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行业专项成果综述-黄河流域短期气候、水文集成预测方法研究

发布者:张洁   来源:   发布时间:2017/6/29 14:49:02   标签:   浏览次数:1471

项目编号GYHY201006038

研究周期20109月—201312

国拨经费388万元

项目负责人】李栋梁

项目骨干成员】柳艳菊 刘绿柳 王慧 康丽莉 张杰 张善强 王文 宋文玲 刘长征

项目承担单位】南京信息工程大学

项目协作单位】国家气候中心、浙江省气象科学研究所、河南省气候中心、西北区域气候中心

主要研究成果

本项目利用实测气象、水文长序列资料,开展黄河流域气候、水文变化事实、水循环要素演变规律的统计诊断研究;进行黄河流域气候、水文变化的机制研究;利用多个在东亚地区有较强模拟能力的全球气候模式,开展黄河流域气候、水文未来变化的多模式集成模拟与预测研究;进行气候模式降尺度方法与水文模式的耦合试验,以建立黄河流域气候、水文多因子、多方法预测业务系统并开展业务应用。建立黄河中游流域单元气候、水文资料数据集;提出影响黄河中游流域短期气候—水文变化的强信号;形成黄河中游流域单元短期气候—水文预测方法。

一、主要成果有:

1. 发现了黄河流域气候-水文变化的新事实和新规律,揭示了变化机理,丰富了水文气象学的内容

发现黄河中游近530年来旱涝存在23a10a的年代际尺度周期,黄河流域近50年气温升高1.5℃,高于全球以及中国上升幅度;提出了黄河流域夏季高空有效降水转化率层(简称“有效层”)的新概念;揭示了低纬以及青藏高原低频振荡的传播对黄河中下游夏季旱涝的影响;总结了黄河源区流量峰值出现的夏、秋季环流场特征;明晰了高原夏季风位置与强度是影响黄河源区水汽的重要因素。

2. 开发了黄河流域气候预测新技术和新方法,提高了气候预测水平

凝练了预测黄河流域降水的5个前期强信号,即西北干旱区下垫面热通量、高原地表感热、高原积雪、暖池SST、太平洋次表层要素。建成了黄河流域6个气候预测模型和预测方法。基于EEMD模型,对分解得到的高频IMF进行二次平稳化处理,提高了降水极值的预报精度;建成了利用前冬热带太平洋次表层海温(或海表面高度)异常预测黄河流域汛期降水等4个预测概念模型。创建黄河流域汛期气候预测系统。该系统首次采用多模式集成与统计降尺度技术进行黄河流域汛期气候预测。

3. 黄河流域短期气候-水文集成预测取得了明显进展,推动了气候、水文集成预测技术的进步

研发了气候-水文单向耦合应用不同统计降尺度技术,实现短期气候预测模式、气候变化预估模式与分布式水文模式的单向耦合,可用于延伸期水文集合预测和月、季尺度的流域水资源预估。建立了黄河流域水资源预评估系统,用于水资源评估和预评估。

4. 采用气候数值模式嵌套水文模型的方法,开辟了黄河流域未来百年径流量变化预估的新途径

用区域气候模式RegCM4.0单向嵌套全球气候系统模式BCC_CSM1.1,降尺度到黄河流域,得到未来百年预测结果。在两种排放情景下,21世纪前期黄河流域径流量增加,后期减少。

二、创新性:

1. 研发了气候-水文单向耦合统计降尺度技术,实现了短期气候预测模式、气候变化预估模式与分布式水文模式的单向耦合。

2. 用区域气候模式RegCM4.0单向嵌套全球气候系统模式BCC_CSM1.1,降尺度到黄河流域,得到了未来百年径流量预测结果。

3. 采用分布式水文模型HBVSWAT进行水资源评估、汛期水资源预评估、延伸期水资源预评估。

4. 建立流域汛期气候预测系统,采用多模式集成与统计降尺度技术进行黄河流域汛期气候预测。

5. 凝练出预测黄河流域降水的5个强前兆信号:西北干旱区下垫面热通量、高原地表感热、高原积雪、暖池SST、太平洋次表层要素。

6. 提出夏季高空有效降水转化率层的新概念。

成果应用情况

1. 技术成果在预测黄河夏季降水的业务应用中发揮重要作用

在预报业务中应用分为黄河夏季降水异常成因:西北地区前冬季地表感热因子;大西洋海温异常;暖池海温异常等外强迫因子对黄河流域降水的影响。以及客观预报模型,多模式集合客观预报,基于前期大气环流特征的客观统计预报模型;黄河流域水文预报模型等两部分。上述成果在国家气候中心和水利部黄河水利委员会水文局等单位的业务预测会商会多次加以应用,并取得了较好的效果。在业务中有效地提升了气候部门在气候预测和气候变化研究方面的业务能力与服务水平。

2. 应用研究成果提高降水预报准确率,并服务于政府决策和专业用户,创造更多的社会和经济效益

项目研究成果在为黄河上中游水调办公室和黄河上游水文水资源局的服务中,及时服务,预测水平不断提高,尤其是20112012年,对黄河上游降水偏多的趋势预测准确,对水调办在黄河上中游梯级水库的运行调度中,做到科学决策;对黄委会了解黄河上游及其各支流流域水资源演变状况,为水情检测、评估等提供了科学依据。

3. 利用研究成果进行综合分析,开展水文流量预测服务,效果明显

河南省气候中心发布了伊洛河流域8月流量的预测变化趋势,经黄河水利委员会洛阳水文水资源勘测局使用,取得了服务效益。

4. 建立黄河流域汛期温度和降水预测统计预报模型,成功预测近3年(2012-2014)流域的气候趋势

根据预测模型及前期因子,预测2014年黄河中游夏季温度距平为+0.6,结果温度接近常年同期略偏高。根据预测模型及前期因子,预测2014年黄河中游夏季降水距平百分率为-5%,结果降水量接近常年同期略偏少。温度、降水预测完全准确。

5. 建立“黄河流域水资源预评估系统”,提高了气象部门的科研业务能力与服务水平。

该系统已用于黄河流域汛期及延伸期水资源预测服务与影响评估服务。完成了201220132014年黄河流域水资源预测,在国家气候中心月举办的全国汛期会商上为黄河流域水资源趋势预评估意见,为黄河流域水资源管理与调度提供了参考依据。从而提升气象部门在气候变化对水资源影响评估方面的科研业务能力与服务水平,为相关决策提供更及时有效的信息支撑。

6. 改进了EEMD统计预报模型,明显提高降水预测精度

改进的EEMD统计预报模型,对黄河中上游2008-2012年夏季降水做出了月预报,它是处理复杂地形气候预报的有效手段。从夏季降水的预报效果看, 78月的预报效果最好。EEMD对气候序列进行平稳化处理,突破了原有统计方法的数学假设,为气候信息的提取和气候预报提供了新途径。EEMD分解产生的IMF可能对应着气候系统的某个特征层次,代表着一个或多个影响因子的共同作用;对分解得到的高频IMF的二次平稳化处理可显著增强高频信号的可预报性,提高了降水极大值和极小值的预报精度。

7. 建立黄河流域短期气候-水文模拟和预测业务系统,为气候和水文预测提供了一套新的方法

选用了WRF数值模式开展黄河流域短期气候模拟和预测。网格化的气候模拟结果,易于同网格化的水文模型耦合,进行黄河流域的季节和汛期水文预测工作,将成为黄河流域短期气候水文预测方法之一,它更有效地发挥社会和经济效益。

8. 提出了影响黄河流域夏季降水强信号,为短期气候、水文集成预测模型的建立提供重要科学依据

提出影响黄河流域夏季降水的强信号有:前冬和春季青藏高原和西北干旱区地表感热通量、高原积雪、热带太平洋次表层海温和海平面高度、北太平洋混合层深度等,建立了以上述强信号为基础的黄河流域夏季降水预测方法和概念模型。为短期气候、水文集成预测模型的建立和汛期水资源管理提供了预测意见。

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