基于随机森林算法对青藏高原TRMM降水数据进行空间统计降尺度研究

提高气象数据空间分辨率对水文、气象和生态等领域的流域尺度研究至关重要。青藏高原气候变化在全球气候研究中占有重要的位置,并且对局域降水分布的研究在大气科学中处于基础地位。为获取青藏高原地区准确、有效、更高空间分辨率的降水数据,基于随机森林算法,引入植被和地形因子,采用热带降水测量计划卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM) 3B43降水数据(0. 25°×0. 25°)、NOAA-AVHRR归一化植被数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据(8 km×8 km)、航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据(90 m×90 m)以及经纬度信息,建立了非线性空间统计降尺度模型,最终获得8 km分辨率降水降尺度结果。另外,采用将时间序列分析和非线性回归分析融合的方法,基于2000—2012年TRMM年均降水数据和NDVI数据,建立降水量时间尺度预测模型。分析结果表明,综合考虑植被和地形因子对青藏高原地区降水空间分布的影响,基于随机森林算法建立的降尺度模型,其降尺度结果与地面站点测量值拟合系数为0. 89,高于TRMM数据与地面站点测量值的拟合系数0. 81,说明降尺度结果提高了卫星遥感降水数据的空间分辨率。另外,降水预测模型能够较好地描述青藏高原地区的年际降水变化趋势和数量级,2006—2012年的预测降水量与TRMM降水数据拟合系数均高于0. 80。     

基于多时相Sentinel-1A SAR数据草原地区降水量反演

水资源对草原地区牧草生长至关重要,准确获取降水量信息对陆地生态系统和水循环研究具有重要意义。基于降水过程前后土壤含水量变化引起的介电常数变化,会导致后向散射系数变化这一事实,提出了基于多时相SAR数据反演降水量的方法。以二连浩特和锡林浩特2个观测站点为例,利用降水过程前后Sentinel-1A SAR数据和降水量数据进行研究及对比验证。结果表明,降水过程前后后向散射系数差值与降水量的回归关系较好;采用该方法可以获得植被覆盖度较低地区真实的降水量空间分布;二连浩特地区2015年9月21日的降水量空间分布与考虑影像获取时间和大气运动后的MODIS大气可降水量产品数据空间分布一致性较高。     

基于TRMM降雨数据的中国黄淮海地区干旱监测分析

热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)的降雨数据覆盖范围广,时间分辨率高,是区域干旱监测的一种有效数据源。将0.25°空间分辨率的TRMM 3B43数据降尺度处理成0.05°空间分辨率数据,用以构建降水量距平百分率(Pa指数)和Z指数,对黄淮海地区2010年冬季到2011年春季的干旱时空演化特征进行监测与分析,并计算同期的标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)对监测结果进行验证。研究结果表明,降尺度数据具有较高的可靠性,与实测数据的拟合结果 R20.76;Pa指数突出降水盈亏程度,能够有效监测区域尺度干旱,但缺乏空间分布规律;Z指数以Person-Ⅲ型分布拟合降水量,能够很好地监测干旱的时空演化特征,但干旱等级划分相对困难;利用Pa指数对Z指数干旱等级划分进行修正,其结果与SPI相关程度R20.75,表明Pa和Z指数用于干旱监测的有效性,为区域尺度干旱监测提供了一种切实可行的方法。     

河西地区NDVI变化及其对气温和降水的响应

针对不同地区植被变化对气温和降水的响应不一致的现象,该研究基于MODIS-NDVI遥感影像及同期33个气象站点数据,采用斜率分析和相关分析等方法,探究了河西地区2000-2017年生长季植被覆盖的年际和年内变化及其与气候因子的关系.结果表明:河西地区生长季NDVI的总体水平偏低,空间上由东南向西北逐步递减;近18年,河西地区NDVI的趋势变化为整体增加,增加速率为0.022/(10 a).年尺度上,河西地区NDVI变化与气温相关性较小,主要受降水影响,86.80％的区域与降水呈正相关.月尺度上,植被覆盖随温度升高而逐渐增加,20℃时趋于最大;月降水量在0～60 mm之间时,NDVI随降水量增大而快速增加;超过60 mm后,则稳定在0.16左右.河西地区植被对降水的响应存在2个月滞后性,而与气温则无明显时滞性.     

植被指数对旱灾的响应研究—以中国西南地区2009年—2010年特大干旱为例

基于中国西南地区5个省(市)2001年—2010年期间由中分辨率成像光谱仪MODIS影像资料反演得到的归一化植被指数NDVI产品数据和区内气象站点的连续观测资料,提取了研究区内各气象站点印迹区的NDVI值,计算了降水距平百分率Pa和D指数(降水量与潜在蒸散量之差)这两种气象干旱指数。依据全国植被类型图(2000年版),对研究区内的主要植被类型在季节时间尺度上开展了这两种气象干旱指数与距平NDVI的相关性分析。研究结果表明:距平NDVI对D指数的最大响应滞后约一个月,在此尺度上表现出明显的线性相关性,所选取的6个季度的相关系数均接近或大于0.7,显著性水平小于0.01;对干旱敏感的植被类型如旱地和草地等,表现出更显著的相关性,其相关系数分别达到了0.83和0.71(平均);在干旱季节,D指数与距平NDVI表现出较为一致的空间分异规律,而Pa指数仅在旱情比较严重的情况下或对干旱比较敏感的植被类型区与距平NDVI表现出一致性分布。     

亚热带山地丘陵区气象要素空间化方法分析

空间连续的气象要素是区域环境、生态系统模拟的重要参数,空间插值是实现气象观测站点数据空间化的主要方法。由于不同区域气候要素时空分布的复杂性,研究适用于特定区域的空间化方法具有重要意义。本文以湖南省为研究区,分析长江中游亚热带丘陵区气象要素的空间化方法。基于湖南省及其毗邻地区的46个气象站点14年(2000—2013年)的气象观测数据(月降水量、月均温)和DEM数据,对普通克里金法(OK)、反距离加权法(IDW)、样条法(SPLINE)和基于DEM的多元线性回归插值法(MLR)进行比较分析研究。研究结果表明:1)月降水量和月均温的MRE和RMISE值排序分别为:SPLINEIDWMLROK和SPLINOKIDWMLR;年平均降水量和年均温插值的MRE和RMISE值排序分别为:SPLINEIDWOKMLR和SPLINOKIDWMLR;2)MLR法不仅插值误差小,而且能从细节上反映出气象变化的空间变异性;3)对多变量进行数据探索分析表明,MLR插值法中,经度、坡度与年降水量空间分布存在空间的一致性;纬度、高程和坡度对年均温的空间分布具有很强的解释力。     

湖南省年均降水量空间插值比较分析

本文以湖南省及周边区域98个气象站点1981-2010年降水量数据及该地区的DEM为基础进行空间插值,选择38个站点作为检验站点,其余站点分别取60,40,20个作为插值站点。采用整体插值法、局部插值法和混合插值法分别计算研究区的面雨量,比较不同插值模型的精度,结论如下:插值站点数量和模型类型及其参数均会影响插值精度;混合插值法相比于整体插值法和局部插值法更加稳健;20,40,60个插值站点的最优模型分别为BP神经网络、经验贝叶斯克里金法和张力样条插法;不同插值方法的降水空间分布格局大体相似,近似呈现出降水高值与降水低值两个"凹"形区域相毗连,东部降水量高于西部,南部高于北部。     

基于多源遥感数据的旱情评价研究——以河南省为例

以河南省为研究区,利用2005—2014年间的EOS-MODIS地表温度产品MOD11A2、植被指数产品MOD13A3以及热带降水测量任务(tropical rainfall measuring mission,TRMM)的月降水速率数据集TRMM3B43,计算了植被状态指数(vegetation condition index,VCI)、温度状态指数(temperature condition index,TCI)以及降水状态指数(tropical rainfall condition index,TRCI),同时结合土地利用类型数据及气象站点数据,通过层次分析法确定权重,构建了农业干旱指数监测模型。在此基础上,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)对模型进行验证,并根据SPI的等级划分确定构建的农业干旱指数监测模型的划分等级。以2014年为例,应用构建的农业干旱指数对河南省干旱情况进行时空分析。结果表明,构建的农业干旱指数监测模型能够有效监测河南省干旱时空变化特征,具有较好的监测效果。     

时序变差函数特征驱动下的月平均降水空间分布模拟

高精度降水场是水文、气象以及环境分析的重要数据支撑,直接影响相关服务的准确性。传统降水分布模拟大多依赖站点空间维的驱动因素,而忽略了降水时序变化特征对其空间分布的影响。使用2015—2017年中国湖北省83个国家气象观测站点和28个省级观测站点近3 a月平均累积降水资料,通过相关性分析,引入站点降水时序理论变差函数模型的拱高值(C)和块金值(C₀)作为影响因素,使用地理加权回归(geographically weighted regression, GWR)建立湖北省月平均降水分布模型。结果表明:（1）各站点降水的时序变差函数曲线与降水的季节性基本吻合。站点时序理论变差函数模型中,有25.3%能够在4个月内达到平稳,36.14%在6个月内达到平稳。（2）站点降水时序理论变差函数模型的C和C₀与逐年12月平均累积降水在0.01水平（双侧）上显著相关,平均相关系数分别为0.745和0.526,大于地理位置和高程对降水的影响。（3）引入C和C₀ 有助于提升GWR模型的整体拟合优度和插值精度。对比仅使用经纬度的GWR模型和引入时序理论变差函数特征的GWR模型,3 a平均整体拟合优度从0.852提升至0.912。验证集站点插值精度评价显示,3 a绝对误差、均方根误差和平均绝对百分误差下降幅度均大于60%。因此,引入时序理论变差函数特征的时空GWR模型能够获得较高精度的降水模拟结果,更适合具有丰富历史降水资料地区的降水空间分布估算。     

安徽省降雨量空间分布方法

基于安徽省78个气象站点的30年(1977-2006)降水资料,运用地理信息系统软件ArcGIS提供的空间插值方法,研究安徽省降水量的空间分布规律。通过对17个检验点的空间插值进行检验,相关性明显,表明反距离加权插值法在模拟降水量空间分布具有较高的精度。     

基于北斗/GNSS的中国-中南半岛地区大气水汽气候特征及同降水的相关分析

本文采用统一的处理模型和处理策略对中国-中南半岛地区地基北斗/GNSS测站2006—2016年历史观测数据进行高精度重处理和水汽反演,获得近10年的大气可降水含量（PWV）产品。基于北斗/GNSS PWV产品,研究了该地区大气水汽平均含量、年周期振幅和半年周期振幅等气候特征,发现这些特征主要受到了测站纬度、高程以及季风的影响。通过分析PWV同并址气象站降水观测的关联特性,揭示了该地区大气水汽含量同降水相关性随测站纬度减小而降低的特点（在云南相关系数可达0.8,在靠近赤道的泰国南部相关系数约为0.2）。此外,PWV和降水的距平值相关分析表明,相比于历史同期,大气水汽含量较高的月份在一定程度上对应着降水异常偏高,两者相关系数为0.2~0.4。     

山东省暴雨时空变化特征分析

以山东省为研究区域,基于20个气象站点1970—2013年月降水量和日降水量数据,运用线性回归、空间插值等方法,分析近44年来山东省暴雨降水量的时空变化特征.研究表明:(1)山东省近44年来暴雨量和暴雨日数呈现明显上升趋势;(2)山东省暴雨量、暴雨日数和暴雨强度的空间分布特征都受纬度、海陆和地形因素影响,呈现出由东部沿海向西北内陆递减的分布规律,并且在泰山地区形成暴雨发生的高频地带;(3)山东省暴雨量、暴雨日数和暴雨强度的空间变化趋势各有不同,暴雨量与暴雨强度变化趋势在空间分布上具有明显的一致性.     

基于多种植被指数TVDI京津冀地区干旱监测

以京津冀为研究区,基于MODIS数据产品获取NDVI、EVI、MSAVI及LST,利用DEM对LST进行修正,建立不同植被指数的Ⅵ-Ts特征空间,选取干湿边拟合效果好的植被指数建立TVDI,获取研究区2018年植被生长季(4—10月)干旱情况,利用同步气象站点降水数据进行相关性分析,使用同期气象公报进行结果验证。结果表明：1)利用MSAVI构建的特征空间总体拟合效果优于其他两种植被;TVDI_M与同期气象站点降水数据呈显著负相关,均通过P<0.05显著检验。2)空间上,旱情主要发生在张家口和东南平原地区;时间上,旱情表现为先加剧后缓解。综上,TVDI_M模型可靠性及精度较高,可用于京津冀地区干旱监测预警。     

利用GPS可降水量校正MODIS近红外水汽数据

针对MODIS近红外水汽产品精度不足以及地基GPS技术解算的大气可降水量地理分布不连续的问题,提出一种利用地基GPS可降水量来校正MODIS水汽产品从而得到区域性连续分布的高精度可降水量的方法。利用GAMIT软件和地基GPS数据解算出IGS站点的大气水含量,建立GPS可降水量与MODIS近红外水汽产品的回归分析模型得到最终的校正结果。通过与实测气象站数据对比分析可知,所提方法有效地结合了MODIS和地基GPS两种遥感水汽技术的优点,能够得到高精度、地理分布连续的大气可降水量,研究结果可为实时天气预报、气候监测等工作提供参考。     

GPS/PWV在台风"玛莉亚"袭闽期间的变化特征研究

可降水量（PWV）表征大气中的水汽含量,本文利用福建省卫星导航定位基准服务系统（FJCORS）的GPS观测资料反演得到可降水量（GPS/PWV）,通过与实测的高精度探空PWV资料进行对比发现,其相关系数达到0.98,与探空结果具有较好的一致性;平均偏差在1.10 mm以内,表明GPS/PWV资料具有较高的精度。在此基础上分析2018年第8号台风“玛莉亚”登陆福建前后的GPS/PWV变化特征及其与实际降水量的关系,结果表明,GPS/PWV资料能够很好地反映台风期间水汽的时空动态传输过程,并与降水之间具有良好的对应关系。     

GPS/PWV与第五代大气再分析数据的短时强降水分析

针对全球升温、极端天气增加、我国西北短时暴雨增多等现象，该文结合ERA5降水数据和气象站采集的实际降水量，利用我国西北干旱地区GPS观测数据反演的GPS/PWV对一次短时强降水过程进行分析。结果表明：(1)GPS/PWV的积累和变化与实际降水发生时刻及降水量具有密切联系，特别是GPS/PWV在陡升陡降及高位震荡与降水实际发生具有较强的对应关系，对GPS/PWV应用于我国西北干旱地区短时强降水预报及防灾减灾等具有一定的参考意义；(2)ERA5数据记录的降水事件与气象站记录的实际降水的发生存在较好的对应关系，但降水发生时刻及降水量与实际降水相比准确性较差。该研究对于增强数值同化和机器学习在短时暴雨及极端天气等预报具有重要意义。     

最新GPM降水数据在黄河流域的精度评估

基于黄河流域雨量计网络降水数据,利用相关系数、平均误差、均方根误差和相对误差4个评估指标以及极端降水指数和误差分析方法,研究全球降水测量计划卫星(global precipitation mission,GPM)的2个降水产品(GSMap-gauged和GPM IMERG)的误差空间变化特征、对极端降水的捕捉能力和降水数据精度。结果显示:2个产品数据都大体存在西部低估,东部高估的现象,而相比于GSMap-gauged产品,GPM IMERG产品在大部分地区的误差更大,并且漏报误差受海拔和降水强度的影响更为显著,但对微量降水的观测较为精确些; 2个降水产品日尺度降水数据统计指标对比表明,GSMap-gauged产品的相关系数更大,平均误差绝对值更小,监测性能更好;在极端降水观测能力上,GSMap-gauged产品监测能力强于GPM IMERG产品。     

北京7·21暴雨时空分布特征及热岛-雨岛响应关系

以新中国成立以来北京地区发生单日最大降雨的2012年"北京7·21暴雨事件"作为研究对象,采用热带降雨观测计划(tropical rainfall measuring missio,TRMM)降雨数据、气象观测降雨数据和中分辨率成像光谱仪(MODIS)的地表温度(land surface temperature,LST)产品,利用空间插值、空间降尺度、精度评价及相关分析等方法分析北京7月21日暴雨的时空分布特点,定量研究城市"热岛-雨岛"时空响应关系。结果表明:从空间分布来看,强降雨发生北京南部;从TRMM的3 h降雨数据来看,随着时间推移最强雨带自西向东推进;经气象数据验证,降尺度的TRMM 3B42数据精度有所提高;LST对暴雨的影响表明热岛与雨岛在空间分布上存在一致性,且在雨强最大时段两者相关性最好。     

两湖平原地下水微动态影响因素相关性分析

针对地下水微动态影响因素的相关模型建立的研究较缺乏这一问题,该文以两湖平原地区的3个地下水监测站数据为基础,结合该地区气象站点2009—2013年的气压、降水量数据,采用反距离权重插值法内插地下水站点的气压与降水量数据,分别建立地下水与气压等效水高、降水量的皮尔逊相关模型,计算了地下水与气压等效水高、降水量的相关系数,分析该地区地下水的动态变化及其与气压、降水量的相关性。分析结果表明,两湖平原地区地下水对气压的响应呈负相关性,不同区域的相关性不同;降水量对地下水位的影响比较复杂,直接影响并不明显。     

基于GRACE/GRACE-FO反演华北平原2002—2021年水储量变化

针对华北平原水资源分布不均的问题，该文利用2002年4月—2021年12月共237个月的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星、GRACE-FO卫星重力数据对华北平原的水储量变化情况进行了研究，采用奇异谱插值填补GRACE与GRACE-FO间的空白期数据，并联合3家Mascon产品、全球陆面同化系统水文模型与全球降水气候中心降水数据进行综合性比较和分析，实现了对华北地区水储量时空变化情况的探究。结果表明，华北地区陆地水储量整体呈下降趋势，亏损速率为-0.927 6 cm/a,且具有明显的季节特征，与降水量的变化情况一致，经过相关性分析，GRACE、GRACE-FO与3个Mascon产品反演的水储量变化存在较高的相关性，相关系数均在0.89以上。