逐时降雨概率密度的适用函数与理论密度函数

暴雨强度公式在水文、气象、工程设计等各领域都是非常关注的问题,而常用降雨概率分布函数的适用性欠缺,理论分布函数一直处于争鸣之中。从逐时降雨概率密度函数的适用性分析入手,有利于发现普适且恰当的理论密度函数。本文从我国暴雨洪涝灾害易发区中沿30°N选取4个经纬度长方形区域(雅安附近、鄂西南、江汉平原南部、杭州湾西),并在其南、北各选一对比分区(海南岛、郑州),对6个分区内降雨资料直接采用全样本,统计逐时降雨的三类概率密度经验函数,对照这些函数的特性,从理论上分析了众多分布函数的适用性,筛选适用函数并进行拟合试验,优选出理论密度函数。研究结果表明:三参广义伽玛函数拟合误差最小,而两参广义正态函数更恰当、被首推为理论密度函数;拟合参数寻优时的目标函数综合了乘性与加性误差模型,能使拟合曲线兼顾头尾;本研究有别于极值降雨概率分布中仅采用极少部分样本的方法,采用降雨概率密度方法替代传统的年极值法,使重现期计算更准确有效,能提高暴雨强度公式的科学性,拟合的高精度与函数的普适性有望解决降雨概率分布模型统一的问题。

长江流域30°N沿线昼夜及冬夏降水特征差异分析

利用1996—2020年逐时降水资料,统计分析长江流域30°N沿线不同地形阶梯代表区昼、夜、冬、夏降水的频率、雨量、类条件概率密度等特征,通过研究昼夜比、冬夏比随经度的分布探讨不同高度地形对降水的影响。主要结论如下:(1)30°N沿线四川盆地内降水量和频率的夜昼比向东递减,雅安附近是夜雨强中心区,夜雨现象在四川盆地东侧山地108°E以东趋于消失;盆地内强降水比弱降水更易发生于夜间。(2)30°N沿线冬雨与夏雨存在较大差异,雨量上冬雨小、夏雨大;结构上冬雨弱、夏雨强;降水频次上存在地域差异,第二地形阶梯冬雨少、夏雨多,而第三地形阶梯反之;冬雨受大地形影响更为明显。(3)根据降水第1类类条件概率密度(CCPD1)冬夏比及冬雨CCPD1距平百分比聚类分析,可将8个分区分为3类,该分类与地理位置、地形阶梯有良好的对应关系。(4)夏雨受局地地形影响显著,将夏雨CCPD1距平百分比高于10%的峰(低于-10%的谷)值区定义为夏雨强(弱)潜力区,则各分区强、弱潜力区表现各异。江汉平原南部、鄱阳湖以北发生短时强降水潜力较大,雅安出现极端短时强降水潜力大(强潜力区≥61 mm);冬雨强潜力区(CCPD1距平百分比高于50%的峰值区)位于第三地形阶梯上的Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ分区(潜力值1~20 mm),而该降水区间也是雅安和盆地中央的弱潜力区(CCPD1距平百分比低于-50%的谷值区)。

定量分析数值模式日降水预报结果的不确定性

集对数值预报模式日降水预报结果与观测资料,根据联合熵处于最大、最小联合熵之间的相对位置设定不确定性指标U,以便定量分析NWM降水预报结果的不确定性。初步计算结果表明:U与模式预报随机偏差有着紧密联系,但与系统偏差无关;NWM的降水预报不确定性指标超过60%,即其既具有参考性,又具有不确定性,特别是对强降水的预报,不确定性更大;对我国大陆范围24小时降水预报而言,日本模式比T213不确定性小,特别是日本谱模式(RSM)预报在出现40～80 mm降水时比T213具有更高的参考价值。

包气带气压计算及其影响入渗的模拟

降雨入渗过程中土壤内空气压力的变化影响到土壤的入渗能力,当包气带气压大于地球表面大气压后会对入渗水流起到顶托的作用。本文根据包气带气压变化的观测结果理论分析了包气带气体运动的一般规律,并以此为依据假设气体外逸函数,然后推导土壤包气带中气压变化的计算公式,并通过模拟分析比较了考虑包气带气压前后入渗过程:均匀降雨条件下考虑包气带气压后开始积水时间提前,入渗率平均减小27%,有时减小程度可达32%;渗透总量在降雨初期差别很小,但到压缩外逸阶段后差别变大,时间越长,包气带气压的减渗作用愈显著,两者相差越大,24 h入渗总量平均减小约20%。

三峡坛子岭单点地面矢量风分析

利用UVW三轴风速仪三峡坛子岭单点地面风观测资料分析了三峡坝区地面风速量值、风向风速出现频率分布、风的日变化规律等 ,并根据这些观测资料、结合一些地形风理论知识和观测现象推测了三峡坛子岭附近地面风平面流场特征 ,从而揭示了河道地形回流风这一特殊小地形下的局地风现象。三峡坛子岭附近地面的这种回流风尺度在百米到千米量级 ,与由于地形热力因子引起的山地风不同 ,是由于小地形的动力作用引起的 ,其风向与长江河道引导的山地风相反。

武汉市夏季民宅小气候观测与分析

以 2 0 0 0年武汉盛夏季节 46天不同楼层 4个房间内的温湿观测记录为依据 ,初步分析了居民住宅楼室内温度、湿度变化的基本规律 ,描述了因接受太阳辐射的不同等原因而造成南北朝向房间的差异和顶楼与非顶楼的差异 ,并用多元线性回归方法建立了室内温湿度的预报方程。

逐时降雨的类条件概率密度分区比较与拟合函数初探

选取六个经纬度长方形区域(在30°N线上四个:雅安附近、鄂西南、江汉平原南部、杭州湾西;南选海南岛、北选郑州附近),把逐时降雨资料细分四十二个等级分别统计三类“类条件概率密度”,并给出了细致的曲线图及形式简单的经验拟合函数。结果显示三类类条件概率密度曲线均是单调凸减函数、在双对数图上曲线均是单调凹减函数,用三参数幂函数的指数函数作为经验拟合函数,能得到好的拟合效果,对所选区与密度函数普适。通过分区比较揭示了雅安“多且强”与海南岛“少而大”的特有降雨结构特征:雅安降雨频次多,第一、二类类条件概率密度在曲线头和尾部比其他分区大,极端短时强降雨多发;海南岛由于强降雨段第一、二类类条件概率密度比其他分区大,纵然其有降雨频率偏低、孤立性小时降雨占比多、逐时连续降雨历时短、第三类类条件概率密度递减快偏态性强等诸多不利因素,但仍致年均降雨量偏大。另外通过比较位置临近的鄂西南山地与江汉平原南部两个分区,探讨了非特殊地形结构下的鄂西南山地对降雨结构的影响,结果表明山地导致降雨频率增加主要是弱降雨的增加,强降雨频率反倒有所减少,山地摩擦阻力对强降水的发生总体上是不利因素,与雅安这类特殊的地形影响迥异。

湖北省城市空气污染气象条件预报模式

湖北省城市空气污染气象条件预报模式 (以下简称模式 )建立在有限区域中尺度数值天气预报模式和大气污染扩散箱格模型的基础上 ,是一种利用大气探空资料和一些地形、地表特征来预测城市空气污染变化趋势的方法。

定量降水预报与水文模型耦合的中小流域汛期洪水预报试验

预见期内的降水量直接影响着洪水预报的精度,预见期愈长,预见期内的降雨对预报值影响愈大,预见期内的降雨越来越被人们重视。本文以湖北省漳河水库流域为例,利用中尺度数值模式(AREM模式)的预报降雨信息,作为洪水预见期内的降雨,输入新安江模型,对流域2008年汛期典型洪水过程进行预报测试,结果表明考虑预见期内的降雨相对于未考虑预见期降雨对洪水预报结果提高具有明显的优势。研究表明中尺度暴雨模式预报技术在水文预报学的应用具有广阔的发展空间。

雷达定量降水估算在水文模式汛期洪水预报中的应用试验

通过雷达测雨技术获得高时空分辨率的降雨信息,作为水文模型的输入,用以提高水文预报的精度。文章以湖北省白莲河流域为例,利用分组Z-I关系转化雷达反射率为雨强,运用地面雨量站网实测雨量对其进行校准,将不同方法估算得到的雨量结果输入新安江模型进行洪水预报测试,结果表明未校准雷达估算降雨量直接输入水文模型,其结果是不理想的;利用校准后的雷达估算降雨量进行洪水预报,精度得到了很大提高。

集合数值预报方法在山洪预报中的初步应用

选取湖南4个典型山洪个例,分析了嵌套模式不同分辨率的预报效果,并采用多物理过程组合的集合预报方法,研究区域集合数值预报技术在山洪预报中的应用。研究指出,单一模式条件下,使用模式嵌套技术提高分辨率,并不能有效地改进对引发山洪灾害的突发强降水过程的预报能力,且这种单一的确定性预报,对暴雨等灾害性天气的预报存在不确定性。集合预报是解决单一预报不确定性提出的新方法,与单一模式提供的确定性预报结果相比,集合预报可为山洪预报提供多种定量预报产品。利用集合平均预报、极值预报,可以引导对山洪采取分类应对措施;集合预报在给出降水分布的同时,还给出伴随预报结果的可信度;概率定量降水预报(PQPF)与水文预报模型结合,可以用于概率水文预报。

汉江丹江口流域水文气象预报系统

汉江丹江口流域水文气象预报系统在GIS技术的支持下,以水文气象监测网、定量降水估算、定量降水预报、洪水预报技术为基础,通过雷达估算降水技术、中尺度数值模式预报技术获取高时空分辨率的降水信息输入水文模型来进行水文气象预报。以Web形式为基础的汉江丹江口流域水文气象预报系统平台在2010年7月以及2011年9月汉江丹江口两次洪水过程中及时、准确地显示了流域实况降水、预报降水,准确地预报了洪水入库过程。目前系统已成功移植到三峡区间、清江水布垭、淮河王家坝、漳河水库等流域开展汛期试验与服务,取得了较好的应用效果。

水文模型参数优选方法比较与参数敏感性分析

针对参数率定与敏感性分析为水文模型应用中的难点问题,以白莲河流域为例,基于三水源新安江模型,分别采用单纯形法、罗森布洛克法、遗传算法和单纯多边形进化算法对模型参数优选和敏感性分析进行了比较。结果表明,以遗传算法优选结果为初值,采用其他算法进一步优选全局可获得最佳参数值。该方法定性描述了模型的参数与效率系数间的关系,可为手动调试参数提供理论依据。

城市空气质量预报质量评估系统的研制及应用

根据《气象部门空气质量预报质量考核和管理暂行办法》中的方法 ,编制了一套适合全国 4 7个重点环境保护城市的空气质量预报质量评分系统 ,并在武汉投入了初步应用 ,该评分标准科学 ,系统运行稳定。

现代水文气象预报技术研究进展

从定量降水预报与估算、实时洪水预报、水文气象耦合等三个方面总结和回顾了现代洪水预报技术的研究现状,认为:如何融合雷达降水信息与雨量计资料,获取更为准确的降水信息的理论和技术方法还有待完善;水文气象预报的难点和重点在于如何缩小两者之间的时空尺度差异、如何在水文模式中考虑预见期降水;分布式水文模型中的许多物理过程、数学处理方法以及数据不足等问题还有待深入研究。

基于集合降水预报产品的汛期洪水预报试验

为改善因水文模型中降水等输入信息的不确定性对确定性水文预报精度的严重影响,以湖北省漳河流域为例,将中尺度暴雨数值模式(AREM)集合降水预报产品输入到新安江水文模型中,对该流域2008年汛期一次典型的洪水过程进行预报测试。结果表明:基于集合数值预报产品的水文预报能在洪峰流量、峰现时间等水文预报要素上获取更多的预报信息,并将单一的确定性预报结果转化为可能发生范围的预报,提高了水文预报结果的可靠性。

AREM中尺度暴雨模式降水预报试验

简要介绍了该模式系统的主要技术特点,并利用该模式开展我国南方降水预报试验.试验结果表明:模式能正确反映我国南方夏季降水的时空演变特征;采用嵌套后模式的强降水预报能力得到提高并能给出更细致的降水结构;同时,该模式在地形处理、水汽计算等方面更适合东亚特点,与目前国内运行的业务模式相比对我国南方降水具有较高的预报能力,这为开展暴雨数值预报模式与水文模型结合,提高我国南方洪水预报能力,奠定了理论与实践基础.

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。

基于AREM模式的贝叶斯洪水概率预报试验

为提高预见期内洪水预报精度,选取湖北省漳河水库2006—2008年汛期逐小时流域降水量、流量资料以及武汉暴雨研究所提供的相应时段AREM模式预报的00—60 h逐小时降水预报产品作为研究资料,引入贝叶斯概率统计模型对AREM模式的降水预报进行订正,并分别对订正前后的预报降水进行对比分析;其后,进一步将AREM模式预报订正前后的降水预报值分别输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明,订正后的预报降水比订正前的精度有所提高,均方根误差减小幅度小于10%;检验期场次洪水的平均确定性系数提高10.66%,平均洪峰相对误差减小3.05%,洪水预报精度在一定程度上有所提高。

基于QPE和QPF的遗传神经网络洪水预报试验

以湖北省清江上游水布垭控制流域为例,利用分组Z-I关系并结合地面雨量站资料对雷达估算降水进行校准,计算出流域实况平均面雨量;再利用遗传算法和神经网络相结合的方法建立订正AREM预报降水的模型;最后,将订正前后的AREM预报降水输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明:订正后AREM预报降水能明显提高过程的累计降水量预报精度,平均相对误差减小幅度在60%以上,对逐小时过程降水预报精度也有一定提高,但与实况相比仍有一定差距;订正前后AREM预报降水的洪水预报试验的确定性系数的场次平均从-32.6%提高到64.38%,洪峰相对误差从39%减小到25.04%,确定性系数的提高效果优于洪峰相对误差,整体上洪水预报精度有所提高。