雷达测雨及临近预报在中小流域水文视角下的应用评估

本文选取了2012年“苏拉”、2014年“海贝思”、2016年“尼伯特”三场台风在梅溪流域引发的三场不同类型降雨过程,探究了雷达测雨及临近预报在中小流域水文预报中的应用前景。采用24h累积雨量相对误差RE、时空两个维度均方根误差与相应维度均值的比值m-RMSE、平均绝对误差RMAE和平均偏差RMB等指标,基于地面雨量站的观测值评估雷达测雨以及1h、2h、3h预见期的集合临近预报,结果表明：雷达测雨总体上与地面雨量站观测值较为接近,不同类型降雨的RE值均在3%左右;时空分布均匀的降雨,临近预报效果优于短历时降雨和强降雨的临近预报效果,且随着预见期的延长,时空分布均匀的降雨预报效果更稳定,短历时降雨和强降雨的预报精度下降明显。因此,高时空分辨率的雷达测雨及临近预报在中小流域水文预报中有较好的应用前景,但短历时降雨和强降雨还需进一步研究。     

数值预报产品的历史相似订正方法研究

针对数值预报存在误差的基本事实,提出了一套利用历史相似资料订正数值预报的方案,利用2003-2008年T213 L31数值预报产品和1948-2007年的NCEP资料,建立了100～1000 hPa等压面的高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场的24～240 h预报的24 h变量订正方程.采用24 h变量相关系数和均方根误差两个指标,对2009-2010年的T213,L31高度场和温度场、数值预报产品的试应用订正效果进行了检验.结果表明:以24 h变量相关系数衡量,高度场和温度场预报订正效果都是正面的,预报时效为96～192 h,订正效果最明显;以均方根误差衡量,高度场和温度场预报订正效果同样是显著改进的;订正效果存在区域差异,高度场订正效果高纬度显著,低纬度差一些;温度场订正效果低纬度要显著一些.     

基于LMBP算法的崇阳溪流域降雨径流预报模型研究

采用泰森多边形法对流域进行划分,分别确定崇阳溪上游流域6个雨量站控制子流域的面积权重.选择1997至2014年的14场流域降雨径流过程为训练样本,以上游6个雨量站的时段雨量和武夷山水文站前期流量为输入,武夷山水文站相应流量为输出,采用3层网络,其中隐含层节点数采用试算法确定,建立崇阳溪上游流域LMBP神经网络降雨径流预报模型.利用余下的7场降雨径流过程对模型进行检验,结果表明,模型运算速度快、时效性好,预报精度符合要求,可以用于流域的降雨径流预报.     

基于BP神经网络对黄河源区降水的降尺度模拟研究

利用黄河源区实测的水文气象资料、NCEP再分析数据及HadCM3情景模式,通过研究气象因子与降雨之间的非线性关系,基于BP神经网络模型采用3种不同时段(即全年S1、枯水期和丰水期S2及四季S4)对黄河源区建立3种降雨的统计降尺度模式,分析评价不同模式对降雨指标的模拟能力.结果表明:3个模型的模拟效果的优劣随着研究的时间尺度变化,对多数降雨指标的变化趋势能成功捕捉,但对量的模拟效果会随着指标和季节而变化,对极端指标的模拟效果均较差.     

集合转换卡尔曼滤波同化的一种分析方案

集合转换卡尔曼滤波在处理非线性观测资料的同化时,通常对非线性观测算子做简单的线性化处理,这会带来较大的舍入误差,降低同化效果。通过对状态变量和观测变量的转换,将观测算子视为预报算子的一部分,对传统的同化算法进行改进,减小了同化中的误差。以典型的Lorenz-96预报模型来验证算法,对于较大模型误差或较强非线性观测算子的情形,结果好于传统的方法。     

1307号台风“苏力”台风浪数值模拟

以T639预报风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),对发生在2013年7月中旬的1307号台风"苏力"所致的海浪场进行数值模拟,并利用来自台湾岛、朝鲜半岛、日本的浮标观测资料,验证模拟台风浪场的有效性,进而对台风浪的结构特征进行分析,以期为台风浪场的数值预报、防灾减灾等提供科学依据.结果表明:1)以T639预报风场驱动WW3海浪模式,模拟的台风浪场较好地刻画了台风"苏力"的结构特征;2)与浮标观测资料对比发现,模拟有效波高整体上具有较高精度,与观测值在曲线走势上保持了较好的一致性,在数值上稍大于观测值;3)澎湖浮标站处的模拟有效波高与观测值出现较大差异,这应该与台湾海峡的复杂地形、T639预报风场在台湾海峡的准确度有关;4)台风海浪场与海表风场表现出较好的一致性,台风位于大洋时,高值中心的有效波高可达13m以上,台风逼近福建沿海时,带来了11m左右的巨浪.     

2008年初贵州电线积冰厚度的模拟研究—基于天气研究和预报（WRF）模式耦合电线积冰预报系统

电线积冰事故对国民经济危害巨大,急需电线积冰厚度的预报产品。利用耦合了欧洲导线覆冰预报系统的WRF模式,在考虑了覆冰融化的基础上,对2008年1~2月贵州省凝冻天气期间的电线覆冰厚度进行了模拟研究,研究结果表明：WRF模式模拟的气象要素与观测值较为接近,可用模拟的气象场对贵州省导线覆冰进行模拟;模拟站点覆冰厚度的时间变化特征与观测结果非常接近,区域覆冰厚度的时空变化可分为4个阶段：覆冰初步形成期、持续期、加重期及融化期。对比观测站点的覆冰记录,模拟基本重现2008年1~2月贵州省导线覆冰的变化过程;模拟的区域覆冰极值厚度分布也与观测值的相关系数达到0.6,通过了0.01的信度检验。总的来说,该系统能对覆冰的发生、发展及进程进行较为准确的预报,对输电线路上的冰冻灾害防治具有重要意义。     

重庆地区降雨型滑坡统计-降雨入渗耦合预报模型

重庆地区属于我国降雨型滑坡高易发区,目前气象部门采用的滑坡灾害气象预报模型属于统计模型,适用于滑坡灾害区域性预警预报,不能实现对单体滑坡发生概率的气象预报。引入考虑强降雨作用下土质滑坡表层的最大入渗深度,并考虑滑坡体后缘拉张裂缝水压力,修正了工程上常用于确定滑坡稳定系数及滑坡推力的传递系数法;结合采用有效累计降雨量和当日最大小时降雨量两个指标建立的降雨型滑坡统计预报模型,构建了重庆地区降雨型滑坡统计-降雨入渗耦合预报模型,该模型利用滑坡发生指数将滑坡预报等级分为5级,分别表示滑坡发生的可能性为极小、小、较大、大和极大,通过室内模型试验验证了该模型的合理性。实用中,可将该模型嵌入重庆市地质灾害气象预报系统中,实现对重庆境内典型单体滑坡在强降雨条件下发生可能性的气象预报。     

一种新的基于伪最近邻算法的降水预报方法

分析北京地区日降雨量资料,相较于其他降雨事件,大雨或暴雨事件发生的次数较少,因此该地区的降水量预报属于样本不均衡问题。在样本不平衡的情况下,K最近邻(PNN)算法的分类误差率将会大大提高,这也就使传统的基于K最近邻算法的降水量预报方法的应用受到了限制。针对北京地区降水量预报这一样本不均衡问题,应用伪最近邻算法构建了北京市的降水量预报模型。该方法利用北京地区日降雨量资料和美国国家环境预报中心全球格点资料,将降雨量作为类,将美国国家环境预报中心全球格点资料的各种因子场作为天气样本特征,通过决策规则实现最优分类。利用提出的降水预报模型对北京地区2010年6~8月进行了24 h降水预报,实验结果表明,提出的预报方法对于降水等级预报的预报准确率以及晴雨预报的TS评分、正样本概括率和漏报率均优于传统的K最近邻预报方法,该方法具有较好的预报效果。     

重庆地区降雨型滑坡统计-降雨入渗耦合预报模型

重庆地区属于我国降雨型滑坡高易发区,目前气象部门采用的滑坡灾害气象预报模型属于统计模型,适用于滑坡灾害区域性预警预报,不能实现对单体滑坡发生概率的气象预报。引入考虑强降雨作用下土质滑坡表层的最大入渗深度,并考虑滑坡体后缘拉张裂缝水压力,修正了工程上常用于确定滑坡稳定系数及滑坡推力的传递系数法;结合采用有效累计降雨量和当日最大小时降雨量两个指标建立的降雨型滑坡统计预报模型,构建了重庆地区降雨型滑坡统计-降雨入渗耦合预报模型,该模型利用滑坡发生指数将滑坡预报等级分为5级,分别表示滑坡发生的可能性为极小、小、较大、大和极大,通过室内模型试验验证了该模型的合理性。实用中,可将该模型嵌入重庆市地质灾害气象预报系统中,实现对重庆境内典型单体滑坡在强降雨条件下发生可能性的气象预报。     

修正Gash模型在兴安落叶松天然林林冠截留中的应用

为验证修正Gash模型在大兴安岭地区兴安落叶松天然林中的适用性,基于2014年4—10月56场降雨,评价兴安落叶松林冠对次降雨、周累积降雨、季节降雨及年降雨截留量的模拟效果。结果表明:观测期内总降雨量为(289.4±1.66)mm,穿透雨量、树干茎流量和林冠截留量分别占同期降雨总量的75.44%、2.60%和21.95%。林冠截留量的模拟值与实测值分别为65.17 mm和63.53 mm,相对误差为2.58%; 周累计林冠截留量与实测值的相对误差为2.59%; 春、夏、秋季模拟值与实测值相对误差分别为0.71%、3.62%和0.44%。单次降雨林冠截留量只有在降雨量较小情况下,模拟精度较高; 当降雨量增加到12.23 mm时,模拟精度显著降低。据此表明,修正Gash模型对兴安落叶松天然林林冠截留总量的模拟具有较好的适用性,可为研究该地区森林水分循环和利用提供科学简便的方法。     

降雨三步抗差修正效果的研究

在分析流域降雨分布规律的基础上,利用三步抗差方法修正遥测降雨观测资料中的异常误差.采用陆水流域的11场洪水降雨资料,加上人工生成的不同量级的误差系列,计算比较各步抗差修正的有效性.计算结果表明:在不同量级的异常误差下抗差修正方法是有效的,第一、二、三步相结合的效果最好,一二步结合的效果次之,且随着误差量级的增大抗差有效性增强.     

怒江州滑坡地质灾害气象预警模型研究

根据怒江州2012—2014年87个雨量监测站点的降雨数据,首先研究降雨量及降雨过程与地质灾害空间分布的对应关系,再用信息量模型对地质灾害易发性进行静态评价.在此基础上,应用广义线性模型将动态降雨预报和静态的易发性评价结合起来,分别建立了地质-气象耦合模型和地质-降雨综合模型.实例检验并分析了2种模型,结果表明:地质-降雨综合模型的指标计算结果更具有科学性;同时地质-降雨综合模型在时间与空间的结合上更有优势;此外,地质-降雨综合模型的预警准确度较高,且在地质-降雨综合模型的预警图上除灾害当天的预警显示外,相近时间发生的灾害也有所反映.综上,地质-降雨综合模型比地质-气象耦合模型更适合怒江州滑坡地质灾害预报预警.     

杭州大雪的成因和预报指标分析

为了提高大雪天气的预报准确率,利用2008—2018年冬季美国国家环境预报中心( National Center of Environmental Prediction,NCEP) 1° × 1°逐6 h再分析资料、NCEP/NCAR再分析资料以及常规气象观测和降雪加密观测资料。挑选出杭州地区9次典型的大雪天气过程,从大尺度环流背景和水汽、动力以及热力因子等物理量场结构方面展开研究,同时与多年冬季平均的相关特征进行了比较分析,最终给出了杭州典型大雪天气发生时的概念模型和预报指标,大致概括如下:首先需要具备能够产生降雪的大尺度环流背景,其次,需满足大雪产生的水汽和动力等具体物理量条件,最后,必须达到特定的温度和厚度指标条件。该大雪预报模型可为杭州开展的精细化业务预报提供参考依据。     

基于气象水文水动力耦合模型的流域尺度洪水预报方法： 以北江流域为例

针对中小流域目前径流和淹没预报难度较大且精度偏低的问题,本文以北江流域为研究对象,构建降雨径流-洪水淹没模型。在非耦合情况下,基于WRF-Hydro模式构建北江流域水文模型,通过对主要参数率定,优化了WRF-Hydro水文模型,模拟了流域的产流、汇流等水循环关键要素。在耦合情况下,将WRF-Hydro模式模拟的径流过程作为CaMa-Flood模型的边界条件,从而实现对整个流域的洪水淹没模拟。研究结果表明：在经过参数率定的WRF-Hydro水文模型中,针对验证期的5场典型洪水事件,皮尔逊相关系数均高于0.8,纳什效率系数在0.52至0.71之间,在预报期的三个洪水事件中,洪峰的平均误差为22.2％。在水文水动力模型耦合后,能够准确地捕捉洪水淹没与降雨强度、洪水流量变化之间的关系,进而提供洪水发生后洪泛区的淹没深度和范围等关键信息。本文构建的降雨径流-洪水淹没模型能够适用于地形复杂、降雨时空分布不均匀的北江流域,为类似半湿润流域的洪水预报提供了有益参考,同时也为水文水动力模型耦合的研究奠定了基础。     

主分量逐步回归在气温预测中的应用

以广东省冬季气温场为预报场,前一年的北太平洋海温场和北半球500 hPa高度场为因子场,分别对它们作标准化处理,然后进行主分量分析,得到主分量矩阵。通过相关分析和逐步回归,求得预报场的主分量与因子场的主分量之间的关系,对预报场的标准化主分量进行反算,得到原始场的拟合和预报。结果显示,广东省冬季气温场前4个主分量(对总方差的累积贡献达到97.5%)的预报方程都通过显著性检验,其方程复相关系数基本在0.9以上。对广东省48个代表站2001-2003年冬季气温进行预测检验,大部分预测结果的残余标准差比同期的样本标准差低,同时回归方程的预报误差略低于实际业务预报误差,因而回归方程对实际天气预报业务工作有一定的参考意义。     

基于EOF和HHT的多站点降雨场随机模拟方法研究

提出一种新的基于希尔伯特谱分析的降水发生器EHS.该模型首先对原始降雨场进行高斯隐变量转换,转换后的标准化降雨场随后进行经验正交函数分析(EOFA),提取出主要空间模态和对应的主成分时间序列.对主成分序列进行经验模态分解(EMD)和希尔伯特谱分析(HAS)可以得到不同特征周期的本征模态函数(IMF)及其对应的瞬时振幅和瞬时频率,利用随机相位法仿真各项IMF分量,对模拟得到的IMF分量进行EMD重构、EOF重构和高斯隐变量反操作,即可得到多站点降雨模拟场.本文以月降雨量均值、月降雨量标准差,空间相关系数、空间连接度、自相关系数为指标,利用湘江流域实测的降水数据,通过与现有多站点降水发生器MulGETS的比较,评估多站点降水发生器EHS的性能和优缺点.研究结果表明,多站点降雨发生器EHS能很好地模拟湘江流域的降雨,重现历史降雨场的统计特征.该工具可为水文水环境模型、生态模型等提供数据支撑.     

赣东主汛期模式降水预报检验分析

基于ECMWF模式形势场预报资料及JAPANFAX、GFS、EC-THIN、JMA、T639、NCEP等11家模式降水预报资料,从面雨量、极值降雨量2个方面对2015年江西省抚州市主汛期(6月上旬至7月上旬)区域性暴雨的降水预报结果进行了短期主观检验,对比分析了11种数值模式对江西省抚州市区域性暴雨系统预报的效果。结果表明:1)在面雨量预报方面,EC集合预报、T639模式预报、GFS预报在主汛期的降水预报准确率较好; 2)在极值降雨量的预报方面,EC-THIN、T639模式预报在主汛期的降水预报准确率更好; 3)得到本地化预报准确的模式,再对2016-2017年的强降水天气过程的面雨量和极值降水量进行了预报验证,找出这2个要素的预报思路及指标,为今后主汛期降水起到较好的参考指导意义。     

三明市后山冲沟泥石流易发性评价及预报

2019年5月15—17日和6月7—10日三明市区持续强降雨,其中5月16日24 h降雨量为50年一遇,受强降雨影响,市区东侧后山产生大量浅层滑坡,冲沟内松散固体物源增加,后山冲沟山洪暴发;若在100年一遇甚至200年一遇暴雨作用下,冲沟内产生的浅层滑坡数量及能够参与泥石流活动的松散固体物源量都将会大幅度提高,很可能暴发由浅层滑坡诱发的沟谷泥石流.根据直接指标评价法对三明市区后山20条冲沟的泥石流易发程度进行评价:除了碧桂园后山冲沟为不易发外,其余19条冲沟的泥石流易发程度均为轻度易发;通过19条轻度易发泥石流冲沟的地形数据和2019年5—6月两次降雨过程数据,对浅层滑坡诱发沟谷泥石流降雨预报模型进行验证,结果表明模型预报结果与实际相符;并利用该预报模型给出三明后山冲沟泥石流预报临界降雨值,为该区泥石流预测预报和监测预警指标选取提供参考.     

基于网格的精细化降雨径流水文模型及其在洪水预报中的应用

以正交网格降雨径流模型研究为基础,提出了用于洪水预报的精细化基于网格蓄满与超渗空间组合的降雨径流模型(Grid-XAJ-SATIN)。从模型的原理与结构、地理信息空间处理、参数空间分布估算、模型的驱动场分析、模型流域状态同化几个方面对该模型进行讨论,分析模型在湿润、半湿润流域的实际应用情况。结果表明,无论是湿润流域还是半湿润流域,所提出的精细化模型均能取得良好的模拟预报精度,且模型在输出流域出口断面流量过程的同时,可实现对流域内任意网格单元流量过程的精细预报。