地理信息在雨量计算中的应用探讨

利用长江上游干流区域的降雨资料,计算流域面雨量,利用所研究区域上的各固定站点地理信息数据可以推求无资料地区的降水状况。并与算术平均法、泰森多边形法的计算结果进行对比分析,以此研究基于地理信息的插值法的面雨量计算方法的适用性,表明加入地理信息的流域面雨量计算方法在所研究区域是合理的。     

陕北黄土丘陵区流域面平均雨量推算方法

 面雨量推算方法及雨量站点数的选取是分析流域面平均降雨量的关键。选取降雨数据相对集中的1981—1986年期间陕北黄土丘陵区窟野河、秃尾河、佳芦河流域各雨量站降雨资料,以泰森多边形法计算的流域面雨量值作为参照值,用算术平均值法推求各种雨量站点个数情况组合下的最大相对误差绝对值与雨量站点个数的关系。结果表明:在研究区内,随雨量站站点个数的增加,最大相对误差绝对值呈减少趋势,其中,在窟野河流域,当选取9个雨量站点时,按照上、中、下游均匀选取站点组合的方法所得面雨量值与参照值的相对误差绝对值都在10%以内;在秃尾河以及佳芦河流域,以至少选取3个雨量站点个数,仍按照上述方法选点所得面雨量值与参照值的相对误差绝对值都在5%以内。研究提供了在雨量资料有限的情况下,处理个别雨量站数据缺失而又不影响研究精度的方法以及简单可行的计算方法和理论依据。     

地理因素辅助的黄土高塬典型流域面雨量制图效果比较与评价

为了获取适宜的黄土高塬流域面雨量计算方法,选择算术平均(Am)、泰森多边形(Tsn)、普通克里金(OK)、泛克里金(UK)、反距离权重(IDW)、简单克里金(SK)、考虑海拔的简单克里金(SK_EL)以及将海拔和空间坐标信息作为辅助因子的简单克里金(SK_EXY)和地形插补法(Tr)等9种方法计算了环江下游流域2006—2011年面雨量。结果表明:(1)各年面雨量Am法全流域只有1个数值,无空间分布,Tsn法呈斑块状分布,IDW法在站点周围空间趋势表达不连续,其余6种基于克里金方法的面雨量空间变化趋势基本一致,均是从东南向西北连续递减的等值带,其中OK的插值曲面最平滑,Tr与SK法的结果更加符合降雨随地形的变化趋势;(2)24站测值为基础的单年和多年交叉验证结果均表明各种方法插值所得面雨量的精度以考虑高程和站点空间信息的Tr法最高,SK_EXY其次,并没有一种插值方法在所有的精度检验指标中都最差;(3)当只考虑面雨量值不考虑其空间分布时,可以选择Am与Tsn法相结合,其值接近各种方法的均值,而当综合考虑面雨量值及其空间分布时,则宜选择Tr和SK_EXY法。     

乌鲁木齐市小流域山洪灾害临界雨量分区及防治区划研究

分析了乌鲁木齐市以小流域为单元,在复杂的地形、地貌和不同的气候背景下,进行临界雨量的分区,并相应提出在阿拉沟流域取点与现有的气象站点构成5个代表点,运用泰森多边形法进行小流域分区,可达到科学、合理的效果,进而为山洪灾害防治规划研究提供了可靠的技术参数。     

农田生物质能集约利用空间优化决策

发展农田生物质能源集约利用,是解决中国能源问题和环境问题的重要途径。由于农田生物质能空间分布的分散性、不连续性,所以对生物能源数量、空间分布特征以及其集约利用空间优化问题进行研究是生物质能源从研发走向实际应用的关键。该文以广东省为例,利用NPP（净初级生产力）模型获得可用农田生物质能生物量和空间分布状况,在此基础上,采用不同尺度的泰森多边形作为生物能源的初级筹集范围,应用遗传算法对生物质能集约利用的空间优化配置问题进行快速求解。结果表明,遗传算法和GIS模型结合对解决面域供应和点域需求问题具有明显的优越性,可为生物质能集约利用提供有效的空间优化方法;尺度效应对模型模拟结果有很大影响,当以10 km为邻近阈值建立泰森多边形作为初级筹集区域时,适宜度达到最大。该研究可为生物质能集约利用空间优化决策提供依据。     

流域面雨量计算方法探讨

面雨量是水文上重要的参数,是洪水预报中最重要的预报对象。因此在气象上开展面雨量计算方法的研究,是做好流域降水量预报的关键。现提出流域面雨量的定义,并详细介绍了计算流域面雨量的几种方法,讨论了几种常用方法的优缺点。     

基于FloodArea模型的新疆尼勒克县暴雨山洪临界雨量的确定

[目的]对尼勒克县科蒙乡吉林台苏河流域2016年6月17日发生的特大山洪过程进行模拟并结合实地考察淹没水深对模拟结果进行验证,进而确定其山洪致灾临界雨量。[方法]以新疆尼勒克县典型山洪沟为研究对象,基于FloodArea淹没模型,利用流域内气象站降水资料、高程数据及相关基础地理信息数据,选取山洪预警点并分析预警点处不同累计时效的面雨量与模拟洪水过程线的相关关系。[结果]该流域洪水的淹没水深与对应累计9h面雨量相关性最高,确定了预警点处累计9h的4级风险等级对应的致灾临界值分别为12.80mm(4级),25.78mm(3级),45.24mm(2级),64.71mm(1级)。[结论]淹没模型FloodArea能够较为准确地模拟出研究区暴雨山洪个例淹没过程,根据其模拟结果能够反演出不同风险等级条件下该流域的山洪致灾临界面雨量。     

基于抗差估计方法的流域水文模型的不确定性分析

流域水文模型的不确定性主要来自水文气象资料的不确定性、水文模型结构的不确定性及模型参数的不确定性等.以危水水库流域中的乌溪沟以上流域为研究对象,采用抗差估计方法探讨了由于雨量资料误差引起新安江模型的不确定性.研究结果表明:误差的大小,发生的站数,对模型的不确定性均有影响.并且误差越大,发生站数越多,对模型不确定性影响越大.采用雨量观测误差三步修正方法先对雨量资料进行处理,然后采用新安江模型进行计算,采用该方法可以有效地抗御雨量资料误差,减少模型的不确定性,提高洪水预报精度.     

HBV模型在富春江水库流域临界致灾面雨量确定中的应用

[目的]研究分析HBV模型对于富春江流域径流序列模拟的适用性,并通过水位与径流量的关系,得到该流域各级水位的临界致灾面雨量,为暴雨灾害风险预警和评估业务提供服务产品,也为富春江水库的生产调度提供重要依据。[方法]以富春江水力发电站为研究区,应用研究区气象资料和HBV水文模型开展研究。[结果](1)应用HBV水文模型模拟富春江流域径流量,在序列的率定期和验证期,模拟与实测的径流过程分布一致,模拟径流峰值区与大降水的实况分布比较一致,模拟与实测洪峰的平均相对误差小于5%,经率定后的HBV模型在富春江流域的模拟效果较好。(2)通过建立降水、径流、水位三者的响应关系,可以确定水库在警戒水位、设计洪水位时不同前期水位的临界面雨量。[结论]HBV水文模型在研究区具有一定的适用性。当预报有临界面雨量时,水库可以根据雨量、径流的预报信息做出对水位的科学调控。     

小流域水文及土壤侵蚀过程模拟方法研究

流域土壤侵蚀动态模拟,需要采用合适的方法对坡面—沟道耦合问题及初始和边界条件进行正确的处理。将流域划分为坡面侵蚀与沟道侵蚀,采用时间空间耦合处理方法,实现了小流域坡—沟侵蚀过程中水流与泥沙输送的面—线耦合及沟道间的线—线连接。给出了模拟流域土壤侵蚀过程的控制微分方程、初始条件、边界条件及坡面向沟道汇水输沙的动态模拟处理方法。得到了较为符合实际的流域土壤侵蚀动态模拟模型。模拟结果与室内实验测量结果的比较表明,模拟精度达到80%以上,说明了动态模拟方法的可行性。     

基于SWAT模型的降雨数据适用性评价

为评价降雨产品在流域尺度水文模拟中的适用性,该文首先依据实际降雨数据评价GLDAS、TMPA和ERA-Interim 3种降雨产品在研究流域的可替代性。多指标模糊优选评价表明,基于双线性插值法的TMPA和ERA-Interim降雨产品数据在日、月尺度上的模拟效果均较好,相对误差(Bias)分别为5.48%和7.46%,均小于10%,相关系数(CC)在0.82~0.98之间,具有站点降雨的可替代性,可作为水文模型的输入。然后用此2种降雨产品分别驱动SWAT模型,进行研究流域的水文模拟精度分析。TMPA产品的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为10.88%和11.03%,纳什系数(NSE)分别为0.46和0.78,而ERA-Interim的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为9.11%和9.27%,NSE分别为0.44和0.70。以Bias、CC和NSE为特征指标的多指标模糊优选模型的评价结果为:TMPA产品日、月尺度水文模拟结果的相对隶属度值分别为0.51和0.53,大于ERA-Interim的相对隶属度值0.49和0.47,表明TMPA产品更适用于流域尺度的水文模拟。该文评价方法及结论可为类似流域尺度的水文模拟提供参考。     

点源时间序列数据缺失值的估值方法比较——以小流域气象和水文数据为例

对点源时间序列数据缺失值进行有效估值能提升其数据质量。为探究不同估值方法对点源时间序列数据缺失值的估值效果及其影响因素,以亚热带典型小流域长期定位观测的每日气象和水文数据（最高气温、最低气温、太阳辐射量、降雨量及地表径流量）为例,以均方根误差（RMSE）、绝对平均误差（MAE）和Pearson相关系数（r）为性能验证指标,比较了线性内插法（LIM）、K-最近邻插值法（KNNM）、样条插值法（SIM）、多项式插值法（PIM）和核密度估值法（KDEM）5种估值方法的估值性能差异及其主要影响因素。结果表明：（1）LIM、SIM和KDEM的估值性能总体上优于其它2种方法;（2）5种估值方法对气象数据（最高气温、最低气温和太阳辐射量）缺失值估值的RMSE为1.81～6.35,MAE为1.30～4.20,r为0.70～0.98（P＜0.05）,而对水文数据（降雨量和地表径流量）缺失值估值的RMSE为12.54～26.28,MAE为3.60～14.21,r为0.07～0.72。可见,各估值方法对气象数据的估值性能强于对水文数据;（3）上述数据集的变异系数（CV）与估值评估指标（RMSE、MAE及r）线性相关（P＜0.05）,是影响估值性能的重要因素。     

基于GIS的新疆降水空间插值方法分析

随着空间降水信息需求的日益增加,降水的空间插值已被广泛应用,而不同的插值方法因不同的地区和研究目的产生不同的效果。采用新疆18个国家基本站点1957-2000年的日平均降水数据,应用地信软件ArcGIS中的地统计学模块进行空间降水插值实验,分别采用反距离加权法和克里格方法探讨了新疆降水的空间分布,分析发现:两种插值方法在分析区域降水空间分布方面各有优缺点,在整体分析上,克里格插值法要优于反距离加权法,但在局部地区的分析上,反距离加权法插值结果较为理想。     

黄土高原降雨量空间插值精度比较——KRIGING与TPS法

 黄土高原地域广阔,降雨量时空分布复杂多变,插值方法将影响降雨量的时空变化特征分析,进而影响水文及土壤侵蚀模拟效果。采用黄土高原河龙区间及毗邻地区50余个气象站点20年(1981—2000年)的降雨量数据,分别利用KRIGING（克里金）和TPS（薄板光滑样条）方法对多年平均、年和月降雨量进行插值,对研究区内27个站点进行交叉验证,比较和分析其插值精度变化特征。结果表明：1）无论多年平均,还是年和月尺度,KRIGING与TPS方法降雨量插值结果都能正确反映河龙区间降雨量的空间变化趋势,2种方法交叉验证平均一致性指标（A）绝对值相差均在±0.01范围内,2种方法面平均插值精度均没有显著性差异。2）不同时间尺度的插值精度,KRIGING与TPS 2种插值方法的交叉验证平均一致性指标（A）均表现出多年均值优于4月约14%,优于年值约19%,优于7月约35%。     

山区县域尺度降水量空间插值方法比较

随着空间降水信息需求的日益增加，降水的空间插值已被广泛应用，而不同的插值方法因不同的地区和研究目的产生不同的效果。该文以浙江省淳安县为例，选取17个站点1959～2000年多年平均和月均降水资料，在地统计学和地理信息系统(GIS)支持下，结合一些地形地理因子，采用多种插值方法对研究区降水量进行了空间插值研究，分析不同插值方法对研究区的适用性和精度，并对模拟的空间降水量图像进行了比较。通过3个检验站点的插值误差的比较，混合插值法，即回归克里金插值法误差最小，效果最好。     

新疆地区年降水量的空间插值方法研究

为提高新疆地区年降水量的空间插值效果,通过增设模拟气象站点、补充实测站点数据空间变异性信息,采用确定性函数和地统计学的综合插值方法进行新疆地区年降水量的空间插值与比较验证分析。结果表明：（1）利用地统计方法分析多年平均降水量的最佳抽样间距,确定气象站点影响区,建立降水量与经纬度、高程、坡度、坡向、NDVI间的多元回归方程,增设模拟气象站点,可以有效增加降水量空间变异信息,显著提高降水量空间插值效果。（2）通过对比发现,反距离加权法（IDW）、复二次径向基函数法（MRBF）和普通克里格法（OK）3种空间插值方法中,MRBF的插值效果最好,是该地区降水空间分布的最适插值方法。（3）在新疆地区采用逐步综合的方法,即以多元回归方法增设模拟气象站点和MRBF进行年降水量空间插值,全面考虑影响因子与空间变异性,去除了多元回归带来的＂边界效应＂,弥补了实测降水量空间信息,得到了具有较高精度的年降水量数据集。     

非线性克里格方法在日降水量分布估算中的应用

为研究非正态分布条件下的日降水量空间分布,选择湖北省75个气象观测站2010年7月的降水过程资料,通过正态变换和变差函数分析,引入多元高斯克里格方法进行逐日降水量空间分布估算,并与其它方法进行对比分析.结果表明：（1）通过合理的各向异性参数设置及理论变差函数选择,能够充分凸显降水量分布特征.（2）对比发现,反距离加权法（IDW）、普通克里格法（OK）和多元高斯克里格法（MGK）3种估算方法中,MGK估算的平均误差最小且误差曲线最平稳,是该地区非正态分布日降水量较适合的空间分布估算方法.（3）使用MGK方法,能有效改善IDW带来的“牛眼效应”以及OK法造成的过度平滑,得到具有较高精度的日降水量数据集.     

西藏青稞灌溉定额的空间分布规律

西藏地区灌溉定额等试验数据有限,因此,基于少量实测数据,计算分析作物净灌溉定额及其空间变化规律,扩展有限数据的使用范围具有十分重要的意义。基于拉萨站实测的青稞作物系数,采用FAO提出的作物系数修正方法,得到西藏4个农业分区中代表站的青稞作物系数值。基于青稞种植区共28个站点的气象资料及4个分区的青稞作物系数及土壤水分参数等资料,采用土壤水量平衡原理计算得到28个站的青稞灌溉定额长系列值。采用克里金插值法得到西藏青稞不同水文年型灌溉定额及其主要影响因子的等值线图,分析了青稞灌溉定额的空间变化规律及其与主要影响因子的关系。结果表明,从西北到东南,青稞灌溉定额呈现逐渐减小的变化趋势,其等值线总体呈带状分布特点,并且等值线与经线趋于平行。青稞灌溉定额随着降雨量增加而降低,随气温及ET0增加而增加。     

降水量空间插值方法在小样本区域的比较研究

针对降水量观测点数量少的小样本区域,寻求适合本区域的降水量空间插值方法,采用已知观测点降水量数据对待估点降水量进行预测,得到可信度较高的降水量预测结果,对指导当地生产生活具有十分重要的意义。在分析美国Upper Sangamon流域9个站点的72个月月降水量数据的基础上,比较了基于ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法、样条函数法、趋势面法4种空间插值方法的插值结果与观测数据,分析了降水量空间插值方法对内插点和外推点的插值精度及应用不同插值方法时观测点数量对插值精度的影响。结果表明:反距离权重法较优于其他3种空间插值方法。空间插值精度随观测点数量变化而变化,对于按照距待估点距离由远及近减少观测点的选点方法,反距离权重法插值精度较高,受观测点数量影响较小,样条函数法与趋势面法受观测点数量影响较大,普通克里金法处于两者之间。     

LARS-WG天气发生器在黄土高原的适应性研究

 利用黄土高原地区西安、兰州、太原、银川、呼和浩特和延安6个气象站1951—1990年的日序列的降雨量、最高温度、最低温度及日照时间,用LARS-WG天气发生器模拟1991—2000年的日气象资料,并用1991—2000年的实际观测值与之比较,对LARS-WG天气发生器适应性进行了检验。通过线性回归、平方根误差和平均偏差评价表明:通过长序列日气象资料,LARS-WG天气发生器能准确地模拟黄土高原6个站点的日最高温度、日最低温度的月分布和年辐射总量。年降水及其月分布值普遍高于实际降水值。