机器学习算法在降水和气温多模式集成中的应用

选取CMIP6中5种全球气候模式,利用算术平均、权重平均、多元线性回归、BP神经网络、长短期记忆(LSTM)神经网络和随机森林(RF)等6种多模式集成方法,基于黄河流域水源涵养区历史降水量和气温数据,评估不同集成方法的模拟效果,并选取模拟效果最好的多模式集成方法预估未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.53种情景下黄河流域水源涵养区的降水和气温变化趋势。结果表明:多模式集成能很好地再现基准期降水和气温变化,3种机器学习算法表现相对较好,其中LSTM神经网络最好;在未来3种情景下,多年平均降水量均有所增加,四季降水量变化各有差异;SSP1-2.6情景下年降水量峰值出现在各时段初期,SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的年降水量呈增长趋势,远期下降趋势较明显;3种情景下气温都呈上升趋势,但变化差异较大,增温幅度和速率由小到大为SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5,秋季气温增幅最大,冬季最小;多模式集成方法对未来降水量和气温的预估存在较大的不确定性,均表现为中远期大于近期,降水量预估的不确定性比气温大,其中降水量秋冬季不确定性明显大于春夏季。

基于监测与模型的典型合流制排水系统溢流污染来源解析

以北京中心城区某典型合流制分区为研究区,开展自“地表-管网-排口”的全过程监测,基于MIKE URBAN软件构建数值模型,构建一套结合监测与模型的溢流污染解析方法,量化分析不同降雨量级下溢流污染来源。结果表明:管道沉积物、地表径流和生活污水对COD的贡献率分别为43.4%~53.9%、27.4%~27.5%和18.6%~29.2%。中雨流量峰值晚于浓度峰值,大雨反之;两场降雨溢流水质浓度峰值差异小于流量峰值。随着降雨量级及强度增加,地表径流和管道沉积物的污染负荷增加,后者增加量更大。管道沉积物是合流制溢流污染的主要来源,应优先对其进行控制。

基于遥感和通量观测的实际蒸散发时空变化特征——以黄河流域水源涵养区为例

蒸散发是地表水热平衡的关键要素,分析蒸散发的时空分布特征及其影响因素,对于深入理解区域水文循环与生态系统过程至关重要。基于通量观测站数据,评估GLEAM、MTE、GLDAS和AVHRR共4种蒸散发产品在黄河流域水源涵养区的适用性,利用水量平衡方法验证其在流域尺度上的精度,并探讨实际蒸散发的影响因素。结果表明:在站点尺度上,GLEAM蒸散发产品精度最高;在流域尺度上,校正后的GLEAM蒸散发产品与实际蒸散发的相对误差在渭河南山支流区最小,其次是兰州以上地区;1982—2015年黄河流域水源涵养区实际蒸散发整体呈增加趋势,空间分布上自西到东逐渐增加;不同植被类型年均蒸散发差异较大,阔叶林的蒸散发最大(575.2 mm),其次是农田(504.3 mm),高山草甸的蒸散发最小(358.2 mm);实际蒸散发变化主要受到太阳辐射与气温的影响。

长江上游卫星反演与再分析降水数据的适用性评估

为评估不同降水数据在长江上游的适用性,基于气象站点观测数据,采用多种评价指标,定量评估了卫星反演降水数据(IMERG-Final、GSMaP-Gauge)及再分析降水数据(ERA5-Land)在长江上游的应用精度,并分析了各降水数据在不同等级降水的误差结构。结果表明:3套降水数据均能准确捕捉流域降水东高西低的空间格局,与观测降水有着良好的相关性,且2015—2019年表现平稳,有可长期应用的潜力;各降水数据时间分辨率越高,误差相对越大,在流域地形变化剧烈的中部误差更大;对弱降水易错报高估,对强降水的低估随降水强度上升而加剧;两套卫星反演降水数据总体误差较小,适用性良好,IMERG-Final有更好的误差控制能力,GSMaP-Gauge对降水发生的识别更为准确;ERA5-Land明显高估流域降水,尤其在西南部地区。

淮北平原冻融期和非冻融期及年时段裸地潜水蒸发模拟研究

为进一步揭示淮北平原砂姜黑土和黄潮土裸地冻融期、非冻融期日潜水蒸发变化规律及其与年时段计算结果的差异性,根据五道沟实验站2006~2022年62套原状土(0~5m)蒸渗仪观测资料,采用非线性最小二乘法,分别提出了两种土质3个时段日潜水蒸发量计算修正公式,并得到潜水蒸发极限埋深阈值hm和参数n的取值。结果表明:①两种土质经过修正后的阿维里扬诺夫计算公式计算日潜水蒸发量,较直接用水面蒸发(E601)计算精度提高0.9%~10.2%,其中砂姜黑土计算精度提高0.9%~10.2%。黄潮土计算精度提高3.6%~5.0%;②将潜水蒸发量的计算分成冻融期和非冻融期两个时段来考虑,比直接采用单一年时段潜水蒸发量计算公式,模拟精度有所提高,且两种土质计算精度表现出差异性,砂姜黑土冻融期提升6.6%,非冻融期提升2.8%;黄潮土冻融期提升1.3%,非冻融期提升2.6%;③砂姜黑土和黄潮土冻融期阈值hm分别为0.96、1.18,参数n分别为2.082、2.830;非冻融期阈值hm分别为1.39、1.69,参数n分别为2.236、0.719。采用年时段计算的阈值hm分别为1.23、1.66,参数n分别为2.758、0.740,实际应用时分别取冻融期及非冻融期的值较为合理。

渭河流域多时间尺度径流变化特征及主控因子

为研究变化环境下渭河流域多时间尺度径流变化特征及影响因素,基于渭河流域咸阳水文站1961-2015年实测径流量数据,分析不同时间尺度上径流的变化趋势,并选取多个气象要素与归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)构建向量自回归(vector autoregression,VAR)模型,量化各影响因素对径流变化的贡献程度,探讨全年、汛期和非汛期径流变化主控因子的差异性。结果表明,1961-2015年渭河流域径流整体呈下降趋势,汛期径流量占比为65.5%。在年代尺度上径流的丰枯变化存在差异,1970-1979年和1990-1999年径流量呈显著减少趋势;影响汛期和全年尺度径流变化的主控因子均为降水,贡献率达50%,其次是太阳辐射,在汛期和全年的贡献率分别为14.37%、18.45%。非汛期影响径流变化的主控因子为NDVI(贡献率30.08%)与太阳辐射(贡献率30.05%),且NDVI对径流变化的滞后效应更明显,其他因子贡献大小依次为降水、空气比湿、气温。

考虑高程的降水空间插值方法研究——以巴河流域为例

在气候变暖的背景下,构建质量可靠的降水数据,对水资源管理与水土流失预防与治理至关重要。基于站点观测数据,利用空间插值方法是获得可靠的降水数据的重要途径。为提高空间插值方法对水文站点稀疏、地形复杂的山区流域降水数据精度,以巴河流域为例,采用径流系数作为评价指标,评估GLADS、GSMaP以及再分析数据集CMFD等3种降水数据的适用性,并考虑高程变化对降水空间垂直分布的影响,提出了一种基于高程递推的反距离加权法,分析研究区不同高程降水的空间变化规律。结果表明:GLADS、GSMaP以及再分析数据集CMFD降水数据对巴河流域的年均降水量的模拟存在不同程度的低估现象,模拟精度从大到小排序为CMFD>GSMaP>GLADS,均不能准确的刻画巴河流域降水量随高程的变化。巴河流域水文观测站点较少,代表性有限,遥感数据反演精度偏低,基于高程递推的反距离加权法模拟的巴河流域降水空间分布再现效果较好,明显优于传统的反距离加权法。该方法得到的降水量能够更好的反映高程变化对巴河流域降水空间分布的影响,巴河流域年均降水量为1522 mm,径流系数为0.92,降水量主要来源于4000~6000 m高海拔地区,相对贡献率最大,占比高达89.5%,4000 m以下海拔对应的降水量占比为10.1%。研究可为水文资料短缺的高寒山区流域的水文模拟与预报提供参考。

基于MIKE11的引排水改善平原河网水环境质量模拟研究

调控河道边界出口流量的大小可改变河道内水体流速和流向,从而可有效改善水体水质,改善效果与引排水规模、排水口布局等有关。以宁波市江北镇海平原河网区为例,选取模拟时段2022年10月1日至11月1日,以主要污染物NH3-N为指标,构建MIKE11水质水量耦合模型,考虑出流口泵站出流能力和维持流域最低用水量,通过3个出流口启、闭排列组合,设置出流口流量分别为9、18、24、36 m^(3)/s的28种出流方案,利用构建的水质水量耦合模型模拟分析不同方案下边界出口流量对水体流速及污染物NH3-N的影响,结果表明:①综合水动力水质因素,出流量为18 m^(3)/s时能更好的改善河流水动力条件与水质状况,出流口为24、36 m^(3)/s较大流量时,开放一或两个出流口,河道存在溢流风险,此时需多开启出流口,以保证防洪安全;②模拟后的最优方案可使平均流速达到0.056 m/s,NH3-N平均浓度下降至1.660 mg/L,水质改善率达17.0%,河道水质可从劣Ⅴ类提升至Ⅳ类或Ⅴ类水标准,为河流水动力水质改善提供参考依据。

利用叶面积指数和气象因子修正双作物系数估算夏玉米蒸散量

[目的]准确估算夏玉米作物蒸腾(T_(r))与土壤蒸发(E_(s))。[方法]本研究基于FAO-56推荐的双作物系数模型,应用五道沟水文实验站叶面积指数(LAI)、气象因子以及土壤水分实测数据,对模型中的基础作物系数(K_(cb))和土壤蒸发系数(K_(e))进行动态修正,并基于Penman-Monteith(P-M)模型,确定参考作物蒸散量(ET_(0)),进而估算夏玉米实际蒸散量(ET_(c)),并以2018、2019年大型蒸渗仪实测ET_(c)对估算值进行精度评价。[结果]修正后的双作物系数法估算夏玉米蒸散量较为准确,2018年夏玉米全生育期ET_(c)估算与实测的日均值分别为4.89 mm/d和4.66 mm/d,2019年分别为5.72 mm/d和5.67 mm/d。应用修正双作物系数法估算夏玉米日ET_(c)的决定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)、模型效率系数(E_(ns))、平均绝对误差(AAE),2018年分别为0.89、0.98 mm/d、0.86和0.73mm/d,2019年分别为0.89、0.76 mm/d、0.89和0.58 mm/d。[结论]因此,修正后的双作物系数法能够较为准确的估算夏玉米蒸散量,该研究可为淮北平原农田水分精准管理提供科学依据。

CMIP6模式对黄河水源涵养区降水和气温模拟能力的评估

黄河流域水源涵养区是国家重要的生态屏障,评估全球气候模式对黄河流域水源涵养区降水和气温的模拟能力至关重要。基于国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的20个全球气候模式,采用相对误差、相关系数、确定性系数和泰勒图等评估指标,对黄河流域水源涵养区1985—2014年降水和气温的模拟能力进行综合评估,并对优选出的模式进行空间分析。结果表明:绝大多数气候模式对气温的模拟效果优于降水,气温的相关系数高达0.95以上;而对降水的模拟普遍存在高估现象,确定性系数偏低。在对黄河流域水源涵养区分区研究中发现,大部分模式对3个区域(黄河源区、唐乃亥-兰州以上流域和渭河-伊洛河流域)的模拟精度都有待进一步提高,不同气候模式在不同分区上的模拟能力有差异,总体上,20个模式在黄河源区模拟的降水和气温效果最好,唐乃亥-兰州以上流域次之,渭河-伊洛河流域最差。其中,EC-Earth3-Veg模式在3个区域的模拟能力相对最优,能基本再现降水和气温的年变化特征。降水模拟在黄河源区偏差最大,唐乃亥-兰州以上流域次之,渭河-伊洛河流域最好。气温模拟在唐乃亥-兰州以上流域偏差最大,渭河-伊洛河流域次之,黄河源区最好。研究结果可为黄河流域水资源管理及气候变化的研究提供参考。

基于分层贝叶斯模型的长江上游主汛期径流概率预报

长期径流预报是水文预报的重要领域,基于气候遥相关影响区域径流量的理论基础,以长江上游干流5个水文站1954—2020年主汛期(6—8月)径流为研究对象,分析大尺度气候因子与径流相关性,通过分层贝叶斯模型开展长期径流概率预报。研究表明:长江上游主汛期径流量明显受到多种大尺度气候因子综合作用,筛选出北美副高脊线位置指数等10项大尺度气候因子作为模型预测因子;以站点主汛期径流服从的对数正态分布为预测目标的先验分布,建立5条马尔科夫链,通过MCMC算法在概率空间内随机采样推求参数后验分布,概率预测结果的不确定性区间对实测值覆盖率高;通过预测结果相关性分析、受试者工作特征曲线(ROC)和连续分级概率技巧评分(CRPSS)等方法对模型模拟性能评价表明模型有效地捕捉了大尺度气候因子信息,适用于长江上游径流长期预报。

外源酶对不同加热程度菜籽饼体外养分消化率的影响

试验旨在利用单胃动物仿生消化系统(SDS-Ⅲ)建立肉鸡体外模拟消化模型,测定不同加热程度菜籽饼体外养分消化率的差异以及额外补加外源酶(蛋白酶Proact和淀粉酶A酶)对不同加热程度菜籽饼体外养分消化率的影响。试验采用2×2双因素完全随机设计,以不添加外源酶的正常菜籽饼和过热菜籽饼为对照试验,以分别在两组对照试验基础上额外补加外源酶蛋白酶Proact 15 prot/g、淀粉酶A酶0.4 KNU/g作为试验组。利用SDS-Ⅲ模拟肉鸡全消化道消化过程,测定4组试验原料的体外干物质消化率(IVDMD)、体外表观粗蛋白质消化率(IVACPD)、体外标准化粗蛋白质消化率(IVSCPD)、体外脱脂干物质消化率(IVDDMD)、酶水解物能值(EHGE)、体外能量消化率(IVGED),每个样品均设5个重复,每个重复1根消化管。结果表明,正常菜籽饼的IVDMD、IVACPD、IVSCPD、IVDDMD、EHGE和IVGED均极显著高于过热菜籽饼(P<0.01),为更加优质的菜籽饼来源。添加外源酶过热菜籽饼的IVDMD、IVDDMD、EHGE、IVGED显著高于对照组(P<0.05),IVACPD、IVSCPD极显著高于对照组(P<0.01)。研究表明,额外补加外源酶对养分消化率的提高具有正面作用,尤其是对发生美拉德反应的饲料原料消化率改善作用更明显,可能是外源酶对美拉德反应产物有一定的降解释放作用。

基于多源数据同化融合的尼洋河降水时空分布特征

地理位置处在我国高寒山区的尼洋河流域地面气象观测站点极少,是典型的缺资料地区,卫星降水数据产品是降水数据的重要补充。由于卫星降水数据在获取上的间接性及本身的不确定性,数据精度问题一直是阻碍其有效应用的主要因素。基于集合卡尔曼滤波(EnKF)同化算法,选取TRMM、CHIRPS、Cmorph_V1.0、PERSIANNCDR及Gldas_Noah 5种卫星降水产品,在对其与林芝站网格区域实测降水进行精度分析的基础上,进一步进行多源降水数据同化与融合。结果表明:同化后5种卫星降水产品与实测降水量的相关系数CC均在0.98以上,BIAS均在10%以下,ME在同化后均小于0.2mm/d,RMSE均小于0.6mm/d,EnKF的同化效果显著。将同化后的5种降水与原卫星降水之间的误差序列推广至全流域,从而获得全流域的5种同化降水用于融合,融合后的降水数据综合了5种降水数据产品在精度指标的各自优势,其精度和可靠性更高。利用克里金插值法对融合后的降水进行尼洋河降水时空分布特征分析,结果显示年降水量空间上由中部向四周逐渐递减,时间上呈现逐年增加的趋势。通过对卫星降水数据进行同化及融合,在提升降水数据产品精度的同时提供了满足水文模拟及水资源管理需求的时间序列数据,具有重要的应用价值。

雅鲁藏布江流域近18年来植被变化及其对气候变化的响应

基于MODIS(moderate resolution image spectroradiometer)NDVI(normalized difference vegetation index)数据、DEM数据、1∶100万中国植被类型图,运用Mann-Kendall趋势及突变点检验法对2001-2018年雅鲁藏布江流域不同海拔梯度和植被类型的NDVI进行提取,分别在时间和空间尺度上分析其年际变化并探究流域NDVI变化与植被类型和气候因子的相关性。结果表明:全流域尺度、不同海拔梯度和不同植被类型近18年的NDVI年际变化均呈增长趋势且在2013年之后呈现明显的增长趋势。在空间尺度上,80%的流域近18年来NDVI呈增长趋势,植被状况得到较好的改善;流域NDVI在海拔小于等于3500 m时主要受针叶林和阔叶林的影响,大于3500 m且小于等于5000 m主要受灌丛、草原及草甸的影响,大于5000 m受高山植被和草甸影响较大;流域植被的NDVI受降水和气温的影响较大,其中温度的影响略强于降水;气候变化对流域植被的影响具有滞后效应,在该条件下流域植被的NDVI与气候因子的相关系数由大到小为草原、草甸、灌丛、高山植被、针叶林、其他植被、阔叶林。若一种植被类型受气温的影响大于降水,其对气温变化的响应也会更为敏感;反之,若该植被类型受降水的影响大于气温,则会对降水变化的响应更为敏感。

多种方法在水文关键要素一致性检验中的比较

以武隆站的水文资料作为研究基础,分析了不同的一致性检验方法的特点、适用性以及不足等。结果表明:就趋势性检验方法而言,其过程线法、滑动平均法以及线性拟合法可直接显示序列过程走势,也可通过目估法判断序列走势,但是该方法依赖经验性,不能给出趋势的显著性程度;而作为非参数检验的MannKendall趋势检验法和Spearman秩次相关检验法能确定一定置信水平下的趋势显著性水平;就突变点检验方法而言,双累积曲线法、有序聚类法和M-K突变检验法的结果直观,但双累积曲线一致性关系较为模糊,需配合其他方法一起诊断,有序聚类法计算简单但是检验结果不易评价显著性,均值差异T检验法和M-K突变点检验法可以确定多个突变点;总体而言,M-K检验方法最优,原理清晰,结果直观,便于识别,能检验趋势性和突变性,并可以给出一定置信水平下的检验结果的显著性评价。

渭河流域土地利用变化对径流的影响

近年来土地利用变化在人类活动影响下越趋明显,对其引起的水文循环变化的研究也受到越来越多的重视。为定量分析渭河流域咸阳站以上流域土地利用变化对径流的影响,根据1965-2015年径流长系列数据分析径流变化趋势及突变点。基于1986年、2000年和2015年3期土地利用数据,分析了土地利用面积及动态变化特征,结合SWAT模型,在1986年和2015年土地利用情景的基础上,定量分析了土地利用变化对径流的影响。结果表明:20世纪90年代初期流域径流发生突变;SWAT模型在渭河流域适用性良好;林地、草地和耕地为流域主要用地类型,耕地面积减小22%,主要转化为林地和草地,城镇用地增加显著;渭河流域土地利用变化对径流存在抑制作用,其影响小于10%。

黄河源区冻土变化特征及其与温度的关系

利用黄河源区9个气象站1997-2018年的逐日气温、地表温度和冻土深度资料,使用线性趋势分析法,基于ArcGIS的反距离权重插值法、高程插值法和相关系数法,对黄河源区温度和季节性冻土最大冻结深度以及封冻期起止时间进行分析,研究最大冻结深度与温度的相关关系。结果表明:黄河源区季节性冻土的最大冻结深度分布具有较明显的纬度分带性和垂直分布性,纬度较高地区大于纬度较低地区,海拔较高地区大于海拔较低地区。同时纬度高海拔高的地区相较于纬度低海拔低的地区来说,冻土冻结起始日出现的更早,解冻日出现的更晚,封冻期更长;黄河源区季节性冻土的冻结起止时间均发生了变化,大致表现为冻结起始时间延后,冻结消融时间提前,封冻期缩短,不同地区变化幅度有所不同,源区平均缩短速率为8 d/(10 a)。近20年来,源区绝大部分地区气温、地温和负积温均呈现不同程度的上升趋势,冻土最大冻结深度呈波动减小的趋势,最大冻土深度和冬季平均气温地温、周期内平均气温地温、负积温均呈负相关关系,其对负积温的响应最为显著,相关系数R=-0.7627。这说明负积温每上升100℃,最大冻土深度将减少7.07 cm。

TRMM卫星降水产品在尼洋河流域的适用性定量分析

作为地面雨量站资料的重要补充,卫星降水产品对资料短缺或无资料地区尤为重要。位于我国高寒山区的尼洋河流域属于典型的资料短缺地区,根据5个气象站点2001-2016年的月降水数据和中国地面降水日值格点数据集2001-2013年的日降水资料,利用反距离权重插值法对其进行处理,在尼洋河流域分别对月、日尺度数据用相关系数(R)和相对误差(BIAS)检验TRMM降水数据的精度。结果表明:在时间尺度上,TRMM月降水数据与实测数据在流域整体上一致性良好(R=0. 90),而日降水数据的一致性较差(R=0. 29),且BIAS较大;在单一站点上,TRMM月降水数据的精度较高(R> 0. 9),而日尺度R <0. 50,精度较低。在空间尺度上,通过克里金插值法得到TRMM降水精度的空间分布,月降水精度由西向东逐渐减小,而日降水的精度与之相反。整体上,TRMM月降水数据精度高,具有较好的适用性,根据TRMM月降水数据分析尼洋河降水时空分布特征。结果显示尼洋河流域降水大都集中在5月至9月,而11月至次年2月,降水量很少;年降雨量呈现由西北向东部逐渐递增的趋势,不同区域降水量差异较大。

长江源区1980-2010年土地利用变化及影响分析研究

长江源区地处我国三江源自然保护区内,作为长江的源头是整个长江开发利用和环境保护的关键一环。从源区土地利用/覆盖角度分析源区自然环境状态变化,利用ENVI和ArcGIS软件对1980-2010年4期长江源区遥感数据进行解译,以土地利用动态度、综合程度指数及转移矩阵作为评价指标。结果表明:长江源区地貌类型以草地和裸地为主,建筑用地和耕地最少;全时段1980-2010年间,水域面积减少最多,裸地面积增加最多,相对于初期而言源区自然环境有所下降;1990-2000年间是土地利用开发强度最强的时段,随着2000年三江源保护区的建立,2000-2010年长江源区土地利用朝着恢复方向发展,自然环境有所改善。

渭河上游流域径流对土地利用变化的时空响应

以渭河林家村站上游流域为研究区,统计其土地利用情况,并分析流域土地利用和其径流量的相关性。利用1961年~2015年的逐日流量资料,结合研究区7期遥感影像,分析了渭河上游流域多年土地利用变化趋势,使用年均流量和年连续最大7、30、90 d流量代表其径流量特征,分析其变化趋势。结果表明,研究区耕地和林地呈先增加后减少趋势,草地和水域呈先减少后增加趋势,城乡工矿业居民用地呈增加趋势,未利用土地变化趋势不明显;研究区每年各流量变化不稳定,但其5 a滑动平均值(1963年~2013年)以先减小后增大为总体趋势,最低点在1995年附近。各流量与土地利用变化存在一定相关关系,且草地与流域径流量的相关性最强。