不同卫星遥感降水产品在甘肃武威地区的适用性及修正方法研究

CMA和JMA卫星遥感降水产品由于时间和空间尺度较多,在国内许多地区水文监测及水资源领域中得到应用,以甘肃武威南部地区为研究对象,结合区域实测降水数据,对CMA和JMA两种常用卫星降水产品在甘肃武威地区的适用性进行分析,并对其修正方法进行研究。结果表明:CMA卫星降水产品总体精度好于JMA,但JMA在大雨量级的精度好于CMA卫星降水产品,采用卡尔曼滤波方法对降水产品进行修正后,卫星降水产品总体精度得到较为明显的改善。研究成果对于甘肃地区卫星降水产品的数据同化具有重要的参考价值。     

三种降水产品在雅砻江流域的时空适用性研究

基于雅砻江流域及邻近地区28个地面气象站点资料,在不同时空尺度采用降水探测评价指标评价了多源降水再分析产品——中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(CMFD)中的降水资料,全球降水计划多卫星集成降水产品(GPM-IMERG)和多源加权融合降水产品(MSWEP)三种降水产品在研究区的适用情况。结果表明:虽然CMFD在湿季和年尺度研究区有极轻微的低估现象,但在各时间尺度表现均优于IMERG和MSWEP;在日、月、年和湿季尺度,三者精度同纬度和高程成正比,在干季,纬度高海拔地区精度较中低纬度和中低海拔地区低;CMFD和IMERG精度随月、年、湿季、干季和日尺度的顺序降低;而MSWEP精度随月、年、干季、湿季和日尺度的顺序降低;IMERG在湿季、MSWEP在干季表现较好,在月尺度二者表现相近;CMFD探测不同量级雨量能力最高,MSWEP和IMERG分别次之;随着降水数量的增加,各数据集探测能力均变弱。研究结果为研究区水文气象工作提供借鉴。     

遥感降水资料后处理研究综述

获取高精度高分辨率的降水数据对于流域水文分析、水资源管理及洪涝干旱监测等均具有重要意义。遥感技术虽然能有效再现降水的时空分布,但原始遥感降水资料无法满足水文领域对高精度高分辨率数据的需求,需要开展遥感降水资料的后处理研究。介绍获取降水资料的主要方法,包括雨量站观测、地面天气雷达估测以及气象卫星反演,讨论各方法的主要优势和当前存在的问题,在此基础上综述遥感降水资料的后处理方法研究进展,包括空间降尺度、偏差校正以及产品融合,并归纳后处理降水产品的评价指标,最后指出今后的研究重点:发展和改进降水估计技术;构建更为合理的多源降水数据融合框架;加强降尺度法对比研究,进一步改进和完善降尺度法;开展降水相关的不确定性分析。     

TRMM卫星降水数据在洣水流域径流模拟中的应用

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,评估热带降雨观测计划（TRMM）最新一代卫星降水产品3B42V7的精度;利用站点和卫星两种降水数据驱动栅格新安江模型,采用SCEM-UA算法考虑模型参数不确定性,进行流量过程模拟,评估TRMM 3B42V7在流域水文模拟和预报中的应用能力。数据精度评估显示:在平均意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较高,较站点观测低估了6.68%;但在绝对值意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较低,绝对偏差达到57.76%;TRMM 3B42V7经过了地面月降水量偏差校准,其精度在月尺度上有较大提高。径流模拟结果表明:TRMM 3B42V7模拟的日径流过程精度较低,有部分洪峰没有捕捉到,但仍能表征径流的日变化特征;月尺度上模拟径流与实测径流吻合较好,能表征径流的季节性和年内变化特征;计算的日尺度和月尺度95%置信区间包含大部分实测流量过程。     

TRMM遥感降水低估还是高估中国大陆地区的降水?

卫星降水产品在一定程度上为地表观测稀疏地区的降水提供了参照值,但在具体应用时仍需进行适用性和精度评价.为降低不确定性,通行做法是利用地面观测数据对卫星产品进行融合校正,评价和修正卫星降水产品.以TRMM为例,对研究中国大陆范围的融合TRMM降水的公开成果进行了检视,发现不同研究成果结论之间存在不可忽视的方向性相背情况,极大地影响着生产实践应用中对融合产品的可靠性判断.研究认为,这种融合结果相背的现象与融合校正方法关系不大,而与地面降水参照站点选取的范围有密切关系.研究表明,仅靠TRMM卫星降水自身及与地面融合方法的创新,尚不能降低卫星降水产品的不确定性.目前仍需加强对卫星降水融合中地面观测数据的完整性要求,采用多种独立检验方法验证融合结果的一致性和可靠性.     

赣江流域TRMM遥感降水对地面站点观测的可替代性

多卫星遥感降水产品为无/缺资料地区的水文过程模拟提供了新的数据来源。结合地面高密度雨量站网,在中国典型暴雨区赣江流域定量评估两种TRMM降水产品(3B42V7和3B42RTV7)的精度,并通过耦合分布式水文模型CREST,探讨了水文模拟中TRMM卫星降水产品对地面观测降水的可替代性。研究表明:3B42和3B42RT与地面观测流域平均月降水相关系数达到0.9以上,偏差在5%以内,日尺度上相关性略差,偏差略有增加。同时设计2种水文模拟对比试验:情景I为静态参数,使用地面雨量站降水率定模型参数,采用卫星降雨验证模型;情景II为动态参数,采用卫星数据重新率定模型参数,再利用卫星降雨验证模型。对比结果表明:情景II中完全使用TRMM降水后模型效果明显改善,证明TRMM卫星数据在赣江流域具有替代地面站点观测的潜力,但需要重新根据卫星降雨率定模型。     

贵州高原地带TRMM 3B42卫星降水数据的精度评价

在下垫面相对复杂,位于高原地带的贵州,利用19个气象站点实测数据分别从年、季度、月和天时间尺度对TRMM 3B42卫星降水数据进行精度检验,并讨论TRMM 3B42卫星对不同降水强度的探测能力,以此来分析其在贵州的适用性。结果表明,TRMM 3B42降水数据在年尺度上拟合优度较好(R=0.82)。研究区内19个站点年均相对误差为-2.39%,其中将近70%的站点数据表现TRMM 3B42降水量低于地面气象站点。月尺度上整体相关系数很好,R达到0.89。但是TRMM 3B42卫星数据对不同季节的探测能力存在差异,其中,冬季相关系数最低。在日尺度上TRMM 3B42降水数据与实际降水偏差大,对降水强度过大或过小的降水情况均不能准确地探测。对于单个站点而言,海拔较低的站点TRMM卫星探测出的降水与实测降水偏差小。     

基于MODIS积雪覆盖度数据的青藏高原两套被动微波雪深产品降尺度对比研究

积雪深度(雪深)是流域水量平衡、融雪径流模拟等模型的重要输入参数,被动微波雪深遥感产品被广泛用于雪深监测。然而,由于山区积雪时空异质性强,这些空间分辨率较粗的雪深产品受到极大限制。本研究基于MODIS积雪覆盖度数据,根据经验融合规则以及积雪衰退曲线对“中国雪深长时间序列数据集”的两套雪深产品(由SMMR、SSMI和SSMI/S反演的称为Che＿SSMI/S产品;由AMSR-2反演称为Che＿AMSR2产品)进行空间降尺度,最终获得青藏高原500 m降尺度雪深数据(Che＿SSMI/S＿NSD和Che＿AMSR2＿NSD)。利用6景Landsat-8影像对两套降尺度雪深数据进行对比分析,结果发现两套降尺度数据与Landsat-8影像积雪空间分布吻合度均较高。与29个气象站点雪深数据相比,Che＿AMSR2＿NSD与实测雪深更为接近,相关系数(R)达到0.72,均方根误差(RMSE)为3.21 cm;而Che＿SSMI/S＿NSD精度较低(R=0.67,RMSE=4.44 cm),可能是由于采用不同传感器亮温数据的两套原始雪深产品精度不同所致。除此之外,实验表明被动微波雪深产品降尺度精度还...     

TRMM3B43卫星降水数据在京津冀地区的适用性研究

以京津冀地区为研究区域,利用散点斜率法、相对偏差、均方根误差和相关系数法,对研究区域内176个国家级雨量站2006-2015年的实测降水资料在不同时空尺度下检验了同期TRMM （Tropical Rainfall Measurement Mission）卫星降水产品3B43 V7的适用性。结果表明：TRMM 3B43多年均降水量与站点实测降水时空分布规律一致,在不同时间尺度下具有良好的相关性,相关系数均在0.85以上,随时间尺度的增加精度有所降低;整体上TRMM 3B43降水数据略小于站点实测降水,在常年降水高值区域出现低估现象,季尺度上,夏季和冬季误差较大;就区域而言,TRMM 3B43在西北山地高原地区相对偏差和均方根误差均较小,相关系数基本在0.9以上,拟合精度较高,可信度较强。     

高分辨率遥感降水资料在青海湖流域及周边区域的适用性评价

基于气象站观测数据,利用探测率(POD)、报错率(FAR)、临界成功系数(CSI)和相关系数(R)、平均绝对误差(MAE)对TRMM 3B42V7、CMORPH、PERSIANN、PERSIANN-CDR遥感降水资料在青海湖流域及周边区域探测降水事件的准确度和记录降水量的精度进行了评价。结果表明,CMORPH数据探测的降水事件最为准确,PERSIANN-CDR和TRMM 3B42次之,PERSIANN探测降水事件的准确度最差。从遥感数据记录降水量精度来看,年尺度上表现为TRMMCMORPHPERSIANN-CDRPERSIANN,月尺度上表现为TRMMPERSIANN-CDRCMORPHPERSIANN,日尺度上表现为TRMM CMORPHPERSIANN-CDRPERSIANN。海拔是影响遥感降水资料精度的重要因素,PERSIANN和PERSIANN-CDR两种数据误差受海拔影响更为明显。通过综合评估4种遥感资料的适用性,认为TRMM是较适合于青海湖流域及周边区域的降水资料。     

基于不适定反问题求解的降水图像降尺度研究

遥感降水产品和环流模型预报降水降尺度研究一直是水文和气象学的热点。使用多源降水融合资料进行降水图像降尺度研究,其本质是提高低分辨率观测或模拟降水场分辨率,并适当增加其细节或高频特性。基于降水自相似结构性质,将不适定数学反问题求解法用于降尺度。在求解降尺度不适定反问题时,不同风暴环境的小规模组织内降水特征往往会重复出现这一性质,通过训练得到高、低分辨率的降水场,形成相应的"完备字典",用于正交匹配追踪贪婪法重构高分辨率降尺度的降水场。执行时,首先基于专家场(Fields of Experts,FoEs)模型进行缺测资料插补;其次采用文中方法进行降水图像降尺度应用研究。基于传统"保真度"度量指标和空间结构相似性度量法对该方法得到的试验结果进行评估,结果表明该方法可行。     

基于多源数据融合的海河流域降水资源评价

为更准确地评价海河流域降水资源量及其空间分布, 将海河流域划分为山区迎风坡、山区背风坡和平原区3个片区, 采用人工神经网络叠加一致性修正分片区进行多源数据融合校正, 生成海河流域2001—2019年降水融合数据集, 并利用该融合数据集对流域降水资源进行全面评价。结果表明: 从降水数量来看, 原始卫星产品在海河流域高估降水, 融合校正数据集精度较原始卫星降水数据有较大提升, 得到海河流域2001—2019年的年均降水量为515.2 mm, 合降水资源量1 639.4亿m3; 从降水分布来看, 融合校正数据集能更好地捕捉降水空间分布, 揭示流域东北、东南、西南和中部偏西降水较多, 西北部和中部偏东降水较少; 从降水规律来看, 海河流域平原区降水与空间位置参数存在很明显的联系, 流域山区迎风坡和背风坡降水均与高程变化具有明显的关系。     

TRMM 3B42降水产品在秦巴山区的适用性研究

利用1999～2016年秦巴山区范围内的81个气象站实测逐日降水资料,对TRMM 3B42卫星降水数据在秦巴山区的适用性进行了评估。结果表明:TRMM 3B42数据在月、季、年尺度上具有较高的精度,3～11月精度较高,1月略低,四季中冬季精度较低。TRMM所反映的降水变化过程与实测降水过程基本一致,但在降水量上存在一定差异,TRMM有略微高估降水的特征。按不同雨量等级对比,发现卫星资料对中雨及以上级别的降水具有较高的精度,无雨及小雨精度略低,原因是TRMM对0.1～0.9mm微量降水的探测能力较弱。无雨、小雨、暴雨日TRMM估计与站点实测具有相反的年际变化趋势,中雨、大雨日具有相同的年际变化趋势。研究结果对秦巴山区资料缺乏地区的气象过程研究具有重要的应用价值。     

考虑有雨无雨辨识的多源降水融合方法

多源降水融合是精准估计降水时空分布的重要途径, 多聚焦降水量或降水强度的误差订正, 对短历时降水雨区辨识的重视不足。提出考虑有雨无雨辨识的多源降水融合框架, 耦合地理加权逻辑回归与地理加权回归模型, 构建兼顾雨区辨识及雨量估计的降水融合方法, 并应用于汉江流域MSWEP V2.1与地面站网观测日降水融合。结果表明: 所提方法成功再现有雨无雨空间格局并刻画了降水中心, 整体强化了MSWEP V2.1对地面降水的表征能力, 降低误报率和误报降水量的幅度超过了60%, 提高临界成功指数和Kling-Gupta效率系数达40%以上; 较降水空间插值数据, 削减误报降水量并提升Kling-Gupta效率系数高于10%;另外, 较参考数据, 降水融合改善强降水事件(雨强≥50 mm/d)分辨精度的增益不低于60%。所提方法有效改善了降水估计效果, 为多源降水融合提供了新思路。     

GPM与TRMM降水数据在中国大陆的精度评估与对比

为评估TRMM 3B42（TRMM）和新一代GPM IMERG（GPM）卫星降水产品精度,基于国内824个气象站点日降水数据,选用相关系数（R）、相对误差（E_R）和公正先兆评分（S_ET）等指标,对比分析了二者在中国大陆和九大流域内逐日、逐月尺度的观测精度。研究表明:①在日尺度上,中国大陆内的GPM降水数据精度整体优于TRMM,二者的R、E_R和S_ET分别达到了0.73、2.03%、0.36和0.70、3.75%、0.33;②GPM和TRMM日降水数据在海河流域、淮河流域、长江流域、珠江流域、东南诸河流域呈现较高的观测精度,在松辽流域、黄河流域、西南诸河片区精度次之,在内陆河片区相对最低;③在月尺度上,中国大陆内的GPM冬季降水精度明显好于TRMM,这是由于GPM提高了对弱降水和固态降水的观测能力。总体上,GPM降水产品在中国各大流域精度较好且优于TRMM,表明其在流域降水研究及水文模拟中将有较好的应用前景。     

IMERG卫星降水数据在嘉陵江流域的干旱监测效用评估

针对嘉陵江流域存在雨热同期,水旱灾害频发的现象,为快速且准确地把握流域内降水与干旱情况,利用覆盖范围广且分辨率高的网格化IMERG卫星降水数据对嘉陵江流域进行多时空尺度反演,并基于卫星降水数据采用标准化降水指数(SPI)对流域实行干旱监测。结果表明：1)根据分类指标与统计指标的计算结果,三种卫星降水数据中的IMERG-F能更准确地反映流域内的日降水量,与地面降水数据CC达0.737,整体高估地面降水2.6%,具有在干旱监测方面的应用潜力。2)三种卫星降水数据驱动的SPI指数在干旱监测方面存在一定的差异,IMERG-F驱动的SPI指数与地面降水数据驱动的SPI指数保持较高的一致性(CC>0.9),较近实时产品IMERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征。3)卫星识别降水与干旱监测的能力受地形地貌的影响,IMERG卫星降水数据在平原丘陵地带具有较好的适用性。     

TRMM卫星降水反演数据在珠江流域的适用性研究——以东江和北江为例

为评估最新一代TRMM 3B42-V7卫星降水反演数据产品在珠江流域的精度和适用性,选取位于珠江流域下游的东江和北江流域为研究区域,基于地面雨量站点数据评估了该产品的精度和适用性,并结合可变下渗容量（Variable Infiltration Capacity,VIC）水文模型进行了水文模拟验证。对比分析结果表明,在网格尺度上,大多数网格日尺度相关系数达到0.60以上,月尺度相关系数达到0.90以上,3B42-V7产品表现出较好的精度,在区域尺度上精度得到了进一步提高;水文模拟验证分两种情景下进行,情景Ⅰ的结果表明,当水文模型由地面雨量站点数据率定时,3B42-V7产品数据的水文模拟效果不佳,个别区间内存在对洪峰流量明显的低估;情景Ⅱ的结果表明,由3B42-V7产品数据重新率定水文模型时径流模拟效果有了较大改善,说明该产品可在一定程度上作为资料缺乏地区的降水数据来源。     

FY-3C VIRR大气可降水产品在新疆地区的精度评价

探讨FY-3C VIRR大气可降水产品在新疆地区的可靠性,基于探空数据,采用多评价指标,对FY-3C VIRR大气可降水量的旬产品和月产品进行全面评估。结果表明:FY-3C VIRR旬和月大气可降水产品与探空数据变化一致,但存在系统性高估;在一年时间中,旬产品和月产品均具有单峰变化特征,旬产品与探空数据的误差在4月上旬最小,9月下旬最大,而月产品在3月最小,9月最大;整体上,旬产品的均方根误差比月产品略大,但平均偏差、相关系数和相对误差均小于月产品;对单一站点,旬产品和月产品在伊宁的精度最高,阿勒泰、乌鲁木齐和库车的精度较高,东疆的哈密和南疆的喀什、若羌和和田的精度较差,民丰的精度最差。     

基于TRMM卫星降水的太行山区降水时空分布格局

基于TRMM 3B42V7数据,综合采用多元线性回归、偏最小二乘回归和地理加权回归3种方法,建立了太行山区卫星降水产品的降尺度校正模型,将遥感降水信息从0.25°×0.25°降尺度到0.05°×0.05°。在结果评估和优选的基础上,分析了"像元-集水区-全区"年、月降水的多时空尺度干湿季节分布和垂向分布特征,并从机理方面论证了研究的合理性。结果表明:①地理加权回归校正效果最优,可明显降低校正降水与实测降水系列的均方根误差和平均相对偏差且提高决定系数;偏最小二乘回归可降低两项误差,但对决定系数无提升;多元线性回归最差,各项指标均无改善。②处于夏季风迎风侧的东坡和南坡降水量普遍高于500 mm,背风侧的西坡和北坡降水量较低,最大年降水量位于东南坡海拔1 300~1 500 m的地带。③研究区7-9月降水量占全年的58.7%,干湿季节降水量之比为1:18,各集水区的变化范围为1:13~1:25。④季风风向影响降水中心的移动路径,各月降水量沿高程变化梯度区间为-5.2~6.7 mm/hm,且迎风坡降水的垂向分布更复杂。     

基于多元线性回归模型和GPM数据的济宁市降水量空间分布研究

针对GPM降水产品低空间分辨率的缺陷,本文济宁市为研究,利用地形、海陆位置、水汽等降尺度因子运用多元线性回归模型对区域2018年GPM数据进行降尺度分析。结果表明:研究区多元回归降尺度模型为:0. 05),能够很好拟合降尺度因子与降水量分布之间的关系。降尺度后的产品与原GPM具有相似空间一致性,但其展示更多细节分布信息。利用11个站点进行独立验证显示,其R2达0. 99,ME和RMSE仅为9. 09、11. 45 mm,表明该降尺度具有稳定性和可靠性。