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水文气象学–01绪论


孔冬冬,kongdongdong@cug.edu.cn

办公室:环境学院416

中国地质大学大气科学系 · 武汉

:::footnote https://gitlab.com/CUG-hydro/class2023_CUG_HydroMet https://github.com/CUG-hydro/class2023_CUG_HydroMet :::


大纲

1. 水文气象学的定义

2. 研究背景

3. 研究方法

4. 发展现状


1. 水文气象学定义


  • 荣艳淑等:水文与气象的交叉学科,将气象学知识应用于水文学研究(如水循环、水量平衡、各类降水问题的综合问题)

  • 郭纯青等:研究水文循环、能量平衡与气象条件相互关系和作用的学科。

  • 维基百科:研究气象学和水文学的一个分支,研究陆地表面与低层大气之间的水量和能量的转移。https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrometeorology

  • 百度百科:研究水文循环和水量平衡中同降水、蒸发有关问题的一门学科。其研究成果主要用于河道、水库的防洪兴利,以及水资源的开发利用和水利水电工程的规划设计。


1.1. 研究对象

极端水文气象事件的过程及其成因(大气圈低层及水圈的物质和能量循环)。

1.2. 研究目标

  • 学会利用水文学原理研究极端水文气象事件(如干旱、洪涝、热浪、寒潮)的发生过程、变化规律(when/where/how, 从1维生物到3维生物);

  • 学会利用气象学原理分析极端事件背后的成因与机制(学会看天气图);

  • 解决人类生存发展相关的水文气象问题(短期的水文气象灾害,长期的气候变化与社会经济发展路径)。

为何要对成因、机制进行分析?

认识事物发展的本质,才行有效地概化和改进模型,准确地预测未来发展规律,进行手术刀式的预防、预警、抗灾和减灾。


<style scoped> p { font-size: 30px; font-family: 等线 } </style>

bg left:47% 160%

“如果我们选择了最能为人类谋福利而劳动的职业,那么,重担就不能把我们压倒,因为它是为大家而献身;

那么我们所感到的就不是可怜的、有限的、自私的乐趣,我们的幸福将属于千百万人,我们的事业将默默地,但是永恒发挥作用地存在下去,而面对我们的骨灰,高尚的人们将洒下热泪。”

马克思


2. 研究背景

  1. 我国洪旱灾害频发,虽然水利设施不断完善,但是经济损失连年递增(频率高损失重)。

  2. 长江流域的特殊性:第一大河、水资源量足,洪涝频繁。

  3. 气候变化情景下,极端水文气象的频次、强度、研究程度骤增,洪旱风险进一步加剧。


2.1. 洪旱灾害规律

2.1.1. 洪涝

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1. 频率高

我国洪涝灾害频发,严重威胁人民生命和财产安全。

公元前206年至1949年的2155年间,全国发生较大洪涝灾害(主要是流域洪水)1092次,平均每两年发生一次较大水灾(中华人民共和国防洪法)

2. 损失重

中国水旱灾害占各类自然灾害直接经济总损失60%(中国水利部部长陈雷,2003)

http://www.npc.gov.cn/npc/c2171/200011/b316ad59e54d493e84e7e3f3b49f69c2.shtml http://www.chinanews.com/gn/news/2008/11-11/1444648.shtml


民国期间

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建国以来

1950-2021年,全国因洪涝受灾面积68116.880万hm2、死亡人口 284,052人,倒塌房屋 12,296.77 万间,直接经济损失50,813.03亿元(1990-2021 年数据),年均值分别为946.068万$hm^2$、3945.17人/年、170.79万间、 1587.91亿元

得益于不断完善的水利设施,相较于1991-2000年,近10年(2009-2018)洪灾受灾面积和成灾面积分别下降了48%和42%,但近10年洪灾引起的直接经济损失却增加了72%,达2170亿元/年。(中国水利数据统计年鉴

<style> blockquote { font-size: 28px } </style>

1.《中国水旱灾害防御公报》编写组.《中国水旱灾害防御公报2021》概要[J].中国防汛抗旱, 2022, 32(9):38-45. 2.《中国水旱灾害防御公报 2021》


2.1.2. 干旱

我国是世界上干旱发生频率最高、影响最严重的国家之一。

1991-2018年间,我国平均每年农田旱灾受灾面积为2076万公顷、成灾面积1098万公顷、绝收面积230万公顷,粮食损失为249亿公斤/年,2362万人口因旱饮水困难,造成的直接经济损失为852亿元/年

由于农田水利设施不断完善,相较于1991-2000年,近10年因旱农田受灾面积、成灾面积下降50%左右,受影响人口和粮食损失分别下降45%和25%(中国水旱灾害公报)。


2.2. 长江流域的特殊性


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:::footnote http://www.bjnews.com.cn/graphic/2020/06/28/742967.html :::


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130%

发源于青藏高原唐古拉山脉主峰各拉丹冬雪山的西南侧。干流流经青、藏、川、滇、鄂、湘、赣、皖、苏、沪l0省、市、自治区,注入东海。全长约6300km。流域面积180余万$km^2$(不包括淮河流域),约占全国土地总面积的1/5。


长江是我国第一大河,也是我国洪灾最严重的区域

h:16cm


长江流域近150a洪水

  1. 1870: 06.13-06.21,长江上游地区、嘉陵江,1153年至20世纪末,900年间规模最大的洪水。

  2. 1931: 6-8月,江淮地区,422,499死亡,灾民5311-6000万人。

  3. 1954: 6-9月,江淮地区,死亡3.3万人,受灾人口1888万人,京广铁路停运100天。水灾水量、水位均大于1931年江淮水灾。

  4. 1998,7-8月,3000余人死亡,受灾人口2亿,宜昌63300$m^3/s$。


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2020年中国南方洪涝灾害

三峡水库入库流量(m3/s)

  • 7月02日10时,1号洪水,50,000;02日14时,53,000 $m^3/s$;

  • 7月17日10时,2号洪水,50,000;18日08时,61,000 $m^3/s$;

  • 7月26日14时,3号洪水,50,000;27日14时,60,000 $m^3/s$;

  • 8月14日05时,4号洪水,寸滩50900;15日8时,62,000 $m^3/s$;

  • 8月17日14时,5号洪水,寸滩50400;20日8时,75,000 $m^3/s$


2.3. 全球气候变化

“随着气候变暖,大气层在饱和前可容纳更多水汽,全球和许多流域降水量可能增加。与此同时,蒸发量也增加,从而使水循环加速,气候变率增加,导致极端强降水和极端干旱发生的可能性增大。极端天气气候事件或将成为新常态。

:::footnote 李威,等. 从全球气候变化角度看2021年河南“7·20”特大暴雨[J].中国防汛抗旱,2022 :::


3. 水文气象学研究方法

1. 按照维度划分:

  • 一维:某一点(或区域平均)时间序列(time);

  • 二维:某一时间段,空间平均或叠加;如1-5号,累积降水量;累积高温天数、平均气温。

  • 三维:空间(lat, lon)+ 时间(time);

  • 四维:空间(lon, lat)+ 高度(level)+ 时间(time)。 大气过程是一个复杂的物理过程。从高空到地表,天气系统的变化过程。


2. 按照数据格式划分:

  • 站点数据:气象观测站、水文观测站

  • 栅格数据:

    • 观测数据插值:尺度转换,利用站点观测数据插值
    • 卫星(遥感数据):降水、温度、植被绿度、植被类型、地球重力异常
    • 雷达:降水、水体覆盖(Sentinel-1)
    • 模型:模型的模拟输出
    • 再分析资料:是“融合了”地面站点观测、卫星遥感、数值模式模拟的“综合”数据。是对大气情况的“最优”反映,但不是真实反映

3.1. 热浪/寒潮的研究方法

  1. 发生过程 (when, where, what),如热浪持续天数,严重程度,空间差异。

  2. 气象学成因

    大尺度环流因子(ENSO、三圈环流)、天气系统(副高、南亚高压、槽脊、极涡)

    位势高度距平、风场(垂直风速、高低压中心、辐合辐散)、水汽(干热、湿热)

  3. 人类活动影响

    人为热排放、城市热岛

  4. 未来变化规律

    研究极端事件发生的机理,改进地球系统模式,更好地模拟未来气候变化规律,揭示未来极端事件的风险,制定合理的碳排放路径和经济发展路径


3.2. 干旱/洪涝的研究方法

  1. 发生过程 (when, where, what),如降水过程,水位流量过程(洪峰、洪量、峰现时间、淹没范围),洪水损失(死亡人口、财产、牲畜、耕地)。

  2. 气象学成因

    位势高度场、风场(研究天气系统、环流异常)、水汽输送与水汽来源

  3. 人类活动影响

    水库修建与水库调节、下垫面变化(植树造林、退耕还林、植被绿化、城市化)、人类生产、生活用水

  4. 短期预测

    输入气象条件、前期土壤含水量(遥感与观测)、下垫面(遥感数据),采用水文模型、机器学习模型反演径流过程,预测未来1-7天的洪水风险。

  5. 未来变化规律


4. 国内研究现状

4.1. 气象数据网站


4.2. 预防预警&天气图网站


4.3. 水雨情信息与预防预警网站

洪水预警网站较少,很多内部使用不公开。


4.4. 开设水文气象学的高校


4.5. 知名学者

4.5.1. 水文学

  • 刘昌明(中科院地理所,院士,水文和水资源)、
  • 夏军(中科院地理所,院士,武汉大学,水资源安全)、
  • 张橹(CSIRO首席,ET专家)
  • 徐宗学(北师大,水文模型专家)
  • 谢正辉(中科院大气物理所,VIC模型、陆面水文模型)
  • 段青云(河海大学,水文模型及率定算法)
  • ...

4.6. 气象学

  • 丁一汇(国家气候中心,院士,极端水文气象)
  • 秦大河(中国气象局局长,院士,气候变化)
  • ...

4.6.1. 政界

  • 胡锦涛(清华大学水利系,2003-2013国家主席)
  • 郭生练(武汉大学水利水电学院,2005-2018湖北省副省长)
  • ...

小结:

  1. 水文气象学的定义 研究对象、研究目标

  2. 研究背景 全球气候变化 (重点掌握)

  3. 研究方法

  4. 国内研究现状