Effects of rainfall patterns on annual plants in Horqin Sandy Land, Inner Mongolia of China

Growth of annual plants in arid environments depends largely on rainfall pulses. An increased understanding of the effects of different rainfall patterns on plant growth is critical to predicting the potential responses of plants to the changes in rainfall regimes, such as rainfall intensity and duration, and length of dry intervals. In this study, we investigated the effects of different rainfall patterns（e.g. small rainfall event with high frequency and large rainfall event with low frequency） on biomass, growth characteristics and vertical distribution of root biomass of annual plants in Horqin Sandy Land, Inner Mongolia of China during the growing season（from May to August） of 2014. Our results showed that the rainfall patterns, independent of total rainfall amount, exerted strong effects on biomass, characteristics of plant growth and vertical distribution of root biomass. Under a constant amount of total rainfall, the aboveground biomass（AGB）, belowground biomass（BGB）, plant cover, plant height, and plant individual and species number increased with an increase in rainfall intensity. Changes in rainfall patterns also altered the percentage contribution of species biomass to the total AGB, and the percentage of BGB at different soil layers to the total BGB. Consequently, our results indicated that increased rainfall intensity in future may increase biomass significantly, and also affect the growth characteristics of annual plants.

城市地区场次降雨时空展布方法研究

受气候变化和城市规模不断扩张等因素影响,城市地区降雨过程的时空动态性愈发明显,通常采用的点、面雨量等表达方式难以体现这种时空动态性。随着降雨观测技术的进步,大多城市积累了长序列降雨观测数据,其中蕴含了丰富的降雨时空过程信息,为预报降雨或设计降雨的时空展布提供了可能。设计了一套降雨时空展布方法,包括数据收集、标准化处理、降雨场次划分、时空模式提取、标准网格插值、时空展布等环节,并提出每个环节的处理步骤和关键问题。以北京市为例,对该技术方法进行了验证,选择了12 h、24 h、72 h 3个历时的场次降雨,提取的时空模式和展布结果表达出了场次降雨的时空动态性,并与历史的降雨过程表现出很好的匹配性。表明该方法可用于城市地区降雨典型模式提取,以及降雨过程的时空展布。该方法利用历史降雨数据提取降雨展布模板,输入场次降雨(或预报降雨)的总雨量,得到该场次降雨的时空分布过程,展布结果可为洪水预报提供更为准确的降雨输入条件。

基于降雨时空变化的山洪预警临界雨量

为提高山洪灾害预警精度,以彭坊小流域为例,基于概率分布等控制条件生成随机雨型,探究不同前期影响雨量下随机雨型对山洪预警临界雨量的影响,进一步分析降雨空间分布对山洪预警临界雨量的影响。结果表明:在雨峰位置偏后、雨峰峰值较大的雨型集下,临界雨量波动较大,有较高的不确定性;雨型对临界雨量的影响小于前期影响雨量对临界雨量的影响,在前期土壤较干燥时,雨峰位置系数较小,临界雨量值相对较大,雨型峰值倍比较大时,临界雨量值相对较小,更容易致灾;在降雨空间分布上,当降雨集中在下游时,临界雨量值最小,越容易达到警戒流量,但降雨空间分布对临界雨量的影响小于前期影响雨量的影响,且这种影响会随前期影响雨量的增加而不断减小。

基于机器学习的雨型分类研究:以淠河流域为例

【目的】为了提升洪水预报方案的科学性和精度,开展降雨雨型分类,制定不同雨型的预报方案并实施作业预报是一条有效的技术路线。【方法】基于淠河流域2003—2021年37个雨量站逐小时降雨观测数据,利用业界公认的动态时间规划(DTW)算法进行场次降雨雨型分类并作为基准分类结果。在此基础上,分别选取决策树(DT)、长短期记忆神经网络(LSTM)、LightGBM、支持向量机(SVM)四种机器学习方法建立分类模型并检验分类效果。通过调整样本规模,分析不同样本容量对分类效果的影响。【结果】结果表明:四种分类模型中,LightGBM分类精度最高且训练速度快,LSTM和SVM分类精度良好但训练效率相对较低,DT方法分类速度较快但分类精度相对较低。随着样本规模的增大,分类结果逐步稳定,四种方法的分类效果和训练效率逐步提升。【结论】结果验证了机器学习方法在降雨序列雨型分类中具有较强的适用性,可为洪水预报方案分类构建提供技术支撑。

考虑降雨空间分布的城市内涝对模式雨型响应特征分析

短历时暴雨是形成城市内涝的主要原因,其雨型对内涝致灾影响显著。以陕西省西咸新区沣西新城为研究区域,基于模式雨型设计了具有不同集中度的典型暴雨过程,并考虑了降雨空间分布的不均匀性,应用城市雨洪模型(GAST-SWMM耦合模型)对7种模式雨型在不同重现期下的致涝特征进行模拟分析。结果表明:(1)单峰雨型比双峰雨型具有更强的致涝性,雨峰为中后峰的单峰雨型致涝性更强,雨峰为中峰的单峰雨型在小于50 a重现期下淹没量最大,而在大于50 a重现期下雨峰为后峰的单峰雨型淹没量最大,100 a重现期下其淹没量较雨型Ⅳ增大6.58%;(2)双峰雨型中雨型Ⅴ的致涝性最强,在100 a重现期时,其淹没量较雨型靠前的单峰雨型增加1912.42 m^(3);在大于20 a重现期时,雨型Ⅴ在中风险区的积水面积较雨峰靠前的单峰雨型增大1.81%~2.29%;(3)各雨型在高风险区的积水面积峰现时间随重现期的变化而不同,雨型Ⅵ的峰现时间始终在降雨结束时出现,雨型Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ的峰现时间随着重现期增大而提前;雨型Ⅰ、Ⅲ的峰现时间在小于20 a重现期时随着重现期增大,分别从105 min延后至120 min、110 min,在大于20 a重现期时随着重现期增大,分别从120 min、110 min提前到100 min。城市内涝特征对不同模式雨型条件下的响应规律的研究,可为相关部门抗涝救灾提供参考。

Influences of sand cover on erosion processes of loess slopes based on rainfall simulation experiments

Aeolian-fluvial interplay erosion regions are subject to intense soil erosion and are of particular concern in loess areas of northwestern China. Understanding the composition, distribution, and transport processes of eroded sediments in these regions is of considerable scientific significance for controlling soil erosion. In this study, based on laboratory rainfall simulation experiments, we analyzed rainfall-induced erosion processes on sand-covered loess slopes （SS） with different sand cover patterns （including length and thickness） and uncovered loess slopes （LS） to investigate the influences of sand cover on erosion processes of loess slopes in case regions of aeolian-fluvial erosion. The grain-size curves of eroded sediments were fitted using the Weibull function. Compositions of eroded sediments under different sand cover patterns and rainfall intensities were analyzed to explore sediment transport modes of SS. The influences of sand cover amount and pattern on erosion processes of loess slopes were also discussed. The results show that sand cover on loess slopes influences the proportion of loess erosion and that the compositions of eroded sediments vary between SS and LS. Sand cover on loess slopes transforms silt erosion into sand erosion by reducing splash erosion and changing the rainfall-induced erosion processes. The percentage of eroded sand from SS in the early stage of runoff and sediment generation is always higher than that in the late stage. Sand cover on loess slopes aggravates loess erosion, not only by adding sand as additional eroded sediments but also by increasing the amount of eroded loess, compared with the loess slopes without sand cover. The influence of sand cover pattern on runoff yield and the amount of eroded sediments is larger than that of sand cover amount. Furthermore, given the same sand cover pattern, a thicker sand cover could increase sand erosion while a thinner sand cover could aggravate loess erosion. This difference explains the existence of intense erosion on slopes that are thinly covered with sand in regions where aeolian erosion and fluvial erosion interact.

Spatial and temporal patterns of drought in Zambia

Drought acutely affects economic sectors, natural habitats and communities. Understanding the past spatial and temporal patterns of drought is crucial because it facilitates the forecasting of future drought occurrences and informs decision-making processes for possible adaptive measures. This is especially important in view of a changing climate. This study employed the World Meteorological Organization(WMO)-recommended standardized precipitation index(SPI) to investigate the spatial and temporal patterns of drought in Zambia from 1960 to 2016. The relationship between the occurrence of consecutive dry days(CDD; consecutive days with less than 1 mm of precipitation) and SPI was also investigated. Horizontal wind vectors at 850 hPa during the core of the rainy season(December–February)were examined to ascertain the patterns of flow during years of extreme and severe drought; and these were contrasted with the patterns of flow in 2007, which was a generally wet year. Pressure vertical velocity was also investigated. Based on the gamma distribution, SPI successfully categorized extremely dry(with a SPI value less than or equal to –2.0) years over Zambia as 1992 and 2015, a severely dry(–1.9 to –1.5) year as 1995, moderately dry(–1.4 to –1.0) years as 1972, 1980, 1987, 1999 and 2005, and 26 near normal years(–0.9 to 0.9). The occurrence of CDD was found to be strongly negatively correlated with SPI with a coefficient of –0.6. Further results suggest that, during wet years, Zambia is influenced by a clockwise circulating low-pressure zone over the south-eastern Angola, a second such zone over the northern and eastern parts, and a third over the Indian Ocean. In stark contrast, years of drought were characterized by an anti-clockwise circulating high-pressure zone over the south-western parts of Zambia,constraining precipitation activities over the country. Further, wet years were characterized by negative pressure vertical velocity anomalies, signifying ascending motion; while drought years were dominated by positive anomalies, signifying descending motion, which suppresses precipitation. These patterns can be used to forecast drought over Zambia and aid in strategic planning to limit the potential damage of drought.

雨型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响

为揭示降雨和坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响,以不同坡长野外观测试验小区为对象,结合82场降雨资料,以降雨量(P,mm)、最大30 min雨强(I30,mm/h)和降雨侵蚀力[R,MJ·mm/(hm2·h)]为降雨特征指标,利用系统聚类法进行雨型划分(A雨型:大雨量、高雨强、高侵蚀力;B雨型:中雨量、小雨强、中等侵蚀力;C雨型:低雨量、中雨强、中低等侵蚀力),分析了11场降雨事件中侵蚀泥沙的粒径分布特征。结果表明:(1)研究区侵蚀泥沙粒径特征受不同雨型影响,有效黏粒和最终黏粒含量在C雨型下最高,有效砂粒和最终砂粒含量在B雨型下最高,而有效粉粒和最终粉粒含量分别在A和C雨型下最高。(2)坡长对侵蚀泥沙粒径特征的影响存在临界坡长效应(14 m),小于临界坡长时,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而降低;超过临界坡长后,黏粒级和粉粒级颗粒含量随坡长增加而增加,该效应在最终粒径下更为显著。(3)有效砂粒输移形式受雨型和坡长影响较大,在B雨型下主要以团粒形式输移,在A,C雨型下达临界坡长时以单粒形式输移。侵蚀泥沙的有效粒径颗粒比原坡面土壤细,而最终粒径颗粒则比原坡面土壤粗。整体上,降雨类型和坡长对侵蚀泥沙粒径特征产生显著影响,侵蚀泥沙有效粒径颗粒呈细化趋势,而最终粒径颗粒呈粗化趋势,坡长对泥沙颗粒影响存在临界效应。

物质组成特征对碎石土斜坡变形破坏影响研究

为研究物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏的影响,以不同成因碎石土斜坡的特点为依照,进行了4种物质组成空间分布的碎石土斜坡模型及1种均质斜坡模型试验。结果表明,物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏所发挥的作用与降雨入渗方向和应力调整方向有重要关系。当土料变化方向与入渗方向大角度相交且与应力调整方向相同时,斜坡渗透性为土料各自的渗透性,斜坡力学性质偏向于组成土料力学性质的最大值。当土料变化方向与入渗方向相同且与应力调整方向大角度相交时,斜坡渗透性接近组成土料渗透性的最小值,斜坡变形破坏受控于其中的软弱土料。降雨下斜坡各处均发生变形,且变形向周围调整并产生影响。破裂面更易发于软弱土料中。该研究有助于斜坡灾害勘察、预测评价及防治向精细化方向发展。

河北省极端降雨时空分布分析与预测模型精度检验

为获得河北省极端降雨分布规律及预测模型,本文基于河北省1963—2018年11个站点的逐日气象数据,分析了全省4种极端降雨指数的分布规律,同时以极限学习机模型(ELM)为基础,基于改进鸽群算法(MPIO)对ELM模型进行优化,将构建的MPIO-ELM模型用于河北省极端降雨预测中。结果表明,河北省多年来4种极端降雨指数均呈现降低趋势,同时在空间上呈现出由西向东逐渐增加趋势;在所有模型中,MPIO-ELM模型一致性最高,误差最低,可作为极端降雨指数预测的推荐模型使用。

全球、大洲、区域尺度暴雨时空格局变化(1981-2010年)

通过计算1981—2010年全球、大洲和区域的年际和年代际的暴雨雨量和暴雨雨日,系统分析了不同尺度暴雨的变化情况.结果表明:1)在全球尺度上,1981—2010年全球年际和年代际暴雨雨量和暴雨雨日在波动中都呈现增加趋势,尤其是1991—2000年代中期以来显著增加.在空间上,全球暴雨雨量和暴雨雨日增强的区域主要分布在非洲西部、马达加斯加岛、欧洲西南、东亚、南亚、东南亚、澳大利亚东部、美国东部、南美洲中部以及一些狭长陡峭的山脉地带.年代际暴雨雨量和暴雨雨日主要在南美洲、美国东部、东亚和南亚地区随着年代变化而呈现数值上的增长和区域上的扩张.随着年代变化,非洲西部地区呈现数值上的减少和区域上的缩减;2)在大洲尺度上,仅非洲和南极洲年际和年代际暴雨雨量和雨日呈现减少趋势;3)在区域尺度上,暴雨增加的区域多于减少的区域,且增加最大的区域位于亚马逊河流域,减少最大的区域位于非洲东部地区.

降水对新疆马铃薯甲虫分布的影响

为明确降水在中国新疆地区对马铃薯甲虫分布的影响,揭示制约马铃薯甲虫分布扩散的关键环境因子,为马铃薯甲虫的持续防控和综合治理提供理论依据。该研究结合新疆历史降水数据,对马铃薯甲虫现有分布区内的降水时空格局展开分析,比较了马铃薯甲虫危害程度与降水时空格局的关系。结果表明:马铃薯甲虫现主要分布于新疆年降水量在150 mm以上地区,早期定殖的地区降水量大于后期定殖区,其扩散方向为自西向东,同时年降水量也逐渐减少。马铃薯甲虫危害程度也随着经度增加而递减,早期发现马铃薯甲虫的地区受危害程度较重。降水量减少导致的水分缺乏对马铃薯甲虫的分布扩散具有一定的制约作用。

我国干旱半干旱区降水的特征分析

利用聚类分析对全国１６０站１９５１～１９９２年的年降水标准化资料做分析，结果可划分为两大区─—干旱半干旱区和非干旱区。在此基础上进行降水区划及降水分布型研究，得出我国干旱半干旱区大致分成９个小区以及它的３种年降水分布型式。

降水量对草原初级生产力影响的研究进展

对降水量与草原初级生产力之间关系的争论,降水量对草原生态系统影响的途径、过程,以及不同植物种群、群落和生态系统对不同降水量反应的异同进行了阐述,提出了我国在降水量与草原初级生产力方面应重点研究的内容。

北部湾经济区径流、降雨分配特点及其变化分析

基于1970-2008年南流江常乐水文站、钦江陆屋水文站月均实测径流、降雨资料,采用年内分配不均匀系数、变差系数、绝对变化比率、年际不均匀系数、距平百分率等指标分析北部湾经济区径流、降雨的年内分配、年际变化特点,采用线性趋势线法、双累积曲线法分析径流、降雨的变化趋势。结果表明,南流江、钦江实测径流量与降雨量年内分配呈单峰型,径流、降雨年内分配不均系数呈上升趋势,径流的多年变化大于降雨,径流量的年际变化均匀度较差。降雨旱涝等级变化波动小,而径流丰枯等级变化波动频繁。实测径流系数呈下降趋势,降雨径流关系存在减小的规律。

基于日值和小时降水数据诊断中国暴雨时空变化差异的研究(1991-2010)

日值和小时观测降水数据在反映中国暴雨时空格局方面的差异还未有明确结论,因此,亟需通过不同时间分辨率的降水观测数据来深入研究中国暴雨的时空变化特征。该文采用观测的长时间序列(1991-2010年)的小时降水数据和日值降水数据对中国暴雨雨量和暴雨雨日的年际和年代际时空变化特征进行研究。结果表明,在时间变化上,1991-2010年期间小时降水数据和日值降水数据计算的暴雨雨量和暴雨雨日在逐年变化上没有本质上的差异,暴雨雨量和暴雨雨日的年累计值在波动中呈现出明显的增加趋势,但日值降水数据所反映的暴雨雨量和暴雨雨日的波动要大于小时降水数据。在空间格局上,小时降水数据和日值降水数据所反映的中国暴雨雨量和暴雨雨日的空间分布格局没有较大差别,但小时降雨数据反映的更详细,空间分布格局的破碎程度更高。在年代际小时暴雨和日值暴雨两者之间的对比方面,小时降水数据和日值降水数据有较大差异,小时降水数据反映的暴雨雨量和暴雨雨日在长江流域偏少,而在其它地区有不同程度的偏高。在小时暴雨和日值暴雨的各自年代际变化方面,小时降水数据和日值降水数据反映的年代际暴雨空间变化表现出相同的变化趋势,但小时降水数据反映的空间分布特点更加破碎。因此,小时降水数据和日值降水数据在反映中国年代际暴雨时空高低分布方面具有一致性,但量级在不同地区具有不同程度的差异,且在揭示中国年代际暴雨变动方面具有一致性,应根据研究目的选择适当数据。

上海市不同历时暴雨组合概率研究

基于上海市徐家汇站1960—2011年的日降雨资料,分析上海市年最大1d和3d降水量年际变化和年代际变化特性;择优选择GH Copula函数构建了年最大1 d与3 d降水量的联合分布模型,并推算它们的同现重现期和组合风险概率。结果表明:年最大1 d和3 d降水随时间呈增加趋势,自20世纪70年代开始其均值随年代增加;年最大1 d和3 d设计暴雨同频遭遇风险率在75%~85%之间,且同现风险率随年最大1 d设计暴雨值增大而增加。在设计上海市防洪排涝标准时若考虑最大1 d和3 d降水量的遭遇组合,有利于提升防洪排涝能力,保障防洪安全。

基于中国气候变化区划的1951-2010年暴雨统计分析

采用659个气象观测站日值降水数据计算了中国年际和年代际暴雨雨量和暴雨雨日,然后基于中国气候变化区划(1961—2010年)对中国暴雨进行了分区统计。结果表明:在中国气候变化区划降水呈增加和减少的区域,绝大多数的暴雨呈现相应的年际和年代际的增加和减少趋势。但也有在降水趋势减少的I1东北—华北暖干趋势带的小兴安岭—长白山—三江平原气温波动增强、降水量波动减弱区和Ⅲ3西南—华南干暖趋势带的云贵高原—南岭西部山地丘陵降水量波动增强、气温波动增强区两个二级气候变化分区,暴雨呈现增加趋势;反之在降水趋势增加的Ⅳ1藏东南—西南湿暖趋势带的藏东南山地—高原降水量波动增强、气温波动增强区,暴雨呈现减少趋势。进一步对暴雨分为短历时的对流型暴雨和长历时的过程型暴雨也有类似的结论。说明现有的一级和二级气候变化区划在一定程度上可以反映暴雨的变化,但仍需要深入采用以极端降水为指标的三级区划对暴雨变化进行研究。

1991～2010年中国小时暴雨时空变化格局及其与城镇化因子的空间相关分析

采用1991~2010年小时降水数据对中国小时暴雨雨量和雨时进行研究。结果表明,在时间上,1991~2010年中国小时暴雨雨量和雨时的年累计值在波动中呈明显增加趋势。在空间上,小时暴雨雨量和雨时的高值区主要集中在中国黑龙江漠河—云南腾冲一线的东部地区,该界线以西则是低值地区,其中小时暴雨变化最为显著地区主要集中在中国东南沿海地区和西北内陆地区。中国白昼和夜晚的小时暴雨雨量和雨时在空间分布上也有类似的规律。在日变化的时间尺度上,小时暴雨雨量和雨时呈现出双峰现象,最高值均出现在17:00(北京时间,下同),而最低值出现在12:00。同时选择表征城镇化发展水平的夜晚灯光指数、黑炭气溶胶、低能见度日数和细颗粒物(PM2.5)浓度4个因子,分别与小时暴雨雨量和雨时做空间相关分析。在全国平均水平上,4个空间相关系数均在波动中呈明显增加趋势;而在中国气候变化区划一级分区上,空间相关系数均呈增加趋势,且增加趋势最为明显的是II分区和III分区。

广东年降水的类型特征和旱涝趋势

应用主分量方法对广东年降水量进行统计分析，结果表明，它对年降水场的逼近收剑性比较快，前５项特征值占年降水总方差的７８．７％，即前５项特征向量已可反映年降水场最重要的特征．通过主分量和特征向量的配合，将逐年年降水场进行了分型，较清楚地显示出年降水量的气候背景．