赣江流域径流量对气象和大尺度气候因子的响应研究

全球气候变化背景下驱动水文过程的气象和大尺度气候因子持续变化,给流域水资源管理与配置带来挑战。赣江流域作为鄱阳湖最大的流域,其径流量变化对近些年旱涝灾害频发的鄱阳湖影响显著。基于赣江流域1966—2020年的日气象数据以及流域出口外洲水文站的日径流量数据,采用Mann-Kendall趋势检验、地理探测器和小波分析的方法,分析了赣江流域径流量的变化趋势,探究了赣江流域内气象要素对流域径流量的解释力,并检测了赣江流域月平均流量与大西洋多年代际振荡AMO、厄尔尼诺与南方涛动ENSO之间的变异性和遥相关关系。结果表明:流域内的径流量呈现不显著增大趋势,其原因可能是不显著增加的降水与其他气象因子交互作用的结果;降水是影响径流量的主导因子,其在年内尺度上的解释力可达0.827,而多因子交互作用的解释力比两个因子的简单和更加显著;AMO对径流量的影响周期主要是在4 a的周期上,而ENSO则在2 a左右出现较好的对应关系。

西北太平洋台风活动的年代际变化与大尺度环流因子的关系

用多项式拟合和统计分析的方法对1960～2005年西北太平洋台风年频数资料进行分析表明:台风活动存在明显的年代际变化,46 a间台风活动存在两个高频期和两个低频期,高低频期台风频数的差异主要集中在7～10月(称为台风活跃季),利用台风活跃季的NCEP/NOAA资料对影响台风年代际变化的大尺度环流因子进行分析,结果表明:与低频期相比,在台风生成的高频期出现了较高的海表温度、较低的海平面气压、较大的高层散度和低层相对涡度、较小的垂直风切变,而且500 hPa风场利于台风的生成和向西北太平洋移动,西太平洋副热带高压偏北,100 hPa南亚高压偏弱。西北太平洋海盆的总降水量的年代际变化与台风的年代际变化关系不明显。

滦河流域干湿变化及大尺度气候因子影响

利用经验正交函数、小波变换等方法,基于标准化降水指数分析滦河流域1957—2016年的干湿变化趋势,研究流域干湿变化典型场的时空和周期特征,并通过对比大尺度气候因子对不同典型场的影响差异,讨论滦河流域干湿变化的气候成因。结果表明:滦河流域干湿条件在1989年发生突变,干旱有加剧趋势且在研究时段内年际干旱事件频发;流域干湿变化表现为两种典型模态,模态1呈现出全区一致性的空间分布,以及流域干旱程度增加的时间变化特征,两种模态在时间变化上均存在1.5~4.0 a主周期;对流域干湿变化影响最强烈的是ENSO,其次是AO和NAO,而AMO和PDO影响最弱。上述气候因子指数对干湿场的影响主要体现在改变流域干湿一致性。

大尺度驱动因子对新疆极端冷事件的单一与耦合影响

全球变暖背景下,偶发极端冷事件产生的重大灾害损失不容忽视。探究区域极端冷事件的大尺度驱动因子的耦合影响,对预估和应对气候变化产生的极端灾害具有重要意义。本文基于新疆1961—2016年53个气象站点的逐日气温资料,通过反距离加权等方法对极端冷事件的时空演变特征进行分析;利用交叉小波变换对6个极端冷指数与大尺度驱动因子--北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)进行多尺度分析;使用参数假设检验对大尺度驱动因子单一/耦合模态下的冷指数变化进行统计学显著性检验,随后对大尺度环流机制进行距平合成分析。结果表明:年均冷指数在时间尺度上均有显著性变化,新疆气温有明显的变暖趋势;空间尺度上冷指数在北疆、东疆和伊犁河谷地区的变化幅度远大于其他区域,存在空间差异性。AO、NAO与冷指数的相关性较强,ENSO与冷指数相关关系最弱但存在明显的时滞效应,大尺度驱动因子对极端冷指数的总体影响程度为AO>NAO>ENSO。单一模态下,极端冷事件在AO负位相、NAO负位相和La Niña事件期间易发生。耦合模态下,EI Niño-AO正位相和EI Niño-NAO正位相配置下冷日日数偏多;EI Niño-NAO负位相配置时极端低温值更小;La Niña-AO负位相和La Niña-NAO正位相时极端冷事件发生的可能性更大。EI Niño(La Niña)事件对AO(NAO)有一定的调制作用。新疆极端冷事件更易出现在La Niña-AO负位相、La Niña-NAO正位相时期,成因与亚欧大陆中高纬度位势异常导致冷空气路径偏西、乌拉尔阻塞加强与偏北气流影响新疆有关。

粤港澳大湾区极端气候时空演变及其驱动因子研究

近年来,极端气候事件频发,成为学术和社会各界关注的焦点问题。研究粤港澳大湾区极端天气的时空分布特征和变化规律,对及时、准确地做出防灾减灾预报、预警具有重要意义。以1961—2016年降水、气温数据为基础,通过启发式分割法、Mann-Kendall趋势检测和交叉小波法对粤港澳大湾区极端气候时空演变特征及其与驱动因子之间的相互关系进行分析。结果表明:极端降水和气温变化与太阳黑子和大尺度环流因子(多元ENSO指数(MEI))、太平洋年代际振荡(PDO)存在潜在联系,但它们对极端气候的影响作用存在差异。气候变化对城市建设和发展将持续产生重大影响。在对粤港澳大湾区气候变化的研究中,需关注珠江流域和典型区域气候变化的影响评估,加强流域极端天气发生机理、风险评估与对策研究,减轻极端气候事件带来的危害。

基于拉普拉斯金字塔生成对抗网络的图像超分辨率重建算法

针对目前的图像超分辨率重建算法中存在的大尺度因子的重建效果较差、不同尺度的图像重建均需要单独训练等问题,提出一种基于拉普拉斯金字塔生成对抗网络(GAN)的图像超分辨率重建算法。算法中的生成器使用金字塔结构实现多尺度的图像重建,从而以渐进上采样的方式降低了大尺度因子的学习难度,并在层与层之间使用密集连接加强特征传播,从而有效避免了梯度弥散问题。算法中使用马尔可夫判别器将输入数据映射为结果矩阵,并在训练的过程中引导生成器关注图像的局部特征,从而丰富了重建图像的细节。实验结果表明:在Set5等基准数据集上分别进行放大2倍、4倍、8倍的图像重建时,所提算法的平均峰值信噪比(PSNR)分别达到了33.97 dB、29.15 dB、25.43 dB,平均结构相似性(SSIM)分别达到了0.924、0.840、0.667,相比用于超分辨率重建的卷积神经网络(SRCNN)、深度拉普拉斯金字塔超分辨率重建网络(LapSRN)、用于超分辨率重建的生成对抗式网络(SRGAN)等其他算法有较大提升,且其重建的图像在主观视觉上保留了更多生动的纹理和小颗粒细节。

长江源区水文气象要素变化及其与大尺度环流因子关系研究

长江源区水文气象要素变化及其归因研究一直备受全球关注,现阶段研究多侧重于水文气象要素时空变化特征分析,针对长江源区水文气象要素与大尺度环流因子相互关系的研究不足。论文利用Mann-Kendall法、去趋势波动分析法和小波分析法,探究长江源区1957—2012年水文气象要素趋势性、波动性和周期性变化规律,分析水文气象要素与大尺度环流因子的相关关系,通过研究水汽通量揭示大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制。结果表明:20世纪90年代,长江源区气候暖干化,进入21世纪后,长江源区气候暖湿化趋势明显;长江源区水文气象要素序列具有正长程相关性,长江源区气候未来会继续呈现暖湿化变化趋势。长江源区水文气象要素都存在着1~5、10~24和25~45 a三种时间尺度周期变化规律。南亚季风是影响长江源区降水量和流量较为重要的大气环流因子,南亚季风驱动下的西南方向气流是长江源区主导气流和水汽来源。

K均值聚类的大规模MIMO导频分配策略

针对大规模多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)系统中亟待解决的导频污染问题,提出一种基于K均值聚类的导频分配策略来减轻导频污染问题。该方案基于大尺度衰落因子对用户进行门限分组,再基于用户位置信息对用户进行K均值聚类分组,并对不同组别的用户采用不同的导频分配方案。仿真结果表明,基于K均值聚类的大规模MIMO导频分配方案可有效抑制导频污染问题对大规模MIMO系统性能的影响,提高导频效率并减少导频开销。

基于贝叶斯模型平均的全球洪水中长期预报评估研究

筛选全球5839个水文站逐日径流数据,采用超阈值采样法提取洪水发生频率及时间,将各季节最大日流量作为季节洪水量级,以优选的多个大尺度气候因子的最佳前置月份序列作为潜在预报因子,基于贝叶斯模型平均法构建全球尺度洪水中长期预报模型,并利用均方误差技术指数(MSESS)评价模型的预报效果。结果表明:全球范围内,洪水量级和频率模拟预报效果合格(0.6>MSESS>0.2)的水文站点占比分别为48%和28%;利用前置季节气候因子数据,驱动所构建的洪水中长期预报模型,有效预报了2020年鄱阳湖流域洪水量级将异常偏高。

西北太平洋晚季台风频数突然减少的成因分析

西北太平洋地区晚季(10-12月)66%的热带气旋可以发展成为台风,其比率高于盛夏季节。基于贝叶斯突变分析的研究结果表明,西北太平洋晚季台风频数在1998年前后发生了年代际转折,即相对于1979-1997年,台风频数在1998-2016年显著减少。台风生成的空间分布情况表明,西北太平洋台风频数总体呈减少状态,减少最多的区域出现在东南部(0°~17.5°N,135°~180°E)。相应的,台风生成潜在指数(Genesis Potential Index,GPI)在该区域也明显减小。通过对比分析涡度、垂直切变、相对湿度和最大潜在强度四个主要因子对GPI变化的相对贡献大小,结果表明动力因子(垂直切变和涡度)对西北太平洋台风生成频数的年代际变化起关键作用。

基于环流特征及海温影响的滦河流域干旱响应分析

滦河流域地处欧亚大陆东岸,降水及气候特征主要受鄂霍茨克海域附近中纬度高压与西太平洋副热带高压影响,而北极涛动(AO)和太平洋海表温度异常(SSTA)通过影响中纬度高压和西太平洋副热带高压来间接影响滦河流域的降水过程与气候特征。本文利用大气环流过程、空气比湿、位势高度变化及海表面温度异常等数据,对2009典型干旱年的大气环流特征及影响因素进行了分析。通过对影响干旱发生相关因素的监测,可对地区干旱的发生做出预报预警,为相关部门抗旱工作的决策部署及工程设计提供依据。

第三极西风与季风主导源区径流对气候变化的不同响应

不同气候、冰雪下垫面分布及地理位置直接影响着第三极源区流域径流对气候变化的响应特征.然而,当前对第三极西风与季风主导源区径流变化及其对气候变化的响应差异尚未得到系统探讨.本研究基于西风主导源区(阿克苏河源、锡尔河源、叶尔羌河源、和田河源、阿姆河源及印度河源)与季风主导源区(长江源、黄河源、澜沧江源、怒江源及雅鲁藏布江源)的径流数据,全面分析了1961~2015年各源区年径流变化特征;利用多源气象数据与大尺度环流因子,探讨了西风与季风主导源区径流对气候变化的响应差异以及径流变化的大尺度环流机制.结果表明:(1)1961~2015年间,第三极绝大多数源区(除了黄河源与雅鲁藏布江源)径流均呈现增加趋势,其中西风主导的阿克苏河源、叶尔羌河源及印度河源径流增加趋势显著.除了黄河源外,第三极其他源区年径流在1980s~2000s均发生了由减少向增加的突变.(2)过去55年间季风主导源区径流变化受降水主导,而西风主导源区径流对气候变化的长期响应存在气温主导(叶尔羌河源与和田河源)、降水主导(锡尔河源与阿姆河源)、降水与气温共同影响(阿克苏河源与印度河源)三类模式.自20世纪60年代以来,西风主导的多数源区径流对暖季气温的敏感性减弱,其径流对降水变化的响应增强.(3)本研究也揭示了大尺度环流-气候-第三极源区径流之间的联系.北大西洋年代际振荡(AMO)、西风指数(WI)及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)主要通过影响第三极源区降水或气温,进而作用于西风或季风主导源区的年径流变化.本研究可为第三极西风与季风主导源区水资源管理及气候变化应对提供科学参考.