基于干湿期的随机天气发生器

为了按不同的应用需求生成可信的任意长序列逐日天气数据,为作物天气系统研究提供数据支持,该文描述了一个以干湿期随机模型为基础,组合了日降水量、温度和辐射变量随机模型的逐日天气发生器WGDWS(Weather Generator based on Dry and Wet Spells)。它分为两部分:以干湿期为独立随机变量的干湿期模型部分,和依赖第一种模型生成其余天气变量的模型部分;其天气要素的生成主要分2个步骤,即首先根据月经验分布值产生一个干期或湿期长度,然后生成干期或湿期的逐日值。利用代表中国不同地理区域的9个站点1973-2003年的逐日气象资料对天气发生器WGDWS进行了检验,并与基于干湿日开发的DWSS天气发生器进行了比较。结果表明两者性能基本相近,并且WGDWS模拟干湿期的效果更好。因此,WGDWS天气发生器用于生成逐日天气序列是可靠的,同时作为一个JAVA组件,还可以方便地嵌入作物模型系统。     

CLIGEN天气发生器在长江上游地区的适用性评价

CLIGEN天气发生器是WEPP土壤侵蚀模型的组成模块之一,用于模型预测预报以及天气数据缺测时生成模拟天气数据;但是CLIGEN天气发生器是基于美国的天气条件研发的,在其他地区模拟的精度具有不确定性.以长江上游沱沱河站、马尔康站、丽江站、都江堰站和沙坪坝站5个典型国家气象站40年的日观测数据为基础,分析评价CLIGEN天气发生器在该地区模拟的日和月天气数据的精度.结果表明：CLIGEN天气发生器天气参数的输入对于模拟结果具有较大的影响;模拟结果在长江上游5个不同地貌区气象站的精度基本相当;模拟的日天气数据误差较大,模拟的月天气数据效果好于日天气数据;模拟的各月最高气温和最低气温平均值较实际值偏低,部分参数模拟值的绝对误差和相对误差存在一定的月际差异.     

全球不同气候区小麦产量构成要素对生殖期增温的响应

【目的】全球气候变暖对小麦生长发育有重要影响,尤其是小麦生殖期增温。然而,全球不同气候区小麦产量及其构成要素对其生殖期增温的响应还未系统量化。因此,急需明确全球范围不同气候区小麦生长发育对其生殖期增温的响应特征和一般规律。【方法】收集并筛选出全球范围内,涉及小麦生殖期增温对其产量构成要素影响的文献61篇,运用整合分析(Meta-analysis)量化生殖期增温0~5℃和大于5℃的极端高温对不同气候区小麦产量及构成要素的影响程度,阐明小麦生殖期内昼夜不同时段增温对小麦产量的影响规律。【结果】生殖期增温0~5℃对小麦产量及其构成要素均呈显著负效应,其中小麦产量减少了11.7%,千粒重、穗粒数和穗数分别减少7.4%、5.0%和3.5%。不同气候区小麦产量降幅对其生殖期增温(0~5℃和5~10℃)的响应不同,具体表现为亚热带季风区(15.2%和38.8%)>温带海洋性气候和温带大陆性气候(14.9%和30.6%)>地中海气候(10.6%和15.6%)>温带季风气候(9.3%和10.2%);小麦千粒重降幅为温带大陆性气候(24.7%和21.1%)和温带季风气候(10.5%和28.0%)>温带海洋性气候(9.7%和15.0%);尤其在生殖期增温5~10℃,亚热带季风和温带季风气候的小麦产量各构成要素降幅比0~5℃更大。另外,小麦生殖期夜间增温导致小麦产量的降低(14.7%)大于白天增温(11.3%)。【结论】全球不同气候区小麦生殖期增温造成小麦减产主要是由于千粒重和穗粒数的显著减少,而且小麦生殖期夜间增温对小麦产量的负效应大于白天增温。本文研究结果可为未来小麦育种提供新视角,也可为应对气候变化、维持或提高小麦产量提供科学依据。     

近50年黄河流域气温和降水量变化特征分析

利用黄河流域54个气象站点1961-2010年气象数据,探讨近50a黄河流域气温和降水量的变化趋势特征。结果表明:(1)黄河流域年降水量变化具有明显的空间差异,总体表现为上游地区增多、中游地区减少的特点。春季上游降水量呈显著增加趋势,秋季中游显著减少,冬季全流域降水量均呈显著增加趋势,其中下游增幅最大。年内降水量显著增加的时段主要集中在1-3月和12月;(2)黄河流域气温变化呈显著升高趋势,平均最高气温和最低气温变化具有明显的不对称性,平均最低气温变化对平均气温升高的贡献率大于平均最高气温。平均最高气温、平均气温和平均最低气温全流域均表现为冬季增幅最大,夏季和秋季则为流域上游增幅最大。月平均气温显著增加的站点比例最高,月最高气温显著增加的站点比例最小,且均集中在2月。(3)全流域冬季出现暖湿化趋势,春季上游出现暖湿化趋势,而秋季中游出现暖干化趋势。     

天气发生器MulGETS和k-NN对区域历史气象场特征重现能力的比较

传统单站点天气发生器未考虑不同站点气象变量间的空间相关性,导致其在区域影响评价中的应用受到限制,而多站点天气发生器可以克服单站点天气发生器的缺点,近年来得到迅速发展。评估和验证多站点天气发生器对区域历史气象场特征的重现能力是开展影响评价的前提和基础。为此,本研究选取MulGETS（参数型）和k-NN（非参数型）发生器为代表模型,利用湘江流域12个气象站点1981−2010年日序列降水量、最高气温、最低气温资料,通过均值、标准差、偏度、极值、空间相关系数、空间连接度和自相关系数等指标的对比,评估了MulGETS和k-NN模型的优缺点及适用性。结果表明：MulGETS和k-NN模型均较好地再现了原气象场的均值、标准差和偏度,k-NN表现稍好于MulGETS。同时k-NN相比MulGETS在保持气象要素空间相关性上具有优势,特别是降水量的空间间歇性。由于算法本身的限制,k-NN无法模拟出超出历史数据范围的极值,而MulGETS具备一定的极值模拟能力。此外,MulGETS和k-NN在重现原始日尺度降水量的自相关性上均存在不足。总体来看,两个模型各具优势和不足,MulGETS更适于极端气象事件模拟,而k-NN可以更好地体现原始气象场的空间差异,实际使用时应根据不同的研究目的选择合适的模型。     

1961－2014年中国干湿气候时空变化特征及成因分析

利用全国701个气象站点1961-2014年逐日地面观测资料,基于降水量和参考作物蒸散量(ET0)计算的湿润指数研究了近54a中国干湿气候时空变化特征,并利用敏感性和贡献率法分析了气候变化背景下主要气象因子对ET0的影响,对干湿气候变化的成因进行了探讨.结果表明:全国气候在3个时间段(时段1:1961-1980;时段2:1981-2000;时段3:2001-2014)中经历了变湿到变干的过程;不同地区干湿状况变化差异很大,干旱趋势主要发生在中国的半干旱半湿润气候区;1961-2014年降水量变化趋势不显著,ET0呈显著下降的趋势,61.6%的站点出现"蒸发悖论"现象.南方大部分地区和新疆的西北部由于降水量增加和ET0减少,气候变湿;西北和西南大部分地区由于年降水量减少和ET0增加,气候呈显著变干的趋势.ET0对相对湿度的变化最敏感,风速的负贡献率是引起ET0变化的主导因子.研究时段内风速和日照时数的减少对ET0的负效应超过温度上升对ET0的增大作用,导致全国ET0总体呈下降趋势.     

2013年黑龙江省春季低温特征及对主要农作物播种期的影响

利用黑龙江省28个农业气象观测站1971-2016年春季地面气象观测资料,引入日平均气温、最低气温、最高气温3个温度因子,采用数理统计方法,研究2013年春季气温三因子的低温特征,并构建其与大豆、玉米、水稻播种期的相关关系。结果表明：（1）研究区2013年春季气温与1971-2016年毎年同期比较总体以偏低为主,三因子差值（ΔT）＜0℃的年份密集分布于20世纪90年代初期以后,ΔT＜0℃的年数以最高气温最多,最低气温最少。（2）分析期1971-2016年内,ΔT随时间推进均呈下降趋势,以最低气温下降最显著,振荡最强,而最高气温下降趋势最弱,表征2013年春季最低气温和最高气温的不对称性偏低特征。（3）研究区2013年春季逐日气温3个因子与常年同期比较（ΔTD）总体呈偏低趋势,累计低温时间长,3个因子偏低日数均超过整个春季日数的50%,最长连续偏低日数占春季总日数的20%以上,其中以逐日最高气温最多,61%的站点达35d以上,低温持续1个月以上。（4）2013年大豆、玉米、水稻的播期与历史各年比较其差值（ΔD）多为正值,表明该年播期以延后为主。53%的站点2013年春季气温ΔT与作物播种期ΔD存在显著或极显著的负相关关系,说明随着春季气温降低,作物播种期存在推迟趋势。ΔT每降低1℃,ΔD增加0.9～6.3d,其中以最低气温影响最显著。（5）内涝与低温叠加更易造成作物迟播。     

CLIGEN降水要素在黄土塬区的适应性评估

 CLIGEN是目前较全面产生降水要素(降水量、历时、达到最大降水强度的时间与降水总历时的比率、最大降水强度与平均降水强度的比率)的天气发生器,其生成降水要素的质量直接影响水文和农业响应模型的输出结果。利用黄土高原长武1957—2001年的日气象观测数据、王东沟流域1988—2001年的降水要素数据和CLIGEN生成的100年日气象数据,对CLIGEN模型产生日、月、年降水量的均值和方差、概率分布、降水极端值和降水历时、强度进行评估。结果表明:CLIGEN对日、月和年降水量均值的模拟效果较好,相对误差都不大于1.0%;对标准差的模拟结果偏低,相对误差的绝对值小于6.6%;没有模拟出日降水量的概率分布,但是较好地模拟出了月和年降水量的概率分布;对日、月和年最大降水量的模拟误差较大,表明CLIGEN对极值的模拟精度有待提高。CLIGEN很好地模拟出连续降水的频率,但是连续干旱天数在20d以内的累积频率的平均相对误差为8.9%;CLIGEN产生的最大降水强度与平均降水强度的比率高于实测数据;相对于实测数据,CLIGEN模拟的降水历时和降水量具有相同的趋势,对小降水量或短历时的模拟结果偏高,对大降水量或长历时的模拟结果偏低。     

近50年贵德县旱涝灾害变化特征分析

利用青海省贵德气象站1961—2010年逐日平均气温、逐月降水资料以及逐日最高、最低气温资料,分析近50a气温、降水以及最高最低气温的变化趋势,并对其突变年份进行了检测。用降水量来确定贵德县旱涝等级,进而确定出贵德县气温突变前后旱涝等级出现的年份及所占的比例。结果表明:贵德地区偏旱、正常和偏涝的状态不断增加,增加的比例为旱>正常>偏涝。运用马尔柯夫模型对未来5a的旱涝状态进行了预测,2011—2015年处于"偏涝"的概率较大。     

不同订正方法下CFSR再分析数据在天山西部山区径流模拟中的应用

以天山西部山区喀什河流域为典型研究区,基于1990-2000年的水文气象站点实测资料、2005年喀什河流域遥测降水数据及各时间段对应的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析数据,通过实测站与其最近CFSR站多年月平均降水的比值,CFSR站点处2005年的年降水量与同期遥测年降水量的比值,以及基于实测站点降水数据和各CFSR站点与实测站点最近的CFSR站点的空间关系3种方法对CFSR降水数据进行订正。借助VIC模型,分析不同订正方法下研究区径流的模拟效果。降水时间序列分析结果表明,CFSR降水数据能够较好地在时间和空间上反应喀什河流域内月降水的变化情况。径流模拟结果表明,(1)CFSR降水数据的不同订正方法对径流结果影响较为明显;(2)基于实测站点降水数据以及各CFSR站点与实测站点最近的CFSR站点的空间关系订正的所有CFSR降水,在径流模拟中表现最好,模型率定期和验证期的模型效率系数均在0.80以上,多年径流相对误差在15.0%以内。该订正方法不仅考虑了降水在时间维度上的变化,还考虑其在地理空间维度的变化,较其它两种方法在径流模拟中具有更好的应用前景。     

随机气候生成器在黄土高原的适用性检验

 为进一步检验水蚀预报模型WEPP在黄土高原的适用性,并提供必要的数据准备,根据安塞水土保持综合试验站1986—2003年的日序列的降雨量、最高温度、最低温度和平均风速的实测值及全美范围内选择参照站得到的其他气象因子,对随机气候生成器在黄土高原的适用性进行了检验。结果表明:随机气候生成器能够较好地模拟单个气象因子,并未考虑各个气象因子之间的相互关系;同时,能准确地模拟年降水及其月分布,日最高温度、日最低温度的月分布,而风速模拟值的月均值、标准差普遍高于实测值的月均值、标准差。为此,选择参考站点时应综合考虑各个气象因子。按月计算的降水降水的概率和不降水降水的概率的模拟月均值比实测值偏低。     

Adjustment of CLIGEN parameters to generate precipitation change scenarios in southeastern Australia

Global climate model predictions are often downscaled with stochastic weather generators to produce suitable climate change scenarios for impact analysis. Proportional adjustment to generated daily precipitation and direct adjustment to parameter values for weather generators have been used for assessing the impact of climate change on runoff and soil loss. Little is known of how these parameter values should be realistically adjusted, the amount of adjustment, and whether the adjustments are correlated among different parameters. Rainfall in southeastern Australia has significantly increased since the late 1940s. Rainfall records in Sydney show a similar trend. Long term daily and 6-min intensity data from Sydney have made it possible to examine how CLIGEN parameter values have changed in relation to the underlying significant increase in rainfall. This study shows that for Sydney, most of the increase in rainfall is a result of the increase in wet day precipitation. The increase in the standard deviation of wet-day precipitation is greater than that in the mean, implying a greater rainfall variability during wetter periods. The wet-following-wet transition probability, and maximum 30-min rainfall intensity are all positively and significantly correlated with the change in wet-day precipitation. The change in peak intensity is about half the change in rainfall. No significant relationship can be established between the changes in mean monthly rainfall and those in the skewness coefficient for wet day precipitation and wet following dry transition probability for the site. Simultaneous adjustment of all these parameters is needed for generation of precipitation change scenarios for the region. Using simple proportional adjustment to generated precipitation sequences would lead to maximum impacts on runoff and soil loss predicted with WEPP, while attributing precipitation change equally to the change in wet day precipitation and the number of wet days would under-estimate the magnitude of the impacts considerably for the site.     

CLIGEN气候生成器模型在紫色土地区的适应性研究

随机气候生成器CLIGEN模型可以为当前一些综合模型所需要的气象资料提供必要的数据支持,为检验CLIGEN在四川紫色土地区的适用性,以CLIGEN模型为研究平台,根据四川省遂宁水土保持实验站1987～2002年降水和气温的月平均资料及在全美范围内选择参照站点得到的其他气象因子,利用CLIGEN模型分别模拟出遂宁市的月平均降水量、月平均最高温度和月平均最低温度。结果证明用所选的3个参证站点,利用CLIEGN模拟出来的降水、气温在数值上和年内的分布上均与实测值较为符合,选择模型有效系数E和平均绝对百分比误差（MAPE）为评价指标,作为3个站点最优选择的指标,最终选择CENTERVILLE站点为最优参证站,CEN-TERVILLE站点的模拟月平均降雨量、月平均最高温度和月平均最低温度的相对平均绝对值（MAPE）分别为7.15%,7.03%和6.17%,而有效系数分别为0.996 2,0.926 6和0.995 7,从而确定了CLIGEN模型在遂宁紫色土地区的适用性。     

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。     

Modeling potential changes of forest area in Thailand under climate change

The forest cover of Thailand has been characterized according to the Holdridge Life Zone Classification, a model that correlates climatic features with vegetation distribution. Six Holdridge life zone types of forest cover are found in Thailand: subtropical dry forest, subtropical moist forest, subtropical wet forest, tropical dry forest, tropical moist forest, and tropical wet forest. Climate change scenarios were simulated by three general circulation models: two United Kingdom Meteorological Office models (the low and high resolution versions) and the Goddard Institute for Space Studies model. These scenarios were used to simulate the effects of future climate change on Thai forests. The ratios of precipitation and the absolute values of temperature changes were incorporated into a baseline climate scenario from the International Institute of Applied Systems Analysis. Under the climate change scenarios simulated by the three general circulation models, the subtropical dry forest could potentially disappear, and areas of tropical very dry forest would appear. In general, the area of subtropical life zone would decline from about 50% to 20%–12% of total cover, whereas the tropical life zone would expand its cover from 45% to 80%. All three general circulation model scenarios suggest that the tropical dry forest has the greatest potential to extend into the subtropical moist forest. This analysis suggests that global climate change would have a profound effect on the future distribution and health of Thai forests.     

WXGEN天气发生器在长江上游地区的适用性评价

WXGEN天气发生器是SWAT分布式流域水文模型的组成模块之一,用于模型预测预报以及天气数据缺测时生成模拟天气数据。以长江上游5个典型国家气象站40 a的日观测数据为基础,分析评价了WXGEN天气发生器在该地区模拟的日和月气象参数的精度。结果表明,WXGEN天气发生器在长江上游5个典型气象站模拟精度基本一致;模拟的日天气数据误差较大;模拟的月天气数据效果好于日天气数据,WXGEN天气发生器能较好地拟合月天气数据的分布,更适合于长江上游地区月气象参数的模拟,但WXGEN模拟的月天气数据误差具有较强的季节规律性,月降雨量和气温的模拟值较实际值偏低,而太阳辐射量模拟值却较实际值偏高。     

汶川地震生态治理区土壤种子库及其与地上植被的关系

为了比较地震灾区不同气候类型植被恢复区土壤种子库时空分布特征,采用野外调查取样和室内试验相结合的方法,研究了四川省汶川县威州镇和绵竹市汉旺镇4类生态治理区[干旱干暖河谷受损治理区(DHD)、干旱干暖河谷未受损区(DHU)、亚热带湿润季风气候受损治理区(HMD)、亚热带湿润季风气候未受损区(HMU)]土壤种子库的萌发动态、数量特征、物种组成、多样性特征及其与地上植被之间的关系。结果表明:未受损区具有2个萌发高峰期,受损治理区只有1个萌发高峰期,不同气候类型治理区土壤种子库在不同土壤深度表现出不同的萌发潜力;4类治理区土壤种子库平均密度为192~1 544粒·m?2,表层密度和平均密度均为未受损区受损治理区,干旱干暖河谷气候区亚热带湿润季风气候区;4类治理区共有50种植物萌发,草本植物占显著优势;HMU、HMD、DHU、DHD地上植被与土壤种子库物种组成的S?rensen相似性系数分别为26.23%、44.9%、30.77%、16.00%,Jaccard相似性系数分别为15.09%、28.95%、18.18%、9.09%;不同类型样地土壤种子库特有种和共有物种均表现出不同的生活型格局。基于以上分析结果,在灾区进行植被恢复时,应该考虑治理区的气候环境,因地制宜的进行人工引种和制定恢复措施。     

The onset of the rainy season and farmers’ sowing strategy for pearl millet cultivation in Southwest Niger

A multi-year (2004-2009) field survey of on-farm sowing practices in 10 villages located in south-west Niger close to Niamey, is analysed to investigate the relationships (i) between rainfall and the sowing date of pearl millet and the risk of sowing failure, (ii) between sowing and meteorological/agro-climatic onset dates, (iii) between sowing/onset dates, and simulated and observed yield/biomass at the end of the season. Even if some villages sow without any synchronous or anterior rainfall, most parcels (73% out of the 1551 available cases) are sown during and just after a 2-day wet spell receiving at least 10 mm. In fact, there is a strong correlation (r = 0.82-0.95 depending on onset definition) between the spatial averages of onset and of sowing dates. Most of the failed sowings (≈22% of total sowings) are related to dry spells lasting at least 7 days after an initial 2-day wet spell receiving less than 10 mm. Simulations with the “Système d’Analyse Régionale des Risques Agronomiques - version Habillée” crop model show that the ideal sowing date, retrospectively computed as the one maximizing simulated yield, is on average about 6 days later than the observed one. Despite the large inter-village variance and the relatively weak inter-annual signal in onset dates and seasonal amounts, there is a tendency for weaker yields and especially weaker amounts of biomass for late onset. But crop simulations show that sowing very early, as for example during or just after the first wet spell when at least 90% of rainfall stations receive simultaneously at least 1 mm in two consecutive days (i.e. meteorological onset), does not necessarily maximize simulated yield because of the high risk of long-lasting post-onset dry spells. The farmers’ strategy, that is sowing their field during or just after the first significant wet spell, is combined with the use of photoperiodic varieties to provide the best-suited response to the temporal and spatial variability of onset of the rainy season.