顾及分类与定量误差订正的数值预报降水统计后处理方法

采用统计后处理方法的数值预报降水是延长水文预报有效预见期的重要途径,已有统计后处理方法不能同时订正预报降水的分类和定量误差,且对预报降水有效预见期的影响关注不足。提出耦合经验分位数映射模型(EQM)和伯努利-元高斯模型(BMGD)的统计后处理方法EQM-BMGD,建立用于有效预见期评价的综合精度指标,应用于汉江流域。研究结果表明:EQM-BMGD集成了2种单一方法的优势,并输出了更高精度的预报降水;订正后面平均预报降水各预见期晴雨预报准确率(O P)和绝对平均误差(E MA)的增益均超过了10%,预见期222~228 h的O P仍接近0.7且E MA低于0.7 mm/(6 h),有效预见期延长18~66 h;在栅格尺度上,所有栅格在预见期96~102 h的O P和E MA增益分别超过10%和20%,除西南少数栅格外,O P超过0.8同时E MA控制在1.0 mm/(6 h)以下,北部部分栅格有效预见期延长了18~54 h。EQM-BMGD被证实能够兼顾分类和定量误差的削减,丰富了数值预报降水统计后处理方法的选择。

基于数理统计和数值分析的污水处理厂处理效果评估方法

污水处理厂是污水处理工作的主要承担者,对其处理效果进行客观、科学地评估具有重要的现实意义。在比较法和保证率法的基础上,提出基于数理统计和数值分析的污水处理厂处理效果评估方法。该方法采用数学期望、置信区间(α=0.1)和变异系数表征平均水平、主要变化区间和达标稳定性,采用正态分布描述总体情况,采用正态曲线拟合频数分布并获得概率密度函数,最终通过求解概率密度函数对发展趋势进行定量预测。结合案例展示了该方法的实操方法,结果显示:新方法可用于多个目标水厂、多个考核指标之间的平行分析。此外,对该方法在污水处理厂优化调度与设计、超标风险分析等领域的应用进行了展示。

郑州市雨岛效应多方法集成评估及量化研究

为研究城市化发展带来的雨岛效应问题,选用郑州市1978—2018年社会经济资料和1960—2020年逐日降雨资料,在利用六阶段论和“S”形曲线法分析郑州城市化发展水平的基础上,多方法并举构建雨岛效应评估方法体系;基于年降水量、年汛期降水量对郑州市雨岛效应进行趋势和周期变化分析,并引入标准化距离法量化评估雨岛效应。结果表明:郑州市中心城区雨岛效应在1997年和2004年有明显突变增强趋势;年降水量、年汛期降水量雨岛效应增强趋势分别持续4 a和10 a,且分别具有8~10 a、15~20 a的第一主周期和17~20 a、6~10 a的第二主周期;标准化距离法计算的年降水量、汛期降水量增雨系数标准化显化值分别为0.261和0.643,说明郑州市雨岛效应集中于汛期。

静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

为提高煤层静态致裂井下作业效率,优化致裂布孔参数,以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景,结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程,构建煤层破坏及渗透率演化模型;采用FlAC^(3D)-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟,揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验,定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明:静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递,单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区;在双孔致裂条件下,两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果,使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著,且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制,增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系,煤层渗透率与孔距间呈负相关关系;现场试验表明,将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透,在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d,测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右,说明静态致裂对瓦斯抽采具有显著的卸压增透效果。

基于Budyko模型的巴音布鲁克山区暖季人工增水作业效果分析

降水量作为人工增水效果分析常用指标,受地理、经济、技术等影响,往往可研究分析的代表性数据站点数量较少,一定程度上对区域性效果检验精度造成影响。为此,基于1973—2018年的5—9月巴音布鲁克气象站逐日气象资料和开都河上游大山口水文站逐月径流量资料,利用Bu⁃dyko模型构建径流模拟方程,并运用序列试验检验、不成对秩和检验以及t检验等统计方法,以降水量、径流量等作为指标,探讨该区域暖季不同统计指标对人工增水作业效果检验的差异性。结果表明:(1)基于Budyko模型得出的径流量与降水量不但相关性极高(R2=0.9971,P<0.001),而且速率与趋势变化一致,表明模拟径流量不仅能准确反映降水量变化趋势,还能代表降水对径流的影响量。(2)将实测径流量、模拟径流量和降水量作为统计变量,利用不对称秩和检验及t检验,分析得出人工增水作业后,降水量与径流量增加显著(P<0.02)。(3)降水量作为统计指标检验功效最好,人工增水作业开展后只需增值11.59%就能显著检验出效果,而模拟径流量相比实测径流量的检验功效值低3.72%,说明检验功效有提升。(4)选取统计显著性水平90%的置信区间,得出作业期(1994—2018年)比历史期(1973—1993年)的暖季月均降水量绝对增加值为5.38 mm,相对增率为12.05%;模拟径流量绝对增加值为4.53 m^(3)·s^(-1),相对增率为14.7%;实测径流量绝对增加值为28.48 m^(3)·s^(-1),相对增率为18.48%,表明巴音布鲁克山区暖季人工增水作业效果显著。

玛可河林区人工增雨(雪)效果评价

自2015年12月起班玛县玛可河林区开展了人工增雨(雪)作业,为验证增雨(雪)效果,提升班玛冬春季森林防火气象服务,本文采用多种统计分析方法,如区域历史回归法、序列分析法和气候统计学,对2016~2021年玛可河林区人工增雨(雪)效果进行了客观定量的评估,以确定作业点目标区与对比区雨量点差值,从而更好地评估人工增雨(雪)作业的效果。经分析得出,序列分析法显示出相对增雨率高达72.4%,效果显著;气候统计学分析显示,降水量整体比历年偏多38.5%;区域历史回归法表明,作业期间降水量增加了6.5 mm,相对增雨率为29.1%。这三种方法表明玛可河林区森林防火人工增雨(雪)作业效果显著,有助于降低森林火险等级。通过增加土壤水分,进而起到改变森林生态环境的积极作用。

人工增雨效果的数值统计评估方法

利用1995～2001年河南省春季降水资料,采用数值预报与统计相结合的方法,对飞机人工增雨的效果进行检验。该方法的基本思路是根据降水的气候特征设定增雨效果的评估区,在同一评估区内应用数值模式MM5V3对历史降水过程的降水量进行数值预报,从而获得一组预报雨量,对非增雨过程的数值预报雨量与降水实况进行统计分析,建立预报雨量与实况雨量的数理统计关系。对增雨作业过程的降水同样采用相同的数值模式进行预测,并与增雨后的实况雨量比较,从而得到飞机人工增雨效果。评估结果表明:1995～2001年春季飞机人工增雨效果比较明显,豫北区(I区)平均为16.7%,豫东区(II区)平均为19.3%

基于“.NET”的华南区域人工增雨效果统计检验共享平台的设计与实现

利用Google Earth二次开发工具API设计了一种基于浏览器/服务器(B/S)模式的人工增雨作业效果检验的动态人工增雨效果检验共享系统。该系统基于".NET"平台,以C#作为主要开发语言,利用Google Earth二次开发工具API实现了区域级人工增雨作业效果评估的共享,实现了Google Map和火箭作业点、飞机作业航线的叠加。该系统能动态地勾画和快速计算火箭、飞机人工增雨作业区域、对比区域的面积,通过互联网技术访问人工增雨数据库、气象资料数据库和自动雨量数据库,导出人工增雨效果检验报告,实现了区域级人工增雨效果检验业务的统一。系统界面友好,拥有Google Earth强大的"数字地球"地理信息,具有较强的交互性和可操作性,实现了人工增雨效果统计检验的区域系统共享。

利用人工降水效果统计量评价人工降水效果

采用统计数值模拟方法研究人工降水增雨效果统计量的分布及特征。结果表明：人工降水增雨效果统计量服从正态分布（正态拟合概率＞ ０．７０），增雨效果统计量的均值与增雨效果相关密切（ｒ＞ ０．９９，α＜ ０．００１），一元线性回归方程显著，可信度达９９％ 以上。利用这一规律，通过统计增雨效果统计量可以求出人工增水效果。

非随机化人工增雨作业功效数值分析和效果评估

用自然复随机化方法对北京市人工增雨作业非随机化试验进行功效数值分析。结果表明不同统计检验方案功效差别较大,序列试验功效最差,当作业样本数较多时对比试验功效较高,其次为区域历史回归试验和双比分析方案,当作业样本数较少时区域历史回归试验功效比其他两种方案更高。功效与增雨效果、历史样本数、作业样本数都有关系,当作业样本数或历史样本数增多时,功效都会增大,但是增大的程度会随着样本数目的增多而趋缓。分类统计不一定可以提高检验功效值,要采用分类统计方案首先就要保证分类后的作业样本数下的功效值大于合并后作业样本数下的功效值。在综合分析影响功效的各种因素基础上选择区域对比试验、双比分析和区域历史回归试验对北京市2002～2007年人工增雨作业进行效果总评价,结果均表明相对增雨效果在10%左右,采用复随机化方案进行显著度检验,结果表明3种方案下显著度水平均达0.05。

人工增雨效果检验的研究进展

人工增雨效果检验主要分为统计检验和物理检验,统计检验又分为随机化检验和非随机化检验,而非随机化试验通常分为序列实验、区域对比试验、区域历史回归、区域控制模拟试验等。笔者对国外一些著名效果检验计划进行了简要介绍,同时就人工增雨效果检验的前景进行了探讨。

统计评估人工增雨效果的一些问题研究

雨量是大气降水的量度 ,还是人工增雨效果评估的重要参量。由于大气降水天气系统出现频率、雨区形状、大小、降雨持续时间、雨区中雨强分布等各年、月不同 ,被雨区覆盖的雨量站的雨量也是不断地变化的 ;站间雨量将不是一一对应的确定关系 ,而呈现统计相关关系。相关的程度又受多种因素制约 ,其中站点间的距离、降雨时间长度是重要因子。因此 ,研究它们对相关的影响对于人工增雨效果评估的科学性有十分重要的作用。

密云水库蓄水型增水作业效果分析

为缓解北京市水资源短缺的矛盾,在密云水库流域进行了大规模的飞机、火箭蓄水型人工增雨作业。由于2种工具作业影响区域在时、空上互相覆盖,所以需研究对飞机、火箭增雨作业综合评估方法。此方法依据长序列历史资料和较长作业资料,分别对飞机和火箭增雨效果进行统计分析,以其分析结果为基础,使用催化覆盖面积加权法分析综合增雨率,得出2004年密云水库流域增雨作业可增加降水量13%左右。

对流性云火箭增雨试验效果的数值模式评估

利用中国科学院大气物理研究所建立的具有人工增雨催化功能的三维云数值模式(IAP CSM3D),对2003年7月5日北京地区的一次对流性云火箭增雨作业的效果进行了数值模式评估,并就火箭催化的时间、部位和剂量对增雨效果的影响进行了分析。结果表明,利用火箭在对流云中适宜的部位进行人工播云催化作业是有正效果的;在云发展阶段进行催化,增雨效果较好;火箭发射仰角对增雨的效果有很大影响,给出了火箭最佳发射仰角的选取原则,并分析了火箭催化增雨的机理。

人工增雨统计检验结果准确度分析

采用自然复随机化方法对人工增雨作业效果检验中常用的4种统计检验方案进行评估结果准确度分析,以"假效果"来反应评估结果准确度,指出影响评估结果准确度的各个因子并对不同统计方案的评估结果准确度进行比较。结果表明:评估结果准确度与作业样本数和历史样本数都有关系,准确度随样本数增多而提高,但随着样本数的增多,准确度的提高将趋于平缓;在相同条件下,区域历史回归试验较其它3种方案评估结果准确度更高,在规定显著度水平下要达到基本相同的评估结果准确度,区域历史回归试验所需样本数最少,其次为双比分析,但序列试验所需样本数最多,对比试验"假效果"区间分布成偏态,不宜用来做效果检验。还介绍了一种较少使用的统计分析方案——回归比率分析法,通过"假效果"分析表明,回归比率法比区域历史回归方案评估结果准确度更高。

商丘地区高炮增雨效果分析

用不同统计单元统计分析了河南省瓦权县1991－1992年高地作业的增雨效果。以田雨量为统计单元，33个作业日中76％（25天）显著地增加了雨量，2年共增雨329．lmm。以月、季为统计单元，作业期间增雨显著的为48％以上，而增雨效果不显著或雨量减少的为21％以下。但总的看，以年雨量为统计单元，民权县的人工增雨作业年均增雨14％，两年共增雨172．Zmm。

蓄水型人工增雨效果检验

利用1960～2007年古田水库的雨量资料和入库流量资料,采用非随机化试验方案,根据水库流域面雨量、入库流量和径流系数的变化开展蓄水型人工增雨效果检验。结果表明,在水库流域开展科学的蓄水型人工增雨,使1350km2水库流域面雨量增加18.87%,绝对增加22.4mm,总降水量增加3024万m3,径流系数提高9.31%,入库流量增加29.95%,绝对增加5.17m3/s,总入库流量增加1359.395万m3。改善了水库流域生态环境,提高了地表土壤的湿润度,使径流系数增大,使得入库流量相对增值比水库流域面雨量相对增值大。蓄水型人工增雨的经济效益大于"抗旱型"人工增雨。

两次飞机增雨作业过程数值模拟分析

利用国家气象中心GRAPES业务模式耦合混合相双参数云微物理方案，对2010年12月15日的两次飞机人工增雨作业过程进行了催化数值模拟分析。分析得出：GRAPES模式基本能给出正确的中低层天气形势场和降水的动力结构，较大降水的落区和范围基本可信，降水强度较实况偏小；按照作业实况进行催化模拟具有一定的可信度，与实况降水在较强降水区域有较好的对应性；两次播撒都取得了增加降雨量的效果，24h平均增雨量在3～5mm，最大增雨量达7mm，两次播撒后增雨作业区的累计降水总量较未播撒时增加约一倍；播撒有效时段在4h内，播撒后1～2h雨量增加最大，增雨区域初期与播撒区域一致，随时间延长而在播撒区附近扩散；第一次播撒时，播撒冰晶消耗液态水，转化成固态水，水汽流人速度加快，向液态水转化加快，液态水迅速恢复，未出现减雨现象；第二次播撒时，云中固态水争食水汽增长，液态水得不到补充，云中上升运动减弱，自然降水阶段出现减雨现象。

降水气候变化对人工降水效果评价的影响

采用不同的统计分析方案分析福建省降水气候变化对人工降水效果评价结果的影响。分析结果表明：在福建省降水偏多年份开展人工降水使效果评价结果产生“正噪声”，在降水偏少年份开展人工降水使效果评价结果产生“负噪声”。不同试验方案对降水气候变化的反应有明显的差异，序列试验反应最为明显，历史回归试验次之，多因子分层回归试验产生的“噪声”最小。此外，还对不同试验方案效果显著的临界值进行了估算。

一次人工增雨作业效果的中尺度数值模拟

本文根据AgI播撒影响机制,把AgI催化过程耦合到初始条件、边界条件更完善且有业务化能力的中尺度WRF模式中,并利用该模式对溧阳天目湖积云增雨过程进行中尺度催化数值模拟分析。实况资料及数值模拟分析结果表明,该模式成功地模拟了溧阳天目湖地区的对流云系,作业后催化云的强回波面积扩大,平均回波强度增加,地面降水量增加,且微物理过程分析表明,作业后催化云中高空冰晶、雪、霰冰相大粒子含量增加,相应地低空雨水含量增加,导致地面降水量增加。