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[硕士论文] 韩家琪
农业遥感 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:干旱是我国频繁发生的一种气象灾害,对我国社会、经济和环境带来了严重的影响。因此准确监测干旱的发生时间、发展程度和影响范围,对保障社会经济发展,促进生态环境恢复,维持区域和谐稳定具有重要意义。目前学者们建立了许多不同类型,不同特点的干旱监测指数,从早期的气象干旱监测方法到遥感干旱监测技术的应用再到近期综合干旱监测指数的提出,学者们一直致力于提出更加灵敏更加精确的干旱监测模型。随着大数据的发展,大数据的相关理念和技术为这一目标的实现提供了新的契机。本文在前人研究结果的基础上,将大数据思维应用到干旱监测中,创新了干旱监测方法,并据此进一步分析了我国干旱时空变化特征。主要的研究内容如下:
  (1)讨论分析了基于空间数据仓库的大数据干旱监测体系结构,从数据采集、数据集成处理、数据分析和数据应用四个方面,系统阐述了大数据干旱监测应用的完整流程。
  (2)利用降水、地表温度、植被信息、蒸散、土壤有效含水量、土壤质地类型、高程以及坡度等多源数据,构建了土壤水分估算模型,以满足全国干旱监测的需要。在研究过程中,针对多源数据的空间完整性不一致问题和模型训练空间与应用空间不匹配问题,本文提出了“金字塔”型多层级的土壤水分估算框架,实现了全国土壤水分的全覆盖监测。通过站点实测数据的交叉验证结果表明,该方法的估算精度良好且较稳定。相关系数值处于0.56到0.7之间,平均误差和相对误差也相对较低,分别在4.16到5.22和0.66到0.78之间。与TVDI的监测结果对比表明,多层级的土壤水分估算方法对土壤干湿情况的监测比TVDI更精确。通过多层级的土壤水分估算方法,建立了全国2000-2014年10cm深度层的1km分辨率的土壤水分信息数据集。
  (3)基于前文计算的1km分辨率的中国土壤水分信息数据集,引入了SMCI指数对于旱进行了监测。利用线性趋势分析法、频率分析法等分析了2000-2014年我国干旱发生的空间分布及时空变化特征。干旱的趋势分析结果表明,我国北方干旱程度大于南方;大部分地区的干旱发展趋势保持稳定,没有明显的加剧或者缓解的趋势,但是在夏季和冬季,分别表现出北方部分地区极显著缓解和中南部部分地区极显著加剧的趋势。干旱的发生频率分析表明,在月尺度上,北方的干旱发生频率整体上高于南方;在季节尺度上,北方一年四季的干旱发生频率都较高,而南方夏季和秋季的干旱发生频率则高于春季和冬季,整体上看,冬季的干旱发生频率为一年之中最高。
  (4)以2013年7月湖南特大干旱为例,探讨了微博数据在干旱监测中的应用前景。分析表明,微博数据对干旱事件的发展过程存在响应,但是这种响应特征只有在干旱发展到一定阶段后才逐渐凸显。通过将微博数据的干旱监测结果与国家气候中心的监测结果进行对比发现,基于微博数据的干旱监测结果存在一定的夸大情况,但是总体上反映的干旱空间分布特征和趋势与国家气候中心的监测结果是一致的。
[硕士论文] 王兆萍
工程管理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:关键链法是一种基于约束理论的较新的进度管理方法。关键链法对项目整体性更为关注,尤其注重考虑分析人的行为学、项目资源约束状况等,并通过缓冲区来监控项目进度。利用关键链法可以吸收项目实施过程中存在着的不确定性因素的影响,并消除帕金森定律、学生综合症等人为因素的影响。运用关键链技术可使得传统项目进度管理方法的一些欠缺得以弥补,所以针对此开展理论探究、实际运用等,其意义极为重大。
  本论文在查阅了大量相关文献资料的基础上,对传统的项目进度管理方法与目前项目进度管理中较前沿的关键链管理方法进行了详细的比较分析,指出了他们的优点和存在的一些不足,并最终选定结合计划评审技术的关键链法来开展项目进度控制。
  本论文针对Q公司承担的项目“X市山洪灾害预警系统”项目的建设过程进行研究,通过梳理目前主流的多种项目进度管理技术方法,在项目内将包括计划评审、网络计划技术、工作分解结构法等在内的诸多方法与关键链法互为结合,依据项目状况,将理论结合实际,总结出与项目使用相适应的一套项目进度管理方法,希望为Q公司、相关行业的相关项目提供参考。
[硕士论文] 王雨婷
气象学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:一直以来,大气边界层作为地球与大气之间物质能量交换的桥梁,人类生产生活的主要产所,与人类发展有着密不可分的关系。中国幅员辽阔,气候特征复杂多变,各个区域受气象因子以及下垫面条件等多种要素影响,不同区域站点存在着自身特点。
  本研究利用欧洲中心大气边界层高度的再分析资料对中国边界层高度进行了长期的气候特征分析,主要包括边界层高度的以月为尺度的季度变化、极值变化,每天两个常规观测时次的边界层高度的季节变化,并对中国大陆地区进行分区来研究边界层高度的变化情况。在此基础上,利用2010-2015年L波段探空资料对全国120个站点的边界层高度进行了统计分析。发现(1)季节变化上,春夏的振幅大于秋冬。除个别地区外,再分析资料与L波段探空资料的趋势总体类似。(2)大气边界层作为响应下垫面作用的时间尺度为一小时或者更短的大气的最低部分,其内部结构的变化或者发展受到了包括天气因子、下垫面条件、气候类型等等要素的影响,通过相关分析研究,认为边界层高度在20BJT与10m风和地表温度都呈现了较好的正相关性。(3)不同的下垫面条件以及气候类型都会对边界层高度以及状态造成影响。就日变化而言,边界层高度的高峰多出现在午后,西北地区及高原边界层高度的日振幅相较其他地区更大。
  此外,分辨率的提高一直是改进数值天气模式大气模拟能力的重要途径,研究分辨率提高有助于解决目前模式的不足,对进一步提高模式的模拟能力也具有着十分重要的意义。而通过大涡模拟更真实地分析边界层内部结构,包括滚动涡的产生机制也是很多学者关心的问题。本文除了通过再分析资料以及长期观测资料对中国边界层观测特征进行研究之外,进行了一次飓风大涡模拟试验。模拟旨在探讨由热带气旋风暴所引起的下方海温冷却对热带气旋边界层(TCBL)内涡产生机制造成的可能影响,并在此基础上分析边界层内滚轴涡旋在水平和垂直输送等方面所起到的作用。模拟试验分别采用Unified Wave INterface-Coupled Model中的海表面温度(SST)场以及NCEP-FNL全球再分析资料中的SST场进行强迫。结果表明,(1)滚轴涡旋在飓风ISAAC中是普遍存在的;且在模拟中考虑由风暴所引起的海温冷却会影响边界层稳定度参数,即当考虑SST随热带气旋发展而冷却时,边界层滚轴涡旋的产生主要由动力不稳定所引起,而反之边界层滚轴涡旋的生成主要是因为对流不稳定。(2)TCBL中的滚轴涡旋呈偏态,随着对流不稳定的增强这种偏态将随之增大。(3)强的对流不稳定会促进热量和水汽的垂直传输,而强的动力不稳定则会增加湍流动能,减弱热量和水汽的垂直输送。
[硕士论文] 甄少婕
地图学与地理信息系统 青海师范大学 2017(学位年度)
摘要:蒸散(ET)是生态过程中一个重要的地表参数,在水循环研究和水资源管理中起着举足轻重的作用。地表蒸散是陆面生态系统与水文过程的重要纽带,而且也会影响区域气候和水资源总量分配,进而影响区域经济的发展。因此,基于遥感技术进行地表蒸散量研究具有十分重要的理论意义和研究价值。
  本文基于SEBS陆面能量平衡模型,结合祁连山南坡2000年、2005年、2010年、2015年的MODIS遥感数据与研究区内部及周边气象站的实测气象资料,估算了研究区地表物理参数和地表能量通量,进而估算出研究区的地表蒸散量,同时采用FAO Penman-Monteith模型计算结果与SEBS模型的计算结果加以对比分析,最后分析了研究区地表蒸散量的时空分布特征及其影响因素。
  (1)研究区年内地表蒸散量的时空分布:从时间分布来看,研究区的地表蒸散量每年年内都大致呈倒“V”型分布,即夏季研究区地表蒸散量最大,春季、秋季次之,冬季最低。从空间分布来看,研究区地表蒸散量年内空间分布特征大致相同,整体表现为研究区西北部低东南部高,由冬季到春季再到夏季的半年,低值区域向西北方向稍有退缩,由夏季到秋季再到冬季的半年,低值区域逐渐向东南方向扩大。
  (2)研究区年际地表蒸散量的时空分布:从时间分布来看,研究区年地表蒸散量2005年最高,2010年次之,2015年最低,整体呈下降趋势。从空间分布来看,研究区地表蒸散量年际空间分布均为东南部高西北部低。
  (3)研究区地表蒸散量空间分布特征的影响因素:一定时期内,研究区地表蒸散量与降水量大体呈正相关关系;高程在2200m~2500m时随着高程增加而急剧增大,2500m以上地表蒸散量总体上随高程呈平缓下降趋势,同时间有小范围的波动;坡度在0~45度之间,地表蒸散量随着坡度增大而增大,大于45度,地表蒸散量随着坡度增大而减小;研究区山体东南坡向和西北坡向为地表蒸散量高值区,山体东北坡向和西南坡向为地表蒸散量低值区。
  (4)本文采用 FAO Penman-Monteith模型对研究区气象站点的计算结果与利用SEBS模型计算结果进行对比分析,相对误差整体上在20%左右,由此表明, SEBS模型用于本研究区地表蒸散量的反演具有一定的可行性。
[硕士论文] 齐丽军
地质工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:蒸发蒸腾是干旱和半干旱地区浅埋藏地下水最主要的排泄方式,而降雨是地下水的主要补给方式。两者均是地下水系统中最重要的均衡项,这两项的精确估算在地下水资源评价、地下水的合理开发和植被保护等方面起着重要作用。
  本文以陕西宝鸡渭河南岸黄土区为研究区,选取了7个具有代表性的观测井,获得了为时一年的高频率地下水水位监测数据。在此基础上,分析了地下水位的变化规律,利用地下水水位波动法逐一分离净补给和气压效应引起的水位变化量,消除利斯效应,分别获取了蒸发蒸腾强度和降雨入渗补给强度的估算方法。并利用水量均衡法验证了这两种估算方法是准确可靠的。
  研究取得了以下主要成果:(1)地下水的侧向净补给引起的地下水位的变化整体呈现出“夏季多,冬季少”的趋势,最大值出现在9月为4.96 cm/d,最小值出现在1月为1.41 cm/d,春季补给平稳。(2)气压效应在研究区显著,是影响地下水水位波动的重要因素。水位对气压响应的滞后特征,观测井水位滞后时间在0~80分钟不等。气压效应系数的可信区间为(-0.558,-0.442)。在本研究区内,气压效应引起的水位变化量在浅水位区比较大,深埋深区比较小,也可以初步的判定该区域水位能受到气压效应影响的深度约小于3.5 m。(3)蒸发蒸腾强度的年内变化由7个观测井的数据来体现,可以简单描述为“夏高春低,秋高冬低”,5、6、7、8月份最高。(4)地下水水位对降雨事件存在响应延迟效应。地下水水位对降雨事件的响应延迟时间与降雨事件的发生情况、降雨强度的大小、水位埋深等因素有关。长时间未降雨后的第一次降雨,水位的响应延迟时间较长。水位埋深越大,水位的响应延迟时间越长。降雨强度越大,水位的响应时间越短。(5)6个有效观测井的年均降雨入渗补给系数分别为0.37、0.29、0.64、0.39、0.43、0.23。整体表现为,久旱后的首场雨的补给系数很小或为0,随着降雨陆续的发生降雨入渗补给系数增大。降雨入渗补给地下水存在持续效应,在研究时段内,降雨的持续时间在5-40天不等。
[硕士论文] 冯春燕
地理学 曲阜师范大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,由全球变暖导致的气候和环境变化,使得自然灾害发生的频率增大,影响也日益增强,严重威胁到人类社会经济的可持续发展。受地理位置及气候的影响,加之土地类型复杂多样,山东省自然灾害发生普遍且类型多样,尤其是旱灾最为严重。山东省是农业大省、人口大省和经济大省,干旱灾害给山东农业及社会经济可持续发展造成了巨大影响。因此,把握山东省旱灾发生的时空变化规律,研究其在旱灾影响下的社会脆弱性程度、区域差异及影响因素,对于各地区有针对性地采取措施增强旱灾防御能力,降低旱灾影响,减小旱灾社会脆弱性具有重要意义。
  通过广泛阅读参考文献,收集和整理山东省旱灾的有关数据、资料,分析了山东省旱灾发生的时空规律及影响因素,基于此,选取指标构建山东省旱灾社会脆弱性评价的指标体系,借助SPSS、ArcGIS等软件,采用主成分分析法、熵值法,对山东省17地市及各县区旱灾社会脆弱性进行了评价和分析。主要结论如下:
  (1)新中国成立以来,山东省干旱灾害发生频率高、时间持续长、波及的范围较广,易发生春秋连旱。发生频率,春旱>秋旱;空间上,鲁西北>鲁西南和鲁东南地区>半岛地区。
  (2)利用主成分分析方法对山东省17地市的旱灾社会脆弱性进行分析和区划,发现:处于高脆弱度的地区有:菏泽、聊城、德州;处于较高脆弱度的地区有:临沂、莱芜、枣庄;处于中等脆弱度的地区有:泰安、日照、济宁;处于较低脆弱度的地区有:滨州、潍坊、烟台、威海、东营;处于低脆弱度的地区有:淄博、济南、青岛。其空间分布格局除受到年降水量多少的影响外,与社会经济发展水平之间的关系也十分密切。
  (3)根据主成分分析重构指标体系,并以旱灾较为严重的2010年为例,对山东省各县区旱灾的社会脆弱性进行分析,发现:各县(区)脆弱度分布基本与其所处地市脆弱度分布基本一致;但个别县区与其所处地市脆弱性水平差异较大,这主要是受到人口、农业占GDP比重等因素影响的结果。
  综上所述:山东省旱灾社会脆弱性的强弱与当地社会经济发展水平有着密不可分的联系,脆弱度的形成并不是由某一个因素决定的,而是社会经济系统的各个因素相互作用的结果。因此,可以从社会经济系统维度来减少旱灾的影响,以降低旱灾社会脆弱性。
[硕士论文] 戴凯阳
测绘工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:GNSS测站周围的环境会对其观测值产生多路径效应影响,如何消除或削弱多路径效应一直受到广大学者的关注。与此相反,随着全球卫星导航系统研究与应用的不断深入,以GNSS-MR技术为代表的基于多路径效应影响的信噪比信息反演测站周围环境参数的课题成为一个新的研究热点,使得GNSS在地表遥感领域崭露头角。本文在国内外学者研究的基础上,从GNSS-MR技术基本原理出发,将其应用到雪深测量,并结合美国板块监测网络原始观测数据与SNOTEL雪深实测数据,重点对GNSS-MR用于雪深测量的可行性与精度进行研究分析。本文的主要研究内容和成果如下:
  1、对多路径效应与信噪比特征进行概述,讨论了多路径效应与信噪比之间的关系。低高度角信噪比数据受多路径效应影响较大,通过多项式拟合的方法可以实现直射信号与多路径反射信号的分离,进而利用多路径影响的信噪比信息实现地表环境参数的反演。
  2、对GNSS-MR技术的基本原理和计算流程进行阐述,对雪深探测范围与信号反射点轨迹进行讨论。GNSS-MR雪深探测范围大约是1000m2;GNSS信号反射点轨迹一方面可以实现GNSS-MR雪深监测的选星,一方面可以获取到积雪的空间分布信息。
  3、证明了信噪比残差序列的变化频率与降雪厚度成负相关关系。并从单颗卫星,多颗卫星,长时间序列3方面,层层递进,验证了GPS-MR雪深监测算法的可行性,其测量精度可以达到0.1m。
  4、对 GPS-MR雪深测量技术精度影响因素进行分析,验证了合理的设置高度角范围,采用具有较高接收功率的信噪比数据以及高采样的数据都会对反演结果做出有益的贡献,其反演精度相对较高,反演结果也更加稳定。
  5、介绍了Rinex3.X格式的新变化,利用MATLAB语言设计GNSS-MR雪深测量数据处理系统,结合实测数据验证其正确性,并根据数据处理需求,输出相应的图表文档文件。
  当前,多频多模卫星导航系统发展迅猛,世界各地的GNSS跟踪站(如IGS,PBO,陆态网络等)也如雨后春笋般建成,GNSS-MR技术的研究具备得天独厚的资源与发展空间。随着研究与技术不断进步与成熟,GNSS-MR这种全新的遥感手段在实时地表环境监测(降雪、土壤湿度、海平面等)方面的应用让人期待!
[硕士论文] 庄述鹏
数学 青岛科技大学 2017(学位年度)
摘要:人工神经网络模型技术综合了数理统计、神经计算、符号逻辑等人工智能理论技术,是一种非线性动力学系统,不需要建立复杂的数学模型且具有非线性映射能力强等优点。太阳辐射资源作为一种绿色资源,其开发利用对经济社会的发展有着重要意义。影响太阳辐射的因素有很多,其中经纬度和海拔等具有一定的确定性;而日照时数、大气含水量等影响因素则具有一定的随机性,导致总辐射序列既有确定性又包含随机性,因此,自20世纪90年代以来,人工神经网络模型已成为估算、预测太阳辐射资源的重要方法。然而,选用的神经网络模型不同及处理模型输入和输出数据的算法不同,直接关乎着预估精确度的高低。
  本文分别采用广义回归神经网络(GRNN,Generalized Regression Neural Network)模型和Elman神经网络模型对山东烟台福山的日总辐射曝辐量进行了预估,并讨论了小波分析对广义回归神经网络模型预估结果的影响,结果如下:
  (1)采用广义回归神经网络模型对山东烟台市福山气象站2000-2003年日总辐射曝辐量进行预估。模型通过交叉验证方法确定其关键参数(光滑因子),以日照时数、平均气压、平均气温、日最高气温、相对湿度、气溶胶光学厚度六个变量作为输入量。结果显示:广义回归神经网络的平均百分比误差为15.8%,均方根误差为2.18 MJ·m-2,拟合优度为0.906,且模型的预估精度和拟合优度均明显优于LM-BP网络。气溶胶光学厚度对广义回归神经网络预估结果的准确度及拟合优度影响不大。对于无太阳辐射观测的地区,广义回归神经网络模型是预估当地日总辐射曝辐量的一种有效方法。
  (2)采用基于小波分析的日总辐射曝辐量的广义回归神经网络模型,以日照时数、平均气压、平均气温、日最高气温、相对湿度、气溶胶光学厚度六个变量作为输入量,以太阳日曝辐量作为输出量,对山东烟台市福山气象站2000-2003年日总辐射曝辐量进行预估。最优结果出现在基于3层小波分解的广义回归神经网络预测中,当输入量分量和输出量分量都选择低频分量时,平均百分比误差为1.72%,均方根误差为0.38 MJ·m-2,拟合优度R2=0.998。基于小波分析的广义回归神经网络,整体提高了未使用小波分析的广义回归神经网络的预估精度和拟合优度。
  (3)采用Elman神经网络模型,同样以日照时数、平均气压、平均气温、日最高气温、相对湿度、气溶胶光学厚度六个变量作为输入向量,以太阳日曝辐量为输出向量,对山东省烟台市福山气象站2000-2003年日总辐射曝辐量进行预估。结果显示:平均百分比误差为22.3%,均方根误差为1.82 MJ·m-2,拟合优度R2=0.867。Elman网络模型与广义回归神经网络相比,优点是缩小了网络预估值与真值间的差值,降低了均方根误差,不足之处是拟合优度略低于广义回归神经网络,平均百分比误差高于广义回归神经网络,这可能是由Elman网络的局部递归结构造成的。
[硕士论文] 刘维
气象学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:自工业革命以来,人类活动(化石燃料燃烧、土地利用等)不断排放CO2等温室气体,造成全球气候变化。大气CO2增加产生的辐射强迫是造成全球变暖的主要原因。除了CO2,太阳辐射、气溶胶等也是造成全球气候变化的重要外部强迫。本文以CO2强迫和太阳辐射强迫为例,利用HadCM3L气候系统模式,开展了一系列的模拟试验:(1)大气CO2浓度突然增加4倍(4×CO2试验),这个试验中既考虑CO2通过吸收长波辐射对气候的影响(CO2的辐射效应),又考虑CO2通过影响植被气孔性质产生的气候效应(CO2的气孔效应);(2)大气CO2浓度突然增加4倍,但仅考虑CO2对长波辐射的吸收作用,而不考虑CO2对植被的作用(4×CO2atm试验);(3)模式太阳常数突然增加4%,由1365.0Wm-2增加到1419.6W m-2(4%Solar试验)。
  CO2和太阳辐射等外源强迫发生后,气候系统的不同组成部分响应时间不同。大气和陆地地表具有较低的热容量,响应较快,而海洋热容量较大,温度变化较慢。近年来一些气候变化研究将气候系统对外源强迫的响应区分为“快响应”和“渐进反馈”。快响应是指全球平均温度,主要是海表温度发生明显变化之前气候系统的响应;渐进反馈是指随着时间推移,海表温度显著上升后引发的气候系统变化。本文从快响应和渐进反馈的角度出发,根据HadCM3L模拟结果,系统研究了气候系统在从外源强迫发生后的第1天到1000年后的连续演变过程,揭示CO2强迫和太阳辐射强迫对气候系统快响应和渐进反馈的影响异同。
  根据模拟结果,在强迫发生后的第1天,4×CO2试验和4%Solar试验中大气层顶向下的净辐射通量(即外源强迫对气候系统的辐射强迫)分别为9.69 W m-2和6.30Wm-2,而在1000年后,气候系统达到准平衡状态时,全球表面平均温度升高了5.71 K和5.70 K,这说明对于同样的平均地表温度变化,所需的太阳辐射强迫要大于所需的CO2辐射强迫,即CO2辐射强迫的效率高于太阳辐射强迫的效率。通过对模拟结果的分析,发现辐射强迫效率的差异主要与地气系统快速调整过程中晴空长波辐射的变化有关。这主要是由于CO2的辐射效应使得气候系统中更多的长波辐射被吸收,因此,第1年4%Solar试验中大气层顶更多的晴空长波逃逸到外太空。
  通过比较不同时间尺度上4×CO2试验和4×CO2 atm试验中全球表面温度的变化,发现在强迫发生后的第1天,4×CO2试验中陆地表面增温0.67 K,而4×CO2 atm试验增温0.25 K,在强迫发生后1个月后,4×CO2试验中陆地表面增温比4×CO2 atm试验高将近1倍,说明强迫发生后的短时间尺度(大约1个月)上,CO2的气孔效应对地面增温有着重要作用。大气CO2浓度增加,使得植物叶片导度降低,植被蒸腾减少,潜热释放减少。同时,陆地上空低云云量减少,到达地面的太阳辐射增加,引起地表增温。在数年以上的时间尺度上,4×CO2试验和4×CO2 atm试验温度变化差距随时间减小,模式达到准平衡状态时,4×CO2试验和4×CO2 atm试验的地表平均温度为5.71 K和5.22 K,表明随着时间的推移,4×CO2试验中CO2的辐射效应对气候系统中全球表面温度的变化起主导作用。
  4×CO2试验和4%Solar试验达到准平衡状态时全球平均地表平均温度变化基本相同,但二者造成降水的变化差异很大,相对于参照试验,4×CO2试验和4%Solar试验,降水分别增加了5.41%和10.81%。利用线性回归的方法,将平衡态降水的变化表示为降水对外源强迫的快响应和降水对温度变化渐进反馈的线性叠加。模拟结果表明,对于CO2强迫和太阳辐射强迫,由于温度变化造成的降水变化基本相同。CO2强迫和太阳辐射强迫造成的降水差异主要体现在海表温度发生显著变化前的快响应阶段,在快响应阶段,就陆地而言,大气CO2浓度增加,植被气孔导度降低,减少植被气孔向大气蒸腾的水汽,从而减少降水;就海洋而言,大气CO2增加,CO2的辐射效应导致大气增温,而海洋的比热较大,海表温度变化落后于低层大气,低层大气垂直稳定度增加,抑制蒸发和降水。
  本研究有助于理解CO2和太阳辐射强迫对气候系统的影响机制,为预测未来气候变化提供理论基础。另一方面,研究气候系统对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应也有助于理解以减少太阳辐射为基础的地球工程产生的气候效应,为认知地球工程对气候系统的可能影响提供理论基础。
[硕士论文] 张超
气象学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:在地气相互作用时,能量、物质和动量交换对全球大气环流及气候波动产生深远影响。其中,在近地层,感热通量通过湍流形式与大气发生地气相互作用。由于青藏高原平均海拔大于4000米以上被称为地球的“第三极”,其矗立在高空中强大的感热加热称为感热驱动泵。高原的热力作用是亚洲季风更替的重要因子,它对东亚地区降水的重要性毋庸置疑。同时,在季风转变期间,高原感热通量作为加热高原及周边地区大气最重要的因子之一,对我国夏季降水的预测有重要意义。
  根据高原下垫面植被覆盖率差异,我们将海拨大于3000m青藏高原划分为7个子区域(A区—G区)。同时,利用青藏高原地区78个站点的观测资料、全国830个站点的观测资料,及NCEP提供的全球17层的资料,计算了高原和各分区感热通量。通过小波分析、相关分析、合成分析、EOF等分析方法,研究了高原感热通量的时空分布特征及变化规律,高原4月感热通量与我国夏季降水的关系,以及高原4月感热通量与我国长江以南夏季降水的关系。
  高原感热通量的时空变化特征。高原年平均、春季和夏季感热通量的变化周期均为3到4年,秋季、冬季为2到3年;高原最强感热加热位于在喜马拉雅地区,最弱加热区域位于高原西北部A区;高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布,夏季呈现自东向西的梯度,而冬季方向相反。高原10m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。
  高原4月感热通量与我国长江以南夏季降水的关系。4月喜马拉雅地区(高原E区)是影响长江以南夏季降水的关键区,4月关键区感热通量和长江以南地区夏季降水具有相反的变化趋势,即负相关关系,且均有4年主周期和8年副周期,在1998、2011年前后分别出现转折。分析其降水异常的机理发现,高原关键区4月感热通量偏弱时,长江以南地区处于深槽槽前,配合有切变线系统,斜压性很强,空气相对湿度很大,有利于长江以南地区降水。反之,不利于降水。
[硕士论文] 李婉歆
地下水科学与工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:土—气界面是包气带上部地表与大气接触的地方,它不仅是包气带—地下水系统的上边界,也是大气系统的下边界。在太阳辐射与大气湍流运动的影响下,土壤温度升高水分汽化后逃逸出地表,此时界面上发生蒸发。蒸发量受温度、辐射、风速等气象条件影响极大,其中潜在蒸发量是研究蒸发问题的基础,也是潜水蒸发量计算公式中最重要的参数之一。潜在蒸发量的大小还与蒸发面物理性质、粗糙度、饱和度等因素密切相关。饱和裸土具有很高的液相连续性与毛管驱动力,是研究潜在蒸发问题最佳的初始参考面,然而国内外学者常将水面或覆盖短草的湿润土地的蒸发量等同于饱和裸土蒸发量,缺乏原位尺度上的实测试验。综上所述,本文对比了不同气候条件下、不同尺寸蒸发容器中不同土样饱和裸土与水面潜在蒸发量大小及其与气象要素的相关关系,为潜在蒸发的深入研究提供数据和理论支撑,主要结论如下:
  1.在半干旱半湿润地区的关中盆地进行场地尺度上的原位试验,对比分析了不同尺寸蒸发容器中,砾砂、粗砂、中砂、细砂、水的潜在蒸发量大小及其与气象要素的相关关系。
  对比大口径蒸发容器八月蒸发量均值可知,潜在蒸发量大小排序为:细砂≈中砂>粗砂>水≈砾砂。中砂、细砂日蒸发量比砾砂大26~27%、粗砂比砾砂大14%、水的蒸发量略大于砾砂,但小于其他土样3~20%。也就是说,对于可用“连通器原理”测量潜在蒸发量的饱和裸土而言,下垫面含水率越高,蒸发量越大,并且水的日蒸发量小于除砾砂以外的饱和裸土。
  砾砂、粗砂、中砂、细砂及水面潜在蒸发量小时变化曲线均呈现正弦波动趋势,但特征却各不相同。砾砂、粗砂日蒸发量峰值大于中砂和细砂,昼夜蒸发差值大,正弦曲线规律性较弱;细砂、中砂的蒸发量正弦曲线振幅较小,实测曲线整体较平缓,昼夜变化差值大但过渡平缓,正弦曲线规律性强;水面蒸发量曲线振幅小,白天蒸发量远小于饱和裸土,昼夜差值小。
  潜在蒸发量大小与风速、气温、净辐射呈正相关关系,与温度的相关性最大,与风速的相关性最小;与湿度、水汽压呈负相关关系。此外,通过回归分析确定了蒸发的滞后性,砾砂、粗砂、中砂温度滞后温度变化0~1小时以内,细砂滞后2小时,水滞后5~6小时;与净辐射变化相比,四种土样均滞后净辐射2~3小时,水滞后净辐射7~8小时。
  小口径蒸渗桶中五种潜在蒸发量日变化大小排序是:晴天白天:水≈细砂>中砂>≈粗砂>砾砂(>≈表示略大于);晴天夜晚:水>细砂≈中砂≈粗砂≈砾砂;阴天白天:水≈细砂>中砂≈粗砂≈砾砂;阴天夜晚:水>砾砂>粗砂≈中砂≈细砂。上述规律与大桶蒸发量日变化情况有两大区别:一是水的白天蒸发量偏大、排序靠前,二是砾砂与粗砂的夜晚蒸发量与大桶相比数值偏大,两个区别都是由蒸渗体尺寸引起的剖面温度变化特征不同导致的,也就是尺度效应产生了这种区别。
  2.在干旱半干旱区鄂尔多斯风沙滩地区进行场地尺度的原位试验,对比分析了不同尺寸蒸发容器中,砂质壤土、风积沙、风化砂岩、水的潜在蒸发量大小,得出以下结论:
  对比三种土样大口径蒸发容器八月蒸发量均值可知:砂质壤土>风积沙>风化砂岩,但三者之间数值差异很小。三种土样均属于细粒土,但无论是月蒸发量均值还是非雨天的蒸发量均值,都小于位于半干旱半湿润区细粒土的蒸发量,这主要是由当地气温过低引起的。
  分析三种土样潜在蒸发量小时变化情况可知,砂质壤土与风积沙的变化规律与数值差异不大,但风化砂岩的蒸发量略小,尤其是在夜间,其数值明显小于其他两种土样,这是由于土样饱和含水率不同引发的热力学参数不同造成的。
  对比小口径蒸渗桶中两种土样与水面潜在日蒸发量可知:水与风化砂岩的日变化情况相同,波动较剧烈;风积沙的日变化曲线较平缓。两种土样与水的蒸发量整体趋势近似且数值相似,但不同时段的规律不同。白天:风积沙≈风化砂岩>水;夜晚:水>风积沙≈风化砂岩,该规律与渭水的小桶试验结论一致,证明了夜晚水面蒸发量大于饱和裸土蒸发量的理论。
[硕士论文] 李智
地下水科学与工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:非饱和带是连接大气与饱和带之间水量和能量循环的关键环节,除了固体骨架外,非饱和带内的孔隙被水流和气体完全充满,是一个典型的水-气二相流系统。众多研究表明气相的存在对非饱和带内水流运动与物质交换具有不可忽略的影响,而且降雨入渗过程是激发非饱和带水-气二相运动的主要因素,水流的下渗会压缩非饱和带内的气体,而被压缩的气体进而又会阻碍水流的下渗,所以研究降雨条件下非饱和带水-气二相流驱替规律对了解水资源在大气-非饱和带-地下水系统内的运动过程具有十分重要的意义。由于其理论的复杂性以及实验条件的限制,对降雨条件下非饱和带水-气二相流驱替规律的研究一直是热点问题。
  因此,本文以非饱和带水-气二相流理论为基础,依托长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,分别设计实验室尺度和原位尺度下的一维实验,并使用国外先进传感器观测相关变量,通过分析实测数据,探究岩性和地下水位的变化对降雨条件下非饱和带水-气二相流运动的影响以及不同气象因素与气相压力的相关性,并对降雨条件下非饱和带水-气二相流耦合模型进行数值模拟,分析模拟软件的仿真性。主要得出了以下结论:
  (1)在地下水位保持不变时,剖面含水率随着降雨强度的增大而增大,其中非饱和带上部含水率随着雨强变化产生的差异较大,毛细上升带内含水率的差异较小;当雨强不变而地下水位变深时,非饱和带内水流下渗的越快;对比不同地下水位条件下气相压力发现,在降雨强度相同时,不论地下水位埋深是多少,气相压力的最大值总是出现在非饱和带的深部,且地下水位越浅,非饱和带内气体所受的压缩作用越大,气压的峰值越大。
  (2)分析不同条件下降雨累计入渗量发现,在降雨开始的短时间内入渗补给量快速增大,之后缓慢上升直至不再增加;不同地下水位条件下入渗总时间之间存在倍数关系,以地下水位z=0.5m为基础,z=0.7m条件下的降雨入渗总时间大约是其的2.2倍;z=1.0m条件下的降雨入渗总时间大约是其的3.2倍。
  (3)气相压力和气象要素之间存在相关性。风速与气相压力呈正相关,大气压波动和相对湿度与气相压力呈负相关,气相压力和上述气象要素的相关性不随岩性的变化而改变,在非饱和带水-气二相流问题中建议将大气边界作为上边界。
  (4)对比降雨条件下不同岩性气相压力的差异发现,气相压力的变化不仅与气象因素有关,也与入渗的水流对气体的压缩作用有关;根据不同岩性条件下非饱和带气相压力的变化特征将非饱和带分为风速影响带、过渡带和压缩影响带。风速影响带位于距地表0~50cm范围内,三种岩性气相压力的大小关系为细砂>中砂>粗砂,主要受风速的影响;压缩影响带在距地表100cm以下的范围内,三种岩性气相压力的大小关系为粗砂最大,中砂和细砂相对较小,主要受压缩作用影响;过渡带在50cm~100cm范围内,三种岩性气相压力的大小关系不明显,受风速和压缩作用的共同影响。
  (5)对比降雨条件下岩性对剖面含水率的影响发现,非饱和带内越深位置处的含水率响应降雨的滞后时间越长;土表的含水率、气压等状态变量受多种因素影响,变化过程复杂;岩性因素不仅对含水率的量值有影响,而且从距地表100cm开始对含水率响应降雨的时间也有影响,粗砂内的水流最先到达非饱和带底部。
  (6)分析不同岩性对降雨入渗量的影响发现,无论当天有没有发生降雨,各种岩性的日降雨入渗量都大于0,说明降雨的入渗具有滞后效应,其在非饱和带内存留一段时间之后才会补给至地下水;日降雨入渗量大约在降雨过后的3-5天达到最大,之后再逐渐减小。
  (7)将实测数据与降雨条件下不同地下水位非饱和带水-气二相流数值模拟结果进行对比:发现气相压力和含水率的模拟结果可以很好地验证实测数据所呈现的规律,但TOUGH2会高估气相压力的大小,且地下水位越浅,气相压力的模拟值与实测值的误差越大。TOUGH2对含水率的仿真模拟比较准确,其中对于非饱和带较深范围模拟的误差较小,对表层含水率模拟的误差较大。
[硕士论文] 相旭东
统计学 安庆师范大学 2017(学位年度)
摘要:近几十年来,全球气候变化对工业、农业、各种自然资源以及我们的日常生活带来了巨大的影响,已引起了全人类的广泛关注,而南极洲作为地球的寒极,是地球的冷源所在地,其气候变化对南半球乃至全球气候的影响起着举足轻重的作用,国内外许多学者对此高度关注,并通过大量的实验与不断的探索研究,已获得了一系列相关研究成果。因而对南极洲地表平均温度的变化趋势及其影响因素这一问题的研究显得尤为重要。
  本文针对影响全球变暖和气候变化的关键指标地球表面的平均温度,在查阅一系列文献资料并进行归纳总结的基础上,结合目前已有的理论成果和研究方法,对南极洲的地表平均温度进行建模分析研究。首先,从英国南极调查网站选取15个站点1975年至2014年的观测数据,利用聚类分析的方法把选取的15个站点较为合理的划分为3个区域;然后,选取海拔高度、经度、纬度和气压这四个影响因素,利用多元统计分析的方法构建南极地表平均温度的估算回归模型,最后得到了最为合适的模型;最后,从每个分类区域选取其中一个地区40年的温度数据利用时间序列分析中的有关理论和SAS统计软件进行建模分析,拟合了较为准确可行的ARIMA时间序列模型,利用该模型对该地区未来两年的温度进行了预测分析,预测结果和实际数据进行比较,吻合度较高。
[硕士论文] 罗想
测绘工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:数字高程模型是针对地表形态的一种数字化模型。借助这种数字化模型的表达方式,现实世界的三维特征能够得到充分而真实的表现。近年来,由于遥感等技术的发展,高精度地形数据的获取变的更加容易,同时随着研究领域的不断发展,对海量DEM数据的应用也越来越广。在海量数据的应用越来越频繁的如今,对DEM的压缩编码成为了一项重要的研究内容。
  规则格网模型作为DEM模型中的重要组成部分,一直以来在各领域被广泛的应用。本文从数种常用的规则格网模型压缩编码法着手,分析其各自的优势与不足,选取其中适应性最好的四叉树编码算法进行着重研究分析,并在现有编码法的基础上对其进行改进与创新,以期提高编码的性能。本文主要创新点有:(1)提出四叉树补足所带来的大量数据冗余问题;(2)提出一种新的四叉树编码法,在很大程度上减少了补足带来的冗余,并仅以增加少量计算量为代价;(3)以本文提出的编码法与传统编码法进行试验对比,验证了性能的提升。
[硕士论文] 杨笑天
地图制图学与地理信息工程 长安大学 2017(学位年度)
摘要:地表蒸散量是地球水资源系统中非常重要的组成部分,是联系大气系统和土壤系统的纽带,在陆-气界面能量、水量的转换过程、机制和规律研究中扮演着重要的角色,影响着耕地、林地和草地等的耗水量及植物的生长数量和水平,对水文气象、生态环境、农林牧业等领域的水分、能量循环机理和水资源消耗规律具有控制性作用,一直是国内外学者研究的热点和难点问题。
  格尔木河流域属高原大陆性气候,具有典型的荒漠气候特征,降水稀少、蒸散强烈、水资源匮乏,富日照、太阳辐射强、盐渍化严重,地面立地条件复杂(流域内多种地貌共存、地表岩性多样、植被类型繁杂),地表蒸散直接关系着流域气候变化、水文循环及生态环境的变迁。因此,实现格尔木河流域地表蒸散量的实时、动态遥感监测,对研究流域陆地水分循环及陆-气界面水资源转化规律具有重要意义。
  近年来,随着遥感和地理信息系统技术的快速发展,克服了传统点尺度地表参数观测的局限性,为地表蒸散量遥感反演模型研究提供了一个崭新的平台,使得大范围、实时、动态监测地表蒸散量已成为现实。目前,地表蒸散量遥感反演的难点之一在于如何准确的估算模型中涉及的众多环境气象要素和动力学等参数。本文的主要目的是利用Landsat-8遥感影像、DEM和环境气象要素等数据,对照分析大气水汽含量、地表比辐射率、地表温度、地表动量传输粗糙度长度和零平面位移高度等参数的估算方法,构建适用于格尔木河流域地表蒸散量遥感反演的SEBS模型,反演格尔木河流域地表蒸散量并进行地面验证,分析其时空格局以及与环境气象要素、地下水位埋深、地貌类型之间的响应关系。主要研究成果如下:
  (1)基于不同的方法估算土壤、植被和大气等参数,对照分析发现:采用 Ren Huazhong算法估算大气水汽含量精度较好,综合运用 NDVI阈值法和覃志豪法估算地表比辐射率结果最佳,采用 SC_b10模型反演地表温度精度最高,利用归一化植被指数估算Zom和d0最为合适。
  (2)基于优化的 SEBS模型反演的格尔木河流域地表蒸散量具有良好的精度,与P-M公式计算的潜在蒸散量和气象站水面蒸发量均具有较好的相关性, R2分别达到0.8305和0.7908。对比国内外学者在类似区域反演的地表蒸散量,本文构建的模型反演精度有小幅度提升。
  (3)研究区的地表蒸散量统计结果和空间分布图显示,2016年总地表蒸散量约为744mm/a,其中,季地表蒸散量的大小为:冬季(77 mm)<秋季(164mm)<春季(199mm)<夏季(304mm)。其空间分布与河网分布特征具有良好的一致性,自南向北流经区域地表蒸散量整体较大,同时,研究区地表蒸散量呈现东-西条带状空间分布格局,中上游山前戈壁砾石带和中下游土壤盐渍带最小,下游集水区最大,上游山区和中游种植带介于之间,与地表蒸散量实际的空间分布规律吻合。
  (4)研究区日均地表蒸散量与环境气象要素的响应关系表明,日均地表蒸散量与日均气温、日均地表温度和NDVI存在较高的正相关关系,与相对湿度整体上呈现一般的负相关关系。以上结论与实际情况相符,为深入研究地表蒸散量反演模型中这些参数的敏感性提供依据。
  (5)总体上,研究区日均地表蒸散量与地下水位埋深存在负相关关系。当地下水位埋深在0-1.5m范围内时,日均地表蒸散量随地下水位埋深的增大呈直线减小,速率较快,约从7mm/day减小到2.9mm/day;当地下水位埋深处于1.5-4.5m范围内时,日均地表蒸散量随地下水位埋深的增大呈指数减小,速率较缓慢,约从2.9mm/day减小到1.8mm/day;当地下水位埋深大于4.5m时,日均地表蒸散量随地下水位埋深的增大基本不变,趋向于一个稳定值约为1.8mm/day。由此可以推测,格尔木河流域存在潜水蒸发极限深度约为4.5m。
  (6)研究区的地表蒸散量与地表类型的关系表明,两者空间分布格局具有良好的一致性。按照地貌和用地类型分类统计地表蒸散量,结果显示:洪积平原(550mm/day)<冲积平原(605mm/day)<冲湖积平原(753mm/day)<湖积平原(1022mm/day),裸土(616mm/day)<稀疏灌木(727mm/day)<中等覆盖灌木(944mm/day)<林地(1176mm/day)<水体(1386mm/day)。以上结论与实际规律存在一致性,进一步证明本文构建的优化 SEBS模型能够较真实的反演研究区的地表蒸散量,具有一定的实用性和可靠性。
[硕士论文] 杨秋彦
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用WRF(Version3.7)模式对2014年5月25日发生在海南的一次海风过程进行了数值模拟,首先通过地形敏感性试验,探讨了海南岛地形对局地海风环流结构的影响。结果表明:控制试验(CNTL)海风于15时左右达到强盛。无地形试验(FLAT)中,水平方向上,海风持续时间缩短,南、北、西向海风向内陆传播距离变短1~5km,海风强度减弱1ms-1左右,海风动能及辐合强度在沿海地区及西南山区存在大值衰减区;垂直方向上,海风碰撞位置向西、北方向移动,高空回流高度降低,海风厚度减小,垂直环流强度减弱2~6m2s-2,海风锋附近的垂直速度减小10cm s-1以上。谷风对海风同相叠加作用的消失也使得海风强度减弱。其主要影响机制为:在动力方面,由山脉屏障作用引起的海风强迫抬升、绕流等增强作用消失;在热力方面,地表吸收净辐射减少,导致其向大气中释放的感热、潜热通量等各项均减少约9%,这种改变造成了海陆之间温度、气压差的减小,最终造成了海风的减弱。此外,通过两组削山试验,发现海拔高度降低区辐合范围、强度及动能均减小,同时海风垂直环流结构也相应发生改变,其中移去黎母山脉(RMLM)对海风环流结构的影响大于移去五指山脉(RMWZ)。另外,在此基础上详细分析了应用八种边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH、GBM)所模拟的该天海南岛海风环流结构的差异,其中YSU、ACM2、SH为非局地闭合方案,MYNN2.5、MYNN3、BouLac、UW、GBM为局地湍流动能闭合方案。结果表明:对于海风环流水平结构的模拟,15时,YSU、ACM2、BouLac、UW、SH模拟的北部海风较强,SH、GBM的内陆风速偏大。温度与海风发展强度相对应,MYNN2.5与MYNN3模拟的岛屿温度偏低,海陆温差小,海风相对较弱。对于海风环流垂直结构的模拟,09时海风开始,但强度较小,且存在残余陆风,向内陆传播距离较短,YSU、MYNN2.5与SH方案的海风相对较强。12时,海风已呈现出较为清晰的环流结构,YSU、ACM2的海风厚度及向内陆传播距离相对强于其它方案,MYNN3的环流结构则不太明显,且向内陆推进距离短,海风相对较弱。15时,海风发展强盛,MYNN2.5、MYNN3方案模拟的海风垂直强度较小,ACM2方案的海风垂直环流特征最为明显。18时,海风的强度和扰动均有所减弱,ACM2、BouLac与UW的整体海风相对强于其它方案。21时海风已基本转为陆风,BouLac与UW的陆风环流结构最为清晰。位温、水汽及海风垂直环流强度的发展变化与海风的演变过程基本一致。造成ACM2模拟海风偏强的原因是其边界层垂直混合偏强,保证了足够的湍流混合强度所致。对于边界层高度的模拟,ACM2的边界层顶最高,这与此方案所模拟的海风强度偏大相吻合,其它方案的PBLH与海风强度并不完全一致。
[硕士论文] 万当时
中国古代史 湖南师范大学 2017(学位年度)
摘要:灾荒问题与我们每个人都有着很大的关联,是人类社会不断面临的一个非常严重的问题,它影响了人们的生产生活,对社会经济的发展也造成了极大的破坏作用。清代洞庭湖区荒政问题严重,特别是水灾,它轻则造成人们财产的损失,重则会危及百姓的生命安全,引起社会的动荡。
  本文主要是以清代湘北洞庭湖区的水灾为研究主题,探讨洞庭湖区的水灾情况以及对周边百姓生活的影响等。本文主要由绪论、正文和结语三大部分组成。绪论部分主要介绍了选题缘由及意义、研究的现状、本文研究的主要内容、主要研究方法与创新之处。正文部分共分为四章。第一章介绍清代湘北洞庭湖区的历史地理情况,第一节分析历史早期至清代以前洞庭湖的历史演变过程,第二节介绍了清代洞庭湖的大体情况。第二章主要对清代湘北洞庭湖区的水灾做一简单的综述,略写清代以前时期洞庭湖的水灾,详细介绍了清朝统治时期即从顺治到宣统时期的水灾。第三章分析了湘北洞庭湖区水灾发生的原因和影响,原因既包括自然因素也有社会人为因素,影响则是从对社会经济、人民生产生活等各方面论述的。最后一章介绍了清代湘北洞庭湖区水灾的治理措施以及由此给我们的启示。第一节讲述了减灾防灾的措施,包括兴修水利、储谷备荒等。第二节分析了赈灾的主要类型,既有官府行为也有民间行为;以及赈灾的主要措施,包括急赈、工赈、平粜、减免田赋、赈贷等等。第三节主要论述对洞庭湖区治理的一些启示以及对清政府的救助措施的评价等。结语部分概述了这篇文章的主要内容并对清代洞庭湖区水灾的论述做个总结。
[博士论文] 马自强
农业遥感与信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:降水在全球尺度物质和能量循环中扮演着重要的角色。青藏高原由于其特殊的地理位置、高大的山体、以及复杂的陆表特点对全球气候变化有着重要的影响,是地球的“第三极”,也是观测和探究全球气候变化的关键区域,因此,受到相关研究领域持续高度的关注。青藏高原的降水时空交化是研究全球气候变化的重要内容;同时,作为亚洲“水塔”的青藏高原,其降水对补给亚洲五大河流(印度河、恒河、雅鲁藏布江、黄河和长江)流量至关重要,是五大流域约14亿人口赖以生存的淡水的主要来源。
  然而,受制于青藏高原地区高寒环境、人口稀疏、交通不便等因素,该地区地面气象观测站点数量匮乏,且其空间布设不均。同时由于青藏高原地形复杂,降水空间分布异质性强,地面观测站所代表的空间降水信息范围有限(半径约5km)。因此,如何获取高时空分辨率的降水信息一直是青藏高原相关地学研究的基础和重点之一。
  遥感技术的发展,极大地丰富了青藏高原地区栅格化的降水信息。但也同样存在诸多挑战,如卫星遥感降水数据实现了地表全覆盖,但是时空分辨率低,因此,如何充分融合地面与卫星观测降水数据的各自优点是当前研究的重点。目前,卫星降水数据的主导产品为TRMM TMPA数据,但其空间分辨率(0.25°)依然难以满足各行业对高空间分辨率降水数据(~1km)的需求。本研究基于TMPA3B43和3B42V7数据,结合多源高分辨率的陆表环境变量(~1km),在不同时间尺度上,引入不同的降尺度方法,反演和获取了青藏高原地区高时间分辨率(逐三小时)、高空间分辨率(~1km)的降尺度降水数据产品。主要开展的工作及结论如下:
  (1)降水与陆表环境变量时空关系的研究
  本研究在不同时空尺度上对降水(TMPA)和陆表环境变量展开了研究。在年尺度上,降水与植被年际变化的相关性没有明显的空间分布特征;在月尺度上,植被对降水的响应存在0-1个月的延迟。在年尺度上,降水与地表温度在青藏高原的中东部地区具有负相关性、在西部少数地区具有正相关性;在月尺度上,白天和晚上地表温对降水时间序列变化方差的解释在空间上具有明显的分布特征,与当月植被指数解释降水变异的空间分布特征极其相似,且晚上地表温对降水时序变化的解释能力整体强于白天地表温。在年尺度上,基于空间数据挖掘算法和多元陆表环境变量对降水的空间分布特征具有最强的解释力(~90%);且在季和月尺度上,其解释力会有所下降;同时,影响降水空间分布的主控因子在时空上表现出一定的规律性,且结果具有很好的可解释性。
  (2)青藏高原年尺度TMPA数据的降尺度研究
  传统基于TMPA降尺度研究面临的两个主要瓶颈问题是:基于TMPA降尺度的陆表环境变量选择过于单一,主要依赖于NDVI或/且DEM;传统方法不能有效的同时考虑多元陆表环境变量协同下的降尺度要求。本研究引入的基于空间数据挖掘的思路能够突破上述瓶颈问题,尤其是在青藏高原,不但同时考虑诸多陆表环境因子对降水时空分布的影响,并且能够充分挖掘出降水与环境变量之间关系随着空间位置改变而改变的二维尺度效应,而且,在不同的空间范围内,能够筛选出影响降水空间分布的特定区域的最优变量组合,从而极大的满足了复杂地区基于低分辨率遥感降水数据进行空间降尺度的要求。通过验证发现:基于Cubist算法降尺度结果的精度显著优于传统降尺度算法(GWR)的结果精度,且不需要残差矫正;Cubist算法能够根据地理数据的空间特征将整个研究区划分为不同大小的子区域,充分考虑了降水与陆表环境变量之间的二维尺度效应,然后在各个子区域内,筛选出能够标准降水空间分布的最优因子组合,且可以根据各因子对解释降水空间分布的贡献率大小进行排序,具有极强的可解释性,同时,Cubist作为一种数据挖掘的算法,不受影响因子的多寡而影响到降尺度结果的精度;Cubist能够有效移除原始降水数据中异常点对降尺度结果的影响。因此,本研究创新性的引入了一种空间数据挖掘的算法,在年尺度上,能够满足青藏高原地区对TMPA进行降尺度的需求。
  (3)TMPA卫星降水产品的异常点去除矫正研究
  受高寒山区湖泊水体以及冰雪表面反射率和发射率的影响,青藏高原原始TMPA有诸多异常值存在。本研究在年尺度上对青藏高原TMPA降尺度过程中发现:基于空间数据挖掘算法和多元陆表环境变量对TMPA数据模拟的结果,不仅精度和空间分布特征与原始TMPA相当,而且有效的移除了异常值的存在,并在此基础上,采用地理比率分析(Geographically Ratio Analysis,GRA)方法,在年尺度上将地面观测信息矫正到遥感降水数据上,再通过分裂算法,获取青藏高原2000年1月至2013年12月逐月的经过异常点去除和地面矫正的遥感降水数据,该数据集被命名为NIMTMPA3B43_QTP,且已发布共享(http://agri.ziu.edu.cn/NITMPA3B43_QTP/)。通过地面观测资料在年和月尺度上对比分析TMPA数据和经过异常点去除及矫正的遥感降水数据发现:本研究获取的新的逐月降水遥感数据集(NITMPA3B43_QTP),不仅有效的去除了异常点,而且精度得到显著提高,可以进一步的丰富和完善青藏高原地区高时空精度的栅格化遥感降水数据集。
  (4)青藏高原月和曰尺度的TPMA降尺度研究
  在年降水降尺度数据的基础上,结合降水数据在空间上平滑过渡的假设,本研究提出了一种基于TMPA3B43数据的空间滑动窗口加权平均的分裂系数获取算法,得到了逐月的降水降尺度数据。为了获取曰尺度降水降尺度数据,本研究引入了逐三小时0.25°的TMPA3B42数据。基于降水在高时间分辨率(逐三小时)上具有时-空连续过渡的假设,本研究首先采用空间滑动窗口加权平均的分裂系数获取算法,获取了逐三小时~1km分辨率的分裂系数,结合月降尺度数据,得到逐三小时~1km的数据,同时,本研究提出了一种基于时间滑动窗口加权平均的算法,最终获得了逐三小时~1km的降水降尺度数据,在此基础上累计得到逐日的降尺度降水数据。通过对获取逐月和基于逐日降水事件的降尺度数据验证发现:降尺度降水数据在空间分布上整体与其相应的原始的TMPA数据极为相似,但更进一步的,降尺度数据不仅在空间上过渡平滑,去除了明显的异常点,更能够表达出更多的细节信息,同时精度得到了显著的提升,有一定的保证,因此,本研究提出的基于时-空滑动窗口加权平均算法获取青藏高原高时空分辨率降水降尺度数据的思路具有一定的适用性和实用性。
  (5)基于降尺度降水数据的青藏高原降水时空变化规律研究
  长期以来,该区域降水信息极其匮乏,无法详细反应青藏高原降水变化的时空分布规律,本研究基于TMPA的降尺度数据(~1km)分别在年、季、月探讨了青藏高原年际降水的变化规律。基于星地观测的青藏高原及其周边地区平均降水平年际变化曲线相对一致,且在年和季的时间尺度上,没有明显变化变化趋势;但是,青藏高原年际降水变化率在年/季/月上都呈现出一定的空间分布特征,且与降水量的空间分布呈现出刚好相反的趋势,即在降水量较高的藏东南地区,沿喜马拉雅山脉南麓向帕米尔高原过渡的地区,年降水量变化呈现下降的趋势,且在藏东南地区下降最显著;而在降水量相对较少的青藏高原西北部的帕米尔高原及沿喀喇昆仑山向三江源过渡的地带,降水量有一定的上升趋势,上升趋势显著。通过对比分别基于地面观测资料和降尺度数据获取的青藏高原降水变化趋势,发现;在年尺度上,基于两种资料获取的变化趋势一致性良好(R2约0.83);在季尺度上,降水量相对较少的春、秋和冬季,一致性略有下降(R2约0.70),而在降水量较高的夏季,一致性与年的相当,决定系数为0.85。星基遥感观测为青藏高原降水观测及降水气候变化研究,提供了丰富的数据基础,也获取了传统地面观测手段所无法获取的信息,同时,如何反演更高时空精度、更长时间跨度的降水数据对研究这一关键区域乃至全球范围的水文气候具有重要的意义。
  本研究的核心工作是针对青藏高原复杂的地形条件,基于低分辨率遥感降水数据,提出了一套获取该地区高时空分辨率、高精度的降水降尺度数据的方法体系。且在如下方面取得了新进展或者进行了创新性研究:
  (1)本次研究分析了降水与陆表环境变量的相互关系,引入和改进了一种空间数据挖掘算法,建立了基于TRMM卫星的年降水数据降尺度计算模型,为具有复杂地表的青藏高原地区获取高空间分辨率降水数据提供了新思路,该模型通过参数本地化,具备可应用于全球不同地区卫星降水降水数据降尺度计算的潜力。
  (2)本研究针对星地数据时-空融合降尺度的难题,借鉴地理加权回归思想,提出了一种基于时-空滑动窗口加权平均的计算方法,获取了青藏高原地区高时间分辨率(逐三小时、逐日、逐月)和高空间分辨率(~1km)的降水数据产品。利用地面气象观测站降水数据对青藏高原日尺度和月尺度数据进行验证,发现本研究的降尺度数据相比原始TMPA数据,空间分辨率和数据精度都有显著提高,如Bias从原始逐月TMPA数据的~20%降低至降尺度降水数据的~5%左右。
  (3)针对原始TMPA3B43数据存在异常点且整体高估的情况,本研究提出了一种对原始遥感数据异常点去除、数据质量矫正的新思路。计算生成了青藏高原一套2000-2013年去异常点的、精度更高的逐月栅格化降水产品,并实现了数据产品的网上共享:http://agri.zju.edu.cn/NITMPA3B43_QTP/。
[硕士论文] 袁典
气候系统与气候变化 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:确定雨季起止日期是气象服务中的重要内容。通过我们最近提出的从时域上寻找极端事件的EID方法,并对其中的可调参数a设定特定的值,可以确定出一年中在给定时间尺度的历时上降水最为集中的时段(雨期)。本文的分析表明,这可以成为一个确定雨期的工具。以南京的梅雨期为例,通过一些试验,将本研究中的参数a取值为0.10,由此可以获得气候态的梅雨期,它于6月19日开始,7月12日结束,这大体与观测的气候态相符。而对于南京逐年梅雨期的确定,情况稍有复杂,由于有的年份梅雨期很短(或空梅),梅雨期降水强度不大,一年中的主要雨期出现在梅雨期之外的其它时段,用我们的方法所确定出来的降水极端的时段可能并不在气候意义上的梅雨期,对于这种情况,梅雨期的确定或可通过考察大气环流的调整等而实现。在62年里,我们去掉了12个这样的年份(非典型梅雨),然后对其余50年各梅雨特征量做平均。结果显示,平均的入梅日期为6月22日,平均的出梅日期为7月16日,雨期为23天,这也大体与气候观测相符。
  本研究主要提出了确定雨季的方法,在此基础上,特别关注了梅雨期降水异常偏多的典型年份,1991年,并研究了这一年降水异常成因,结果表明:
  (1)与常年同期相比,该年大气环流场发生了显著改变。东亚大槽的加深以及鄂霍茨克海区域阻高没有形成有利于北方冷空气由低层向南侵袭到江淮地区。副热带高压与常年相比偏强,这样的环流形势有利于副高西侧强大的偏南风分量由洋面向陆地输送水汽,暖湿空气到达江淮流域地区。
  (2)由大气环流形势分析可知,1991年5-7月江淮地区水汽输送异常偏多,本研究同时考虑了温度对于这次洪涝的共同作用,并分析了温度和湿度对于降水的相对重要性。
  (3)通过定义IT和Iq,分别表征了温度和湿度对于降水的影响,发现了此次洪涝灾害主要由于水汽异常偏多造成。
[硕士论文] 黄娇文
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用再分析数据集、观测资料以及CCSM4模式资料,进一步对东亚季风环流季节转变与亚太热力场之间的联系及可能机理进行了研究,所得结论如下:
  (1)选用250hPa两个固定关键区的气温,计算了全年逐候的亚太纬向热力差指数(APTD指数),结果表明其与赵平等人采用各季不同关键区的APO指数高度一致,但该指数可用于确定热力场季节转变的时间点。发现用APTD指数确定的季节转变时间点能表征东亚大气环流的转变特征和过程。
  (2)冬季型环流向夏季型转变的特征为:低层大陆冷高压东移入海,阿留申低压迅速减弱,低空偏北风转为偏南风;中层东亚大槽东移减弱,副高单体在菲律宾附近出现,中心显著加强;高层南亚高压从菲律宾以东移到中南半岛西部,西风急流和东风急流发生北跳,高空偏南风转为偏北风。夏季型环流向冬季型转变的特征与由冬季型向夏季型转变基本相反。
  (3)冬季型环流向夏季型季节转变和热力场联系紧密的可能机理是:在亚太热力场转变的背景下,低空南风的出现,首先改变了经向风的垂直切变,触发垂直运动释放潜热,加快冬季加热型向夏季型转变,而夏季加热型又进一步推进环流的调整,促进低空南风高空北风的形成与加强,进而通过“环流和加热的正反馈”过程,最终建立起一个低空南风高空北风的季风经圈环流。夏季型环流向冬季型季节转变和热力场相互联系的可能机理与由冬季型向夏季型转变的情况基本相反,但由于冬季加热型并未在对流层中层出现冷却中心,因此低空北风高空南风的哈德莱经圈环流建立得较为缓慢。
  (4)东亚季风环流季节转变时间与中国后期降水、地面气温存在一定联系,并且该季节转变时间与前期热带中东太平洋的海温存在显著的相关关系,这在CCSM4模式中也得到了验证,因此为短期气候预测提供了依据。
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