多卫星降水产品在环渤海地区的精度评价

降水是全球能量和水循环中的重要变量之一,降水资料的精度对洪旱灾害的监测与预报、水资源管理等至关重要.本文利用环渤海地区1998—2014年55个气象站点的逐日降水数据,分别从日、月尺度对TRMM 3B42、CMORPH、PERSIANN 3种卫星降水产品进行精度评价,并对其季节差异进行分析.结果表明: 总体上,TRMM 3B42 V7的精度最高,PERSIANN精度最低,但CMORPH对日降水事件的探测成功率(0.69)最高;3B42略高估算了日降水量,其他两者则对日降水量存在低估.春、夏、秋季各卫星降水产品对降水的成功探测率高于冬季,且相关系数、均方根误差等指标随季节变化明显.3种卫星降水产品的月尺度估算精度优于日尺度,其中对日降水量的估算精度较低,特别是明显低估了暴雨事件的实际降水量.本研究为卫星降水产品在环渤海地区降水估算及其在气候与水文模拟和预测中的应用提供了依据和支持.     

基于地理加权回归克里格的日平均气温插值

气温是大量农业、水文、气候、生态模型的输入变量.在地形复杂的区域,考虑气温与环境变量的线性回归关系和残差的自相关性的方法(如回归克里格法,regression Kriging,RK)是目前气温插值的主要方法.但此类方法多使用基于普通最小二乘的全局回归技术,没有顾及回归关系的空间非平稳性.地理加权回归克里格(geographically weighted regression-Kriging,GWRK)是一种既能顾及回归关系的空间非平稳性、又能考虑残差的自相关性的一种插值方法.本文用RK和GWRK对海南岛2013年12月18日的日平均气温进行插值并进行比较研究.依相关性分析和逐步回归分析的结果,采用RK1(以海拔为辅助变量)、GWRK1(以海拔为辅助变量)、RK2(以纬度、海拔、海陆距离为辅助变量)和GWRK2(以海拔、海陆距离为辅助变量)4种模型进行研究,并用80个验证站评估4种模型的精度.结果表明:GWRK1模型的最大正误差、最大负误差、平均绝对误差、均方根误差均最接近于0.从最大正误差、平均绝对误差、均方根误差3个指标看,考虑更多辅助变量的RK2、GWRK2模型反而不及只考虑海拔的RK1、GWRK1模型,表明RK2、GWRK2模型中辅助变量之间的相关性对插值结果有较大影响.     

卫星土壤水分产品在青藏高原地区的适用性评价

为了分析土壤水分产品在青藏高原地区的可靠性和适用性,利用青藏高原地区地下5 cm深度的地面实测土壤水分数据,结合多种评价指标（相关系数R、均方根误差RMSE、偏差Bias和无偏均方根误差ubRMSE）对土壤水分主动-被动探测卫星（SMAP）、高级微波扫描辐射计2（AMSR2）、风云三号（FY-3B）土壤水分产品,从时间和空间两个方面进行了适用性研究。结果表明：（1）土壤水分产品均能反映青藏高原的土壤水分变化,在降水较多的季节,三种产品精度均有不同程度的下降。（2）土壤水分产品在夏季和秋季反演效果好于冬季和春季,并且在秋季与实测值更接近。其中,SMAP产品在各个区域都能反映土壤水分的季节变化趋势,并普遍在夏季高估、冬季低估;AMSR2产品在夏季低估,冬季明显高估;FY-3B产品在夏季普遍低估。（3）土壤水分产品在那曲和狮泉河地区反演结果较好,在那曲地区与实测值相关性最高;在玛曲地区表现出较大的不确定性,虽然相关系数较高,但RMSE和Bias同样较高,整体精度较差;SMAP产品在阿里地区满足目标精度。综合来看,SMAP产品在青藏高原地区反演结果较为稳定,受气候和环境的影响较小,具有相对较大的R和较小的RMSE和Bias。     

降雨量变化对樟子松生理生态特性的影响

全球气候变化背景下大气环流及水文循环的改变,可导致区域降雨格局变化,作用于区域陆地生态系统物质循环与能量流动过程,从而影响植物群落对降水量变化的生理生态响应.以科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工林为对象,设置野外降雨变化实验样地(天然降雨(CK)、降雨量减少30％(-30％)、降雨量增加30％(+30％)3种处理)、选择2个不同的生长季降雨格局( DRY-236 mm、WET-357 mm),研究生长季樟子松针叶的光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)、SOD活性以及生长变化,分析降雨变化对樟子松人工林的影响.结果表明,樟子松针叶光合、蒸腾速率和水分利用效率与降雨量呈正相关,降雨量变化对樟子松生理生态特征产生显著影响,其中生长季水分胁迫对樟子松生长的影响存在滞后效应,樟子松针叶N含量的变化可反映不同水分变化与土壤养分有效性共同作用模式.     

六盘山华山松(Pinus armandii)林降雨再分配及其空间变异特征

利用2004和2005年生长季(6～9月份)六盘山自然保护区的香水河小流域内华山松天然林的穿透降雨、树干径流和冠层截留量观测资料,通过对华山松林降雨再分配特征和穿透降雨空间变异及其影响因素的综合分析,所得结果表明华山松天然林的穿透降雨量、树干径流量和冠层截留量,分别占大气降雨量的84.34%、0.72%和14.94%.穿透降雨在林内具有较大的空间变异,其变异程度随降雨量的增加而减小,冠层对穿透降雨具有一定的聚集效应,降雨量越高时效应越明显; 华山松冠层结构特征是影响穿透降雨的重要因素, 叶面积指数、冠层覆盖度、冠层厚度及距树干的距离等都会影响穿透降雨的空间分布,其中以叶面积指数的影响最大.由分析结果可知,冠层结构特征是决定大气降雨再分配和空间变异的重要生态因素之一.     

六盘山华北落叶松林下穿透雨空间变异特征

受林冠截持影响后形成的林下穿透雨的数量和空间分布会影响林地的入渗、产流、蒸发等水文过程和林木生长及枯落物分解等生态过程,因而精细的森林水文功能评价和森林生态系统经营都需要准确描述林下穿透雨的空间变异规律。在宁夏六盘山香水河小流域设立了面积为30 m×30 m的华北落叶松人工林样地,均匀布设了40个截面面积230.58 cm2的雨量收集器,测定了2015年生长季(5—10月)34次降雨事件的穿透雨量。结果表明,研究期间林外总降雨量567.0 mm,林下总穿透雨量483.5 mm,占同期雨量的85.3%。随着次降雨量增加,林内次穿透雨率呈现先快速增加后趋于稳定的变化。穿透雨量在林内存在较大空间变异,其变异程度随次降雨量增加先快速下降后趋于稳定。林下穿透雨空间分布受树木特征(穿透雨收集器上方的林冠叶面积指数和冠层厚度、穿透雨测点离最近树干的距离)的影响,且其影响随次降雨量大小而变,当次降雨量10 mm时,穿透雨量与叶面积指数显著负相关;当次降雨量在10—20 mm时,穿透雨量与距最近树干距离显著正相关,与冠层厚度显著负相关;当次降雨量20 mm时,穿透雨量与3个树木特征均不显著相关。考虑到研究区次降雨量集中在0—10 mm,在95%或90%的置信区间下,若将测定的次穿透雨数值误差控制在10%以内时,在30 m×30 m样地内至少需布设13或9个本研究所用大小的收集器;满足次穿透雨数值误差在5%以内时,至少需布设26或23个这样的收集器。     

长白山阔叶红松林降雨截留量的估算

林冠截留降雨过程是森林流域水分循环的重要组成部分,以往的研究多为1次或多次降雨量与截留量的关系,很少考虑雨强和树木特征.文中利用林冠截留降雨半经验半理论模型,以雨强和叶面积指数为模型输入,林冠湿润程度为参数,结合Penman-Monteith公式,有效地模拟了长白山阔叶红松林次降雨的截留过程和2004年5～9月的林冠截留总量.结果表明,研究期间的林冠截留总量为39.96 mm,占降雨总量的10.2%,与实测资料吻合.根据模拟结果,探讨了不同时间尺度上截留量与降雨量之间的关系,随着时间尺度的增大,截留量与降雨量的相关关系趋于明显.     

单株华北落叶松树冠穿透降雨的空间异质性

森林与水的关系是生态学和水文学研究的核心问题之一,为了研究降雨通过华北落叶松树木冠层后的空间分异规律,并合理确定准确测定穿透降雨所需的雨量筒数量及位置,2005年生长季在一株样树冠层下按离开树干的位置机械布置了32个雨量筒,测定了11场不同降雨事件的穿透降雨量,并利用传统统计学与地统计学方法分析了叶面积指数和穿透降雨的空间变异性规律.结果表明,树冠的叶面积指数在不同方向上具有空间变异性,随离开树干的距离增大而减小;穿透降雨率与叶面积指数呈负相关性,且随降雨量增大相关性减弱;穿透降雨率半方差函数分析结果表明,基台值C＋C0随降雨量增大而减小,C0/（C＋C0）随降雨量的增大而增大,分维数D随降雨量的增大而增大,随降雨强度的增大而先增大后减小,这说明较小降雨量时,冠层结构是引起穿透降雨率空间变异的主要因素;降雨量较大时,冠层结构的影响减弱,其空间分布差异主要受随机因素影响;通过Kriging插值法绘制的树冠下穿透降雨空间分布图表明,树冠下存在着穿透降雨的最小区域和有汇集降雨作用的＂漏斗＂区域,最小区域一般在树干偏东南或南方向,而降雨汇集区域多不固定.在比较了不同雨量筒布设方案的穿透降雨变化后发现,在距离树干1/2冠幅半径的同心环上至少布设内径不小于9cm的5个雨量筒时,测定的穿透降雨量可基本接近整个树冠下的穿透降雨量平均值.     

辽宁东部山区落叶松人工林林冠降雨截留观测及模拟

利用2005-2008年辽东山区落叶松人工林林冠降雨截留观测数据,并选取Gash解析模型模拟林冠截留过程.结果表明：落叶松人工林林内穿透雨量与林外降雨量呈显著正相关关系(R²=0.98),年均穿透雨量占总降雨量的77.64%;林冠截留量与降雨量和降雨强度之间呈正相关关系;除2007年由于降雨间隔时间短导致模拟截留量大于实测截留量外,模型模拟的林冠截留量均小于实测林冠截留量;模型模拟的绝对误差与林外降水量呈负指数相关,为1.26%～68.96%,平均值为29.09%;模拟值与实测值之间的相关系数为0.91,模型模拟结果与实测结果相吻合.     

重庆典型地区大气湿沉降氮的时空变化

验连续3a采集雨样研究了重庆市郊区和林区大气湿沉降氮的时空变化.结果表明,重庆市近郊区、远郊区和林区3个采样点雨水总氮浓度范围为(3.94±0.50)～(4.56±1.01)mg L-1,平均(4.27±0.73)mg L-1.NH+4-N、NO-3-N和DON占TN百分比例分别为44.9%、27.4%和27.5%.降雨中NH+4-N对氮沉降量的贡献率最大.在时间尺度上,不同季节降雨中氮浓度呈现明显的季节性差异,以冬季最高,依次是夏季、春季和秋季.在空间分布上,近郊区、远郊区和林区的TN平均浓度分别为4.56 mg L-1、4.32 mg L-1和3.94 mg L-1,从近郊区到林区有逐渐降低的趋势.降雨中的NH+4-N、NO-3-N、DON和TN浓度与降雨量无显著相关性.但是,降雨量与氮沉降量呈显著正相关.大气氮湿沉降时空差异与降雨量和氮排放直接相关.重庆市随降雨到达地面的氮沉降量较高,远远超过了水体负荷的临界值,可能对三峡库区的水资源产生不利影响.     

云南省烤烟需水量及灌溉需求指数的时空特征

基于云南省124个农业气象站点1977—2010年逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman Monteith公式,计算不同时空条件下云南省烤烟生育期的需水量和灌溉需求指数,分析云南省烤烟需水量和灌溉需求指数的时空特征和变化规律.结果表明： 研究期间,云南省烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田生育期需水量分别为76.73～174.73、247.50～386.64、180.28～258.14和528.18～764.08 mm,以旺长期需水量最高;平均灌溉需求指数分别为-0.02、0.38、0.17和0.26,伸根期有效降雨量可以满足烤烟需求.云南省烤烟需水量呈逐年减少趋势,各生育期需水量气候变化趋势分别为-12.42、-21.46、-7.17和-47.15 mm·(10 a)^-1.各生育期及大田生育期灌溉需求指数最小的地区为德宏,最大的为迪庆;大田生育期灌溉需求指数是负值的3个地区为德宏、西双版纳和普洱.参考作物蒸散量、需水量和有效降水量随纬度的升高而减少,而灌溉需水量和灌溉需求指数却随纬度的升高而加强;有效降水量随海拔的升高而减少,灌溉需水量和灌溉需求指数随海拔的升高而增加.     

1961-2010年中国东部林区降水的完整日值序列建立与变化特征

高精度地对各气象站缺测降水资料进行插补,从而获得完整序列的降水资料,对于提高气候变化影响分析的时空精度具有十分重要的意义.本文利用空间相关和逐步回归法,对东部林区月内有单日缺测或不多于7 d缺测的降水资料进行插补,最终建立了853个站自1961-2010年完整序列的降水资料.在此基础上,应用趋势分析法,分析了1961-2010年降水量、降水日数和极端降水事件的变化特性.结果表明： 1961-2010年,研究区年降水量略呈不显著增加趋势,倾向率为5.58 mm·(10 a)^-1,年代际变化明显;年降水日数呈显著减少趋势.极端降水日数和极端降水量呈显著上升趋势,倾向率分别为0.12 d·(10 a)^-1、10.22 mm·(10 a)^-1.尤其是20世纪90年代以后,该区极端降水事件明显偏多偏强,极端降水量对总降水量的比率也呈显著增加趋势.极端降水日数和极端降水量均在1993年发生突变.     

基于SWAT模型的流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响

选用国内外广泛应用的SWAT分布式水文模型,定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响,采用情景模拟分析方法设置3类情景进行定量分析.对上中下游的温泉、太平场和南岗3个水文站依次校正与验证得出：除温泉站在验证期的3个系数刚达标之外,其他的相对误差＜15%、相关系数＞0.8、Nash Sutcliffe效率系数＞0.75,说明SWAT模型在流溪河流域的径流量模拟中具有较高的适用性.综合型情景模拟分析得出：以1991-2000年为基准期,2001-2010年土地利用与气候变化综合引起年均径流量增加11.23 m³·s^-1,土地利用变化引起年均径流量减少0.62 m³·s^-1,气候变化引起年均径流量增加11.85 m³·s^-1,气候变化的影响强度强于土地利用变化的影响强度.极端土地利用情景模拟分析得出：与2000年土地利用现状模拟径流量相比,耕地情景和草地情景的径流量分别增加2.7%和0.5%,林地情景的径流量减少0.7%,证明林地有一定的截流能力.气候变化情景模拟分析得出：流域径流量变化与降水变化呈正相关关系（降水每升高10%,径流平均增加11.6%）,与气温变化呈负相关关系（气温每升高1 ℃,径流平均降低0.8%）,降水变化的影响强度强于气温变化的影响强度.在气候变化环境下,需要重视对强降雨的预测和灾害预防,可通过优化土地利用结构与空间布局来减缓气候变化带来的水文负效应,如洪涝灾害.     

1961—2010年安徽省参考作物蒸散时空变化特征及成因

基于联和国粮农组织推荐的Penman Monteith公式和60个台站1961—2010年逐日气象观测资料,估算了安徽省的参考作物蒸散量(ET₀),在对ET₀空间分布特征和时间演变规律进行分析的基础上,定量探讨了安徽省影响ET₀变化的主导因素.结果表明: 研究期间,安徽省ET₀的年平均值约为878.58 mm·a^-1,夏季最大,冬季最小.年平均ET₀呈现由北向南、由低海拔向高海拔递减的空间分布特征.ET₀的变化主要归因于日照时数和风速,而气温和相对湿度的作用较小.由于日照时数和风速的共同负贡献明显超过气温和相对湿度的共同正贡献,导致安徽省ET₀整体上以-1.61 mm·a^-1的速率显著下降.ET₀在春季呈不显著的微弱上升趋势;夏季ET₀以-1.37 mm·a^-1的速率显著下降;秋、冬季的ET₀微弱下降,但趋势不显著.春、秋、冬季ET₀变化的主导因子是风速;夏季的主导因子是日照时数.ET₀变化的主导因子存在明显空间差异.有36.7%站点的年平均ET₀变化的主导因子是风速,主要分布在淮北南部和沿淮地区;其他大部分地区的主导因子都是日照时数.
     

Spatio-Temporal Analysis of the Accuracy of Tropical Multisatellite Precipitation Analysis 3B42 Precipitation Data in Mid-High Latitudes of China

Satellite-based precipitation data have contributed greatly to quantitatively forecasting precipitation, and provides a potential alternative source for precipitation data allowing researchers to better understand patterns of precipitation over ungauged basins. However, the absence of calibration satellite data creates considerable uncertainties for The Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA) 3B42 product over high latitude areas beyond the TRMM satellites latitude band (38°NS). This study attempts to statistically assess TMPA V7 data over the region beyond 40°NS using data obtained from numerous weather stations in 1998–2012. Comparative analysis at three timescales (daily, monthly and annual scale) indicates that adoption of a monthly adjustment significantly improved correlation at a larger timescale increasing from 0.63 to 0.95; TMPA data always exhibits a slight overestimation that is most serious at a daily scale (the absolute bias is 103.54%). Moreover, the performance of TMPA data varies across all seasons. Generally, TMPA data performs best in summer, but worst in winter, which is likely to be associated with the effects of snow/ice-covered surfaces and shortcomings of precipitation retrieval algorithms. Temporal and spatial analysis of accuracy indices suggest that the performance of TMPA data has gradually improved and has benefited from upgrades; the data are more reliable in humid areas than in arid regions. Special attention should be paid to its application in arid areas and in winter with poor scores of accuracy indices. Also, it is clear that the calibration can significantly improve precipitation estimates, the overestimation by TMPA in TRMM-covered area is about a third as much as that in no-TRMM area for monthly and annual precipitation. The systematic evaluation of TMPA over mid-high latitudes provides a broader understanding of satellite-based precipitation estimates, and these data are important for the rational application of TMPA methods in climatic and hydrological research.     

未来气候变化对河南省冬小麦需水量和缺水量的影响预估

采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算有效降水量,应用Penman-Monteith模型和作物系数法计算需水量,在对河南省1981—2010年冬小麦生育期内有效降水量、需水量和缺水量分析的基础上,结合《排放情景特别报告》的两种排放情景A2(强调经济发展)和B2(强调可持续发展)预估的未来气候情景,探讨了未来气候情景下河南省冬小麦的有效降水量、需水量和缺水量的时空演变规律及其主要气候影响因素.结果表明: 从整体上看,相对于基准时段(1981—2010年),A2和B2情景下,不同时段冬小麦全生育期的有效降水量、需水量和缺水量均表现出增加趋势,有效降水量均以2030s时段增加最多,分别增加33.5%和39.2%;需水量均以2010s时段增加最多,分别增加22.5%和17.5%,年代间呈现明显递减趋势;缺水量在A2情景下以2010s时段增加(23.6%)最多,B2情景下以2020s时段增加(13.0%)最多.偏相关分析表明,A2和B2情景下,太阳总辐射是影响河南省冬小麦需水量和缺水量变化的主要气候因素.由于地理环境和气候条件的差异,不同时段河南省冬小麦全生育期有效降水量、需水量和缺水量的距平百分率在空间分布上具有差异.未来河南省水资源可能更趋于短缺.     

气候变化对宁夏固原地区胡麻发育进程和产量的影响

基于观测数据分析了宁夏固原地区平均温度和降水的年际变化,探讨了气候变化对当地胡麻发育进程和产量的影响状况.结果表明： 1957—2012年,固原地区年均气温呈上升趋势,年降水量呈下降趋势,气候倾向率分别为0.3 ℃·(10 a)^-1、-20 mm·(10 a)^-1;胡麻生长季平均温度的上升趋势更明显,降水的下降趋势则与年趋势类似.气温升高和降水减少加快了胡麻的发育速度,导致其生育期天数呈显著减少趋势.胡麻播种至出苗期温度每上升1 ℃,出苗期提前0.7 d;出苗至二对针叶期,温度每上升1 ℃,发育天数缩短0.8 d,降水量每减少1 mm,发育天数缩短0.1 d;工艺成熟至成熟期温度每上升1 ℃,成熟期提前1.8 d,降水量每减少1 mm,成熟期提前0.1 d.胡麻营养生长阶段平均温度升高、降水减少使发育加速是胡麻产量逐年降低的主要原因之一;生殖生长阶段温度升高会抑制花芽分化及正常授粉,对蒴果数和结实率产生影响而导致产量降低.调整胡麻品种种植布局、扩大中晚熟或晚熟品种比例是当地减少气候变化影响的重要措施.     

华北地区油松林生态系统对气候变化和CO2浓度升高的响应——基于BIOME-BGC模型和树木年轮的模拟

应用BIOME-BGC模型和树木年轮数据模拟1952-2008年华北地区典型油松林生态系统净初级生产力（NPP）动态,探究了树木径向生长和NPP对区域气候变暖的响应以及未来气候情景下油松林生态系统NPP动态变化.结果表明：1952-2008年,研究区油松林生态系统NPP波动于244.12～645.31 g C·m^-2·a^-1,平均值为418.6 g C·m^-2·a^-1.5-6月的平均温度和上年8月至当年7月的降水是限制该地区油松径向生长和油松林生态系统NPP的主要因子.研究期间,随着区域暖干化趋势的加强,树木径向生长和生态系统NPP均呈下降趋势.未来气候情景下,NPP对温度和降水的单独和复合变化的响应为正向.CO₂浓度升高有利于油松林生态系统NPP的增加,CO₂的施肥效应使NPP增加16.1%.在生态系统和区域水平,树木年轮是一种理想的指示生态系统动态变化的代用资料,可以检验和校正包括BIOME-BGC模型在内的各种生态系统过程模型.     

基于序贯高斯模拟的日最低气温空间不确定性评估

明确日最低气温对于评估低温对作物的危害、指导人们及时采取补救措施、保障粮食安全具有重要意义.克里格是近地面温度场插值的主流方法,但其平滑效应会导致低值区域被过高估计而高值区域被过低估计.对2011年12月12日冷空气影响下的海南岛日最低气温,采用交叉验证法评估了普通克里格和带漂移的克里格两种插值法的预测精度;并对克里格插值法和序贯高斯模拟法产生的当日海南岛最低气温的空间分布进行对比分析.结果表明：带漂移克里格法的预测精度（r=0.86）并不显著优于普通克里格法（r=0.86）;序贯高斯模拟能产生多个等概率的符合数据整体分布和方差函数的模拟结果,模拟结果克服了克里格插值的平滑效应,能够比克里格插值更加真实地反映当日最低气温的空间分布;在低温区域,气温变化小,序贯高斯模拟结果的条件方差小于普通克里格方差;潜在寒害区的空间不确定性能够通过多个序贯高斯模拟实现并加以量化.序贯高斯模拟在低温导致农业气象灾害的评估中具有较高的应用价值.