CLIGEN气候生成器模型在紫色土地区的适应性研究

随机气候生成器CLIGEN模型可以为当前一些综合模型所需要的气象资料提供必要的数据支持,为检验CLIGEN在四川紫色土地区的适用性,以CLIGEN模型为研究平台,根据四川省遂宁水土保持实验站1987～2002年降水和气温的月平均资料及在全美范围内选择参照站点得到的其他气象因子,利用CLIGEN模型分别模拟出遂宁市的月平均降水量、月平均最高温度和月平均最低温度。结果证明用所选的3个参证站点,利用CLIEGN模拟出来的降水、气温在数值上和年内的分布上均与实测值较为符合,选择模型有效系数E和平均绝对百分比误差（MAPE）为评价指标,作为3个站点最优选择的指标,最终选择CENTERVILLE站点为最优参证站,CEN-TERVILLE站点的模拟月平均降雨量、月平均最高温度和月平均最低温度的相对平均绝对值（MAPE）分别为7.15%,7.03%和6.17%,而有效系数分别为0.996 2,0.926 6和0.995 7,从而确定了CLIGEN模型在遂宁紫色土地区的适用性。

CLIGEN降水要素在黄土塬区的适应性评估

CLIGEN是目前较全面产生降水要素(降水量、历时、达到最大降水强度的时间与降水总历时的比率、最大降水强度与平均降水强度的比率)的天气发生器,其生成降水要素的质量直接影响水文和农业响应模型的输出结果。利用黄土高原长武1957—2001年的日气象观测数据、王东沟流域1988—2001年的降水要素数据和CLIGEN生成的100年日气象数据,对CLIGEN模型产生日、月、年降水量的均值和方差、概率分布、降水极端值和降水历时、强度进行评估。结果表明:CLIGEN对日、月和年降水量均值的模拟效果较好,相对误差都不大于1.0%;对标准差的模拟结果偏低,相对误差的绝对值小于6.6%;没有模拟出日降水量的概率分布,但是较好地模拟出了月和年降水量的概率分布;对日、月和年最大降水量的模拟误差较大,表明CLIGEN对极值的模拟精度有待提高。CLIGEN很好地模拟出连续降水的频率,但是连续干旱天数在20 d以内的累积频率的平均相对误差为8.9%;CLIGEN产生的最大降水强度与平均降水强度的比率高于实测数据;相对于实测数据,CLIGEN模拟的降水历时和降水量具有相同的趋势,对小降水量或短历时的模拟结果偏高,对大降水量或长历时的模拟结果偏低。

CLIGEN天气发生器在长江上游地区的适用性评价

CLIGEN天气发生器是WEPP土壤侵蚀模型的组成模块之一,用于模型预测预报以及天气数据缺测时生成模拟天气数据;但是CLIGEN天气发生器是基于美国的天气条件研发的,在其他地区模拟的精度具有不确定性。以长江上游沱沱河站、马尔康站、丽江站、都江堰站和沙坪坝站5个典型国家气象站40年的日观测数据为基础,分析评价CLIGEN天气发生器在该地区模拟的日和月天气数据的精度。结果表明:CLIGEN天气发生器天气参数的输入对于模拟结果具有较大的影响;模拟结果在长江上游5个不同地貌区气象站的精度基本相当;模拟的日天气数据误差较大,模拟的月天气数据效果好于日天气数据;模拟的各月最高气温和最低气温平均值较实际值偏低,部分参数模拟值的绝对误差和相对误差存在一定的月际差异。

WEPP模型中的CLIGEN与BPCDG应用对比研究

通过对遂宁组紫色土产流、产沙侵蚀的观测,运用迄今为止最为复杂的土壤侵蚀预测模型WEPP模型进行单次降雨侵蚀预测,与实测值比较,并对比通过气候生成器CLIGEN和断点生成器BPCDG的产生的气候参数对预测值的影响。通过分析比较结果,认为WEPP模型对遂宁组紫色土侵蚀过程预测合理,而且利用断点生成器BPCDG的预测结果要优于气候生成器CLIGEN的预测结果。

CLIGEN模型主要降雨参数精度评价

选择川中丘陵区内江气象站作为研究对象,对CLIGEN模型(v5.22564)内置的无插值、线性插值和傅里叶插值3种算法生成的主要降雨参数进行了精度评价。研究结果表明,CLIGEN模型(v5.22564)在内江地区模拟结果较好,3种算法模拟的降雨天数、降雨事件概率、年均降雨量、季度降雨量、月降雨量分布和相对误差等降雨参数均较合理。相比傅里叶插值法和线性插值算法,模型内置的无插值算法所得的结果与实际观测值更接近,说明在气候特征变化不异常的气象站点用模型内置的无插值算法模拟精度更高。但是3种算法模拟的部分参数如年降雨量标准差、季节降雨(特别是夏季降雨)标准差和年降雨极值等,其结果值偏低。

CLIGEN生成干旱半干旱地区降水相关参数的验证

选用黄河上中游地区无定河流域为中心的15个气象站1959-1999年的降水日值资料,对随机天气发生器CLIGEN在干旱半干旱地区再现降水的能力进行了验证。结果表明：CLIGEN模型较好地模拟了该区域的降水发生概率;很好地再现了年、月、日降水总量平均值,平均相对偏差分别为2.4%、2.4%和2.1%;CLIGEN再现了96.4%的日降水变率、95.9%的月降水变率和84.1%的年降水变率。对年降水变率估计稍差,表明CLIGEN在模拟降水变率方面还有改进的必要。从降水极值看,年降水最大值的平均相对偏差为11.1%,偏差最大的是干旱区的临河站（39.1%）;年降水最小值的平均相对偏差为20.5%,偏差最大的是临河站（-30.7%）;月最大降水量除两站稍低外,其它站平均偏高20.2%;日降水最大值除临河站偏低3.4%外,其余各站平均偏高43.2%。总体上讲,CLIGEN在干旱地区的模拟能力比在半干旱区稍差。鉴于CLI-GEN模拟的极大值绝大部分都偏高,因此利用CLIGEN模型生成的降水资料运行径流和土壤侵蚀模型有高估径流量和土壤侵蚀量的可能,需要进一步利用自计雨量计的资料对CLIGEN生成次降水的参数进行验证,以确保径流和土壤侵蚀预测的精度。

CLIGEN在华北地区生成降水的效能评估

为了检验天气发生器CLIGEN在华北地区生成降水的有效性,应用该区15个气象站1951-2008年的日气象观测资料和CLIGEN生成的150a日气象数据,对CLIGEN再现该区降水的效能进行了评估。结果表明:CLIGEN很好地再现了年和日降水量的均值和降水日数,但对降水极值的模拟精度不高,年和日最大降水量的平均相对偏差均大于均值的平均相对偏差。非参数检验的结果表明,CLIGEN能很好地生成年降水量的概率分布,且对日降水的概率分布也有较高的生成精度。总体来看,CLIGEN模型在华北地区能很好地再现年、日降水量平均值统计特征,并较好地再现了降水的变率。

基于CLIGEN和GCM模型预测未来40年黄土丘陵沟壑区的气候变化——以安塞为例

为预测3种温室气体排放情景（A2、B2和GGa1）下未来40年黄土丘陵沟壑区的气候变化,利用安塞试验站1986—2003年的气候观测资料以及1986—2049年GCM（HadCM3）栅格数据,通过空间转换和时间转换,利用CLIGEN和GCM模型,预测未来40年以安塞为代表的黄土高原丘陵沟壑区的气候变化。结果表明：与当前条件相比,到2049年,A2、B2和GGa1 3种情景下预测的降雨量分别增加37%、22%和12%;3种情景下预测的最大月均降雨量出现在夏季;到2049年,A2、B2和GGa1 3种情景下预测的月均最低气温和月均最高气温皆增加,但差异不明显,年均最低气温和年均最高气温分别增加1.41-1.56℃和0.92-1.57℃。

CLIGEN非降水参数在黄土高原的适应性评估

天气生成器(CLIGEN)可以产生以日为时间单元的天气数据,从而广泛应用于土壤侵蚀和作物生长模拟模型,其模拟结果的优劣直接影响这些模型的输出结果。利用散布黄土高原的12个标准气象站点长时间序列的气候数据评估CLIGEN模拟非降水参数(温度、太阳辐射、风速)的能力。结果表明:CLIGEN能较好的模拟日最高温度;对日最低温度与露点温度的模拟次之;模型对太阳辐射和风速的模拟较差,特别是对风速的模拟,模拟值要显著的高于实测值。CLIGEN模拟的温度日较差、第1天最高温度与第2天最低温度之差、第2天最高温度与第1天最低温度之差的均值和标准差普遍偏高,但均值的误差较小,而标准差被过高模拟;模型在产生气候数据时,没有保持逐日渐变性和连续性。CLIGEN能够较好的模拟最高温度与最低温度的季节连续性与相关性;而过高的模拟了太阳辐射的季节相关性以及温度与太阳辐射的季节互相关性;同时,模型没有模拟出各气象要素自身及其之间的逐日相关性。

CLIGEN随机气候生成器在天山西部中山带的适用性评价

根据中国科学院天山积雪雪崩研究站1978-2007年降水和气温的月平均资料以及在全美范围内选择参证站点得到的其他气象因子,利用CLIGEN模型分别模拟出日序列气象数据,统计出多年月平均降水量、多年月平均最高温度和多年月平均最低温度。选择模型有效系数E和平均绝对百分比误差(MAPE)为评价指标。最终确定HIBBING站点为最优参证站。HIBBING站点的模拟多年月平均降水量、月平均最高温度和月平均最低温度的模型有效系数E分别为0.980 0、0.956 3、0.996 5,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为7.1%、10.70%、8.30%。从而确定了CLI-GEN模型在天山西部中山带的适用性。

CLIGEN天气发生器在黄河流域的适应性研究

根据年降水及其年内分布特征在全美范围内选择参照站的基础上,用黄河流域3个气象站30年降水和气温的月平均资料,对CLIGEN天气发生器在黄河流域的适应性进行了检验。结果表明利用参证站、通过月资料的输入,CLIGEN可以较好地模拟年降水、降水的月分布、最高温度和最低温度,模拟值的标准差普遍低于实际值的标准差,参照站的气候特征对模拟结果有显著影响,因此,在参证站选择时应综合考虑多个气象参数。

CLIGEN天气发生器模拟沈阳地区降水的适用性评价

利用1981—2015年沈阳地区7个气象站的日观测数据,通过CLIGEN(Climate Generater)天气发生器模拟沈阳地区日降水序列数据,并统计模拟日降水量、月降水量、年降水量及年最大日降水量,利用平均值、标准差、偏度及峰度对CLIGEN天气发生器模拟的沈阳地区降水进行适用性评价。结果表明:CLIGEN天气发生器对沈阳地区日降水量、月降水量和年降水量平均值的模拟效果较好,模拟降水量的平均相对误差绝对值(Mean Absolute Relative Error,MARE)分别为2.1%、1.3%和3.3%,年最大日降水量的模拟精度稍差。对于降水最大值方面,CLIGEN天气发生器对沈阳地区日最大降水量和年最大降水量的模拟效果较差,模拟的日最大降水量和年最大降水量相对误差的最大值分别为-27.2%、18.3%。GLIGEN天气发生器能较好地模拟沈阳地区的月降水量和年降水量,t检验、F检验和K-S检验均表明,模拟的日最大降水量与年最大日降水量仅康平站达到极显著水平。从总体模拟效果来看,CLIGEN天气发生器能较好地模拟沈阳地区平均降水的统计特征。

CLIGEN天气发生器在中国东北三省模拟温度的适用性评价

CLIGEN(Climate Generator)是美国农业部针对本土开发用于提供长序列的逐日气象数据的模型,是否适用于中国东北三省并没有进行过评估。本文利用1981—2015年东北三省15个气象站逐日气象数据评估CLIGEN模拟的温度数据,对东北三省72个站点实测值和模拟值的极端最高温度、极端最低温度、≥35℃高温日数、≤0℃低温日数进行评估。结果表明:CLIGEN对日平均最高温度、最低温度模拟效果较好,平均绝对百分比误差MAPE(mean absolute percent error)和有效系数(E)中,日最高温度的MAPE为0.33%—14.74%,日最低温度的MAPE大多小于10%;有效系数E的值也非常接近,为0.9880—0.9999;CLIGEN对日较差均值的模拟效果较好,对日较差标准差的模拟效果一般,不能较好地模拟温度的连续性和渐变性;CLIGEN对极端温度和日数的评估只有低于0℃的日数模拟效果比较理想,从差值空间分布看来,吉林和辽宁西部地区是差值较大和较多的地区。

CLIGEN非降水要素在黄土塬区的适用性评估

许多基于物理机制的水文和作物模型需要日序列气象数据来驱动，CLIGEN是为WEPP等模型产生气候输入文件的天气发生器，可以产生10个日序列气象变量来满足这种需要，但是其在中国的适用性需要进行评估。研究的目标是利用黄土高原陕西长武1957～2001年的气象数据评估CLIGEN产生非降水要素（最高温度、最低温度、露点温度、太阳辐射和风速）的能力。结果表明，CLIGEN对最高温度、最低温度和露点温度的模拟效果较好，对太阳辐射和极端气候事件的模拟效果较差，对风速的模拟效果最差。相关性检验表明CLIGEN很好地保持了气象要素的季节性，这对模拟农业生产是非常重要的；但是没有保留气象要素逐日的自相关和互相关性，进而导致产生的温度变化不符合连续渐变的规律。

Gridded 20-year climate parameterization of Africa and South America for a stochastic weather generator (CLIGEN)

CLIGEN is a stochastic weather generator that creates statistically representative timeseries of daily and sub-daily point-scale weather variables from observed monthly statistics and other parameters. CLIGEN precipitation timeseries are used as climate input for various risk-assessment modelling applications as an alternative to observe long-term, high temporal resolution records. Here, we queried gridded global climate datasets (TerraClimate, ERA5, GPM-IMERG, and GLDAS) to estimate various 20-year climate statistics and obtain complete CLIGEN input parameter sets with coverage of the African and South American continents at 0.25 arc degree resolution. The estimation of CLIGEN precipitation parameters was informed by a ground-based dataset of >10,000 locations worldwide. The ground observations provided target values to fit regression models that downscale CLIGEN precipitation input parameters. Aside from precipitation parameters, CLIGEN’s parameters for temperature, solar radiation, etc. were in most cases directly calculated according to the original global datasets. Cross-validation for estimated precipitation parameters quantified errors that resulted from applying the estimation approach in a predictive fashion. Based on all training data, the RMSE was 2.23 mm for the estimated monthly average single-event accumulation and 4.70 mm/hr for monthly maximum 30-min intensity. This dataset facilitates exploration of hydrological and soil erosional hypotheses across Africa and South America.

土壤侵蚀模型中植被管理因子的遥感估算

在大区域土壤侵蚀评价中,由于缺乏详细的降雨记录和侵蚀观测实验,USLE模型中植物管理因子的参数化非常困难。该研究提议采用多时相Landsat TM/ETM遥感图像和天气模拟相结合的方法来估算植物管理因子值。其中,采用线性光谱分解算法计算各类地面覆盖物的盖度,用以估算潜在土壤流失率;采用CLIGEN模型模拟历史降雨事件并计算降雨侵蚀指数的时间分布;最后使用正则化的降雨侵蚀指数加权平均潜在土壤流失率,获得植物管理因子的估算值。该研究方法在潮河上游流域进行了应用验证,计算各土地利用类型的植物管理因子值并对比分析,结果表明:其数值变化与土地利用分类定义的植被盖度非常一致,利用上述因子值进行土壤侵蚀评估的结果和其他研究成果很接近。

随机气候生成器在黄土高原的适用性检验

为进一步检验水蚀预报模型WEPP在黄土高原的适用性,并提供必要的数据准备,根据安塞水土保持综合试验站1986—2003年的日序列的降雨量、最高温度、最低温度和平均风速的实测值及全美范围内选择参照站得到的其他气象因子,对随机气候生成器在黄土高原的适用性进行了检验。结果表明:随机气候生成器能够较好地模拟单个气象因子,并未考虑各个气象因子之间的相互关系;同时,能准确地模拟年降水及其月分布,日最高温度、日最低温度的月分布,而风速模拟值的月均值、标准差普遍高于实测值的月均值、标准差。为此,选择参考站点时应综合考虑各个气象因子。按月计算的降水降水的概率和不降水降水的概率的模拟月均值比实测值偏低。

GeoWEPP在黄土高原地区应用的适用性评价

WEPP模型是由美国农业部组织开发的土壤水蚀预报模型,研究从两方面来探讨流域版GeoWEPP在黄土高原地区应用的适用性:①GeoWEPP模拟时输入的基本气象参数精度检验;②GeoWEPP对流域侵蚀产沙模拟的精度评价。结果表明,由WEPP模型CLIGEN气候发生器生成气象数据不仅较好反映了实测值,而且精确表达了普通或极端天气的实际分布;GeoWEPP对黄土高原流域径流和输沙进行模拟,模拟值与实测值的绝对误差小于30%,相关系数大于0.90,Nash-Sutcliffe系数大于0.80,模拟值较好反映了实测值。

黄土塬区坡面土壤侵蚀对全球气候变化的响应

气候变化将对黄土高原土壤侵蚀产生重要影响,评估其可能影响可为农业生产提供重要的决策依据。基于全球环流模式HadCM3,建立黄土塬区长武县2010—2039年A2a,B2a和GGa1共3种气候情景;进而使用土壤侵蚀预报模型WEPP模拟该区农田(5°和10°坡地)的土壤侵蚀变化。结果表明,2010—2039年长武县年均降水量可能增长1.8%～17.5%,年均最高和最低温度分别升高0.5℃～0.9℃和2.0℃～2.3℃。相对于目前气候下的耕作条件,2010—2039年5月和8—10月的径流量和侵蚀量显著增大;年均径流量可增长52%～119%,年均土壤侵蚀量可能增长37%～170%。气候变化将加剧黄土高原农田水土流失,需要采取相应的措施来减缓其不利影响。

降雨变化对雨水收集系统节水及径流的调控效应

雨水收集利用是城市水土保持的重要措施之一,具有缓解城市水资源短缺、减轻城市供排水系统压力等功能,被广泛应用于海绵城市和节水型城市建设。基于福州与乌鲁木齐1965-2015年实测日降雨量数据,分别采用回归分析和CLIGEN模型对21个GCMs预估月降雨数据进行空间和时间降尺度转换得到2020-2050年日降雨量数据,并基于自主构建的雨水收集系统水文模型,分析未来降雨变化对雨水收集系统节水及径流调控效应的影响。结果表明:福州与乌鲁木齐2020-2050年的年均降雨量比1985-2015年分别增加2. 7%和28. 2%,雨水收集系统节水效应(供水保证率和自来水替代率)明显增强,而径流调控效应(径流削减率)有所降低;降雨变化对雨水收集系统节水及径流调控效应的影响与气候区、汇水区面积、蓄水池容积等因素有关;降雨增加对节水效应产生积极影响,而对径流调控效应产生消极影响;降雨量较少的城市雨水收集系统对降雨变化更为敏感,汇水区面积和蓄水池容积越大的雨水收集系统对降雨变化的适应性越强。