的差异性与适用性。结果表明,△Y与两种方法的阴湿害综合气象指数均呈显著二次曲线相关,R^2分别为0.843、0.805;检验样本的△Y实测值与两种方法模拟值的R^2分别达0.685、0.573。对两种方法比较,Logistic曲线敏感性法建模的拟合性、误差、检验效果均优于等敏感性法,其气象减产率的均方根误差从7.78%下降到6.97%。应用Logistic曲线敏感性法模拟的2016年冬小麦阴湿害灾损率值与调查值基本吻合。反演计算的1981-2010年灾损率气候态均值南高北低,符合安徽省实际分布型,但2011年以来的灾损率均值普遍高于30年气候态均值,可见近年来阴湿害影响有加重趋势。因此,基于有效阴湿害积与过程敏感性耦合应用构建的冬小麦生长过程阴湿害灾损评估模型,能差异化表征不同阶段的阴湿害影响贡献,可应用于冬小麦阴湿害影响评估。

基于日尺度的非结冰期水面蒸发影响因素敏感性分析

水面蒸发量敏感因素的判断,对于干旱区水资源的规划与利用具有重要指导意义。本文以新疆尉犁县为例,对水面蒸发量影响因素进行分析。文章首先采用偏最小二乘回归法建立了水面蒸发量模型,在此基础上运用偏导数法分析了水面蒸发量对各影响因素的敏感性。结果表明:偏最小二乘回归模型具有较高的精度,不仅能够定量预测水面蒸发量,而且能够从机理上解释各影响因素对蒸发量的影响;风速、温度、水汽压这三因素对水面蒸发量最为敏感。上述模型为研究干旱区水资源利用提供了一种新方法和新思路。

基于日尺度模型的贵州辣椒关键生育期气候适宜度评价

【目的】客观定量评价贵州省辣椒种植气候适宜性,为贵州辣椒的优质高产和因地制宜进行合理区划提供农业气象技术支撑。【方法】利用贵州省84个地面气象观测站提供的1981-2019年7-9月逐日观测数据,采用几何平均方法,系统构建以日平均气温、日降水量和日照时数为影响因子的辣椒关键生育期气候适宜度日尺度模型。【结果】建立的贵州辣椒关键生育期气候适宜度日尺度模型能够较客观地定量反映贵州辣椒生长期(7-9月)的气候条件及对辣椒生长发育的影响;由模型得到辣椒生长期气候适宜度为0.76,其中温度和降水适宜度均在0.70以上,日照适宜度达0.65。气候适宜度逐日变化在7月1-10日呈明显上升趋势,之后至8月31日维持在0.64以上稳定波动,9月1日后逐渐下降;贵州辣椒整个生长期有2/3左右时段的气候条件较适宜辣椒优质优产生长。辣椒关键生长期气候适宜度日尺度在总体上的空间分布除西部边缘外,其余大部地区均为适宜和最适宜,且适宜以上等级面积占比超90%。【结论】贵州辣椒关键生育期气候适宜度日尺度模型可用于指导贵州省辣椒的优质高产生产和因地制宜种植区划,贵州大部地区均适宜种植辣椒。

鄱阳湖流域日尺度降水集中度指数的时空分布规律

基于鄱阳湖流域1957—2019年14个气象站点的逐日降水数据,采用降水集中度指数CI(Precipitation Concentration Index)表征鄱阳湖流域日尺度下降水的集中程度。在分析出该流域多年平均降水集中度(A_(CI))的空间分布特征的基础上,进一步采用Mann-Kendall和Sen′s方法检测出CI的趋势,利用Pettitt方法检验出CI突变的年份。结果表明:①鄱阳湖流域多年平均降水集中度(A_(CI))由南至北上升,反映出流域北部降水更为集中,其降水极值的发生概率相对更高;②东部地区大部分站点的CI呈显著上升的趋势,反映出东部地区的降水程度愈发集中;③东北部景德镇站、南城站,降水集中指数CI分别于2006、2009年发生显著突变。并且,CI突变后的均值较突变前有所增加,表明近些年景德镇站、南城站日尺度下降水在年内显著集中。

日尺度标准化前期降水蒸散指数在大豆旱涝评估中的适用性分析

为监测评价影响大豆丰产增收的旱涝灾害,利用1961—2020年辽宁省51个气象站逐日气象观测资料和土壤水分数据,通过对前期累积降水与蒸散差值指数(Antecedent precipitation evapotranspiration index,APEI)序列值进行三参数的log-Logistic概率分布拟合,建立日尺度标准化前期降水蒸散指数(Standardized antecedent precipitation evapotranspiration index,SAPEI),选取辽宁省4个大豆主产区代表站,对SAPEI在辽宁省大豆旱涝监测评估中的可行性和适用性进行分析。结果表明:不同代表站的log-Logistic概率分布函数与经验概率分布曲线高度拟合,SAPEI曲线能够表征辽宁省大豆的每日农田水分盈亏状况。在2014年8—9月旱涝转变实例分析中,SAPEI旱涝演变特征、旱涝等级与同期土壤水分监测数据具有很好的一致性和同步性,大豆生育期旱涝积指数累年平均值空间分布趋势与辽宁旱涝分布趋势基本一致,表明日尺度SAPEI及旱涝积指数能够反映降水时间、日雨量大小对农田旱涝的影响,可精准描述辽宁省不同区域日尺度的旱涝变化过程及其累积效应,在辽宁省大豆旱涝逐日监测中具有较好的适用性。

基于日尺度SPEI的黄土高原干旱时空变化特征及影响因素分析

[目的]探究黄土高原地区气象干旱的时空变化特征及其影响因素,以期为该地区的干旱监测、旱作农业粮食生产、水资源管理及生态恢复建设提供科学支撑。[方法]基于黄土高原地区119个站点1957—2019年逐日气象资料,使用FAO Penman-Monteith公式计算了日尺度潜在蒸散发及标准化降水蒸散指数(SPEI),并采用Theil-Sen Median斜率估计和Mann-Kendall趋势分析,探讨了干旱天数、干旱事件发生次数和强度的分布特征及变化趋势。同时,使用皮尔逊相关系数分析气象因子与干旱指标的关系,并结合土地利用类型转移矩阵探讨了人类活动对气象干旱的影响。[结果](1)日尺度SPEI在识别干旱天数、干旱事件发生次数和强度方面比月尺度SPEI更为精确;(2) 1957—2019年黄土高原西北地区干旱事件发生次数增加,大部分区域干旱强度呈现不断增加的趋势,不同类型干旱的天数有所降低;(3)黄土高原东南部和西北部地区存在明显的变干趋势,而北部和南部地区则呈现出湿润化趋势;(4)气象因子与干旱指标之间存在中等相关关系,土地利用/地表覆盖对黄土高原地区的气象干旱产生了一定程度的影响。[结论]黄土高原地区的气象干旱受气候因素和人类活动的双重影响,其时空变化特征复杂。研究结果为该地区的干旱监测与管理提供了重要的科学依据。

辽宁水稻气候适宜度日尺度评价研究

时间尺度的选择是水稻与气候关系研究中的关键环节。为评价中短时灾害情景下的水稻气候适宜性,本文以辽宁省1961-2010年逐日气温、日照时数为影响因子,结合气候产量采用通径分析方法确定各因子权重,进而构建水稻气候适宜度日尺度模型及不同气候区的适宜度等级评价指标。通过与旬尺度模型对比,阐明不同时间尺度模型在中短时灾害天气影响下的气候适宜度状况。结果表明:(1)气候适宜度日尺度评价模型能够反映水稻生长的气候条件及对其生长发育的影响,水稻营养生长阶段的气候适宜度与株高的相关系数(R)为0.722(P<0.01);生殖生长阶段的气候适宜度与水稻产量的相关系数(R)为0.669(P<0.01);(2)根据气候适宜度评价指标确定水稻气候适宜度等级,揭示在突发洪涝灾害的情况下,日尺度比旬尺度模型更能诠释水稻生长的气候适宜度状况。

基于机器学习的日尺度短波净辐射气候资源遥感反演研究

日尺度地表短波净辐射(DNSSR)是大部分陆面过程模型、全球环流模型、陆-气交换过程模型和各种水文模型的重要输入参数,在自然资源调查、生态环境监测、能量平衡研究等领域具有重要的研究意义和实用价值。本文通过匹配MODIS双星遥感观测和FLUXNET日尺度地面观测数据,筛选出包含18个自变量总计15531对的有效样本,利用机器学习的随机森林方法构建了日尺度DNSSR遥感反演模型,并利用地面实测数据对模型结果进行了真实性检验。结果表明,构建的日尺度DNSSR遥感模型的偏差Bias为-0.1 W/m2,均方根误差RMSE为27.8W/m2,决定系数R2为0.90,表现出良好的精度。基于此过程,得到MODIS双星反演的DNSSR全球分布结果,并与不同季节下再分析ERA5数据扩展得到的DNSSR数据进行了对比,发现两者全球分布特征基本一致,且均与太阳能量随季节变化分布特点密切相关。为进一步证实验证的结果,将ERA5和地面站点实测数据作了进一步的对比,结果从侧面证实了本文构建的MODIS的DNSSR产品精度远高于ERA5的DNSSR,而且其产品空间分辨率也有了极大提升。研究结果证明,本文提出的基于MODIS双星观测与机器学习的日尺度DNSSR反演模型具有反演精度高、空间分辨率高、具备时间连续性等优点,能够有效移植至其他气候资源的遥感反演。

城市景观湖泊不同时间尺度CH4通量特征及影响因素分析——以南京市莫愁湖为例

城市景观湖泊对温室气体的收支发挥着重要作用。本文以南京市莫愁湖为研究对象,采用静态箱—温室气体分析仪法实时监测湖泊水—气界面CH_(4)通量,分析湖泊主要温室气体CH_(4)在日尺度和季节尺度上因冒泡和扩散排放方式不同对其通量的影响,探究影响湖泊CH_(4)通量的因素。结果表明:(1)在日尺度上,四季24 h内CH_(4)均呈排放状态,受白天冒泡影响,四季CH_(4)总通量均存在白天高于夜间的日变化特征。(2)在季节尺度上,莫愁湖CH_(4)排放通量呈现显著的时空异质性,受冒泡通量的影响夏季CH_(4)通量明显高于春、秋、冬三季;B区的CH_(4)总通量(6.04 nmol/(m^(2)·s))显著高于A区(3.82 nmol/(m^(2)·s)),水体的营养化程度和离岸距离是空间变化的主要影响因素。A、B两区CH_(4)排放夏季以冒泡排放为主,春、秋、冬以扩散排放为主。(3)在日尺度上,CH_(4)通量受气温、水温、辐射和风速等气象要素影响,与水质参数间的关系不显著;在季节尺度上,CH_(4)通量与温度(气温、水温)、水体营养盐水平、叶绿素a浓度及富营养化程度的时间变化相一致,也随着水体透明度、pH和氧化还原电位的减小而呈增加的趋势。本研究为准确估算城市湖泊CH_(4)排放量提供重要的数据基础。

高温干旱复合胁迫下冬小麦叶片和冠层尺度SIF与光合作用的关联变化特征研究

为探究高温干旱复合胁迫下叶片和冠层尺度日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)与植物光合作用的关系,开展冬小麦高温干旱复合胁迫田间试验,共设置三种水分条件[严重干旱(50%~60%田间持水量)、轻度干旱(65%~75%田间持水量)和正常供水对照组(80%~90%田间持水量)]和三个温度水平(半包式增温、全包式增温和大田环境温度对照组),分析不同胁迫处理下冠层和叶片尺度SIF、冠层总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和叶片净光合速率(net photosynthetic rate,P_(n))的日变化和季节变化特征,探讨小麦叶片SIF与P_(n)和冠层SIF与GPP之间的关联性。结果表明,高温干旱复合胁迫下日尺度和季节尺度叶片和冠层SIF总体均呈现出单峰型变化特征,季节尺度冠层SIF对干旱胁迫的响应比叶片SIF明显,且高温干旱复合胁迫对叶片和冠层SIF的影响均大于单一高温或干旱胁迫。P_(n)和GPP总体分别呈现出双峰型和单峰型变化特征。高温干旱复合胁迫下叶片SIF与P_(n)的相关性(R^(2)=0.42)小于冠层SIF与GPP的相关性(R^(2)=0.52),随着单一胁迫的增强,二者之间的相关性逐渐降低,且干旱胁迫对二者关系以及P_(n)和GPP的影响均大于高温胁迫。此外,环境变量中温度对SIF与P_(n)关系的影响最大,其次是饱和水汽压差(vapor pressure deficit,VPD),光合有效辐射(photosynthetic active radiation,PAR)影响最小,且SIF与P_(n)之间的相关性随温度的增加逐渐降低,随VPD的增大先降后升,随PAR的增加先升后降。高温干旱复合胁迫下冠层和叶片SIF大小与植物光合作用强弱有一定关联性,并受环境变量影响。

基于农业非点源污染模型的桃溪流域日径流泥沙模拟

[目的]以中国东南沿海桃溪流域为研究对象,构建该流域日尺度产流产沙的农业非点源污染模型(annualized agricultural non-point source pollution model,AnnAGNPS),以期为流域水土流失治理与水土资源合理配置分析支持。[方法]采用DSA(differential sensitivity analysis)方法,分析流域敏感性参数,并建立研究区日尺度的AnnAGNPS模型。[结果](1)CN值(curve number)、土壤有效含水量和沟道曼宁系数为径流敏感性参数,土壤可侵蚀因子K、地表残留物覆盖率、年根系生物量、耕作后地面残留物覆盖率、随机粗糙率、沟道曼宁系数和耕作扰动面积为输沙量的主要敏感性参数;(2)模型对日尺度径流模拟的R2,Ens系数均大于0.66,日尺度泥沙模拟的R2,Ens系数均大于0.62。[结论]AnnAGNPS模型能够较好地模拟桃溪流域日尺度产流产沙规律。

基于SVM-CEEMDAN-BiLSTM模型的日降水量预测

针对日尺度降水序列中极大值与无雨日预测精度低的问题,提出基于支持向量机(SVM)、完全集合经验模态分解(CEEMDAN)和双向长短期记忆神经网络(BiLSTM)的降水预测耦合模型。将提出的模型应用于鄱阳湖流域景德镇站和赣县站2个典型站点的日降水量预测中,并与各种传统模型组合的预测结果进行了对比。结果表明:耦合模型的降水预测结果与实测结果基本一致且精度最高,为日尺度降水量预测中极大值与无雨日预测精度低的问题提供了一种解决参考。

大尺度流域基于站点的降雨时空展布

降水是影响流域水循环最活跃的因素,其时空分布不均匀对流域产汇流的影响非常大,因此在进行流域水文模拟时,需要充分考虑到降雨的时空变异性。本文针对大尺度流域的特点,提出了一种日雨量的空间展布方法,该方法根据站点降雨量之间的相关系数选取参证站点,采用距离平方反比法把站点的日雨量插补到空间计算单元上去,或采用泰森多边形法插值。该方法计算结果和本次全国水资源规划的结果差别不大,说明插值方法比较可靠。由于大尺度流域雨量站点的布设比较稀疏,采用空间插值的方法生成计算单元降雨量值精度不好,本研究中提出了一个大于10mm的大强度日降雨的向下尺度化方法。首先建立了一个将日降雨分配成小时降雨量的雨强历时关系模型：然后根据黄河流域的特点,把全流域划分为五个大强度降雨区,分区对参数进行了率定：最后采用实测资料对模型进行了检验。本文提出的方法,在黄河流域水文模拟中进行了应用,由径流模拟结果看,效果令人满意。

基于两种时间尺度气象资料计算的参考作物蒸散量对比分析

利用南四湖流域兖州(1981-1986年)、菏泽(1981-1986年)和定陶(1997-2002年)3个气象站逐日平均、逐月平均两种尺度气象资料,基于FAO Penman-Monteith公式计算逐日ET0,并分别累计月ET0值,评估两种时间尺度数据计算月ET0值的差异,分析在日平均资料不可获取的情况下,可否用月平均资料代替计算ET0。结果表明:(1)两种时间尺度资料计算月ET0值相当接近,具有极显著的正相关关系;(2)全年月平均资料计算的ET0值高于日平均资料计算的ET0值,平均相对偏高约2.0%;暖季月平均资料计算的ET0值明显低于日平均资料计算的ET0值,平均相对偏低约3.7%;而在冷季则正好相反,平均相对偏高约8.1%。可以看出,两者偏差主要发生在冷季。(3)月平均资料相对于日平均资料计算月ET0值的相对偏差不大,暖季计算结果较精确。(4)不管暖季或冷季,两种时间尺度资料计算月ET0值产生差值的原因主要是能量项计算的差异造成的。暖季月平均资料计算的ET0值偏低的原因,主要是暖季月平均资料计算的能量项的减少造成的,约占131.8%;冷季月平均资料计算的ET0值偏高,主要是冷季月平均资料计算的能量项的增加造成的,约占92.1%。

大尺度半分布式WASMOD模型汇流方法改进与应用

WASMOD水量平衡模型,能满足流域尺度、区域尺度甚至全球尺度的水文模拟,已在全球气候变化影响研究中得到广泛的应用,但其日模型汇流算法没有考虑不同流域地形对流速影响程度的差异。本文以长江流域的湘江、汉江和雅砻江流域为研究对象,建立半分布式日尺度WASMOD模型,通过考虑流域下垫面的影响,研究和改进模型的汇流算法,并比较分析模型汇流方法改进前后的径流模拟效果。结果表明:原模型汇流算法不能适应多种地形情况下的汇流计算,在部分流域计算得到汇流时间相较实际经验值偏长;改进后的模型能合理计算流域汇流时间,从而提高径流模拟精度;汇流算法的改进提高了模型的适用性,改进后的模型能够适应多种地形情况下的径流模拟。

基于CanESM5模式的长江流域未来降雨变化趋势分析

长江流域位于我国东部季风区,受气候变化影响明显,频繁而严重的洪旱灾害问题突出,急需开展水文气象要素未来时空变化趋势分析。引入CMIP6发布的CanESM5模式低、中、高强迫(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5)3种不同情景降雨量预估成果,采用基于分位数的日尺度偏差校正统计降尺度方法,研究了未来40 a降雨量时空演变趋势。空间上长江流域多年平均降雨量维持从西北至东南逐渐增加的空间分布格局不变,时间上以关键控制断面屏山、宜昌未来40 a成果为代表,未来屏山、宜昌以上流域的年降雨量均值及极值较历史时期相比明显增大,且高强迫情景下的年降雨量明显大于低强迫情景和中强迫情景;对于低强迫情景和高强迫情景,屏山断面以上流域年降雨量随时间的线性变化显著,而宜昌断面以上流域年降雨量随时间的线性变化不显著;在中强迫情景下,2个断面以上流域年降雨量随时间的线性变化显著。

基于AnnAGNPS模型的罗李村子流域水文模拟与评价

以灞河上游罗李村子流域为研究区,基于子流域2001—2010年日尺度气象水文数据和流域地形、土壤和土地利用数据,构建了AnnAGNPS(Annualized Agricultural Non-point Source Pollution model)模型数据库,确定了最优子流域划分方案,模拟了流域年、月、日尺度径流变化。结果表明:(1)当临界源面积(CSA)取100hm2,最小初始沟道长度(MSCL)取70m时,模型将流域划分为1 030个分室,420个沟道,能较好地概化流域下垫面特征。(2)模型对年、月、日尺度径流模拟Ens均大于0.51,R2均大于0.55,Re小于10%,模型能够较好地反映罗李村子流域的径流过程,对流域水资源的合理利用具有指导作用。