多种降水再分析数据在长江流域的适用性对比

为评估CMFD、MSWEP和ERA5这3种降水再分析数据在长江流域的适用性,基于长江流域1979~2016年226个地面气象站点逐日降水资料,运用定量评价指标和分类统计指标对3种降水再分析数据精度进行多尺度评估。结果表明:3种降水再分析数据中,ERA5在长江流域整体上呈现出高估现象;CMFD无论是对于日尺度、月尺度还是年尺度精度评估,都能较好地反映实际降水变化;对于不同量级降水探测能力方面,3种降水再分析数据总体上表现为CMFD>ERA5>MSWEP;CMFD以及MSWEP在汛期的表现要优于非汛期;ERA5虽高估各月降水,但其年内降水分布趋势与地面站点降水一致。总体而言,CMFD在长江流域的适用性要高于MSWEP以及ERA5。研究成果可为长江流域降水及水文模拟等相关研究选择可靠的降水再分析产品提供依据。

祁连山区再分析降水数据的适用性分析

利用2019-2020年祁连山区241个观测站的小时降水量数据,对MERRA2降水量数据在祁连山区的适用性进行评估.结果表明,研究区MERRA2降水量数据与观测降水量数据的平均偏差为-1.50~0.62 mm,依据MERRA2数据分析的降水量变化基本反映了祁连山区降水量的分布和变化特征.研究区内北坡地区MERRA2降水量的日均值为9.2 mm,平均偏差-0.65 mm,均方根误差0.50 mm;山脊地区MERRA2降水量的日均值为13.8 mm,平均偏差-0.80 mm,均方根误差0.63 mm;南坡地区MERRA2降水量的日均值为10.6 mm,平均偏差-0.61 mm,均方根误差0.37 mm.MERRA2降水量数据在整个祁连山区的平均偏差为-0.69 mm,相对观测值表现出低估,随着观测站点海拔的升高,MERRA2降水量数据的模拟和同化精度也随之下降.

降水资料匮乏地区不同再分析数据降尺度效果的评价

匮乏的降水基础资料不利于分析研究天山西部区域,因此研究外源降水资料的适用性、校验及降尺度,可更好地服务于水资源的高效利用、提高洪水预报的精度及极端水文事件的应对能力等。基于现有的26个实测站点1979~2005年的日降水量数据、同期NCEP/NCAR、ERA-interim、CFSR和CanESM2数据,借助极限学习机法研究了资料匮乏地区降水降尺度及修正方法。结果表明,基于四种不同数据集所建立的统计降尺度模型基本上能够模拟各站点的降水时空分布情况;综合对比四种数据集,ERA数据模拟降水的效果最佳,但不同站点最佳的外源降水存在一定的差异;相较于比例缩放法,分位数映射法修正降水误差更能充分考虑降水的变异性,能有效地提高降水模拟精度。

4种再分析月降水数据在内蒙古地区的适用性分析

利用1981—2020年气象台站的实测降水数据,对CRA40、ERA5、JRA55和MERRA2这4种再分析月降水数据在内蒙古地区的降水分布特征,与实测降水的相关性和误差进行分析。结果表明:(1)内蒙古地区4种再分析降水数据的空间分布与台站降水基本一致,误差分析表明CRA40与MERRA2的数据质量较高,ERA5次之,而JRA55数据质量相对较差。(2)CRA40和MERRA2在1983—1986年存在明显的降水低估,ERA5在2005年之后的内蒙古中东部出现明显的降水低估,JRA55在115°E以东存在明显降水高估,在115°E以西则以降水低估为主。(3)4种再分析月降水数据的年内最大均方根误差和绝对误差均集中在6—8月,与台站降水相关系数的年内最小值均出现在7月,内蒙古夏季汛期是再分析降水误差产生的主要时段。

基于多种降水数据产品的黄河源区径流模拟研究

黄河源区位于青藏高原的东北部,该流域气象站点分布稀疏,水文过程研究存在很大的局限性,研究多种降水数据产品在流域的适用性对水文模型研究具有重要的推动作用。本文以黄河源区作为研究区域,基于中国气象同化驱动数据集(China Meteorological Assimilation Datasets for SWAT model Version1.1,CMADS V1.1)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measurement Mission,TRMM)降水数据集(3B42 Version7)和气象站观测降水数据分别驱动土壤水文评估工具分布式水文模型(Soil and Water Assessment Tool,SWAT),同时利用SWAT-CUP(SWAT Calibration and Uncertainty Program)和SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting2)算法对27个敏感性参数进行率定,模拟黄河源区多年月平均径流量的变化规律,并将模拟结果与观测值进行对比分析,评估了CMADS和TRMM 3B42降水数据产品在该流域的精度以及SWAT模型在黄河源区的适用性。结果表明:(1)由3种降水数据获得的降水空间分布为由西向东递增的趋势,TRMM 3B42与实测降水在年和月变化上一致性好于CMADS数据集。(2)参数敏感性分析结果表明:SCS(Soil Conservation Service)径流曲线数、地下水滞后系数、土壤蒸发补偿系数对径流模拟的敏感性程度较强。(3)利用CMADS和TRMM 3B42降水数据集模拟的径流结果均优于实测降水数据,流域内3个水文站在率定期的相关系数R分别是0.93,0.92和0.88;TRMM 3B42模拟结果次之,率定期和验证期的相关系数R均在0.80以上,纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)在0.50以上。本研究证明了CMADS数据集和SWAT模型在地貌类型复杂、气候变化敏感的高海拔地区的径流模拟方面具有较好的适用性,为气象站点稀缺的地区提供了建立水文模型的替换方案。

基于ERA5数据的山东地区大气可降水量时空变化特征分析

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的山东地区的大气可降水量(PWV)数据,利用线性拟合、时间序列分析方法和经验正交函数分解等方法,分析了2008—2021年山东地区PWV的时空变化以及变化特征。结果表明:就空间分布而言,山东地区年平均大气可降水量呈现由南到北递减的趋势,南部边界大气可降水量最高;就时间分布而言,2008—2021年,山东地区大气可降水量呈现缓慢增加的趋势;就季节分布而言,夏季大气可降水量为全年最高,其次是春季和秋季,冬季最少;利用经验正交函数分解发现大气可降水量的收敛性较强。

新疆1979—2013年降水量时空变化特征和趋势分析

新疆地区生态环境脆弱且对气候变化敏感,在全球气候变化背景下,新疆生态环境及水资源可持续发展方面均面临巨大的挑战。以新疆降水为重点研究对象,应用欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)的全球再分析气象数据(ECMWF Re-Analysis-Interim)探究新疆的降水变化规律。研究结果表明:新疆地区南北疆、山地、平原、盆地、荒漠和沙漠不同地域的气候差异极为显著,北疆的降水量多于南疆,西部的降水量多于东部。其中,西部伊犁地区降水量达东部哈密地区的近6倍;此外,山区降水量远多于盆地,天山山区的年降水量约235.65 mm。通过分析1979—2013年降水量数据时间序列和月、季度、年各气候区划的降水量均值和变化趋势发现,新疆不同气候区划的降水量差异显著。其中,天山北坡气候区降水充沛,多年平均降水量达278.52 mm,为新疆降水量最多的气候区,阿尔泰山气候区次之,多年平均降水量达221.91 mm,北疆准噶尔盆地气候区的年降水量为181.87 mm,而南疆塔里木盆地气候区的多年平均降水量仅为66.03 mm。本研究总体认为:新疆降水量时空分布呈现北疆多、南疆少,山地多、平原少,夏季多、冬季少的时空分布特征。研究结果将为新疆水资源对气候变化的响应研究起到重要的推动作用。

基于集合卡尔曼滤波法的清江流域多源融合降水分析

高质量的水文气象观测数据是开展气象和水文灾害监测、预报预警及长期气候变化趋势分析的基本支撑。针对流域尺度内现有融合降水数据空间分辨率低的问题,通过集合卡尔曼滤波(EnKF)融合算法对清江流域33个地面站点和TRMM及CMORPH两种卫星产品的降水数据在日尺度上进行融合,得到了0.05°×0.05°的清江流域融合降水数据MSAP。利用留一交叉验证的方式对卫星降水、地面插值和MSAP融合降水数据进行定量分析,证明EnKF融合算法能从相关性系数R、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE 3个方面改善清江流域降水的精度,并且融合算法改善了卫星数据和地面数据在流域边界部分区域精度低的缺点,展现了EnKF融合算法在降水数据融合中的应用潜力。进一步地,将MSAP与CMFD、ERA5和MSWEP等3种主流再分析数据进行对比,并对1998年汛期清江流域与长江干流四次洪峰遭遇中最大的两次遭遇所对应的场次强降水进行了空间分析。结果表明,在时间尺度上,MSAP数据具有最高的R和最小的MAE及RMSE;在误差的空间分布上,MSAP数据在各站点精度评价指标的空间差异最小,四种再分析数据精度由高到低排序为MSAP>CMFD>MSWEP>ERA5;在历时5日和历时2日的场次强降水过程中,CMFD、MSWEP和MSAP均能在一定程度上反映出暴雨中心,在空间分布和降水量级上,MSAP和CMFD基本保持一致。

ERA-5降水数据在雨量站稀疏地区的适用性研究--以缅甸密支那流域为例

为探究降水产品在雨量站稀疏地区的适用性,选择位于缅甸的密支那流域作为研究流域,以雨量站数据作为参考数据,评估了ERA-5再分析降水数据的精度;并使用ERA-5数据率定和驱动CREST模型,探究了该数据应用于径流模拟的可行性。结果表明:在整个研究区域内,ERA-5数据和雨量站数据之间的相关程度高,差距较小;而在径流模拟方面,ERA-5数据可以较好地模拟中低水位的日径流过程,对于高水位流量则存在着一定的低估,但不同观测时段的NSCE系数均在0.7以上,总体而言精度仍较高;对于月径流量,该数据在不同观测时段的NSCE系数均大于0.85,相关系数均在0.9以上,能够较好地描述径流的年内变化特征。因此,ERA-5降水数据在一定程度上可以代替雨量站数据作为研究区域的降水数据来源,应用于流域水资源管理、水利工程设计等领域。

WRF-Hydro模式结合不同降水产品模拟清江流域径流的效果分析

以2016—2017年清江流域2次大径流事件和3次小径流事件为研究对象,首先,分析了CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源融合降水产品(CMPAS)、中国全球大气再分析产品(CRA)和雨量站降雨资料(Gauge)3种产品的降水时空分布特征;然后,基于径流事件实况与不同降水产品的特点,设计了两种径流模拟试验方案,对3种产品的降水数据输入WRF-Hydro模式的径流模拟结果进行分析。最后,结合降水时空分布差异,探讨3种降水产品在径流模拟中的应用效果。结果表明:(1)5次径流事件中,3种降水产品探测的降雨中心、雨带位置和走向大致相同,流域内面雨量随时间变化趋势较为一致。(2)两种试验方案下,3种降水产品均能模拟出各次径流事件。对大径流事件,CMPAS的模拟效果最优,相关系数均在0.76以上、纳什效率系数均在0.63以上;对小径流事件,Gauge的模拟效果最优,相关系数均在0.75以上,纳什效率系数均在0.48以上;CRA无论对大、小径流事件,其模拟效果相对都较差,但参数经重新率定后,其模拟效果明显改善。(3)3种降水产品经重新率定参数后(方案2),其在峰现、涨水、退水各时段的径流模拟效果改善不同。对小径流事件,相对涨水和退水时段,各产品在峰现时段的模拟效果改善较为明显,而对大径流事件,3种降水产品在各时段的模拟效果均无明显改善。

流域尺度全球降水数据产品的相互比较

鉴于国家、大陆和全球尺度降水数据集之间的差异性方面的研究较多而很少考虑河流流域尺度上数据集的可靠性,采用最大/最小差异百分比法和TFPM-MK趋势分析法研究评估了12种广泛应用的降水数据集在全球6292个流域中降水估计和变化趋势等方面之间的差异。结果表明,降水数据集之间存在较大差异,数据集之间的年平均降水量差异超过500 mm/a的流域共有2469个,占地面积达4419.6×10^(4)km^(2),主要分布在格陵兰岛、非洲、大洋洲和西亚。现有数据产品不能对所有流域的降水趋势达成一致,难以为确保流域内的水利发电、生活供水、防洪和抗旱等方面有效政策的制定和实施提供合理的科学依据。

GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析

为了进一步研究利用全球卫星导航系统(GNSS)大气可降水量(PWV)分析不同气候类型特征,进行GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析:选取中国中东部地区2016—2021年部分连续运行参考站(CORS)数据,提出将全球气压和温度(GPT(GPT3_1、GPT3_5))模型、欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5)模型3种大气模型分别与GNSS解算的对流层总延迟(ZTD)数据融合获取的PWV值进行对比分析,得出中国3种典型季风气候类型GNSS PWV最优大气模型;然后提出利用奇异谱分析(SSA)法分解重构出GNSS PWV时间序列,从而基于GNSS PWV分析不同季风气候类型特征。结果表明,中国3种典型季风气候类型条件下ERA5模型精度较优,选择ERA5模型为最优大气模型,重构后的GNSS PWV变化趋势能够很好地反映出3种典型季风气候类型的特征;因此GNSS PWV可应用于气候特征分析。

CFSR、ERA-Interim和MERRA降水资料在中亚地区的适用性

利用中亚1979—2011年间162个观测站点月降水数据（OBS），以平均偏差（MBE）、相关系数（R）、平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）对CFSR、ERA—Interim和MERRA气象再分析降水数据在中亚地区的适用性进行评估。结果表明：（1）3套数据的模拟效果存在明显差异。其中MERRA的模拟精度最高（R=0．71），ERA—Interim次之（R=0．53），CFSR最低（R=0．50）；体现出3套数据不同的同化方案和数据源导致模拟效果的不同；（2）降水的年内变化上，3套再分析数据之间具有较好的一致性，但对OBS均表现出高估，并且对强降水月份（3，4月）高估幅度最大；（3）3套数据对海拔500～1000m地区的降水模拟精度最好，超过1000m后，随海拔升高模拟精度下降。以上规律可为3套数据的订正及其在中亚地区气候变化研究中的应用提供科学依据。

基于贝叶斯模式平均方法融合多源数据的水文模拟研究

可靠的长系列气象数据是开展流域水文模拟、水旱灾害防治和水资源综合管理的基本依据,但是我国气象站网布设不均、地面观测资料系列相对较短,难以满足工程应用需要。本文融合有限的地面气象观测数据,长系列高精度MSWEP-V2卫星集成降水数据集和欧洲中期天气预报中心的ERA5气温数据,首先通过基于分位数映射的日偏差校正(DBC)、基于月尺度的回归校正(LRBC)和等率校正(RBC)等3种方法,对遥测栅格降水和再分析气温日系列进行偏差校正,再采用季节性贝叶斯模式平均(BMA)方法描述各偏差校正系列的后验分布优选相应权重,从而得到融合多种偏差校正模式的长系列日降水、气温过程。以巢湖流域为例,采用174个自动气象站2015—2019年的观测数据和7个国家基本气象台站1979—2019年的长系列资料检验校正效果,并在2个子流域分别驱动新安江、GR4J和HMETS水文模型验证水文模拟的适用性。结果表明:BMA方法能够综合考虑各偏差校正方法的优势,校正后的日降水和气温数据偏差较小,与实测系列的相关性系数接近0.8;水文模型率定期及检验期的KGE系数超过0.67,校正后的气象数据满足水文模拟要求。

不同再分析降水数据在洞庭湖流域的精度评估

收集了4种不同数据来源的再分析降水数据:欧洲中期天气预报中心大气再分析数据(ERA-intreim)、英国East Anglia大学气候研究中心数据(CRU TS3.21)、全球降水气候学项目数据(GPCP V2.2)、TRMM多卫星降水产品——TRMM 3B43(V7)和中国气象科学数据共享服务网提供的降水实测数据(CMD),用均值、偏差和偏差百分比及标准差等统计指标对再分析降水数据在洞庭湖流域的模拟精度进行评估。结果表明:(1)4种再分析数据年、季节降水量的年际变化与CMD总体相似,其中秋冬季节与CMD的一致性好于春夏季节。(2)ERA-interim数据对年均降水量的高估比例为20%以上,对季节平均降水量的高估比例为10.13%~33.65%,年、季降水量偏差百分比变化的年际变化较大;标准差的年内变化范围为12.40%~70.13%,数据集的离散程度最大。GPCP和CRU两种数据的年季降水量偏差在-6.19%~5.71%之间变化,均值与CMD数据最为接近;CRU数据年季降水量偏差百分比的年际变化和标准差的年内变化均较GPCP的大。TRMM数据对年季降水量的高估比例为3.67%~6.52%,降水量偏差百分比的年际变化稳定;标准差的年内变化范围为4.58%~14.03%,数据集的离散程度最小。(3)ERA-interim、CRU、GPCP和TRMM数据年降水量的偏差范围分别为1 000.21^-649.51、333.89^-643.82、292.55^-686.85、256.20^-561.27mm。再分析降水数据对降水的低估区域均出现在以南岳站为中心的衡阳盆地,而高估区域分布则有明显差异:ERA-interim的高估极值出现在地势较高的西部,CRU和GPCP的高估极值出现在南部山地,TRMM无明显高估区域。ERA-interim数据离散程度的空间分异明显,CRU和GPCP居中,TRMM分异较不明显。所有再分析数据在西部和南部山地区域的离散程度最大。

多源再分析降水数据在拉萨河流域应用对比研究

针对资料稀缺地区水文模拟计算难题,开展多源再分析降水数据在拉萨河流域应用对比研究,本文基于HIMS系统构建了拉萨河流域分布式水文模型,以气象站实测数据为参照,对比分析了中国区域地面降水格点日值数据集和中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集两套遥感再分析数据集的气象数据在拉萨河流域的径流模拟效果。结果表明:在日和月时间尺度上,气象站实测降水数据的径流模拟精度最好,驱动集降水数据径流模拟结果要好于网格点降水数据。总体上,基于气象站实测降水数据的径流模拟纳西效率系数为0.86(日过程)和0.93(月过程),相关系数均在0.9以上。基于两类再分析数据的降水径流模拟纳西效率系数均在0.7(日过程)和0.8(月过程)以上,相关系数均在0.9左右。对于资料稀缺地区,多源再分析降水数据是重要的可用数据来源。借助于降水—径流模型,探讨多源再分析降水数据对径流模拟精度的影响,是完善多源再分析降水数据产品质量的一个重要环节。

基于不同降水产品的WRF-Hydro模式径流模拟——以漳河流域为例

以漳河流域为研究区域,以CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料为WRF-Hydro模式的输入,进行径流模拟,对比分析模拟径流与实测径流的差异,探讨基于两种降水数据的WRF-Hydro模式在漳河流域的径流模拟效果。结果表明:三源降水融合数据的径流模拟效果较优,纳什系数均达到0.7以上,模拟径流与实测径流过程吻合较好;采用三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料率定WRF-Hydro模式,以ERA5再分析降水资料为输入,径流模拟结果都不佳;总体而言,三源降水融合数据与WRF-Hydro模式耦合能够较好地模拟漳河流域径流过程。

SWAT模型在大尺度流域径流模拟影响因素分析——以巴拉那河上游流域为例

为了探讨SWAT模型在大尺度流域水文分析模拟的效果,以巴西巴拉那河上游流域为研究区,利用构建的流域大尺度SWAT模型,定量分析美国国家环境预报中心再分析数据(CFSR)降水再分析数据质量、子流域划分数量及模型参数对径流模拟结果的影响。结果表明,CFSR再分析数据对流域降水的空间分布估计偏差较大,导致径流模拟误差较大,模型参数经1次迭代后,确定系数(R^(2))值均小于0.2。随着子流域划分数量的增加,实测站点降水数据可以更准确地估计子流域面雨量,进而提高径流模拟拟合度。在子流域划分数量分别为66、781和4111的情况下,比较模型参数经过1次迭代后的径流模拟效果发现,子流域个数为781个时,R^(2)值相对于两种情况有明显提高。在涉及SWAT模型径流模拟的20个参数中,土壤蒸发补偿系数(ESCO)和SCS径流曲线数(CN2)是最敏感的两个参数。由分析可知,SWAT模型可以在大尺度流域径流模拟中应用,研究结果可以为大尺度流域水文模型的构建与应用提供参考。

不同降水产品在滦河流域径流模拟中的适用性

卫星降水产品和多源再分析数据对于水文模拟具有重要意义。本文基于地面实测降水数据,对全球降水观测计划多卫星降水产品(GPM IMERG)和中国区域地面气象要素驱动数据集(CMFD)再分析降水数据进行定量多尺度时空精度评估,并利用SWAT模型进行月尺度径流模拟,对比分析两种降水产品的水文效用。结果表明:在多时间尺度上,IMERG和CMFD数据与地面实测降水具有较高的相关性,二者分别呈现出对降水约3.7%和2.6%的高估;空间上,二者能够较好地描述降水的整体变化趋势。在弱降水的探测准确度上二者均需进一步提升。两种降水产品整体适用于滦河流域径流模拟,其中IMERG数据有效提高了雨量站稀疏流域的径流模拟精度,在水文模拟中具有良好的应用潜力。

华北平原正向“暖干化”演变

降水(P)、气温(T)、土壤含水量(SWC)和土壤温度(ST)是影响农业生态系统的重要因素,准确刻画其时空变化特征是认识和理解水热交互作用、制定区域农业可持续发展策略的基础。然而,相关研究却严重受限于原位观测站点稀少、监测数据时序短等问题。为了更好地表征这些因素的时空变化特征及相互关系,研究基于ERA5-Land再分析数据,采用Sen斜率、Mann-Kendall检验法对华北平原1953—2022年P、T、SWC和ST的变化趋势、突变时间及时空格局进行制图与分析;进而用Spearman相关系数探讨了这些因素之间的关系。结果表明:近70年来,华北平原年降水总量在509.80—1393.05 mm之间波动,降水变化率为-38.31 mm/10a,突变年份在1988年前后;夏季降水减少速率最快。年均气温在12.11—15.35℃之间波动,气温变化率为0.27℃/10a,突变年份在1996年左右;冬季气温升高速率最快。P和T均呈南高北低的分布特征,华北平原西南部降水减少速率较快而升温速率较慢,西北部则表现相反。SWC均呈减少趋势,100—289 cm层含水量变率最大且随时间减少的幅度逐渐增大;四个土层SWC季节变化幅度不同。ST均呈升高趋势且升温速度随时间变快,0—7 cm层升温速率最快。土壤升温幅度春季最大,秋季最小。SWC减少幅度随深度增加而增大,ST升高幅度随深度增加而减小,土壤深度对SWC和ST的影响相反,且SWC突变时间比ST突变时间早近20年。ST和SWC呈南高北低的分布格局,且西北部变率大,东南部变率小。T与P、ST与SWC之间的变化趋势相反,P和SWC、T和ST之间的变化趋势相同,SWC与T和P、ST与T和P的相关性随土壤深度而减小。综上,华北平原水热条件向“暖干化”演变。研究可增进对华北平原水热变化过程的认识,进而为该地农业可持续发展政策制定提供科学依据。