基于AIRS资料的青海省空中水汽时空规律研究

采用美国NASA地球观测系统"云与地球辐射能量系统"(CERES)的2002年9月至2016年9月的AIRS/Aqua L2 Standard Physical Retrieval (AIRS+AMSU) V006资料,分析了青海省空中垂直积分水汽含量在时空上的分布情况及变化规律.结果表明:(1)青海省空中水汽含量多年均值为5.93kg/m~2,地表高程越高的地区,空中水汽含量越低;(2)各季节(春、夏、秋、冬)空中水汽含量均值分别为4.67、11.6、5.47、2.12kg/m~2;(3)在多年变化趋势上,研究时段内青海省空中水汽含量呈统计不显著的增加趋势,斜率为0.00356kg/m~2·a,相对增速为0.0582%/a;除青海湖周边外,青海省北部水汽含量的增长速率快于南部;(4)各个季节空中水汽含量变化斜率分别为0.00713、0.00636、-0.00527、-0.00221kg/m~2·a.     

LASSO回归和支持向量回归耦合的中长期径流预报

同样预报精度情况下,中长期径流预报提前期越长,对水库调度方案与发电计划的制定辅助决策作用效果更强.中长期径流预报的难点在于径流序列的随机性以及相应预见期的气象难以可靠预报.当前的预报模型大都是基于数据分析的数据驱动模型,其输入因子多为前期径流和大尺度气候因子.而预报因子的选择对于数据驱动模型的精度非常关键.因此,需要有效的因子筛选方法以辅助建模.本文引入lasso回归方法以筛选径流预报因子,其选择结果作为支持向量回归(SVR)模型中的预报因子,形成LASSO回归和支持向量回归耦合(LSVR)模型,并将LSVR模型应用到龙羊峡水库进行预见期为一个月的入库径流预报,并与传统SVR模型预报结果进行对比.结果表明,径流因子的选择对两种模型的预报效果都有较大的影响,过多引入前期径流因子时预报效果较差.两种模型的预报结果对比表明,LSVR模型能够增强有益预报因子的作用,减弱干扰因子的影响,在验证期和测试期的预报结果都好于SVR模型的.在2010年1月到2016年10月的82个月的测试期中,LSVR模型的4项评价指标相比SVR模型都有所提升,其中均方误差(MSE)比SVR模型减小了13.09%.     

流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂，是黄河流域的主要泥沙源区，并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表．沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象，并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律．为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究，本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象，分析各水沙过程的主要机理．揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型；根据水流的诱发作用，用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀；考虑影响水沙运动的多种要素，建立沟道系统的高含沙水沙模型．流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。     

黄河数字流域模型原理

黄河数字流域模型以DEM数据及其存取系统为依托,以流域分级理论为依据,将坡面、小流域、区域、全流域四个层次的模型整合成一个完整的流域整体模型.文中提出了不同层次模型之间的联系途径和整合方法,探讨了模型框架、参数提取、模型计算原理方面的技术问题.按照这种模式建立的黄河数字流域模型可根据研究内容的需要模拟流域上任意空间点的水沙量、水沙过程以及非点源污染物的扩散过程和结果等,具有很大的灵活性和实用性.     

黄土沟壑区流域重力侵蚀模拟

重力侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一．在黄土高原地区,重力侵蚀对土壤侵蚀总量、高含沙水流特性和水沙过程的尺度现象等都具有重要贡献但由于重力侵蚀机理复杂、发生随机性强以及缺乏直接观测资料,对重力侵蚀过程的模拟研究一直是土壤侵蚀领域的薄弱环节．笔者将一个基于土体失稳的沟坡重力侵蚀理论模型在数字流域模型框架下与坡面降雨径流和土壤侵蚀模型、沟道不平衡输沙模型耦合集成,并解决了重力侵蚀模型在流域中应用的一些具体问题,使重力侵蚀模型能够根据沟坡的几何形态、黄土的力学特性、降雨导致的土体含水量及力学性质变化、沟道水流对沟坡的淘刷等物理因素的影响,合理模拟流域中的重力侵蚀过程．将模型系统应用于岔巴沟流域和无定河流域,得到了重力侵蚀的分布及其占总侵蚀量的比例,模拟结果基本可信．     

南水北调中线通水后北京市辖区间水资源配置的博弈均衡

在水资源统一管理的背景下,传统的配置模型忽略了跨区间的用水竞争与合作关系,而博弈论成为解决这一问题的较好工具.北京市作为严重缺水的特大城市,在南水北调中线正式通水后,各行政区之间用水格局发生了重大变化.这种变化基于各行政区的需求公平与整体的系统效率,对北京市水资源的配置过程中的区域协调发展提出了更高要求.因此,设计一个符合北京市跨区水资源博弈特点的配置机制十分重要.本文采用改进的纳什讨价还价博弈模型,结合破产理论,加入跨区水资源的时空约束规则,分析不同的供水情境和博弈权重组合方案下,北京市未来水资源配置的合作博弈稳定与系统可持续性.结果表明,基于此模型下的跨区水资源博弈达到合作后,南水北调中线通水后在一定程度上提高了北京市的水资源系统均衡稳定,且按需求分配的博弈权重方案的可持续性更好,相等博弈权重方案的合作稳定性更好,为北京市水资源的统一管理与区域协调提供了一定的决策基础,更深入的特大城市水资源调度政策值得后续研究.     

黄土沟壑区产输沙特征的空间尺度效应研究

以黄土丘陵沟壑区的典型流域岔巴沟为例, 首先通过实测数据分析水沙过程的尺度现象和规律, 明确了流域产输沙的主要子过程及其影响因素和作用机理. 然后采用集成了坡面侵蚀、沟坡区重力侵蚀和沟道不平衡输沙3个子模型的黄河数字流域模型在较高分辨率的单元上模拟研究流域的暴雨—径流—产输沙响应, 结果重现了水沙过程的尺度现象. 在尺度现象是由不同产输沙子过程的空间尺度分布迭加引起的假定下, 对模拟结果进行分析, 发现重力侵蚀和高含沙水流特性是引起黄土沟壑区泥沙过程尺度现象的最主要因素.     

基于CERES数据的青海省上空云特性时空规律研究

为了对青海省上空云特性在时空上的分布情况及变化规律进行研究,采用美国NASA地球观测系统2003年1月至2016年12月的CERES SSF Aqua MODIS Edition 4A云资料,根据青海省的地形地貌特征及原始CERES数据云分层的有效气压与海拔高度的对应关系,按距地表高度对原始CERES数据重新分层,云层距地高度0~3 000 m为低云,3 000~5 500 m为中低云,5 500~9 000 m为中高云,9 000 m以上为高云进行分析。结果表明:(1)青海省上空总云量取值范围在38.2%~71.3%,多年均值为59.5%,云量分布形势呈南高北低。(2)各季节(春夏秋冬)总云量平均值为66.2%,67.3%,52.5%,52.0%。(3)云中液态水路径和冰水路径取值范围为143.6~221.3 g/m~2,202.2~380.3 g/m~2。(4)青海省上空中高云、中低云、低云云量占各层云量总和的28.6%,43.7%,27.7%。(5)设定低云有效的临界条件为云量大于30%,低云有效天数多年均值为276.6 d。该结果为青海省人工影响天气作业的实施提供了数据支撑。     

不同流域的自回归径流预报效果对比

对未来月径流的可靠预报对于水力发电计划的制定和水资源调度管理具有重要的实际应用价值.由于相应预见期的气象预报不可靠以及月径流序列具有明显的非线性和随机性,导致已有模型的预报效果差异大,即使采用同一种模型,在不同流域的预报效果也显著不同.本文选取了自回归滑动平均(ARMA)模型、人工神经网络(ANN)模型和支持向量回归(SVR)模型这3种常见的径流预报模型对3个研究区域的未来一个月的径流进行预报,并用反映相对误差的平均绝对百分误差(MAPE)对预报效果进行了评估和对比分析.3个流域的预报效果对比分析表明预报效果与历史径流序列的变异系数CV以及一阶自相关系数Rlag1有关.此外,各月的径流预报的MAPE和该月历史月径流序列的CV以及Rlag1的绝对值|Rlag1|也显著相关,用CV和|Rlag1|拟合MAPE的决定系数为0.80.3个流域的流域特性分析则表明预报效果的差异本质上是由流域特性差异造成的,可以通过计算历史径流序列的CV、|Rlag1|判断是否适合运用数据驱动模型进行月径流预报.     

空中水资源及其降水转化分析

本文在回顾空中水资源利用的愿景和相关研究成果、分析空中水资源的概念和内涵的基础上,定义了白水,用以代表空中水资源.白水指的是通过地表某处上空的统计意义上具备降水潜力的水物质通量.白水和其他水资源一样,一般表述为年度水量,其本质是水物质的更新通量.将空中水物质的水平运动垂直积分投影到地表二维空间,对于地表任一点,白水的量纲为[L~2 T~(-1)],与地表水资源常用的[L~3 T~(-1)]不同.将某地的降水通量与相应时段的白水的比值定义为白水降水效率,量纲为L~(-1),代表白水每运动单位距离产生的降水量占其自身的比例.将白水概念扩展到地表流域,则可通过沿流域边界积分得到进入某一流域的白水,量纲为[L~3 T~(-1)].将该流域上空全部白水输送路径上的降水效率沿各自路径积分后加权平均,即得到流域的白水降水转化率(无量纲)为流域内的降水占进入该流域的白水的比例,可以采用降水量除以白水与径流量的1/2之差来近似计算.本文采用再分析数据研究了我国大陆附近的白水降水效率的空间分布特征,并选择长江、黄河、珠江、三江源流域开展相关特征参量对比分析.结果表明,白水降水效率是反映气候和地理条件的降水转化能力的公允度量,可直接用于不同地区的对比分析;流域的白水降水转化率可用于分析流域空地水资源循环中的数量关系.研究和评估白水及其降水转化特征,是空地水资源耦合分析及空中水资源开发利用的基础.通过技术手段提高局部地区的白水降水转化率,并与地表水利工程联合调控,有望实现一定规模的空地水资源耦合利用,是水资源开源的新机遇.