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基于贝叶斯模型平均法的分布式水文模型集合模拟

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中国给水排水 2023年第3期39卷 116-122页

作者：李江云代文江张选庆靳天赐武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

基于分布式水文模型的研究现状,分析了分布式水文模型不确定性的影响,以暴雨洪水管理模型(SWMM)为例,介绍了过程集合运用于分布式水文模型以提高模型模拟可靠度的方法,并利用这一方法模拟深圳市龙岗区的两场降雨过程。结果表明,采用纳... 详细信息

基于分布式水文模型的研究现状,分析了分布式水文模型不确定性的影响,以暴雨洪水管理模型(SWMM)为例,介绍了过程集合运用于分布式水文模型以提高模型模拟可靠度的方法,并利用这一方法模拟深圳市龙岗区的两场降雨过程。结果表明,采用纳什效率系数(NS)衡量模型的模拟结果准确度时,选择不同的产流模型会有较大差异,在2018年8月11日场次降雨中,采用Horton模型、Green-Ampt模型、基于贝叶斯模型平均法的集合模拟时NS值分别为0.849、0.834、0.855;在2018年8月15日场次降雨中,采用上述3种模拟方法时NS值分别为0.875、0.879、0.891。集合模拟结果明显优于单一模型,集合模拟结果与实测值的“契合程度”较单一模型有明显提升。

关键词：分布式水文模型集合模拟贝叶斯模型平均法暴雨洪水管理模型(SWMM)

基于集合模拟的汉江上游洪水与滑坡灾害网格化风险评估

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水资源保护 2023年

作者：王晟张珂晁丽君陈国鼎夏怡包红军张春堂河海大学水文水资源学院国家气象中心河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室河海大学长江保护与绿色发展研究院中国气象局水文气象重点开放实验室

基于采用拉丁超立方抽样的集合模拟方法，分析了汉江上游区域洪水与滑坡灾害的危险性，并利用层次分析法计算了6种承灾因子的综合易损度，进而对区域内洪水与滑坡灾害的风险进行评估。结果表明：集合模拟得到的洪水流量过程与实测流量... 详细信息

基于采用拉丁超立方抽样的集合模拟方法，分析了汉江上游区域洪水与滑坡灾害的危险性，并利用层次分析法计算了6种承灾因子的综合易损度，进而对区域内洪水与滑坡灾害的风险进行评估。结果表明：集合模拟得到的洪水流量过程与实测流量过程的相关性大都集中在0.66～0.69之间，滑坡模拟的全局精度在0.80～0.95之间；大部分区域洪水灾害危险度较低，其中极低危险区占94.63%，高危险区以上占0.18%，但滑坡灾害危险度高，高危险区以上占比达到了7.21%；超过80%的区域综合易损度较低，综合易损度等级与人类活动密切相关；洪水灾害风险整体偏低，高风险以上区域占0.1%，滑坡灾害高风险区集中于西南和东部，灾害综合风险空间分布与滑坡灾害风险较为相似。

关键词：洪水与滑坡灾害集合模拟灾害风险分析网格化风险评估

基于CWRF的中国近海热带气旋频数集合模拟研究

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基于CWRF的中国近海热带气旋频数集合模拟研究

作者：史文茹南京信息工程大学

学位级别：硕士

热带气旋是我国沿海夏季遭遇最多的灾害性天气之一,因此热带气旋活动的气候模拟一直是我国气候预报的重要内容。新一代区域气候模型CWRF因其出色的气候模拟技术正开始在中国被推广应用,本研究尝试利用CWRF对中国近海热带气旋的季节、年... 详细信息

热带气旋是我国沿海夏季遭遇最多的灾害性天气之一,因此热带气旋活动的气候模拟一直是我国气候预报的重要内容。新一代区域气候模型CWRF因其出色的气候模拟技术正开始在中国被推广应用,本研究尝试利用CWRF对中国近海热带气旋的季节、年际变化开展集合模拟研究,以期为CWRF用于热带气旋的季节预测提供参考。研究使用区域气候模式CWRF（regional Climate-Weather Research and Forecasting model）在30公里网格上对1982年至2016年发生在中国近海的热带气旋进行一次集合模拟并与ERI再分析资料、控制试验的结果进行比较。分析不同参数化方案对模拟结果的影响并结合环境场讨论该影响出现的原因。模拟由欧洲中心（ECMWF）的ERI再分析资料驱动,共包括28个物理参数化方案,热带气旋观测数据采用联合台风预警中心（JTWC）发布的最佳路径数据,使用GFDL实验室开发的涡旋追踪器（Vortex Tracker）追踪模拟结果中的热带气旋,环境场观测数据采用美国NCEP/NCAR的CFSR再分析资料。主要的研究结果:（1）CWRF模拟的表现:CWRF模型的动力降尺度技术与侧边界处理办法能显著提高ERI的热带气旋频数模拟能力,且集合内各方案综合表现较好,表明CWRF可以开展热带气旋频数的集合模拟。（2）集合模拟的结果:集合平均结果整体优于控制试验的热带气旋频数模拟结果,尤其是对年际变化的模拟,其平均季节变化结果与控制试验的结果相似。通过集合平均模拟能够减少单方案结果的不确定性,并提高模式的热带气旋频数模拟能力。（3）不同参数化方案对模拟结果的可能影响:辐射方案CAM对热带气旋频数的多年平均季节变化和年际变化的模拟能力较好,辐射方案RRTMG对年际变化异常的模拟能力较强,对集合结果提高有帮助;积云方案BMJ、NSAS,微物理方案Lin和辐射方案RRTMG对8月热带气旋频数模拟结果较好,可开展夏季8月的集合模拟。（4）环境场模拟的影响结论:7月西太副高偏西,850h Pa环流异常偏弱不利于热带气旋活动;8月西太副高偏东（西）和850h Pa环流异常偏强（弱）均有利于热带气旋活动;9月,850h Pa环流异常偏南,范围偏小,不利于热带气旋活动;10月的环境场偏差不是导致热带气旋频数误差的主要原因。

关键词：热带气旋集合模拟区域气候模型降尺度

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水文模型不确定性及集合模拟总体框架

水利水电技术 2015年第6期46卷 21-26页

作者：王浩李扬任立良王建华严登华鲁帆中国水利水电科学研究院水资源研究所北京100038 水利部水利水电规划设计总院北京100120 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098

水文过程集合模拟将多种确定性和不确定性方法及物理模型和数值模型进行耦合集成,是当前减少水文过程模拟预报不确定性影响的一种有效方法。本文在回顾水文模型发展历程的基础上,从模型输入、模型参数和模型结构三方面的不确定性出发,... 详细信息

水文过程集合模拟将多种确定性和不确定性方法及物理模型和数值模型进行耦合集成,是当前减少水文过程模拟预报不确定性影响的一种有效方法。本文在回顾水文模型发展历程的基础上,从模型输入、模型参数和模型结构三方面的不确定性出发,剖析了水文模型不确定性的原因,最后对水文过程集合模拟的特点、总体框架及主要方法进行了评述。

关键词：水文模型不确定性集合模拟贝叶斯方法

利用CMIP5多模式集合模拟气候变化对中国小麦产量的影响

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中国农业科学 2014年第15期47卷 3009-3024页

作者：杨绚汤绪陈葆德田展赵思健南京信息工程大学大气科学学院上海市气象局中国气象局上海台风研究所上海市气候中心中国农业科学院农业信息研究所

【目的】利用最新的国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中30个全球大气-海洋耦合模式(AOGCMs)在典型浓度路径(RCPs)情景下的气候预估结果,基于集合模拟的方法评估气候变化对中国未来小麦产量的影响。【方法】气候变化对农业的影响评... 详细信息

【目的】利用最新的国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中30个全球大气-海洋耦合模式(AOGCMs)在典型浓度路径(RCPs)情景下的气候预估结果,基于集合模拟的方法评估气候变化对中国未来小麦产量的影响。【方法】气候变化对农业的影响评估通常基于未来逐日的气象资料,然而AOGCMs模拟的逐日数据存在较大的不确定性。利用"虚拟气候变暖"(PGW)的方法,将CMIP5模式预估的未来气候变化的信号与当前气候的逐日站点观测资料相结合,得到未来气候预估的逐日数据集合。结合作物过程模型CERES-Wheat,利用集合模拟的方法,以概率的形式量化表述气候变化对中国小麦产量影响的不确定性。【结果】未来中国冬春小麦代表站在其小麦生育期内的平均气温均有升高。预估21世纪末期,冬小麦代表站平均增温2.7—2.9℃,春小麦代表站平均增温3.0—3.3℃。RCP8.5情景比RCP2.6情景增温显著。预估未来冬、春小麦在其生育期内的降水量普遍增加,并随着排放量的增长,降水量表现出逐渐增多的趋势。在仅改变未来气候变化的条件下,冬、春小麦的灌溉小麦单产相对于1996—2005年普遍减产,并且随着气候变化,灌溉小麦的减产概率上升。春小麦代表站在灌溉条件下小麦减产的程度比冬小麦代表站更显著。预估到21世纪末期,冬小麦代表站在RCP2.6情景下减产2%左右,在RCP4.5情景下减产6%左右,在RCP8.5情景下减产9%左右,减产概率超过85%。预估春小麦代表站在RCP2.6情景下减产5%,在RCP4.5情景下减产8%以上,在RCP8.5情景下减产15%以上,减产概率超过90%。在雨养条件下,冬小麦代表站的小麦单产相较于1996—2005年显著增产。预估到21世纪末期,冬小麦代表站在RCP2.6情景下增产21%以上,在RCP4.5情景下增产22%以上,在RCP8.5情景下增产25%以上,增产概率超过90%。【结论】利用PGW方法获得未来气候预估的逐日数据集合有效的保留了当前气候的天气信息,尤其是极端天气事件的信息。利用集合模拟的方法评估未来气候在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下对中国小麦单产的影响,表明在灌溉条件下,随着排放量的增加,气候变化导致中国小麦单产减产的概率逐渐上升。雨养小麦单产集合的不确定性较灌溉条件大。

关键词： CMIP5 小麦产量集合模拟概率评估气候变化

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基于集合模拟的滦河流域水资源演变归因研究

基于集合模拟的滦河流域水资源演变归因研究

作者：董国强东华大学

学位级别：硕士

水循环系统是气候系统的重要组成部分,而气候变化必然引起流域水资源的时空变化。随着人口的不断增长和社会经济的快速发展,气候变化和人类活动对水文水资源的影响日益突出。量化分析气候变化和人类活动对流域水文水资源的影响,对认知... 详细信息

水循环系统是气候系统的重要组成部分,而气候变化必然引起流域水资源的时空变化。随着人口的不断增长和社会经济的快速发展,气候变化和人类活动对水文水资源的影响日益突出。量化分析气候变化和人类活动对流域水文水资源的影响,对认知水资源演变规律和实现水资源可持续利用发展具有重要的实践意义。本文以滦河流域为研究区,结合水均衡模型与SWAT流域水循环模型深入研究了流域水循环演变规律,就气候变化和人类活动分项量化,以及对流域水资源模拟结果中的不确定问题进行研究,取得主要研究成果如下： 1957～2000年滦河流域的天然径流总体上呈减小趋势,降水与潜在蒸发量也呈现出减小的趋势。其中,径流量与降水量的5年滑动平均过程线表现出了较好的一致性,说明降水的变化是影响径流变化的一个重要因素。通过使用降水-径流双累积曲线和滑动t-检验对天然径流序列(1957～2000年)突变点进行检测发现,1979年为全流域天然径流序列发生显著突变的年份,并以1979年为突变点,把其划分为基准期(1957～1979年)和变化期(1980～2000年);而对于1972～2000年的径流序列,1989年可以作为其突变点,并把其划分为两个阶段,即1972～1988年与1989～2000年。本文阐述了SWAT模型的结构和原理,构建了模型所需水文气象、土地利用以及土壤等数据库,通过实例验证说明SWAT模型能够较好的适应滦河流域。同时,对于任意一个封闭流域,以能量平衡与水量平衡原理为基础,应用水热耦合理论构建了基于傅抱璞公式的水均衡模型,并通过验证说明其在滦河流域有较好的适用性。为降低水文模拟的不确定性,开展了多模式多模型的集合模拟研究。通过比较发现,对于滦县水文站径流的模拟,SWAT模型的模拟精度高于水均衡模型。分别用基于集对分析、熵权法与多元线性回归的组合模型对1972～2000年滦县水文站天然径流进行模拟,其中,基于多元线性回归组合模型的模拟曲线与实测值曲线的吻合度最高,其模拟效果最佳。通过径流变化来间接识别气候变化和人类活动影响,从流域水循环角度来讲是合理可行的,径流是流域水循环产汇流过程的终端,可方便进行实际观测,能够直观反映气候变化和人类活动对水资源的影响变化。采取分别固定气候因子与土地利用/覆被变化因子的方法,将模拟情景分别输入SWAT模型与水均衡模型。然后,应用基于多元线性回归组合模型对相应模拟情景的天然径流进行集合模拟,并用集合后的模拟结果计算气候变化与土地利用变化对天然径流的影响程度。结果显示,气候变化是造成1972～2000年滦县水文站天然径流减少的主导因素。

关键词：气候变化人类活动水文模型集合模拟归因识别

硝酸盐气溶胶模拟的不确定性量化与关键不确定性来源识别

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硝酸盐气溶胶模拟的不确定性量化与关键不确定性来源识别

作者：于凯阳暨南大学

学位级别：硕士

硝酸盐气溶胶是PM的重要组分,且其在PM中的占比随着人为源NO、NH排放量的上升,SO排放量的下降而逐渐上升。由于容易受到模型输入参数和模型结构不确定性的影响,硝酸盐气溶胶模拟仍然存在较大偏差。然而,目前缺乏利用定量不确定性分析诊... 详细信息

硝酸盐气溶胶是PM的重要组分,且其在PM中的占比随着人为源NO、NH排放量的上升,SO排放量的下降而逐渐上升。由于容易受到模型输入参数和模型结构不确定性的影响,硝酸盐气溶胶模拟仍然存在较大偏差。然而,目前缺乏利用定量不确定性分析诊断硝酸盐模拟的研究,硝酸盐模拟关键不确定性来源尚未明确,并且现有的气溶胶模拟不确定性研究也仅考虑模型输入参数不确定性对模拟的影响而忽略了模型结构不确定性的影响,这可能遗漏模型模拟的重要不确定性来源。针对以上问题,论文搭建了WRF/SMOKE-PRD/CMAQ模拟系统,基于敏感性和不确定性分析,通过集合模拟和基于简化模型的蒙特卡罗相结合的不确定性传递方法诊断模型输入参数和模型结构不确定性对珠三角硝酸盐模拟的影响,并识别其模拟的关键不确定性来源。主要研究结果如下:1)模型结构中不同NO非均相机制、气溶胶化学机制和CMAQ版本对硝酸盐模拟有明显影响,气相化学机制对硝酸盐模拟的影响则较弱;2)NO排放、NH排放、边界条件O浓度、温度和风速是影响硝酸盐模拟的重要敏感性输入参数;3)珠三角模型输入参数不确定性对硝酸盐模拟不确定性贡献为70.12%,模型结构不确定性对硝酸盐模拟不确定性贡献为29.88%。与输入参数、模型结构不确定性相关的硝酸盐模拟不确定性范围能够覆盖70.08%的观测数据,且白天硝酸盐模拟不确定性相比夜晚更大;4)风速、温度、NH排放和边界条件O浓度是珠三角硝酸盐模拟关键输入参数不确定性来源,其不确定性贡献比例分别为31.26%、22.45%、21.72%和20.65%,CMAQ版本、NO非均相机制、气溶胶机制对珠三角硝酸盐模拟不确定性贡献比例分别为52.68%、30.36%和16.96%。由于硝酸盐昼夜生成方式不同,不同模型输入参数和模型结构不确定性对硝酸盐模拟不确定性贡献存在明显昼夜差异。白天,NH排放、温度、CMAQ版本、气溶胶机制对硝酸盐模拟影响增大;夜晚,风速、边界条件O浓度、NO非均相机制对硝酸盐模拟影响增大;5)总体上,降低风速、NH排放和边界条件O浓度模拟的不确定性并选取最佳CMAQ版本和NO非均相机制能够提高硝酸盐模拟准确性。重点降低白天硝酸盐模拟不确定性,即降低风速、NH排放和温度不确定性并选取最佳CMAQ版本、气溶胶机制能够更有效改善硝酸盐模拟效果。

关键词：硝酸盐模拟集合模拟简化模型模型结构敏感性分析不确定性分析

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长江上游近61年来水文干旱演变特征及归因

水力发电学报 2024年第2期43卷 33-45页

作者：李帅曾凌熊斌曹瑞龚文婷朱文丽中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心湖北宜昌443133 长江水利委员会水文局武汉430010 南昌大学工程建设学院南昌330031

水文干旱受气候变化和人类活动的共同影响,揭示变化环境下水文干旱演变特征及驱动机制,有助于提高防旱抗旱能力。基于长江上游1960—2020年长系列气象水文数据,采用多模型集合模拟重建天然径流并计算标准化径流指数,采用广义可加模型构... 详细信息

水文干旱受气候变化和人类活动的共同影响,揭示变化环境下水文干旱演变特征及驱动机制,有助于提高防旱抗旱能力。基于长江上游1960—2020年长系列气象水文数据,采用多模型集合模拟重建天然径流并计算标准化径流指数,采用广义可加模型构建时变标准化径流指数,通过指数对比定量区分气候变化和人类活动对水文干旱的影响。结果表明:长江上游水文干旱自然演变总体呈加剧态势,人类活动进一步加剧了旱情;长江上游水文干旱演变驱动因子表现出明显的时空差异,气候变化是金沙江、沱江和乌江流域年尺度水文干旱演变的主导因子,人类活动是岷江、嘉陵江和整个上游流域年尺度水文干旱演变的主导因子,季节尺度主导因子与年尺度并不完全一致。

关键词：水文干旱气候变化人类活动集合模拟非一致性长江上游

区域环境系统集成模式对1997/1998年夏季中国两个极端气候事件模拟能力分析

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气象学报 2010年第3期68卷 325-338页

作者：赵得明符淙斌中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室北京100029

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力... 详细信息

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力,利用降水和气温(2 m)观测资料检验RIESM2.0不同物理过程和初始条件集合模拟1997/1998年夏季中国华北地区高温干旱和长江流域洪涝两个连续极端气候事件的能力(连续积分时间(1997年3月1日—1998年8月31日)共18个月),比较模拟和观测的1997/1998年夏季降水和气温。集合模拟结果表明RIEMS2.0能很好模拟1997/1998年夏季降水和气温及其两年差值分布;模拟和观测的日降水和平均气温结果有很好的相关性,但是降水模拟总体高估,干旱和江淮及江南区气温模拟偏高而半干旱和湿润区气温模拟偏低。在不同物理过程集合模拟中,虽然集合平均距平相关系数(ACC)和均方根误差(RMSE)并不是优于所有集合成员值,但集合模拟能减小模式的不确定性,在一定程度上提高模拟精度。不同显式水汽方案和积云参数化方案对降水、气温模拟效果表现出很好的一致性,湿润区一致性最好。因此,RIEMS2.0模拟能揭示1997/1998年两个连续极端气候事件夏季降水和气温空间分布,反映不同子区域降水和气温分布特征,各集合成员的模拟结果存在差异的同时也保持了很好的稳定性,选择合适的物理过程可以提高模式对区域气候的模拟能力。

关键词： RIEMS2.0 模拟能力集合模拟极端气候事件区域气候模式