高精度曲面建模的中国气候降尺度模型

 与站点统计降尺度插值和动力降尺度相比,高精度曲面建模(HASM)降尺度,具有不需大尺度预报因子,直接从GCM结果构建区域上高空间分辨率的未来气候模拟曲面的优势。HASM降尺度将未来气候,分为历史观测拟合的气候基准值和GCM未来气候变化值进行模拟,精度明显高于传统方法,但常系数全局拟合的气候基准值忽略了降水分布的空间非平稳性,导致降水模拟受到较大影响。为增强降水降尺度的气候背景值的描述能力,通过分析全国尺度降水的非线性非平稳性特点,提出耦合空间变系数气候基准值的HASM空间变系数降尺度模型(HASM-SVDM)以改进HASM对非平稳要素的降尺度能力,并以1961-2010年全国气温降水观测数据结合地形特征信息,利用HASM降尺度方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 3种情景的1961-1990、2010-2039、2040-2069和2070-2099时段的全国未来气温与降水进行降尺度模拟。分析表明,耦合全局线性模型的HASM常系数降尺度模型适合全国气温的降尺度模拟,而耦合空间变系数拟合的HASM-SVDM增强了空间非平稳背景值的描述能力,模拟的空间分布更能体现降水总体的非均匀分布趋势,适合全国降水的降尺度模拟。     

基于OCO-2卫星观测模拟高精度XCO2的空间分布

本文首次基于OCO-2卫星观测数据,采用高精度曲面建模（High Accuracy Surface Modeling, HASM）的方法来模拟大范围高精度的二氧化碳柱浓度（XCO₂）的空间分布。首先,探讨分析HASM方法应用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布的可行性。从2014年9月至2015年8月OCO-2观测的12个月的XCO₂数据中,分别随机选取其各个月90%的XCO₂数据用于空间插值,剩余10%作为精度验证点。自验证结果表明,12个月的平均绝对值误差为0.34 ppm。由此可见,HASM适用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布。然后,采用HASM对OCO-2在2014年9月至2015年8月的各个月观测数据进行空间插值,获取空间分辨率为0.5°×0.5°的各个月均值XCO₂的空间分布,同时基于地基观测TCCON( Total Carbon Column Observing Network)站的XCO₂数据对HASM模拟结果进行交叉验证。验证结果表明,HASM模拟的XCO₂与TCCON站对应观测数据相比,其平均绝对值误差为0.81 ppm,相关系数为0.88。因此,HASM在模拟OCO-2卫星观测的XCO₂空间分布上具有很大的优势。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

散乱数据插值的HASM方法

本文运用高精度曲面建模(HASM)方法,研究了空间散乱数据插值算法,并以陕西咸阳彬县大佛寺煤矿区的实测数据为案例,使用交叉统计检验方法比较分析HASM方法与地理信息系统(GIS)领域中常用传统插值方法的空间插值结果。结果表明,HASM方法具有较高的精度。本文还分析了传统常用插值方法的一些统计结果,得出一些结论,这些结论对于使用常用传统GIS空间插值方法的研究者有很好的参考作用。     

基于HASM算法的DEM建模与应用试验

以曲面论为理论基础建立的高精度曲面模型(High Accuracy Surface Modelling,HASM)其插值精度较传统方法提高了多倍,为CAD和GIS系统提供了更有效的曲面模拟工具。但由于HASM需要对研究区域用相同的网格分辨率模拟,且对研究区域内每个网格点建立偏微分方程,因此,计算量和存储量问题严重制约其推广使用。适应法网格精化技术,可以根据模拟区域的地形复杂度或者精度要求调整网格分辨率,即在地形平坦区域用粗网格模拟,在复杂区域用细网格模拟。基于此理论,我们建立了适应算法的HASM。对甘肃省董志塬进行的DEM模拟表明,HASM适应算法能在保证模拟精度的同时,极大地减少了计算时间和降低存储量,从而有效解决了HASM推广使用的计算量和存储量瓶颈问题。     

最优插值法在对中国自动站降水量空间分析中的参数优化

探讨了利用最优插值对中国3万多个自动站小时降水数据进行空间分析时核心参数(数据信噪比、相关随距离的变化关系等)的优化和确定方法,其中优化的数据信噪比约为0.3,相关随距离增加呈e指数递减关系。研究表明:当站网密度差异较大时,通过确定影响台站数来进行空间插值,一方面可以提高站点稠密区的插值效率,另一方面可以提高站点相对稀疏区的插值精度。另外,探讨了最优插值中初估场对插值结果地影响,认为采用气候标准值生成的初估场能显著降低插值结果的随机误差,其结果比采用同时刻的降水分析场作为初估场更稳定。     

基于TRMM数据的福建省降水时空格局BME插值分析

传统空间插值方法可获得福建省区域内降水的总体分布,但该地区气象站点较稀疏且分布不均,导致该区域内降水的空间插值结果误差较大。为提高插值精度,本文利用TRMM卫星数据以弥补站点数据的不足,尝试将TRMM数据作为"软数据"、台站数据作为"硬数据",两者相结合后采用贝叶斯最大熵(Bayesian Maximum Entropy,BME)方法对福建省降水的时空格局进行分析。以2000-2012年近13年20个气象站点的年降水量和月降水量为基础数据,分别利用普通克里格法(Ordinary Kriging,OK)和TRMM为"软数据"的BME插值法,分析福建省多年降水的时空分布格局,并对2种方法的插值结果进行比较。结果表明:在时空分布上,以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果能更好地体现降水的局部差异特征;在误差评价上,以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果的MAE和RMSE较小,表明TRMM数据作为"软数据"参与插值的BME方法可以在一定程度上弥补站点数据的不足,有效降低预测结果的绝对误差。通过对福建省降水插值的时空分布格局分析和误差评价可看出,BME插值法通过对基础台站数据,以及TRMM卫星产品数据的利用,使降水的时空分析结果更加真实客观,同时,为TRMM卫星降水数据的应用提供了一个新思路。     

虚拟站点在黑河流域降水模拟中的应用

降水作为气候系统的关键因素,也是影响区域植被生长以及生态变化规律的重要因子。本文针对黑河流域气象站点分布稀疏情况,采用信息熵及半变异函数理论构建该流域虚拟气象站点,并结合部分已有站点对整个流域降水进行插值模拟。信息熵可以计算每个站点降水值所包含的信息,通过联合熵以及条件熵来依次选取所含信息量多的站点,同时结合半变异函数模型来观察各站点之间的空间相关性,以此构建最优站点数据集。利用1991-2003年该流域15个气象台站的年平均降水量作为基础数据,考虑高程、坡度、坡向对降水的影响,对降水进行相关性分析,建立回归方程反演虚拟站点降水值。最后,采用协同克里金（Co-Kriging）与具有漂移的克里金（KED）方法对该流域进行插值,对比插值精度。结果表明,增加虚拟站点有效提高了降水插值精度,在该情况下使用KED方法插值结果与观测值最接近。     

地表CO2浓度分布模拟试验及分析

如何获取CO₂浓度时空分布特征,是气候变化研究中的一个关键问题。本文基于中国碳卫星在吉林航飞试验区的地面观测数据,分析地表CO₂浓度与环境变量的相关关系,运用多元线性回归与HASM高精度曲面建模相结合的方法,模拟航飞区地表CO₂浓度分布格局。结果表明：CO₂浓度空间分布受气象条件的影响较大,短波辐射是影响CO₂浓度的重要因素;第1时段整体浓度最高,特别是在西部区域;第2时段CO₂浓度高值区东移,呈现西低东高的分布特点;第3时段浓度空间分布与第2时段有类似的特征,但细节存在差异,且高值区缩小;精度对比显示在采样点较少及采样密度不大的情况下,HASM方法的模拟误差小于Kriging方法。因此,这种使用多元线性回归模型通过引入环境变量获得高分辨率趋势面,结合HASM模型进行修正残差提高模拟结果精度的手段,可作为模拟地表CO₂浓度时空分布的有效方法。     

基于TRMM降水数据的空间降尺度模拟

本研究以黑河流域为例,通过在不同空间尺度上建立降水与影响因素的关系并选择最优尺度以此进行降尺度,建立了基于地理加权回归（GWR）与高精度曲面建模方法（HASM）相结合的跨尺度统计降尺度方法,对TRMM降水数据进行了降尺度模拟。最后,结合站点观测数据采用交叉验证法对降尺度结果进行了验证。结果表明,与传统的降尺度方法相比,考虑最优尺度的降尺度方法在一定程度上提高了降尺度结果的精度,同时表明对跨尺度过程中产生的误差进行修正可进一步提高结果精度。本研究所提出的方法可用于粗分辨率降水数据的降尺度模拟,可为站点稀疏地区或地形复杂地区高分辨率高精度降水数据的获取提供方法上的支持。     

东北地区TRMM数据降尺度的GWR模型分析

利用东北地区2000-2010年93个气象站点观测数据作为“真实值”,对TRMM降水数据进行精度验证,发现研究区TRMM降水数据与观测数据之间具有明显的线性相关性,且TRMM降水数据数值偏大于观测值,表明TRMM降水数据在东北地区具有一定的可信度。对东北地区多年平均、2001、2010年的TRMM数据,进行GWR模型降尺度研究,得到1 km的新降水数据,并与全局OLS回归模型进行对比。结果表明：（1）相比全局OLS回归模型,GWR模型的降尺度结果可获得更好的R与RMSE,说明GWR模型更适用于东北地区TRMM数据的降尺度研究;（2）东北地区GWR模型的降尺度分析结果与观测数据之间的相关系数在0.44-0.97之间,且分布较分散;（3）经过降尺度的TRMM降水数据,在空间分辨率上有较大提高,能更真实地反映研究区的降水特征,为该数据小尺度的应用研究奠定基础。     

Hydrological Simulation Using TRMM and CHIRPS Precipitation Estimates in the Lower Lancang-Mekong River Basin

Satellite-based products with high spatial and temporal resolution provide useful precipitation information for data-sparse or ungauged large-scale watersheds. In the Lower Lancang-Mekong River Basin, rainfall stations are sparse and unevenly distributed, and the transboundary characteristic makes the collection of precipitation data more difficult, which has restricted hydrological processes simulation. In this study, daily precipitation data from four datasets(gauge observations, inverse distance weighted(IDW) data, Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) estimates, and Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Stations(CHIRPS) estimates), were applied to drive the Soil and Water Assessment Tool(SWAT) model, and then their capability for hydrological simulation in the Lower Lancang-Mekong River Basin were examined. TRMM and CHIRPS data showed good performances on precipitation estimation in the Lower Lancang-Mekong River Basin, with the better performance for TRMM product. The Nash-Sutcliffe efficiency(NSE) values of gauge, IDW, TRMM, and CHIRPS simulations during the calibration period were 0.87, 0.86, 0.95, and 0.93 for monthly flow, respectively, and those for daily flow were 0.75, 0.77, 0.86, and 0.84, respectively. TRMM and CHIRPS data were superior to rain gauge and IDW data for driving the hydrological model, and TRMM data produced the best simulation performance. Satellite-based precipitation estimates could be suitable data sources when simulating hydrological processes for large data-poor or ungauged watersheds, especially in international river basins for which precipitation observations are difficult to collect. CHIRPS data provide long precipitation time series from 1981 to near present and thus could be used as an alternative precipitation input for hydrological simulation, especially for the period without TRMM data. For satellite-based precipitation products, the differences in the occurrence frequencies and amounts of precipitation with different intensities would affect simulation results of water balance components, which should be comprehensively considered in water resources estimation and planning.     

A new strategy combined HASM and classical interpolation methods for DEM construction in areas without sufficient terrain data

Spatial interpolation is an important method in the process of DEM construction. However, DEMs constructed by interpolation methods may induce serious distortion of surface morphology in areas lack of terrain data. In order to solve this problem, this paper proposes a strategy combining high-accuracy surface modeling(HASM) and classical interpolation methods to construct DEM. Firstly, a triangulated irregular network(TIN) is built based on the original terrain data, and the area of the triangles in the TIN is used to determine whether to add supplementary altimetric points(SA-Points). Then, classical interpolation methods, such as Inverse Distance Weighted(IDW) method, Kriging, and Spline, are applied to assign elevation values to the SA-Points. Finally, the SA-Points are merged with the original terrain data, and HASM is used to construct DEM. In this research, two test areas which are located in Nanjing suburb in Jiangsu Province and Guiyang suburb in Guizhou Province are selected to verify the feasibility of the new strategy. The study results show that:(1) The combination of HASM and classical interpolation methods can significantly improve the elevation accuracy of DEMs compared with DEM constructed by a single method.(2) The process of adding SA-Points proposed in this study can be repeated in many times. For the test areas in this paper, compared with the results with only one execution, the results with more executions are in much more accordance with the actual terrain.(3) Among all the methods discussed in this paper, the one combined HASM and Kriging produce the best result. Compared with the HASM alone, absolute mean error(MAE) and root mean square error(RMSE) of the best result were reduced from 1.29 m and 1.83 m to 0.68 m and 0.45 m(the first test area), and from 0.32 m and 0.38 m to 0.21 m and 0.28 m( The second test area).     

线性加权回归模型的高原山地区域降水空间插值研究

在山地和高原区域,地形对降水影响比较显著。常规空间插值方法通常不考虑地形要素,插值精度有限。考虑到降水量与高程存在较强的相关关系,采用局部线性加权回归模型预测山地和高原区域的降水分布。推导了回归计算公式,并在ArcGIS 9.0中编程实现算法。选取美国德克萨斯州西北部地区进行局部线性加权回归空间插值,并与普通Kriging、倒距离加权法比较。误差分析表明:在地形复杂的地区,线性加权回归模型比传统方法有优势。     

改进的HASM-AD算法及在空间变量模拟的应用分析

高精度曲面建模(HASM)可以显著提高空间曲面模拟的精度,但是计算速度低限制了该模型的进一步应用。为了提高HASM模型的计算效率,本文对HASM-AD算法作了改进,通过在计算过程中为采样点添加索引,避免了计算过程中对采样点信息的重复查找操作;同时,在遍历独立计算单元时实时计算第一类、第二类基本量及克式符号,避免了全局存储上述变量所需要的额外内存消耗。数值试验表明,由于将全局线性方程组求解问题转化为局部独立计算单元(5×5栅格)内的方程组求解,改进的HASM-AD算法显著提高了计算效率,同时降低了模型运行过程中的内存消耗。最后,本文以全国陆地降水空间分布模拟分析作为实例,验证改进的HASM-AD算法模拟精度及计算效率,模拟结果表明,改进的HASM-AD算法模拟结果精度优于其他HASM算法(以HASM-PCG为例),并且计算效率优势更为明显,实现全国10km分辨率的降水分布模拟耗时仅为4s。表明改进的HASM-AD算法提高了计算速度,并且适于大尺度的空间变量模拟应用。     

日降水量的空间插值方法与应用对比分析——以深圳市为例

综合分析了四种空间插值方法,即距离权重倒数法、局部多项式法、普通克里金法和考虑海拔的协克里金法的特点,并以深圳市36个雨量站2006年雨季27天的日累计降水量数据为实例进行了研究和验证,采用交叉检验的方法对插值结果进行比较。研究表明,四种方法均能反映降水总体情况,但插值曲面相对真实曲面较平滑,距离权重倒数法的插值曲面最为平滑;多项指标比较显示,克里金法优于距离权重倒数法和局部多项式法。与普通克里金法相比,考虑海拔的协克里金法对插值精度没有明显提高。依照雨量站海拔、日均降水量分别对插值结果数据分组统计比较表明,海拔高的雨量站插值结果普遍大于实测结果,海拔低的雨量站则相反;日均降水量较大时(>50mm),插值误差明显增大。     

海河流域降水空间插值方法的选取

在水资源承载力模型的研究中,空间插值可以提供每个计算栅格的气象要素资料。在众多的气象要素空间插值方法中,并没有一种适合每一个气象要素的最佳插值方法,因此在不同的区域进行气象插值时,宜采用不同的方法进行比较,从而得到最佳的插值方法。本文以京津冀地区43个站1961-2000年降水资料为数据源,选用了距离平方反比法(IDS)、梯度距离平方比和普通克里格法。交叉验证结果表明:在海河流域进行降水插值分析时由于各月份降水与高程之间的相关系数较弱,不宜采用GIDS方法;在本研究区内大部分月份降水数据进行对数变换后进行插值,插值精度得到了提升;对于月降水的插值Kriging方法比IDW方法更加优越。