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水文气象学2024

课程介绍

孔冬冬，[email protected]

办公室：科教六楼307

中国地质大学（武汉）大气科学系

Github: https://github.com/kongdd Profile: http://grzy.cug.edu.cn/kongdd Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Dongdong_Kong

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1. 个人简介

孔冬冬，河南周口人；

时间	地点	角色
2020.07~至今	中国地质大学（武汉）	副教授、硕导
2015.09~2020.06	中山大学	自然地理学 博士（直博生）
2018.12~2019.01	南方科学大学	访学
2018.09~2018.11	澳洲CSIRO	科研助理
2017.12~2018.11	澳洲CSIRO	联合培养博士生
2015.09~2015.10	香港中文大学	访学
2011.09~2015.06	中山大学	水文学与水资源工程 学士

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1.1. 开发水文气象专业相关工具包30余项

• PML.jl: 陆面三层蒸散发与植被总初级生产力，https://github.com/gee-hydro/gee_PML, https://github.com/jl-pkgs/PML.jl

• SoilDifferentialEquations.jl: 土壤热通量与土壤水运动，https://github.com/jl-pkgs/SoilDifferentialEquations.jl

• MarrMot.jl: 地表产汇流，47个集总式水文模型，https://github.com/jl-pkgs/MARRMoT.jl

• VIC5.R：地表产汇流，分布式水文模型VIC5与集总式水文模型XAJ，https://github.com/rpkgs/VIC5

• hydroTools：水文气象专业R包，https://github.com/CUG-hydro/hydroTools

• SpatioTemporalCluster.jl: 干旱、热浪，三维时空聚类

• 研究组CUG-hydro：https://github.com/CUG-hydro

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1.2. 个人研究

• 2021年，中尺度水文模型VIC5模型R语言版本核心维护者，CRAN官网发布至今使用人次7368（截至2023-11-08）;

• 2021年9月，研究团队获第一届水科学数值模拟大赛特等奖；

• 2022年，47个集总式水文模型MarrMotJulia语言版本（简称MarrMot.jl）完工，与旧版本相比，实现300倍提速，为大范围的推广应用奠定基础；

• 2022年，MarrMot.jl提供47个水文模型的API接口，被气象公司象辑科技应用；

• 2023年，MarrMot.jlAPI接口，在长江水科院得到推广应用；

• 2023年7月，作为第三届水科学数值模拟创新大赛获奖团队，受邀到长江电力三峡梯调开展成果验证（全国85家单位274支队伍，共5组受邀参加）；

• 2023年8月，中国短时洪涝预警开源社区召集者，https://github.com/CUG-Flood/ChinaFlood_Monitor

• 2023年11月，研究团队关于全球水资源变化的合作论文发表在Science期刊。

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• Yongqiang Zhang; Congcong Li; Francis H. S. Chiew; David A. Post; Xuanze Zhang; Ning Ma; Jing Tian; Dongdong Kong; L. Ruby Leung; Qiang Yu; Jiancheng Shi; Changming Liu ; Southern Hemisphere dominates recent decline in global water availability, Science, 2023, 382(6679): 579-584

• Yongqiang Zhang, Hongxing Zheng, Xuanze Zhang, L. Ruby Leung, Changming Liu, Chunmiao Zheng, Yuhan Guo, Francis H. S. Chiew, David Post, Dongdong Kong, Hylke E. Beck, Congcong Li & Günter Blöschl. Future global streamflow declines are probably more severe than previously estimated. Nature Water, 2023, 1, : 261-271.

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1.3. 指导本科生

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2022级本科生

• 陈家应；创新训练项目项目选题（2024），冠层与地表视角的城市热岛效应及其郊区影响研究（省级，5000元）

2020级本科生

• 史嘉琪；创新训练项目项目选题（2022），机器学习与传统水文模型短时径流预报研究 （省级，5000元）

2019级本科生

• 宋和洋；创新训练项目精品项目选题（2021），1961-2017年中国热浪时空多维变化规律（国家级，2万元）

2018级本科生

• 田靖龙、雷诺、李和洋、庄胜杰；创新项目（2021），一种基于数据挖掘和驱动的流域径流预报方法（学校级，3000）

• 李晨曦、康晓萍、韦李宏；第八届“共享杯”科技资源共享服务创新大赛（2021），三等奖（73/3200，3200队伍参赛，73组获奖）

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2. 课程介绍

上课地点

:::block 周三5-6节，10-17周，041222，公教1-413 周五9-10节，11-18周，041222，公教2-302

周三9-10节，10-17周，041221，公教2-302 周五5-6节，11-18周，041221，公教2-302 :::

地点：公教2-107

时间：11-18周，星期二（7-8节），星期四（1-2节）

考试安排

2024-01-10 (14:30-16:30，结课后一周)

• 公教1-116, 26，041221

• 公教1-114, 22人，041222

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3. 考核方法

平时成绩（50%）：

1. 考勤（10%）

   缺勤超过三次，无考勤分！

2. 课堂小测（20%）：4-5次小测，去除一次最低分。

   bonus: 小测做的不好，可以通过主动回答问题弥补， 可能会通过小测判断考勤，无小测、无考勤。

3. 平时作业（20%）：2-3次作业

期末考试（50%）：

• 闭卷，50%

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4. 推荐的教材

1. Bonan, Climate Change and Terrestrial Ecosystem Modeling，2019

2. 戴永久陆面模式研发团队，通用陆面模式CoLM，2024

3. 葛朝霞等，气象学与气候学教程，中国水利水电出版社（第2版）

4. 荣艳淑等，水文气象学与气候学，中国水利水电出版社

5. Frederick（陈星等译），气象学与生活，电子工业出版社（第12版，修订版）

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课程大纲

1. 绪论

2. 基本水文、气象要素

PART I：水文过程

3. 地表能量平衡——辐射

4. 蒸散发与地表水量平衡

5. 土壤水运动与土壤热通量

6. 产汇流过程（选讲）

PART II: 气象学原理

7. 位势高度与气压场

8. 辐射、温度与热浪分析

9. 水汽通量与暴雨分析

10. 大气环流（选讲）

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万物皆浓度扩散？

$$ Rn - G = \lambda E + H $$

• 蒸发过程：$E = g_w * (e_s - e_a)$

• 植被光合：$A = g_c * (C_a - C_i)$

• 感热通量：$H = \rho c_p (T_s - T_a) g_H$

• 土壤热通量：$G = -\kappa \frac{\partial T}{\partial z}$

• 土壤水运动：$Q = -K \frac{\partial{(\Psi + z)} }{\partial z}$

:::footnote Yin X, Struik P C. C3 and C4 photosynthesis models: An overview from the perspective of crop modelling[J]. NJAS-Wageningen Journal of Life Sciences, 2009, 57(1): 27-38. :::

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学会上述内容后，离洪水预报还有多远 ？

• 降雨$P$

• 冠层截流$E_i$

• 地表径流$R$

• 下渗$I$

• 壤中流$RI$与地下径流$RG$

• 河网汇流（Routing）

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气象学成因

• 位势高度与气压场：气象分析基本理论

• 高温热浪分析

• 暴雨分析

• 大气环流：气候态分析

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6. 能收获哪些？

• 基本的水文循环过程

• 掌握极端水文气象事件（如热浪、寒潮、干旱、洪水）的分析方法（知其然，从1维生物到4维生物）

• 学会分析基础的极端事件的成因和机制（知其所以然）

• 基本的数据分析？Julia编程语言

  • https://www.runoob.com/julia/julia-environment.html
  • https://cn.julialang.org/JuliaZH.jl/latest/manual/getting-started/

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7. 如何学好这门课？

系统性学习，刨根问底；多问为什么，多检索，想办法解决生活中的水文气象问题

• 知乎：高质量的问答
• 公众号：系统性的总结
• bilibili、YouTube：简明易懂的教程
• 百度、google：中英文专业搜索引擎
• 知网：中文文献
• Google Scholar：外文文献
• Wikipedia：比知乎更专业的知识库

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紧跟时代的脚步

大语言模型

高效学习

• ChatGPT: https://chat.openai.com/

• GitHub Copilot: https://github.com/github-copilot/signup

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8. 如何拿到高分

1. 体现出工作量（检索5-10篇文献，才有自己的报告）；

2. 体现出自己的思考（避免抄袭，避免写自己不懂的部分；抄的好，但没有自己的思考照样低分），具体地去解读别人的文章，先写用到哪些知识点，再写如何看图；

3. 写作有逻辑（建议采用总分的结构），使用书面表达（避免口语化），排版美观，注意中英文标点、中英文字体（中：宋体，英：Times New Roman）、页码、参考文献格式；

4. 学会分析具体的应用案例。

认真！细心！精益求精！

挑战让自己紧张的事情。

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9. 准研究生的训练

• 基础的数据处理、制图和数据分析能力（熟练掌握一门编程语言）

• 独立解决复杂问题

• 英文文献阅读

• 写作逻辑训练

• 大创、竞赛（厚积薄发，勇于尝试）