海洋重要水文参数的卫星遥感反演研究综述

经过近50年的发展,海洋卫星遥感日益成熟,各种反演算法和数据集应运而生,大大推动了海洋水文过程的研究。围绕与海洋水文相关的重要物理参数,简要回顾了海面高度、海水深度、海表洋流及海水质量变化的卫星遥感反演基本原理、主要算法以及存在的难点和前沿性研究问题,介绍了应用遥感反演算法制成的全球海洋水文参数主要数据集,并结合目前存在的问题探讨了卫星遥感反演海洋水文参数的发展趋势及所面临的挑战。研究发现,运用多卫星、多通道、多模式的联合反演方法可以显著地提升人们监测海洋水文参数时空动态变化的能力,必将成为未来全球海洋水文遥感的主要研究方向之一。     

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。     

2008-2012年拉萨地基与卫星臭氧总量观测比较

通过比较2008-2012年拉萨站地基观测臭氧总量与三种卫星反演产品, 评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息. 结果表明: 地基与卫星臭氧总量绝对差为-10~15 DU, 相对差为-4%~4%, 日尺度相对差呈随机分布特征; TOSOMI算法反演的SCIAMACHY臭氧总量更接近地基观测结果, DOAS算法反演OMI臭氧总量与地基观测结果差异最大. 地基与卫星臭氧总量标准差存在季节性变化, 夏季最大, 冬季最小; 云的影响会加剧地基与卫星臭氧总量差异, 以SCIAMACHY产品最为显著.     

卫星遥感反演降水研究综述

降水是地球水循环的基本组成部分,具有重要的气象、气候和水文学意义.精准地测量降水及其区域和全球分布,长期以来一直是一个颇具挑战性的科学研究目标。经过近50年的发展,基于可见光、红外和微波等各类卫星传感器的降水反演算法也逐渐发展成熟起来。简要回顾可见光／红外、被动微波、雷达和多传感器联合反演等卫星遥感降水反演的基本原理、...     

卫星遥感反演土壤水分研究综述

土壤水分是影响地表过程的核心变量之一。精准地测量土壤水分及其时空分布,长期以来是定量遥感研究领域的难点问题。简要回顾基于光学、被动微波、主动微波和多传感器联合反演等卫星遥感反演土壤水分的主要反演算法、存在的难点和前沿性研究问题,介绍了应用土壤水分反演算法所形成的3种主要全球土壤水分数据集,包括欧洲气象业务卫星（ERS/MetOp）数据集、高级微波扫描辐射计（AMSR-E）数据集、土壤湿度与海洋盐分卫星（SMOS）数据集,并结合目前存在的问题探讨卫星遥感反演土壤水分研究的发展趋势。     

基于卫星遥感的氮氧化物排放快速反演方法比较

基于对流层二氧化氮(NO₂)垂直柱浓度卫星遥感数据,实现快速、高空间水平分辨率(5 km或更高)的氮氧化物(NO_x=NO+NO₂)排放反演,可为空气污染精准治理提供及时、细致的排放数据。现有多种低计算成本的快速反演方法,如指数修正高斯模型、散度模型和PHLET算法,但其反演效果尚未得到充分对比分析。以2019年夏季京津冀地区为研究对象,对比了上述3种方法的反演效果,研究发现,指数修正高斯模型主要适用于点源排放,但在京津冀等排放源密集地区的反演效果较差;散度模型考虑了在预定NO_x大气寿命情况下的水平输送,能快速识别主要排放源位置,但存在排放低估和负排放等问题;PHLET算法考虑了水平输送、NO₂垂直柱浓度和NO_x大气寿命的非线性关系以及卫星像元不规则等因素,对排放的估计较为准确。改善风场数据、填补卫星数据缺失和改善NO_x化学损失估计是进一步提升排放反演质量的关键。     

半航空瞬变电磁自适应正则化-阻尼最小二乘算法研究

反演问题一直是地球物理的重点研究问题之一。本文以长导线源半航空瞬变电磁为例,对时间域半航空数据进行一维反演研究。将自适应正则化(ARIA)反演方法和阻尼最小二乘(LM)反演方法相结合,提出一种改进的反演方法:自适应正则化-阻尼最小二乘(ARIA-LM)反演算法。本文选用三层理论模型对比阻尼最小二乘算法、自适应正则化反演算法与本文方法,并使用四层理论地层模型来验证算法的有效性和可靠性。结果表明:该算法在一定程度上对高阻分辨率增强,能有效提高反演的精度及稳定性。     

多卫星遥感降水数据精度评价

利用中国650个台站降水数据,在日、月、年尺度上,分析了多卫星降水分析数据(TMPA3B42)在中国大陆50°N以南地区的适用性,并利用MODIS逐日积雪数据评估了冬季TMPA数据在以青藏高原为主体区的精度。结果表明:TMPA日降水数据精度存在时空不稳定性,且随着时间尺度的增加,TMPA降水数据的精度提高;在同一时间尺度上,TMPA数据精度在降水量大的地区要明显好于降水稀少地区,但年尺度降水大于2500mm地区存在明显低估;TMPA数据冬季区域降水空间误差平均水平在15%,当只考虑积雪区时的降水空间误差平均水平在40%,这说明TMPA对冬季降水空间量较差,但同时这也意味着可以利用MODIS积雪数据修正TMPA冬季降水数据。     

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。     

河南南召县佛爷沟铅锌矿床成矿流体特征研究

通过对野外地质特征及流体包裹体研究,将本区成矿过程分为3个成矿阶段:石英-黄铁矿阶段、石英-多金属硫化物阶段及石英-碳酸盐阶段。包裹体类型主要为富液相包裹体(LV型)。石英-黄铁矿阶段均一温度主要集中于290℃~330℃,盐度变化范围为0.35%~11.23%,平均值为5.37%;石英-多金属硫化物阶段的均一温度主要集中于290℃~330℃,盐度变化范围为0.35%~11.23%,平均值为5.37%;石英-碳酸盐阶段温度均一温度主要集中于133℃~201℃,盐度变化范围为2.23%~12.07%,平均值为4.96%。成矿流体在初始阶段为较高盐度的岩浆流体,属于中-低温、低盐度的H2O-NaCl体系,随着成矿作用的进一步演化,晚期有大气降水的参与。     

赣江流域TRMM降水数据的误差特征与成因

阐明TRMM 3B42V6（Tropical rainfall measuring mission 3B42 version 6）的误差特征及成因,对于合理使用该卫星降水数据,并完善其降水反演算法具有重要意义。在赣江流域0.25°×0.25°空间尺度上,对比了TRMM 3B42V6、TRMM 3B42RTV6和CMORPH的精度特征。结果表明,3B42V6的系统偏差远低于3B42RTV6、CMORPH,但平均绝对值偏差、效率系数和探测率均明显劣于CMORPH。TRMM 3B42V6的系统偏差较低的原因主要在于该数据采用地面月降水量进行了校准,而其绝对值偏差、效率系数和探测率明显劣于CMORPH的主要原因在于所采用的热红外/被动微波降水联合反演算法不及后者有效。今后有必要对TRMM 3B42的精度进行全面评估,并改进该数据的热红外/微波降水反演算法及与地面降水信息的融合算法。     

TRMM多卫星降水数据在黑河流域的验证与应用

利用黑河流域9个气象台站降水数据, 在不同时间尺度和空间分布上分析了2008-2011年TRMM多卫星降水数据(TMPA 3B43)在黑河流域的适用性.结果表明: 用TMPA估测的年降水量在黑河流域平均高估27.3%, 对上游降水量大的山区估测相对好于降水稀少的黑河下游地区; TMPA与气象站降水量的拟合优度夏季(R²=0.851)高于冬季(R²=0.332); TMPA可以较好反映各测站降水量年变化、 月变化趋势, 用TMPA估测的黑河流域平均年降水量变化趋势为30 mm·(10 a)^-1. 黑河流域年降水量体现出随海拔高度的递增规律(11.1 mm·(100 m)^-1)、 从东向西降水量逐渐减少的分布以及最大降水高度带出现在上游偏东地区(海拔2 800~4 900 m).     

GPM和TRMM卫星日降水数据在黄河源区的适用性分析

通过评估GPM计划三种日降水产品（IMERG-E、 IMERG-L和IMERG-F）和TRMM卫星、 两种日降水产品（TMPA 3B42和TMPA 3B42RT）在黄河源及其周边区域38个台站的适用性, 探究了五种产品探测精度和海拔高度及雨强的相关关系, 结果表明： 在与实测资料的一致性和偏差方面, GPM卫星产品要全面优于TMPA产品。在TRMM卫星产品中, 3B42产品明显优于3B42RT。五种产品的相关系数均表现出明显的从东南到西北递减的趋势, 均方根误差北部普遍低于南部。IMERG产品的探测率（POD）和探测成功率（CSI）都要普遍高于TMPA产品, 而误报率（FAR）则是TMPA 产品更低, 表现更好。五种产品均在个别台站出现了严重误报的情况, 这些台站主要分布在研究区的西北部。IMERG三种产品对于海拔高度的依赖程度具有很强的一致性, 而3B42RT产品对海拔高度几乎没有依赖。除3B42RT产品外, 其余四种产品的偏差均随雨强的增加而增大。在探测率方面, IMERG产品对小雨、 中雨和大雨的探测能力均优于TMPA产品。     

Daily rainfall statistics of TRMM and CMORPH: A case for trans-boundary Gandak River basin

Satellite precipitation products offer an opportunity to evaluate extreme events (flood and drought) for areas where rainfall data are not available or rain gauge stations are sparse. In this study, daily precipitation amount and frequency of TRMM 3B42V.7 and CMORPH products have been validated against daily rain gauge precipitation for the monsoon months (June–September or JJAS) from 2005–2010 in the trans-boundary Gandak River basin. The analysis shows that the both TRMM and CMORPH can detect rain and no-rain events, but they fail to capture the intensity of rainfall.     

Comparison of TRMM-based flood indices for Gaziantep,Turkey

Floods are the most common natural disasters threatening the welfare of humanity. Gaziantep, a city located in a semi-arid region of Turkey, is occasionally flooded, and in May 2014, a flood not only caused property damage, but also resulted in the death of a lady who became trapped in flood waters. The fatality and property damage of flash floods arise from the limited response time for remediation. Despite improvements in numerical weather predictions, forecasting flash floods is not easy. Due to its frequent observations, Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Multi-Satellite Precipitation Analysis (TMPA) real-time (RT) 3B42RT data are tested for Gaziantep flood predictions in this study. During TRMM era, six floods occurred in Gaziantep. Three-hourly 3B42RT data covering the 2000- to 2014-year period indicated high rain rates during months in which floods were observed. Also daily variation of rainfall was well represented. High-intensity rain (HIR), cumulative distribution functions (CDF) and Gaziantep Flood Index (GAFI) indices are developed for flood characterization. HIR, calculated as 10 mm/h, detected October and December of 2010 floods. CDFs with 99, 98.5, 95 and 91.3% indicated 4 floods occurred in August 2005, June 2007, October 2010 and December 2010, respectively. GAFI was able to detect 4 out of 6 occurrences (August 2005, June 2007, October 2010 and December 2010) as values ranging from 1 to 2.63 are selected for monthly precipitation. In the missed occurrence, 3B42RT did not indicate any rainfall. Although only rain rates are used in flood characterization, the results are promising, and the simplicity of the methodology favors its usage. Also, methodology can easily be implemented to TRMM following missions such as Global Precipitation Measurement Mission.     

GPM近实时反演数据对河南省2021年“7·20”极端暴雨的比较分析

近实时卫星降水反演数据具有覆盖范围广、空间连续性和时效性较强以及开放获取等优势,是重要的全球性降水资料。针对2021年河南省“7·20”极端暴雨,基于116个地面气象站观测资料及其空间插值数据,综合解析了4种GPM近实时卫星降水数据(IMERG early、IMERG late、GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW)对极端强降水事件的表征能力。结果发现：(1)IMERG early、IMERG late对站网累积雨量的低估程度在20%左右,GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW的高估程度分别达到了约35%和70%,但2种GSMaP数据更易探测到500 mm以上的累积雨量。(2)在雨量过程方面,4种GPM数据对小时降水事件均具有较强的分类辨识能力,但未捕捉到主要雨峰过程,定量误差较突出,与地面降水量之间表现出显著的负相关关系。GPM降水数据对小时雨量低于10 mm的降水事件以高估为主;对于小时雨量超过30mm的降水事件以低估为主,甚至存在普遍低估。(3)在空间格局方面,4种GPM数据的精度指标均具有较强的时间波动性,IMERG数据的空间相关系数和体积临界成功指数...     

Assessment of satellite-based rainfall estimates in urban areas in different geographic and climatic regions

This paper presents an assessment of the 3B42 research version rainfall product from NASA’s Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-satellite Precipitation Analysis (TMPA). The study provides new results of TMPA data accuracy in urban areas and highlights trends associated with the climatological indicators of temperature and relative humidity in cities. Ten years (1998-2007) of TMPA data were analyzed for three case study cities in the United States (Houston, Atlanta, and Las Vegas) and one in Korea (Cheongju), representing semi-arid to humid climates. At each location, an urbanized river basin and non-urbanized river basin were selected and comparisons between TMPA and rain gage observations were made for recorded storm events in the study period, the largest storm events by total depth, and selected hurricanes and topical storms. The results indicate TMPA data match well with rain gage observations at all locations. TMPA is slightly underestimated for semi-arid regions and overestimated for humid regions. The relative magnitude of TMPA rain event accumulation compared to rain gage accumulation is noted to be smaller for urbanized watersheds and high intensity events. The correlation of TMPA accuracy with temperature and relative humidity and the analysis of accuracy by season indicate TMPA is more accurate for convective rainfall events. This suggests a possible linkage between the observed urban-modified temperatures, hypothesized enhanced convection, and improved TMPA accuracy in urban areas.     

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。     

四套降水资料在喀喇昆仑山叶尔羌河上游流域的适用性分析

分析了2003-2009年基于卫星观测的降水数据CMORPH、 TMPA 3B42 v6、 中国科学院青藏高原研究所的融合数据ITPCAS和基于地面台站的APHRODITE (2003-2007)四套降水数据集在叶尔羌河上游流域的时空分布特征, 并以这四套降水数据为驱动, 利用VIC分布式水文模型对叶尔羌河上游流域的降水径流进行模拟.结果表明: 在空间分布上, 四套降水资料在叶尔羌河上游流域的差异较大, ITPCAS的空间分布与流域冰川的分布较一致, 基于冰川区即为大降水区的基本认知, 初步认为ITPCAS的空间分布比较合理; 其次是TMPA 3B42 v6和APHRODITE; 在流域的年降水量和季节分配量上, 由于缺乏高海拔地区的实测降水资料, 无法准确回答各套降水资料在量级上是否合理; 在时间序列上, 四套降水资料与流域站点降水(库鲁克栏杆站和塔什库尔干站的平均降水)存在着不同程度的差异.但从整体上看, CMORPH数据在一定程度上能够反映流域的月降水变化过程, 而APHRODITE和ITPCAS只能在个别年份对流域的降水描述较好; 在径流模拟上, 卫星降水数据CMORPH显示了作为水文模型输入数据的较大潜力; 而其他降水资料在叶尔羌河径流模拟中, 与实测径流在量和季节分配上可能存在较大偏差.     

On the rainfall asymmetry and distribution in tropical cyclones over Bay of Bengal using TMPA and GPM rainfall products

In the present study, we have used TRMM multi-satellite precipitation analysis (TMPA) 3B42 and global precipitation mission (GPM): IMERG “precipitation Cal” products to identify and quantify the asymmetry and distribution of rainfall in tropical cyclones formed over Bay of Bengal (BoB). For the period 2010–2013, TMPA products have been made use of and for the period 2014–2017, GPM–IMERG products are used to study the aforementioned features. Overall, 17 cyclones covering 75 events/days ranging from depression to very severe cyclonic stage of the system have been analysed. Our analysis revealed some interesting features on asymmetry, direction of maximum rain-receiving zones, relation of T-number with maximum and total rainfall in rain-receiving areas. The study reveals the direction of rainfall zone is mostly towards west and southwest directions of the storm centre in BoB. This point gains importance in the context of earlier reports, where it is mentioned that the direction of maximum rainfall is in east. The study also infers that the maximum rainfall and total rainfall need not be dependent on the intensity (indicated by T-number). We also attempted to classify the rain-receiving zones, based on both the rainfall-rate window and area covered in each window of rainfall, and a criterion has been proposed. The distribution of rainfall is classified, as sharply falling, slowly falling and nearly constant.