降水产品偏差校正方法在长江子流域应用效果

降水产品的精度受到多种因素的影响,相对于地面站点观测降水表现出不同程度的偏差,需在实际应用前进行偏差校正并评估其适用性。为探寻适用于不同降水产品在长江流域不同区域内的偏差校正方法,评估CMFD、MSWEP和ERA5-Land这3种降水产品在长江流域内3个气候、地形和面积有较大差异的子流域内的适用性,并在此基础上对比使用3类7种方法对日尺度降水值进行偏差校正。结果表明:校正后的降水产品的适用性得到了不同程度的提升,而局部强度缩放与三伽玛分布结合校正法在3种降水产品和3个子流域的校正效果均为最优。校正方法的校正幅度与降水产品在研究区域的适用性存在反相关关系,产品的适用性越差,精度评价指标的改进幅度越明显。研究结果可为后期不同降水产品在长江流域不同子流域的准确应用提供可参考的校正方法。

基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟方法研究

基于3种卫星降水产品,提出了一种基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟算法(FCM-RF算法)。采用模糊C均值算法,结合地面观测站点资料对长江流域进行降水区域划分,引入降水比降刻画降水空间性,进一步通过普通克里金插值法优化融合结果,得到一套长江流域空间分辨率为0.25°×0.25°的多源融合降水产品,并对其进行了评估。结果表明:FCM-RF算法在长江流域具有良好的表现,可以有效提高原始卫星降水产品对于降水事件的捕捉能力,在验证站点模拟降水量与实测降水量的相关系数可达到0.76;FCM-RF算法在年际上具有相似变化特征,对于春秋季降水的敏感性较高,在夏季由于强降水影响表现欠佳,冬季由于雨量稀少、存在固态降水,呈现出误差小、相关系数较低的特点;FCM-RF算法在东南地区具有较强的降水捕捉能力,在青藏高原地区的准确性较低。

夏季欧亚环流的低频振荡对长江流域降水影响的多尺度诊断

长江流域夏季降水与欧亚中高纬大气低频振荡密切相关,定量诊断不同尺度环流异常对降水的贡献,对于提高旱涝灾害预测准确率具有重要意义。利用ERA5逐日再分析资料和CN05.1逐日降水资料,通过定义环流指数(CI),将夏季欧亚环流划分为两脊一槽(DR)型和两槽一脊(DT)型,并探究了其低频特征以及不同尺度环流异常对长江流域降水的影响。结果表明:两类环流型是环流指数低频循环周期中的两个不同位相,均具有10~30 d振荡周期,对长江流域低频降水有着重要影响。其主要表现为:①两类环流型对应的500 hPa低频环流场在欧亚中高纬呈现正、负位势高度异常交替的波列结构,具有明显向东传播的特征,平均传播速度约为每天5°(经度);②当DR型达峰值位相时,850 hPa低频风场中鄂霍次克海反气旋南侧的东北风引导中高纬干冷空气向长江流域入侵,与来自南海反气旋西侧的西南气流交汇,使太平洋和南海的大量水汽向长江流域输送,低频降水正异常滞后于环流2 d达到最强,DT型的特征则与之相反;③欧亚环流对长江流域低频降水的影响以大于30 d的背景水汽条件和10~30 d低频尺度环流的共同作用为主导,小于10 d的天气尺度环流次之,大于30 d的背景环流较前二者作用偏弱,并且水汽辐合项约为水汽平流项贡献的3倍,先由湿平流提供充足的水汽条件,再通过较强的水汽辐合产生降水。

长江流域极端降水特征时空变化分析

基于长江流域224个气象站点1960—2018共59 a的日降水数据,采用Mann-Kendall(M-K)趋势检验、线性拟合方法分析长江流域极端降水时间变化特点;确定长江流域最适用于广义极值分布(Generalized Extreme Value Distribution, GEV)参数估计的方法,分析GEV尾部特征,解析长江流域极端降水空间特征。结果表明:(1)长江流域的极端降水总体上呈上升趋势,呈上升趋势地区主要是长江中下游区域,极端降水量增长速率最快的站点主要分布在长江下游,长江中下游流域极端降水量可能在未来会进一步增长,暴雨洪水发生频率可能会提高;(2)L-Moment方法更适用于估计GEV分布参数,对于降水量较大的极端降水序列,L-Moment的稳定性更高,极端降水极值序列分布为Fréchet的站点占比约为70%,表明长江流域大部分站点极端降水极值分布厚尾特征明显,极端降水量波动较大;(3)长江流域极端降水在不同重现期水平下呈现出明显的空间分布差异,不同极端降水序列的极端降水量均呈现出从上游到下游逐渐递增的趋势,长江中下游极端降水量增速快,波动大,不同重现期降水量更大。因此,长江中下游的防洪能力需要进一步加强。

基于GEE的长江-淮河流域湖泊水体长时序变化监测

湖泊在调节洪水和提供水源方面具有重要意义,长江-淮河流域(长淮流域)平原湖泊群的蓄水变化对缓解洪水压力和调节径流至关重要。为了实现对流域内水体变化的长期监测,研究使用Google Earth Engine(GEE)云计算平台和水体提取算法计算流域内2000—2021年共22年的水体频率,生成了逐年的30 m空间分辨率地表水体图,并计算每年丰水期、平水期和枯水期的水体面积。研究发现,长淮流域水体主要分布于长江、淮河沿线以及五大淡水湖所在流域。22年中,流域内水体面积呈现波动变化,2011年3种频率水体面积均是最低,2020年的丰水期水体面积和平水期水体面积达到最高。通过分析长淮流域在同一时期的气候变化发现,降雨量的变化趋势与水体面积的变化趋势几乎一致,表明流域内水量变化主要由降雨量主导。

秦淮河流域降水汛期分配不均匀性分析

为探究秦淮河流域汛期降水不均匀性,本文以秦淮河流域内16个气象站点1978—2019年汛期逐日降水资料,利用反距离权重插值、气候倾向率、SPSS相关分析等方法对秦淮河流域汛期降水集中度P_(CD)和集中期P_(CP)进行分析。结果表明,1978—2019年,秦淮河流域汛期P_(CD)为0.09~0.57,呈不显著增加趋势,总的分布特征是中游高上下游低;P_(CP)波动范围为18.5~21.5旬,呈不显著延迟趋势,地域差异较小;汛期降水量与P_(CD)在流域内表现出一致正相关,而与P_(CP)基本呈负相关。多水年和少水年P_(CD)和P_(CP)空间分布差异较大。研究结果可为秦淮河流域洪涝灾害防治提供依据。

近60年淮河流域极端降水和极端温度时空变化特征

基于1962—2019年间淮河流域149个站的气象数据,选择10个典型极端降水指标,12个极端温度指标,运用M-K趋势检验、相关性检验等方法,研究淮河流域降水和温度时空变化特征。结果表明:1)极端降水空间分布由东南向西北逐渐减小;时间序列上,多数极端降水指标呈微弱下降趋势,仅RX1day、CWD、R95P和R99P呈微弱上升趋势。2)极端温度空间分布上,多数极值指标自北向南逐渐升高,仅TXx自西向东逐渐降低;极端暖指标中SU25自西向东逐渐降低,TR20自北向南逐渐升高,其余指标分布规律不明显;极端冷指标中仅FD0、ID0自南向北逐渐升高;时间序列上,极值指标和极端暖指标呈上升趋势,极端冷指标呈下降趋势;极端冷指标下降的幅度高于极端暖指标增加的幅度,二者演变趋势对气候整体变暖的影响表现为同向一致性。3)极端降水指标与大部分极值指标、极端暖指标呈正相关;与大部分极端冷指标呈负相关。

珠江、淮河等流域进入为期四个月春季禁渔期 农业农村部长江办启动同步联合执法行动

3月1日,珠江、淮河、闽江、钱塘江流域以及海南省内陆水域开始进入为期4个月的春季禁渔期,农业农村部长江流域渔政监督管理办公室分别在广东省佛山市、江苏省淮安市启动流域性春季禁渔同步联合执法行动。

长江流域极端降水与当地平均气温的响应关系分析

研究极端降水的非平稳性及对气温的响应有助于应对相关灾害事件带来的消极影响。基于长江流域1961-2020年降水和气温格点数据,建立广义极值模型以确定当日(T_(0))和前1~9 d(T_(1-9))当地平均气温是否会引起极端降水的非平稳性,然后通过等样本箱元法、分段线性回归法和指数回归法探讨极端降水对T_(0)和T_(1-9)的响应。结果表明:长江流域99.7%格点的极端降水是非平稳的,T_(0)和T_(1-9)共驱动74.4%格点的极端降水向非平稳演变,且T_(1-9)对极端降水的影响更大。流域极端降水随T_(0)升高主要呈低温时增加而高温时减少的峰值型结构,且峰值点气温以青藏高原东缘为界西低而东高并分别集中于9℃和24℃左右;同时,极端降水随T_(0)的变化率介于(-12.3%~53.6%)/℃之间,并以四川盆地为中心向四周呈超CC(Clausius-Clapeyron)、类CC和次CC变率的分布格局。极端降水随T_(1-9)上升在流域西部主要呈增加趋势而在中东部主要为峰值型结构,且峰值点在降水强度最大时出现在25℃附近;此外,极端降水随T_(1-9)的变化率由西至东从超CC变率过渡到类CC和次CC变率,并处于(-3.7%~33.8%)/℃之间且集中于4%/℃和10%/℃附近。随着降水极端性的增强,极端降水对气温变化的敏感性降低从而使其变化率的范围缩小;此外,超CC变率可能与对流降水和潜热释放等相联系,而峰值型结构或许与降水的冷却作用以及反气旋活动等有关。

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)。

夏季长江淮河流域异常降水事件环流差异及机理研究

长江、淮河同处东亚中纬度,天气过程的大尺度环流背景相似,大量相关研究基本是把江淮流域天气气候事件作为一个整体研究,然而对长江、淮河流域夏季降水的时空变化进行分析发现,长江、淮河流域夏季异常降水事件有各自不同的年际、年代际变化特征,但环流差异及成因并不十分清楚。本文根据中国台站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,利用物理量诊断和现代统计学等方法,重点分析长江、淮河流域梅雨期降水异常事件发生时南北半球大气环流内部动力过程的差异及成因。研究指出:长江(淮河)流域梅雨期降水异常偏多年500 hPa位势高度场亚洲中高纬度环流呈现为南北向(东西向)的波列与东亚中高纬鄂霍茨克海阻塞频次增多(减少)以及200 hPa高度场上东亚副热带高空西风急流强度加强(减弱)、稳定(移动)有关;长江(淮河)流域梅雨期降水异常偏多年主要水汽来源与南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东(西)造成西太平洋150°E^180°(阿拉伯海50°E^60°E)地区越赤道气流加强有关。长江(淮河)流域梅雨期异常降水事件大气环流内部动力过程最显著的差异表现为:东亚副热带高空西风急流加强(减弱)以及南半球澳大利亚高压、马斯克林高压位置偏东(西)。

长江流域冬油菜需水量及水分盈亏特征分析

基于长江流域冬油菜优势产区11个省、2个直辖市共计129个城市近20年的逐日气象数据,采用经验公式、FAO推荐的改进HS数据模型和作物系数分别计算各城市冬油菜全生育期及各生育阶段有效降水量及需水量,并对水分盈亏指数及多年旱涝灾害发生频率进行分析。结果表明,长江流域冬油菜在各生育阶段有效降水量均呈由东南向西北递减的带状分布特征,其中鄱阳、洞庭两湖平原及杭嘉湖平原有效降水量充沛,长江中下游干流南北沿岸地区有效降水量适中,秦岭—淮河一线、四川盆地及云贵高原有效降水量偏少;各生育阶段的需水量呈现西南高、东南中、西北低的分布特征,其中云南省需水量最高,长江中下游平原需水量适中,秦岭—淮河一线、四川盆地、贵州省需水量最低;多年水分盈亏空间分布特征表现为长江中下游干流南北沿岸地区水分供应适中,秦岭—淮河一线、四川盆地、云贵高原水分供应不足;水分盈亏年代演变特征表现为苗期长江上游旱灾多发、涝灾偶发,中下游涝灾多发、旱灾偶发,其他生育阶段长江上游旱灾频发,中下游旱灾多发、涝灾偶发的特征。为有效保障长江流域冬油菜各生育阶段的适当水分供应,在苗期阶段,长江上游地区应注意适量灌溉、中下游地区应注意及时排涝;其他生育阶段,长江上游地区应注意充分灌溉,中下游干流北岸城市应注意适时灌溉,中下游干流南岸城市应注意适时排涝,以促进长江流域冬油菜高产稳产,保障国内油菜籽原料稳定供应。

长江流域旱涝急转演变特征及其社会经济暴露度

旱涝急转是指干旱和洪水之间的快速转变,对农业生产和人类安全造成巨大威胁。本研究基于月尺度的旱涝急转量级指数,分析了长江流域历史和未来四种旱涝急转事件,并通过滑窗法构建了旱涝急转量级的时变函数,揭示了未来旱涝急转风险变化。同时,结合共享社会经济路径量化了人口和经济受旱涝急转风险变化影响的程度。结果显示,历史时期长江流域中下游旱涝急转事件频发,旱–涝和涝–旱事件每10年发生10~12次,而旱–涝–旱和涝–旱–涝事件每10年发生3~4次。未来旱–涝–旱和涝–旱–涝事件预计大幅增加,其中长江上游部分地区增长了约7倍。对于历史基准期50年一遇的旱涝急转事件,未来发生概率将增加5~10倍,给长江流域的人口和经济带来重大影响。

长江-淮河流域短时暴雨洪涝灾害危险性预警评估及验证

洪涝灾害危险性预警分析是防灾减灾的重要基础,在灾害发生前进行预警,可以有效减轻灾害带来的影响。本文以2020年6—8月长江-淮河流域洪涝灾害为研究案例,首次利用前3天累计降水量(前期状态),当前时次土壤湿度(当前状态)和预测日降水量(未来状态)作为致灾因子,基于改进的层次分析法建立危险性预警分析模型。通过县域灾情信息验证表明,评估正确率达74.46%,遗漏率仅5.59%,评估结果与实际灾情吻合性好;同时对预警准确性和时相一致性进行评价,最大值(县内最高指数)的预警率达到81.6%;“特大型”暴雨洪涝灾害中的预警达到77.3%以上,且灾害在前3~5天危险性指数普遍提升,存在有效预警。本文方法对于长江—淮河流域短时暴雨洪涝灾害危险性预警有较好的准确性和可靠性,可提供防灾减灾决策依据。

淮河小流域多源降水数据产品径流模拟对比分析

为研究多源降水数据产品的地区适用性,对比不同产品的水文模拟效果,选取淮河上游紫罗山、中游黄泥庄两个流域,对比分析CHIRPS、CMORPH、ERA5、IMERG 4种产品模拟流域平均降水的误差特征,利用集总式FLEX模型对产品模拟结果进行比较,探讨了产品在淮河流域不同位置对径流模拟效果的影响。结果表明:①两个流域CHIRPS降水误差最大,CMORPH次之,ERA5和IMERG的精度较高,上游紫罗山流域多源数据集整体高估;②不同降水数据产品径流模拟性能不一,模拟效果与产品精度评估结果基本一致,总体ERA5和IMERG模拟径流与实测吻合较好;③总体而言,4种数据集有效反映了流域的空间水文特性,上游紫罗山流域径流模拟效果优于中游黄泥庄流域。

考虑协变量的随机森林降水融合算法在长江流域的应用

高质量、高时空分辨率的降水数据对水文、气象等领域的研究具有重要意义。目前遥感、再分析降水数据应用普遍,但存在分辨率低、精度不确定性大等问题。对此,提出了考虑协变量的随机森林降水融合算法,对CMA、CN05、ERA5、GLDAS、TRMM、IMERG、PERSIANN七套降水产品进行融合,并选取长江流域的三个典型子流域(金沙江、三峡区间、鄱阳湖)进行随机森林融合数据(RFF)的效果检验。结果显示,对于降水产品准确性,随机森林融合数据精度相较于原始降水产品有所提升。对于不同降水事件的准确性评估,随着降雨强度增加,各降水产品风险评分(TTS)评分均呈减小趋势,RFF的TTS评分优于原始降水产品。通过考虑协变量的随机森林模型对降水产品进行数据融合,可以提升降水数据的精度及不同降水事件发生的可靠性,为水文模拟等提供支持。

共享社会经济路径(SSPs)下未来30年长江流域夏季降水预估

本文利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中22个全球气候模式试验数据,通过MR评分(Comprehensive Rating Metrics)方法进行评估,择优选取了GFDL-CM4、EC-Earth3、MIROC6等10个模式,使用这些模式在SSP245和SSP585两种共享社会经济路径(SSPs)下的预估试验数据,对未来30年(2021~2050年)长江流域夏季降水,特别是极端降水事件的时空演变特征,进行了预估。结果显示,两种不同排放情景下,相对于1980~2010年的平均,流域总降水量(PRCPTOT)、降水强度(SDII)均呈现显著增加趋势,特别是在上游高原和中下游平原地区;降水频次(R1mm)上游减少,中下游增加,二者相抵导致了流域降水频次整体变化不明显;强降水量(R95p)增加约9.6%、16.5%(SSP245、SSP585),极端降水量(R99p)增加约10.2%、15.5%,最大5日降水量(RX5day)也为增长趋势;连续无降水日数(CDD)在整个流域呈现增多,特别是上游地区。两种排放情景相比较,高情景(SSP585)下的变化强度要比中低情景(SSP245)大。这些结果意味着,未来30年长江流域降水气候可能变得更为极端,不仅总降水量增加,暴雨、大暴雨易于出现,而且连续无雨日长度也增加,干旱变得更为频繁。特别地,中下游地区要警惕发生极端暴雨、极端洪涝的风险,而上游地区要警惕发生干旱、极端干旱的风险。

淮河流域1914—2013年气候干湿变化特征

利用淮河流域1914—2013年标准化降水蒸散指数(SPEI)研究流域的气候干湿变化、干旱的时空分布和周期特征,结果表明:流域的年际和年代际变化均呈湿润化趋势;四季中,除秋季外均通过了Mann-Kenddall趋势检验(0.05显著性水平),秋旱最易发生。干旱空间分布非常不均匀,不同程度的干旱频率有较大的地区差异,中旱频率高值区位于流域西北以及东北部,重旱频率由北向南递增,极旱频率在流域内较小,高值区域位于流域的东南角。流域均呈湿润化趋势,但西部、东部和北部边界一带湿润化趋势不明显。淮河流域存在35~65 a、17~30 a、3~7 a的三类尺度的干旱周期,以55 a为第一主周期。

长江流域降水集中突变特征及其遥相关因子分析

降水时域集中特征研究对流域抗旱防涝至关重要。基于长江流域1960~2020年气象站点降水数据计算降水集中度(PCD)与集中期(PCP)指数,采用滑动t检验、交叉小波变换与小波相干分析等方法,检测降水集中指数序列突变点,分析突变前后降水集中程度时空变化特征,并揭示降水集中指数对遥相关因子的响应。结果表明:①PCD与PCP突变节点约为1988年,突变前后PCD和PCP空间上皆大致呈由东南向西北递增的趋势,突变后流域年内降水分配趋向于均匀坦化且集中期提前。②PCD、PCP与太平洋年代际振荡(PDO)、北极涛动(AO)、厄尔尼诺(ENSO)、太阳黑子(SS)存在共振周期,其中PDO和ENSO与PCD和PCP共振相互作用更加显著,表明该遥相关因子可能是导致长江流域降水特征突变的重要因素之一。研究成果可为长江流域灾害防治、生态保护、水资源管理等工作提供技术支撑。

长江流域的气温和降水趋势对城乡景观发展的影响

基于气象数据,采用Theil-Sen方法和改良的Mann-Kendall非参数趋势检测法,对1952—2012年长江流域地区气温和降水的时空变化特征进行分析。改良后的方法将数据中所有显著的自相关结构纳入考虑范围,以此来消除水文时间序列的自相关影响。结果表明:长江流域整体增温趋势明显,年降水量减少趋势并不明显,而气温与降水的变化趋势均表现出显著的季节性和地域性特征。这一现象可以归因于长江流域广阔的地域、复杂的地形和天气条件相互作用,共同影响着气温和降水的变化模式。此外,地表植被和地表水资源对气温和降水的变化也有相应的响应特征,具体的响应模式值得进一步的阶段性和相关性分析。