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。

基于CMIP6的分权多模式集合对福建省的降水模拟评价

为探究分权多模式集合平均在降水模拟上的可行性,基于福建省72个台站观测数据与5个CMIP6全球气候模式的降水数据,联合优劣解距离法与秩和比法两种综合评价法,对5个CMIP6模式的不同统计指标进行综合评价,由此形成分权多模式集合平均(WMME),并与等权多模式集合平均(MME)进行比较。结果表明,在综合得分上,WMME的得分高于MME与其他5个模式,且各项统计指标均相对较好。在相对误差上,两者均对降水模拟偏低,且在秋冬两季的相对误差绝对值大于春夏两季,但WMME相较于MME有所改善。在对6种极端降水指数的模拟评价中,WMME对各项的泰勒技巧得分均优于MME,但所有模式对连续干旱天数的模拟均较差,对最大连续五日降水的模拟均较好。

深对流方案闭合条件变化对全球-区域一体化模式降水模拟的影响

针对全球-区域一体化模式(GRIST)在热带对流降水过多的问题,将Zhang-Mcfarlane(ZM)闭合假设中对流在固定时间内消耗全部对流有效位能(CAPE)改为消耗一定比例的对流有效位能,从而减少对流降水。选取对流消耗95%、90%、80%、75%CAPE进行敏感实验,分析闭合假设变化对降水、云及其辐射效应的影响。结果表明,降水对CAPE消耗比例最敏感。不完全消耗CAPE会减少热带降水,主要表现为减小了赤道东太平洋、亚马逊以及印度尼西亚降水正偏差,其中CAPE95和CAPE90的降水模拟结果与观测更为接近。相比于其他实验,CAPE90消除了秋季的双赤道辐合带,夏季的双赤道辐合带也有所缓解。对流消耗CAPE量减少时,热带太平洋弱降水发生的频率减小且强度增强。相比于降水,云及其辐射效应对对流消耗CAPE量无明显敏感性。

不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟

利用美国最新发展的新一代中尺度数值预报模式(WRF),研究了不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟问题,结果表明,在网格距适当小的情况下,同时采用积云对流参数化方案和云微物理方案(Kessler方案)时,其降水预报优于只使用积云对流参数化方案时的预报;在台风降水模拟的初期,Kain-Fritsch方案比Betts-Miller方案产生降水更快,更接近实况降水;在台风登陆后随时间的延长,对流降水重要性逐步下降,网格尺度降水逐渐增强。

98.7湖北特大暴雨的天气分析与降水模拟

1998年 7月 2 0～ 2 3日 ,湖北省南部发生了一次持续性特大暴雨过程 ,采用双向嵌套的非静力中尺度数值模式 (MM5)对这次强暴雨过程进行初步模拟试验。结果表明 ,粗、细网格均能较好地模拟出雨带的走向和变动以及武汉地区的暴雨中心 ,尤其是嵌套域 (细网格 )模拟的降水强度比粗网格有明显改进 ,和实际观测结果更接近 ;另外 ,对引发这次特大暴雨的对流层低层的中尺度系统也能够很好地模拟出来。

青藏高原一次对流降水模拟中边界层参数化和云微物理的影响研究

利用WRF模式模拟青藏高原那曲地区一次对流降水过程。将模拟结果与实测资料进行对比分析,以了解不同微物理和边界层参数化方案组合对降水过程的模拟差异。结果表明,WRF模式能够模拟此次对流降水的发生,但对降水中心位置的模拟存在一定偏差,因此模拟结果与站点实测资料存在一定的差异。将模拟结果与TRMM卫星降水资料进行对比发现,两者的对流发生时间较为吻合。另外,使用不同的初边界条件对本次对流过程的模拟也存在一定差异,总体来说,ERA-Interim资料为初边界场时模拟的降水分布与TRMM降水观测资料的较吻合。通过对不同微物理和边界层参数化方案模拟的水汽通量、水汽通量散度和垂直运动分析,模式对本次降水过程的模拟对边界层参数化方案的敏感性超过微物理参数化方案。

WRF模式云微物理过程对三峡库区降水模拟的影响

以三峡库区为研究区,针对库区发生的一次典型降水过程,对中尺度天气模式WRF在五种不同云微物理过程参数化方案下的三峡库区降水模拟进行分析,并运用同期降水资料评估不同云微物理方案对三峡库区降水的模拟效果,以优选数值天气模式中的云微物理方案。结果表明,WRF模式下不同云微物理方案模拟的降水差异较明显,WSM3类简单冰方案和Ferrier(new Eta)微物理方案在面平均降水量、降水分布等指标上能更好地反映实况,而WSM5类方案的模拟结果与实测值差异较大,选择合适的云微物理过程参数化方案对WRF模式能提供较好的降水模拟结果。

晋南丘陵旱地小麦不同降水模拟条件下土壤水分变化规律的研究

在万荣试区丘陵旱地麦田上,500mm降水可基本满足小麦前期、中期需水,后期表现缺水,是旱地小麦丰欠的临界值;400mm降水在拔节时水分已严重不足,从开花前后开始整个土层即处于凋萎值以下,维持生长主要靠中后期不参与土壤水分循环的间隙性少量降水.本试验600mm降水亩产近400千克,但该降水量仍不是继续高产的上限值,深厚黄土的良好蓄水保水特性与生产潜力尚待进一步开发.

基于TOPSIS的长江上游流域降水模拟与预报研究

为研究长江上游流域高精度的短期降水模拟和预报,优选适宜于流域的WRF模式参数化方案组合,构建了模式中不同微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,建立了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多个指标的定量综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案优选方法,并在长江上游流域选取了4场典型强降雨过程进行模拟分析。研究结果表明:在长江上游流域采用微物理过程WSM3方案、陆面过程Noah方案、积云参数KF方案条件下,WRF模拟降水与实测降水的空间分布和降水量级更为相符。

基于人工降水模拟的不同灌溉方式下土壤水分入渗

针对半干旱地区水资源以及灌溉方式问题,通过人工降水模拟结合正交试验的方法,对不同灌溉方式下土壤水分入渗进行研究,设置了漫灌、沟灌、膜下滴灌3种不同灌溉方式,田间持水率的50%、60%、70%3种不同土壤初始含水率,10、20、30 mm/h 3种不同降水强度进行正交试验。结果表明,降水强度对土壤含水率的变化速率影响最大,降水强度越大,土壤含水率的变化值越大,且不同时间影响程度不同;在同一降水强度下,随着土壤初始含水率的增加,土壤的入渗越慢;不同灌溉方式比较的结果表明,膜下滴灌的膜外入渗最快。研究结果为揭示灌水方式对土壤入渗的影响,为研究土壤水运移和地下水入渗补给提供了参考。

云微物理参数化方案对青藏高原一次对流云降水模拟的影响

利用WRF V3.9.1中尺度数值天气预报模式(mesoscale numerical weather forecast model,WRF)7种云微物理参数化方案,对2015年8月13日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程进行数值模拟,对比分析不同云微物理参数化方案对降水、环流以及相关物理量模拟的影响。结果表明:WRF模式能够较好地模拟本次对流云降水过程,但不同云微物理参数化方案对降水、环流场等物理量的模拟有明显影响。在降水落区方面,各方案模拟的雨区范围普遍偏大,仅Lin和CAMS方案较好地模拟出那曲中部的降水中心,而对于降水量,除WSM5、Morrison和New Thompson方案模拟值偏低外,其余方案模拟结果与实况值较为一致。此外,不同云微物理参数化方案模拟的降水日变化同样存在差异,大部分方案能够再现本次降水过程的前两次降水峰值,但均未能模拟出第3次降水峰值。对于大气环流和水热物理量场,各方案也可较好地再现其基本特征,但方案间的差异不可忽视。总体来说,Lin方案对本次高原对流云降水过程降水以及环流等相关物理量的模拟效果最佳。

降水模拟下施肥对生土地玉米冠-根-土系统的影响

影响黄土高原地区生土熟化的主要限制因素是干旱和土壤贫瘠。为探索施肥和降水配合对生土地玉米冠-根-土的相互影响机制,确定不同降水模拟下施何种肥料能有效促进生土地作物冠-根-土系统建成,达到生土地熟化的目的,在前期研究(生土地玉米最佳施肥深度60~80 cm)的基础上,连续2 a将黄土作为试验土壤,采用根管法,研究肥料种类(NPK+有机肥(ORG))和降水模拟(欠水年275.9 mm、平水年482.8 mm、丰水年763.9 mm)对玉米地上部生产力(秆质量、总粒质量)、地下部根质量、根系氮磷钾养分积累量、根际土壤营养含量(速效磷、碱解氮、有机质)及根际土壤酶活性(脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶)的影响。结果表明,在水分充盈的条件下,有机肥的施用对地上部干物质的积累有促进作用;通过有机肥的施用可以达到根干质量增加的目的,但对应的水分需求不大;水分需求达不到满足时,通过NPK+ORG处理可以实现玉米根系N、P、K养分积累量的提高;水分充盈的条件下,ORG处理的玉米根系NPK养分积累量远远高于NPK+ORG处理;水分充盈的条件下,ORG处理可以提高玉米根际有机质含量和蔗糖酶活性。改良生土的最佳水肥方式为丰水年模拟下施用有机肥,欠水年模拟下以施用NPK肥+有机肥更好。

适用于金沙江流域降水模拟的WRF模式参数化方案研究

为确定适宜于金沙江流域降水模拟及预报的WRF模式参数化方案组合,针对流域四场典型降水过程,通过构造WRF模式中不同微物理过程、边界层和积云对流参数化方案组合,对WRF模式在金沙江流域的降水模拟进行了试验研究。基于TS评分和降水空间分布的比较,研究结果表明,优选参数化方案组合的WRF模式适用于金沙江流域降水模拟及预报,且微物理过程和边界层方案的选择对降水模拟影响较大,两者之间的适宜组合能达到较好的模拟效果,而积云对流参数化方案的影响相对较小。当微物理过程、边界层、积云对流参数化方案采用WRF Single-Moment 3-class、YSU、Kain-Fritsch（new Eta）组合或Ferrier（new Eta）、Mellor-Yamada-Janjic（Eta）TKE、Kain-Fritsch（new Eta）组合,WRF模式模拟降水与实测降水的量级及空间分布更为相符。

雷达估测降水模拟史灌河流域径流

运用雷达联合少量雨量计方法估测流域面雨量 ,结合GAME HUBEX国际合作项目 1998年加强观测期在史灌河流域获取的水文观测资料和TOPMODEL进行降水径流模拟 ,并与稠密雨量计站网测量的面雨量进行流域出口流量模拟的对比试验。在 15 0 0小时时间序列的比较试验表明 ,雷达估测面雨量和雨量计测量的面雨量都能较好地模拟每小时流域出口蒋集的出流量 ,数值试验还表明 ,雷达估测面雨量在某一时段上的均值误差作为一个指标可以较好地反映其应用于降水径流模拟时的精度 ;总雨量和强降水的估测精度是雷达估测面雨量能否用于径流模拟的关键。

基于WGEN天气发生器的石羊河流域降水模拟

为实现石羊河流域降水的模拟,通过改进WGEN天气发生器模型算法,选择民勤、永昌、武威、门源、乌鞘岭、景泰、靖远和西宁等8个站点,利用各站点1968~1997年雨季逐日降水资料进行了降水模拟参数估计,并在此基础上采用KS检验及绘制Q-Q图对模型在石羊河流域的适用性进行评价,发现除尾部拟合不理想外,GAMMA分布能较好地拟合石羊河流域的降水状况;利用各站点1998~2017年雨季逐日降水资料实测值与模拟值,选取月平均降水日数、日平均降水量、雨日平均降水量和月最大降水量作为评价要素,分别计算4个评价要素中模拟值与实测值的均方根误差、平均绝对百分误差和相关指数,以此来评价降水模拟效果。结果表明,该模型能较好地模拟石羊河流域除极端降水情况以外的其他降水状况。

WRF模式不同参数化方案对石羊河流域降水模拟的影响

为深入研究石羊河流域降水过程,选择适用于该地区的最优参数化方案组合,利用WRF3.9对石羊河流域一次降水过程进行模拟,并基于均方根误差、平均绝对误差、相关系数及降水空间分布对比分析了不同微物理、陆面过程、积云对流、行星边界层方案组合对降水模拟的影响。结果表明,不同物理过程对降水的影响各异,以微物理、陆面过程、积云对流过程最为显著,行星边界层方案的影响相对较小,但不可或缺,MRF边界层方案模拟效果较好。其中微物理、陆面过程、行星边界层、积云对流参数化方案组合为(WSM5、Noah、MRF、Grell-Devenyi)时能为石羊河流域降水模拟提供较优结果。

次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一,为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用,改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果,本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案。在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向,这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系,对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用p-σ区域气候模式进行了三个数值试验,检验该方案对模式模拟降水能力的影响。结果表明,次网格地形动力效应参数化方案的引入,对中国区域的降水模拟有明显改进,尤其对冬、春季的降水模拟,无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近。

WRF三维变分同化在石羊河流域降水模拟中的应用

为探究石羊河流域降水特性对流域生态环境治理、水资源高效管理及利用的影响,采用NCEP ADP地面观测数据集,基于WRF3.9模式及其三维变分同化系统对石羊河流域两场降水过程进行不同嵌套区域的单次资料同化试验,并以研究区内65个站点逐日降水实测数据进行验证。结果表明,同化NCEP ADP资料对短时降水预报有明显改善作用,可提高降水模拟精度,但同化不同的嵌套区域对降水模拟结果有很大影响,其中同化第3层嵌套区域对降水的模拟效果最好;在此基础上对两场降水进行循环同化试验,其结果优于单次同化,24h累积降水空间分布更接近实况。

基于统计降尺度的渭河流域降水模拟

随着全球气候不断变暖,居民用水和工业用水需求的不断加大,现目前我国面临水资源短缺和干旱导致的自然灾害。文章以历年来渭河流域的气象水文条件为研究背景,基于统计降尺度的方法,建立降尺度模型,结合多年来的降水观测统计资料,对渭河流域未来的干旱状况进行预测分析。

不同尺度地形对内蒙古夏季月降水模拟的影响分析

地形对降水具有尺度效应,宏观和微观地形对降水的影响差异很大。不同地形的降水分布有很强的局地性,时空分布十分明显。在宏观上,降水具有一定的规律性,但在微观上受到的影响较多。我国地域辽阔,地形复杂多样,气候类型丰富多样,降水的观测和模拟是一个相对困难的问题。以内蒙古地区为研究对象,采用重采样等方式分离地形,构建多级地形。基于站点数据讨论不同精细程度的地形因子对降水的影响,以TRMM卫星观测点为宏观项,地形因子为地形项,讨论多级地形对降水的影响。结果表明:最适合构建多级地形,降水在1000mm,高海拔站点降水受海拔影响较小,中尺度地形迎风坡降水差异明显。