Using a Hidden Markov Model to Analyze the Flood-Season Rainfall Pattern and Its Temporal Variation over East China

The homogeneous hidden Markov model(HMM), a statistical pattern recognition method, is introduced in this paper. Based on the HMM, a 53-yr record of daily precipitation during the flood season(April-September) at 389 stations in East China during 1961-2013 is classified into six patterns: the South China(SC) pattern, the southern Yangtze River(SY) pattern, the Yangtze-Huai River(YH) pattern, the North China(NC) pattern, the overall wetter(OW) pattern, and the overall drier(OD) pattern. Features of the transition probability matrix of the first four patterns reveal that 1) the NC pattern is the most persistent, followed by the YH, and the SY is the least one; and 2) there exists a SY-SC-SY-YH-NC propagation process for the rain belt over East China during the flood season. The intraseasonal variability in the occurrence frequency of each pattern determines its start and end time. Furthermore,analysis of interdecadal variability in the occurrence frequency of each pattern in recent six decades has identified three obvious interdecadal variations for the SC, YH, and NC patterns in the mid-late 1970 s, the early 1990 s, and the late 1990 s. After 2000, the patterns concentrated in the southern region play a dominant role, and thus there maintains a "flooding in the south and drought in the north" rainfall distribution in eastern China. In summary, the HMM provides a unique approach for us to obtain both spatial distribution and temporal variation features of flood-season rainfall.

近50年滇池流域汛期降水时空演变特征分析

以滇池流域1970—2020年汛期(5—10月)降水量资料为依据,利用地理信息技术,采用Mann-Kendall检验法、小波分析等方法,分析近50年来滇池流域汛期降水年际变化的趋势性、周期性以及集中度、集中期、降水中心和旱涝发生频率等演变特征。结果表明:(1)近50年来,滇池流域汛期降水总体呈减少趋势,中部地区降水呈增加趋势,盘龙江上游的松华坝水库以上区域及南部地区降水呈减少趋势;(2)汛期降水年际变化存在31 a的主周期,中部主城区降水集中度高于南部地区;(3)汛期降水的中心整体呈现向东部、南部方向偏移的态势,且移动趋势显著;(4)滇池流域旱涝频发,尤其盘龙江中段昆明主城区为旱涝多发区。该成果对滇池流域水旱灾害防御及水资源管理具有参考意义。

鄂尔多斯盆地二叠系盒8段河流扇沉积模式及勘探意义

根据野外露头及岩心的分析化验资料,在源-汇系统分析的基础上,对鄂尔多斯盆地二叠系盒8段的古气候环境及沉积相特征进行了详细研究。研究结果表明:(1)鄂尔多斯盆地二叠系盒8段Sr/Cu的值多大于10,V/Cr值多小于2.0,地层厚度差小于30 m,未出现明显的突变,古沉积坡度为0.5°~1.0°,古地貌开阔平缓且无明显坡折带,沉积水体较浅,是在古气候干旱、古地形平缓的背景下,受阶段性洪水作用主导的事件沉积。(2)盒8段沉积期,盆地不存在大面积汇水区,沉积体系中河流并未进入湖泊水体,而是向东南流出盆地或是消失在内陆干旱地区,全盆地以洪泛平原沉积为主,表现为河道与泛滥平原交互分布的沉积格局,形成了河流扇沉积模式。(3)湖水进退往复,洪水期与枯水期间歇发育,洪水期多期次决口河道接力搬运使得粗粒级砂岩向湖盆长距离延伸,枯水期发育厚层泥质沉积可作为区域性盖层,形成了良好的储盖组合,勘探潜力大。

龙羊峡水库后汛期入库径流特征及可蓄水量分析

以1956—2022年唐乃亥水文站实测水文数据为基础,采用数理统计方法,重点分析黄河源区后汛期径流特征,并结合龙羊峡水库满负荷发电流量,对龙羊峡水库在后汛期可蓄水量进行不同情景的分析讨论。研究表明:1)唐乃亥水文站后汛期径流量年际变化较大,丰枯不均,以正常偏枯为主,多年平均后汛期径流量占汛期径流量的29.1%;2)唐乃亥水文站后汛期日平均流量在1000 m^(3)/s以上的径流量平均为8.96亿m^(3),年际变化极大,以1000 m^(3)/s发电流量运用,龙羊峡水库蓄至正常蓄水位的保证率仅为10%,多数年份汛期结束后水位无法达到正常蓄水位2600 m。建议根据后期来水,适时调整进入后汛期的时机,优化和调整龙羊峡水库年度调度方案,为高效合理利用黄河源区后汛期水资源奠定基础。

堤防光纤感知系统建立与汛期应急监控

汛期堤防安全关系到人民的生命和财产安危与社会稳定,而不断提高汛期堤防应急监控水平是减轻洪涝灾害的必然途径。本文对现有堤防的相关监测技术进行了评述,在此基础上,结合作者20余年在地质与岩土工程光纤监测理论研究、技术研发和堤防监控应用实践,梳理了汛期堤防的应急光纤监控内容;介绍了基于3Ds的分布式光纤感测技术的堤防监控原理与最新进展;构建了汛期堤防应急光纤感知系统;重点介绍了汛期堤防水位、渗流、侵蚀和形变等分布式光纤监控技术,并指出了今后的研发方向和目标,以期为我国的汛期堤防应急防控提供一个新的监控思路与技术手段。

氮磷钾配施对茉莉花产量及花汛期的影响

为了探寻氮磷钾配施最佳方案,为茉莉花科学施肥提供参考,选择立地条件具有区域代表性的地块为试验地,以试验地原有种植的树龄15年的广西壮族自治区横州市主栽品种横州市双瓣茉莉为供试材料,采用“3414”试验设计开展施肥效应试验,研究氮磷钾配施对横州市茉莉花产量及花汛的影响,以明晰横州市茉莉花种植区域环境条件下鲜花产量对氮磷钾的需求差异,为茉莉花科学施肥及鲜花增产提供理论依据。结果表明:(1)广西横州市茉莉花种植试验地的土壤养分对横县双瓣茉莉生产而言,速效氮含量过剩,而有效磷和速效钾处于中等偏低水平;(2)在氮磷钾3种肥料的互作效应中,磷肥和钾肥的互作效应最高,其次为氮磷钾肥和氮钾肥的互作效应;(3)不同的施肥处理的茉莉花日产量消长同步,不同氮磷钾配施对茉莉花花汛期的影响不显著;(4)在茉莉花的稳定花期(6—9月)中,各月均有花汛期出现,其中,7月平均日产量最高,8月平均日产量最稳定;(5)氮磷钾配施对茉莉花产量有显著影响,影响由大到小为磷肥>钾肥>氮肥;(6)本研究中,三元二次方程拟合不成功,一元二次方程方面仅有N的效应方程拟合成功,P、K的效应方程均拟合失败,而在二元二次方程中,NP、NK、PK的3个效应方程均拟合成功;对拟合成功的方程进行求解,排除实际操作中无法达到的施肥量,综合考虑试验地土壤速效氮含量过剩及减少种植户的投资成本等因素,推荐施肥方式及施肥量为磷肥393.64 kg/hm^(2),钾肥381.59 kg/hm^(2)。

南四湖不同起调水位汛期调水风险传导规律

南水北调东线工程通水以来,有效缓解了山东半岛等地的缺水问题,但水资源供需矛盾依然突出,汛期调水将成为解决该矛盾的方式之一。汛期调水时,湖周河道开闸泄洪,非汛期积累于河道中的污染物随水流下泄入湖,使得流域水环境风险显著增加。为科学支撑东线后续工程汛期调水水环境风险管控和探究湖区内部风险传导机制,以南水北调东线调蓄湖泊南四湖上级湖段为例,构建水环境风险空间传导分析模型,计算相邻子湖区处于不同风险状态组合的概率,定量评价汛期调水时南四湖上级湖流域水环境风险状态,探讨丰、平、枯3种水平年起调水位下水环境风险在南四湖上级湖的传导规律。结果表明:丰水年高水位调水时,南四湖上级湖水环境风险值最小,枯水年最大;高、中水位调水时,呈由低风险传导至中风险、再传导至高风险的逐步传导模式,而低水位调水时,风险由低风险直接传导至高风险;以平水年为例,白马河区至万福河区93%概率为低—中风险增强型传导、7%概率为低—高风险增强型传导。

2023年汛期我国主要天气气候特征

利用中国气象局国家气象信息中心提供的气象观测数据,对2023年汛期(3月24日至11月16日)我国的天气气候特征进行了综合分析。结果表明,2023年汛期,我国气候状况总体偏差,呈现暖干特征,涝旱灾害明显。2023年汛期,全国平均降水量为2012年以来同期第2少(仅多于2022年同期),平均气温为历史同期第2高(仅低于2022年同期)。华北、东北、华南等地暴雨洪涝灾害重;华北和黄淮地区高温日数多、极端性强;西南地区春秋干旱明显;初台偏晚,登陆台风影响重。

基于HEC-HMS水文模型的潼三段流域2021年秋汛洪水模拟

水库精细化调度是确保防洪安全与提高水库综合效益的主要措施。以三门峡库区潼关至三门峡大坝间流域(潼三段流域)无测控区为研究区域,基于土壤、土地利用、降水、径流等数据,构建HEC-HMS水文模型,对2021年潼三段流域整个秋汛洪水过程进行模拟,分析区间各支流洪水叠加过程与径流量变化。采用径流系数法(算术平均法和泰森多边形法)计算潼三段流域径流总量并与实测值对比,验证HEC-HMS水文模型模拟结果的准确性。结果表明:HEC-HMS水文模型在潼三段流域表现出良好的适用性与可靠性,径流总量模拟值与实测值仅相差2.33%,模拟效果显著优于径流系数法。

汛期水风光多能互补动态调度模型研究

为充分利用水电站水库汛期在预报无洪水或小洪水时的调节能力,将汛期运行水位动态控制域对应库容作为调节风光运行的可用库容,在提高水库调节能力的基础上给出了考虑入库洪水实时状态的汛期水电站水库动态消纳风光调度模式,以风光出力期望值加水电出力之和与负荷偏差最小为目标,结合风光出力不确定性建立了汛期水风光多能互补动态调度模型,并以福建省水口水电站为例进行模拟调度计算。结果表明:所提动态消纳风光调度模式能够在保证防洪安全的前提下充分合理利用水位动态控制域内的调节能力来调节风光出力,使失负荷时段数和发电量缺口期望值相较于传统调度模式分别降低约37%和32%,水电站水库平均发电水头提高约4.39%,不仅可提高系统出力可靠性,且能增加系统运行效益。研究成果可为汛期调节风光出力提供参考。

海温异常对中国汛期降水的影响及预测应用

以厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)循环和其他关键区海温对东亚季风关键系统影响机理的科学认知与应用为线索,回顾我国汛期降水业务发布预测的技巧。按照三类雨型划分,1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为50%、60%、50%、70%;按照四类雨型划分,1981—2020年每10年的雨型预测正确率分别为30%、30%、40%、50%,即我国汛期旱涝空间分布型的预测准确率明显提高。筛选预测准确率偏低且有显著洪涝发生年用于复盘,重点分析当年的主要预测依据和预测偏差较大的原因。结果表明:对海温影响东亚夏季风系统机理的有限认知影响很大,包括ENSO循环不同位相的影响、ENSO影响的不对称性、ENSO空间型的变化、印度洋等海域海温异常的影响均起重要作用,提出多因子多时间尺度协同作用理论、客观化预测方法、精细化监测预测影响评估一体化系统建设等有助于提高精准化预测能力和精细化服务水平。

黄河源区汛期降水径流序列多尺度小波分析

基于黄河源区15个地面站点日降水数据、唐乃亥水文站逐日径流数据以及小波分析方法,分析了黄河源区1961—2020年汛期降水和径流的周期规律、变化趋势及相关关系。结果表明,1)黄河源区近60 a汛期降水、径流均存在多时间尺度的变化特征,且不同时间尺度汛期降水、径流丰枯变化趋势均不同;2)汛期降水、径流序列均具有63 a左右、35 a左右特征时间尺度的主周期,两个时间尺度下的平均周期分别为41、25 a左右,汛期降水、汛期径流具有一定的正相关性;3)在63 a特征时间尺度可预测2020年之后未来5~10 a内黄河源区汛期降水、径流整体均呈减小趋势。

汛期与非汛期水沙条件对黄河下游不同河段过流能力的影响

20世纪80年代以来黄河下游水沙输移特性显著改变,下游河道经历强来沙作用下的持续淤积与小浪底水库调控下的持续冲刷过程。基于黄河下游1986—2020年实测水沙数据与固定断面地形,计算了河段尺度的平滩流量,量化了汛期与非汛期水沙过程对各河段过流能力的相对贡献。结果表明:①小浪底枢纽运行前水流冲刷强度随时间减弱,下游河道呈汛期淤积、非汛期冲刷的整体淤积态势,平滩流量持续减小,最小过流能力小于2000 m^(3)/s。②小浪底枢纽运行后水流冲刷强度显著增大,尤其在非汛期,对河床冲刷产生重要影响;各河段过流能力显著恢复,其中游荡段恢复最为迅速。③各河段平滩流量与前5 a汛期、非汛期平均水流冲刷强度呈良好的幂律关系,该关系能较好地反映汛期与非汛期累积水沙过程对过流能力的综合影响。④小浪底枢纽运行后,非汛期水沙条件对平滩流量的贡献率增大,尤其是对游荡段具有重要影响(占比53%),对过渡段与弯曲段贡献则较小(占比不到20%)。

2024年汛期气候趋势预测与展望

2024年3月,中国科学院大气物理研究所开展汛期(6~8月)全国气候趋势预测会商会。通过综合分析大气所各数值模式和统计模型的预测结果,在未来3~5个月热带中东太平洋从El Niño事件恢复至正常状态的背景下,预计2024年汛期(6~8月),东北大部分地区、华北东部、黄河下游、长江中下游、西藏大部、陕西南部、西南地区南部和东部降水正常略偏多,其中东北的北部和东部以及长江中下游地区降水偏多2~5成,可能发生局地洪涝灾害。全国其他大部分地区降水正常略偏少,其中新疆北部至内蒙古西部和华南地区降水偏少2~5成,可能发生阶段性高温热浪。预计2024年夏季登陆台风数量略偏少。由于未来El Niño事件的衰减速度、热带印度洋和北大西洋海温异常的演变趋势以及西太平洋副热带高压和中高纬度环流的季节内变化等诸多因素都具有不确定性,因此此次汛期降水预测结果也存在一定的不确定性。

北极海冰对中国西北地区东部主汛期7月降水分布型的可能影响

选取1961-2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料,利用SVD分解等统计诊断方法,分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明:影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态,一种是当巴伦支海、千岛群岛海域海冰密集度偏小(大),戴维斯海峡海冰密集度偏大(小)时,激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列,使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”(“西低东高”)的分布,造成区域降水异常为“一致偏少(多)”分布型;另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时,激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常,使得冷空气路径偏东、偏南以及西太平洋副热带高压偏强,造成研究区降水异常为“北少南多”分布型,反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型,其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力,尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。

雨污合流制地区溢流污染影响因素及管控建议

雨污合流制地区汛期溢流成为城市河流返黑返臭的重要原因,溢流污染的有效控制,对改善水环境,提升人民幸福感、获得感与安全感有着重要作用。针对雨污合流制地区汛期溢流污染防控,总结了合流制溢流污染的特点、对水环境质量的影响以及合流制溢流污染的影响因素等内容,分析了我国溢流污染严重区域的分布特征并提出管控建议。研究发现,我国合流制溢流污水呈现出成分复杂、水量水质变化大、初期雨水水质差等特点,且合流制溢流污染会导致城市面源污染,加重地表水质恶化程度。通过分析合流制溢流污染的2个主要影响因素(降水量和管网条件),初步识别出我国溢流污染严重区域主要集中在东部、南部地区,且相关性分析结果表明汛期降水量及管网密度与区域水质存在中等相关关系。为加强合流制地区溢流污染防控,提出要因地制宜制订汛期雨污溢流污染排放管控标准、开展溢流污染控制技术更新行动、加强汛期雨污溢流污染的全过程管理、加强汛期雨污溢流污染治理成效考核等具体建议,以期为有效控制合流制溢流污染,推动水环境质量持续改善提供参考。

上海汛期极端降雨阈值时空分布与内涝影响评估

汛期极端降雨给城市地区造成了严重的内涝威胁。首先基于近30 a上海逐日降雨数据构建了日极端降雨阈值时间序列,按照汛期降雨类型区分为梅雨期、盛夏期和秋雨期3种降雨时期,该分类的差异通过了统计检验。汛期极端降雨阈值情景表明,上海市汛期极端降雨雨量为盛夏期最大,极端降雨的空间分布与城市中心、郊区的城市化水平以及汛期降雨时期密切相关。研究基于Mike21数值模型构建城市内涝模型,模拟了汛期极端降雨阈值情景。结果表明:在90分位、95分位、99分位阈值情景下,上海郊区的受淹面积占比最大;盛夏期内涝淹没区域则主要聚集于中心城区和上海东南部,最大淹没深度达1.5 m。99分位阈值情景下,承灾体高暴露度(淹没水深>0.15 m)结果显示,道路受淹比例最高,在22%以上,建筑次之,受淹比例在8%以上,耕地受淹比例相对较小,在4%以上。汛期应重点防范99分位极端降雨事件,研究结果可为防汛除涝提供决策支持。

华南前汛期强降水过程雨滴谱特征研究

为了解华南前汛期暖区降水和锋面降水的微物理特征差异,利用二维视频雨滴谱仪(2DVD)资料、自动站降水资料以及ERA5再分析资料,以2017年6月17日、2023年4月6日锋面降水和2017年6月22日、2022年5月11日暖区降水过程为例,对比分析暖区降水和锋面降水的雨滴谱特征、Gamma谱参数形状因子与斜率因子(μ-Λ)关系以及雷达反射率因子与雨强(Z-R)关系。结果表明:(1)锋面降水个例和暖区降水个例中,对流降水均占主要贡献,对流降水各粒径(尤其是粒径小于1mm)数浓度高且粒径大;暖区对流降水发生时间概率和降水量贡献比例均大于锋面对流降水。(2)暖区降水和锋面降水对流发展阶段,雨强(R)的增长均滞后于雷达反射率因子(Z),暖区降水的R、质量加权直径(D_(m))和粒子数浓度(lgN_(w))极值均远大于锋面降水。(3)D_(m)和lgN_(w)分布显示,暖区对流降水粒子分布较为分散,具有较大D_(m)和lgN_(w);锋面层云降水粒子具有较小D_(m)和lgN_(w)。(4)锋面降水个例和暖区降水个例μ-Λ关系式以及Z-R关系式相差较大,且不同于经典大陆性对流云降水Z-R关系式。

福建省前后汛期极端降水危险性的空间差异

受台风与季风降水的不同影响,我国东南沿海地区前后汛期极端降水差异显著。为揭示该区域前后汛期极端降水危险性的差异,以福建省为典型区,应用熵权-CRITIC组合权重模型赋权的TOPSIS方法,选取最大1 d降水量、最大连续5d降水量、降水强度、暴雨时间和强降水量等5项代表性指标,分别对25个气象站点1960—2020年的前后汛期极端降水危险性进行评价。结果表明:1)福建省前汛期极端降水危险性指数总体较高,呈现自东部沿海向西北山区递增的趋势;后汛期极端降水危险性总体较低,呈现自东部沿海向西北山区递减的趋势;2)福建省前后汛期极端降水危险性指数差异大,可分为前汛期显著型站点14个、前后汛期相当型站点6个和后汛期显著型站点5个。因此,区分前后汛期并分别进行极端降水危险性评价,能够更合理地揭示区域极端降水危险性及其空间变化的规律,为区域防汛抗涝、水土保持等工作提供科技支撑。

堤防工程汛期实时安全风险综合评估

在出现洪涝灾害时,第一时间发现并及时处置险情是应急抢险的关键,如何提前配置防汛人力、物力等,一直是防汛指挥部门亟待解决的问题。为实时掌握堤防工程安全风险情况,结合一线防汛抢险实践经验,提出了一套数量适宜、指标内容易获取的堤防工程安全风险评价指标体系,采用层次分析法、模糊综合评价法建立了评估模型,给定了评估标准,划分了堤防工程风险等级,并选取了2020年江西省遭受特大洪水引起的堤防险情进行典型案例分析。结果表明:选取的未溃口与发生溃口的堤防,其安全风险综合评估情况与堤防后续状况吻合性较好,堤防工程安全风险综合评估模型可为防汛指挥部门部署人力、物力等提供支撑。