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Evaluation and attribution of trends in compound dry-hot events for major river basins in China

Science China Earth Sciences 2024年第1期67卷 79-91页

作者： Shaotang XIONG tongtiegang zhao Chengchao GUO Yu TIAN Fang YANG Wenlong CHEN Xiaohong CHEN Key Laboratory of Water Security Guarantee in Guangdong-Hong Kong-Marco Greater Bay Area of Ministry of Water Resources&Sun Yatsen University/Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai) Guangzhou 510275China China Institute of Water Resource and Hydropower Research Beijing 100038China Pearl River Hydraulic Research Institute Guangzhou 510611China

Concurrent compound dry and hot events(CDHEs)amplified more damange on the ecosystems and human society than individual extremes.Under climate change,compound dry and hot events become more frequent on a global scale.This paper proposes a mathematical method to quantitatively attribute changes of CDHEs to changes of precipitation,change in temperature and change in the dependence between precipitation and temperature.The attribution is achieved by formulating the total differential equation of the return period of CDHEs among Meta-gaussian model.A case study of China is devised based on monthly precipitation and temperature data during the period from 1921 to 2020 for 80 major river basins.It is found that temperature is the main driving factor of increases in CDHEs for 49 major river basins in China,except for the upper and middle reaches of the Yangtze River.In West China,precipitation changes drove the increase in CDHEs in 18 river basins(23%),particularly in parts of North Xinjiang,Qinghai and Gansu.On the other hand,dependence between precipitation and temperature dominated changes of CDHEs in 13 river basins(16%)of China with other factors,including parts of South China,East China and Northwestern China.Furthermore,changes in both the mean and spread of precipitation and temperature can also contribute to changes in CDHEs.

关键词： Climate extreme Compound dry and hot extreme Precipitation Temperature Return period

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全球气象预报驱动流域水文预报研究进展与展望

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水科学进展 2024年第1期35卷 156-166页

作者：赵铜铁钢张弛田雨李昱陈泽鑫陈晓宏中山大学水资源与环境研究中心广东广州510275 大连理工大学水利工程学院辽宁大连116024 中国水利水电科学研究院北京100038

全球气象模型及新兴人工智能模型为流域水文预报提供了日、次季节、季节等不同时间尺度的海量气象预报数据。与此同时,基于气象预报开展水文预报,涉及到数据获取、模型构建、评估检验等技术问题。本文以全球气象预报相关的研究计划为切... 详细信息

全球气象模型及新兴人工智能模型为流域水文预报提供了日、次季节、季节等不同时间尺度的海量气象预报数据。与此同时,基于气象预报开展水文预报,涉及到数据获取、模型构建、评估检验等技术问题。本文以全球气象预报相关的研究计划为切入点,调研现有的1 d至2周小时尺度中短期天气预报、1~60 d次季节尺度气象预报、1~12个月季节尺度气象预报以及新兴的人工智能气象预报;梳理气象预报驱动下流域水文预报模型方法,阐述气象预报订正、水文模型设置和预报评估检验等技术环节。基于全球气象预报生成实时和回顾性流域水文预报,定量检验不同预见期下预报精度以评估相关模型方法的预报性能,为水利工程预报-调度实践应用打下坚实的基础。

关键词：全球气象模型气象预报流域水文模型水文预报实时预报回顾性预报预报检验

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Uncertainty analysis for integrated water system simulations using GLUE with different acceptability thresholds

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Science China(Technological Sciences) 2021年第8期64卷 1791-1804页

作者： ZHANG YongYong XIA Jun SHAO QuanXi LI Lu YEN Haw ZHAI XiaoYan zhao tongtiegang LIN KaiRong Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes Institute of Geographic Sciences and Natural Resources ResearchChinese Academy of SciencesBeijing100101China CSIRO Data 61 WembleyWestern Australia6913Australia Bjerknes Centre for Climate Research NORCE Norwegian Research CentreBergen5007Norway Blackland Research and Extension Center Texas A&M UniversityTempleTexas76502USA China Institute of Water Resources and Hydropower Research Beijing100038China Department of Water Resources and Environment Sun Yat-sen UniversityGuangzhou510275China

Integrated water quantity and quality simulations have become a popular tool in investigations on global water crisis.For integrated and complex models,conventional uncertainty estimations focus on the uncertainties of individual modules,e.g.,module parameters and structures,and do not consider the uncertainties propagated from interconnected modules.Therefore,this study investigated all the uncertainties of integrated water system simulations using the GLUE(i.e.,generalized likelihood uncertainty estimation)method,including uncertainties associated with individual modules,propagated uncertainties associated with interconnected modules,and their combinations.The changes in both acceptability thresholds of GLUE and the uncertainty estimation results were also investigated for different fixed percentages of total number of iterations(100000).Water quantity and quality variables(i.e.,runoff and ammonium nitrogen)were selected for the case study.The results showed that module uncertainty did not affect the runoff simulation performance,but remarkably weakened the water quality responses as the fixed percentage increased during calibration and validation periods.The propagated uncertainty from hydrological modules could not be ignored for water quality simulations,particularly during validation.The combination of module and propagated uncertainties further weakened the water quality simulation performance.The uncertainty intervals became wider owing to an increase in the fixed percentages and introduction of more uncertainty sources.Moreover,the acceptability threshold had a negative nonlinear relationship with the fixed percentage.The fixed percentages(20.0%-30.0%)were proposed as the acceptability thresholds owing to the satisfactory simulation performance and noticeably reduced uncertainty intervals they produced.This study provided methodological foundations for estimating multiple uncertainty sources of integrated water system models.

关键词： module uncertainty propagated uncertainty uncertainty combination integrated water system simulations GLUE

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考虑时间变化的洪涝灾害损失评估

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水利学报 2024年第2期55卷 127-136页

作者：王浩赵铜铁钢田雨陈泽聪郑炎辉陈晓宏中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中山大学水资源与环境研究中心广东广州510275

洪涝灾害是对我国影响最大的自然灾害之一。聚焦灾害损失评估问题,本文构建了考虑时间变化的洪涝灾害损失函数。一方面,表征灾害损失随着致灾因子强度先递增、而后增幅趋缓的静态S型曲线关系;另一方面,通过量级、形状和位置三个参数综... 详细信息

洪涝灾害是对我国影响最大的自然灾害之一。聚焦灾害损失评估问题,本文构建了考虑时间变化的洪涝灾害损失函数。一方面,表征灾害损失随着致灾因子强度先递增、而后增幅趋缓的静态S型曲线关系;另一方面,通过量级、形状和位置三个参数综合考虑灾害损失随时间的动态变化情况。基于《中国水旱灾害防御公报》提供的受灾人口、直接经济损失数据,对于各省级行政区2006—2021年洪涝灾害损失进行评估分析。结果表明:通过拟合洪涝灾害损失函数,洪涝灾害损失关于致灾因子强度和时间的三维空间散点图可有效地拓展成为连续的三维空间曲面及二维空间热力图。各省级行政区受灾人口整体上呈现出逐年下降的特征,但随致灾因子强度的增加而趋于增加。各省级行政区直接经济损失则表现出明显的差异,随时间呈现出大幅下降、缓慢下降和略有增加等不同特征。考虑时间变化的洪涝灾害损失函数是变化环境下灾害评估的有效工具,可为区域洪涝灾情评估提供借鉴和参考。

关键词：洪涝灾害致灾因子损失函数受灾人口直接经济损失非一致性

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沿海地面沉降对风暴潮作用下洪水淹没影响的析因试验

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水利水运工程学报 2024年第3期 42-51页

作者：黄光玮郭成超蔡华阳田雨赵铜铁钢中山大学南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519000 中国水利水电科学研究院水资源研究所北京100038

地面沉降会加剧沿海地区潮灾风险。基于验证良好的MIKE 21水动力模型预测珠海市未来地面沉降和风暴潮影响下洪水淹没情况,引入并设计析因试验以量化地面沉降和风暴潮对洪水淹没的单独效应、主效应和交互效应。结果表明:珠海市地面沉降... 详细信息

地面沉降会加剧沿海地区潮灾风险。基于验证良好的MIKE 21水动力模型预测珠海市未来地面沉降和风暴潮影响下洪水淹没情况,引入并设计析因试验以量化地面沉降和风暴潮对洪水淹没的单独效应、主效应和交互效应。结果表明:珠海市地面沉降在平沙镇东北至白蕉镇西南呈条带状分布,对洪水淹没存在空间“放大效应”。地面沉降和风暴潮交互作用会加剧鸡啼门水道和泥湾门水道两侧洪水向内陆演进的趋势;与内陆相比,沿岸农田和水产养殖区的淹没对地面沉降更为敏感。交互作用时两个因素的单独效应均增强,二者对洪水淹没存在正向协同交互作用。未来100年地面沉降情景下,地面沉降主效应约为风暴潮主效应的1.11~29.49倍,这表明地面沉降在淹没效应中占主导地位,在预测未来风暴淹没时须考虑地面沉降的影响。

关键词：地面沉降风暴潮洪水淹没析因试验 MIKE 21

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全球气象模型GFDL-SPEAR月降水预报订正与检验

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南水北调与水利科技（中英文） 2024年第1期22卷 56-66页

作者：黄泽青赵铜铁钢田雨吴永妍李波陈晓宏水利部水网工程与调度重点实验室武汉430010 中山大学南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080 中国水利水电科学研究院水资源研究所北京100036 长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430019

由于全球气象模型产生的原始预报通常包含复杂的误差,为评估新一代的GFDL-SPEAR模型对我国各二级水资源区的适用性,构建伯努利-伽马-高斯模型开展统计订正的对比实验,从逐月与累计降水2个方面评估预报的相关性、系统偏差、可靠性以及预... 详细信息

由于全球气象模型产生的原始预报通常包含复杂的误差,为评估新一代的GFDL-SPEAR模型对我国各二级水资源区的适用性,构建伯努利-伽马-高斯模型开展统计订正的对比实验,从逐月与累计降水2个方面评估预报的相关性、系统偏差、可靠性以及预报精度,从而辨析原始预报的误差并分析预报订正的作用。结果表明:GFDL-SPEAR原始预报与观测呈现良好的相关关系,但包含-20%到50%的系统偏差,导致预报可靠性与预报精度较低;伯努利-伽马-高斯模型能够有效订正系统偏差,生成可靠的预报时间序列,使逐月与累计降水的预报精度分别提高约25%和45%;相比总量订正,逐月订正能够进一步提高预报精度。整体上,订正后的GFDL-SPEAR降水预报可为流域水资源调控与防洪抗旱提供6个月乃至1年预见期的重要信息。

关键词： GFDL-SPEAR预报预报订正伯努利-伽马-高斯模型逐月降水累计降水

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考虑台风事件影响的日降水预报检验与订正

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水利水电技术（中英文） 2024年第3期55卷 40-50页

作者：简志健赵铜铁钢田雨吴永研李波陈晓宏水利部水网工程与调度重点实验室广东广州510275 中山大学广东广州510275 中国水利水电科学研究院水资源研究所北京海淀100036 长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430019

【目的】台风带来的强降水常给当地带来洪涝等灾害,在台风事件下提供准确可靠的降水预报是科学研究和业务预报的重要工作。【方法】通过台风路径缓冲区筛选台风场次,检验台风事件和非台风事件分布情况;对美国国家环境预报中心提供的GEFS... 详细信息

【目的】台风带来的强降水常给当地带来洪涝等灾害,在台风事件下提供准确可靠的降水预报是科学研究和业务预报的重要工作。【方法】通过台风路径缓冲区筛选台风场次,检验台风事件和非台风事件分布情况;对美国国家环境预报中心提供的GEFSv12逐日原始降水预报检验数据精度情况,评价原始预报技巧;应用伯努利-伽马-高斯模型对GEFSv12降水预报,在我国粤港澳大湾区格点,设计不同订正方案,在不同降水场景下,评估不同情况下模型订正前后预报性能。【结果】影响我国东南沿海台风登陆时间主要集中于7—9月,台风等级集中在14级以前;台风事件下,利用台风事件样本训练模型订正后预报BIAS接近0,排序概率技巧得分CRPSS平均提高了近15%,α-index相对原始预报提升了约0.16。【结论】伯努利-伽马-高斯模型能有效订正原始预报存在的系统偏差,提高预报的准确性;不同降水场景订正效果有所区别,对出现极值降水较少的非台风事件,订正后效果有更好的表现;台风事件下,利用台风样本训练模型订正效果相对较好,提高了原始预报精度技巧、可靠性,减少预报偏差;订正的效果和相关系数大小有关,相关系数表现好的区域有更好的预报精度技巧得分,经订正后有利于后续水文集合预报应用、模型发展和备灾应灾工作。

关键词：逐日降水台风降水预报订正预报检验预报精度

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Joint probability analysis of water and sediment and predicting sediment load based on copula function

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International Journal of Sediment Research 2022年第5期37卷 639-652页

作者： Haoyu Jin Xiaohong Chen Ruida Zhong Yingjie Pan tongtiegang zhao Zhiyong Liu Xinjun Tu School of Civil Engineering Sun Yat-sen University Guangdong Engineering Technology Research Center of Water Security Regulation and Control for Southern China Sun Yat-sen University Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute Sun Yat-sen University Dongjiang Water Source Project Management Division of Shenzhen

The Jinsha River comprises the upper reaches of the Yangtze River, which is the river section with the highest sediment content. Monitoring of sediment transport in the Jinsha River is done to the guarantee for the normal operation of the Three Gorges Reservoir. In the current study, a copula function was used to do a joint probability analysis of the water and sediment in the Jinsha River Basin(JRB), further a sediment load prediction model based on the copula function also was constructed. The results show that the average annual flow from 2001 to 2018 at the outlet of the Jinsha River(Yibin station) is about60.43 billion m3, and the average annual sediment load is about 58.82 million t. The linear correlation coefficient between annual flow and annual sediment load is 0.28. The best marginal distribution for annual flow and sediment load is Pearson Type Three(PE3) and Generalized Normal(GNO), respectively,and the best fit for the combined distribution of the two variables is the Frank copula function. The synchronous probability of water and sediment occurrence is 0.459, and the asynchronous probability is0.541. Based on the copula prediction model, the sediment load can be effectively simulated, and the correlation coefficient between the simulated sequence and the measured sequence reached 0.93. The current study provides important significance for the analysis of water and sediment in the JRB, which is beneficial to the management of Three Gorges Reservoir sediment discharge in the upstream and downstream.

关键词： Marginal distribution Joint distribution Copula Flow Sediment load Jinsha River Basin (JRB)

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Source of atmospheric moisture and precipitation over China＇s major river basins

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Frontiers of Earth Science 2016年第1期10卷 159-170页

作者： tongtiegang zhao Jianshi zhao Hongchang HU Guangheng NI State Key Laboratory of Hydro-Science and Engineering Department of Hydraulic Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China

Oceanic evaporation via the East Asian Monsoon （EAM） has been regarded as the major source of precipitation over China, but a recent study estimated that terrestrial evaporation might contribute up to 80% of the precipitation in the country. To explain the contra- diction, this study presents a comprehensive analysis of the contribution of oceanic and terrestrial evaporation to atmospheric moisture and precipitation in China＇s major river basins. The results show that from 1980 to 2010, the mean annual atmospheric moisture （precipitable water） over China was 13.7 mm, 39% of which originates from oceanic evaporation and 61% from terrestrial evaporation. The mean annual precipitation was 737 mm, 43% of which originates from oceanic evaporation and 57% from terrestrial evaporation. Oceanic evaporation makes a greater contribution to atmospheric moisture and precipitation in the East Asian Monsoon Region in South and East China than terrestrial evaporation does. Particularly, for the Pearl River and southeastern rivers, oceanic evaporation contributes approximately 65% of annual precipitation and more than 70% of summer precipitation. Meanwhile, terrestrial evaporation contributes more precipitation in northwest China due to the westerly wind. For the northwestern rivers, terrestrial evaporation from the Eurasian continents contributes more than 70% of precipitation. There is a linear relation between mean annual precipitation and the contribution of oceanic evaporation to precipitation, with a correlation coefficient of 0.92, among the ten major river basins in China.

关键词： oceanic evaporation terrestrial evaporation,moisture Wansport East Asian Monsoon westerly wind,Tibetan Plateau

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城市化地区Landsat水体指数适用性分析

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应用基础与工程科学学报 2023年第3期31卷 541-554页

作者：杨振华赵铜铁钢林鸿章陈晓宏南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519000 中山大学土木工程学院广东广州510275 广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心广东广州510275

遥感水体指数是地表生态环境分析的重要基础,在大规模水体提取与水文监测中起关键作用.多种水体指数研究集中于大尺度、短历时、非城市化为主的区域,而对于城市化地区的水体指数适用性问题却一直困扰着城市水体的提取.针对常用水体指数(... 详细信息

遥感水体指数是地表生态环境分析的重要基础,在大规模水体提取与水文监测中起关键作用.多种水体指数研究集中于大尺度、短历时、非城市化为主的区域,而对于城市化地区的水体指数适用性问题却一直困扰着城市水体的提取.针对常用水体指数(TCW、NDWI、MNDWI)和改进的新型水体指数(WI2015、AWEInsh、ANDWI、MBWI、WI2020),搜集深圳市1986~2020年逐月Landsat影像,以建筑阴影、亮建筑、暗建筑、滩涂噪声和山体阴影5种案例区为例,分析不同水体指数在城市地表覆被噪声区的解译能力.结果表明:(1)水体指数的生产者精度与用户精度呈负相关(Otsu阈值),TCW、NDWI、ANDWI、AWEInsh可有效过滤建筑类噪声和山体阴影,但无法识别细小河流水体,MNDWI、WI2015、MBWI、WI2020则相反;(2)光谱变换型和差值型水体指数考虑多波段的绝对值,可分离度较低,适用于高质量影像制图,比值型和逻辑运算型水体指数计算多波段的相对值,更适用于长序列监测;(3)多案例、多时相的案例区抽样验证方法有效突显出水体指数的解译能力和阈值适用性,城市地区NDWI适用性最强,非城市地区WI2020提取精度最高.上述研究为城市水文监测过程的水体指数选取、精度验证提供了一定的理论参考和实践依据.

关键词：水体指数适用性分析 Landsat影像城市化水文监测可分离度阈值

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