基于贝叶斯三角帽法的多源降水数据融合分析及应用

目前的降水产品依然存在较大的不确定性,采用多源降水数据融合可以更准确地估计降水量和空间分布情况。为实现无资料地区的数据融合,本文在不使用任何先验信息的前提下,通过整合站点插值、卫星遥感和再分析的降水产品,基于贝叶斯三角帽(Bayesian-Three Cornered Hat, BTCH)法,融合多源降水数据,探究不同输入数量的降水产品对于融合数据精度的影响以及每个降水产品对于融合数据精度的贡献率,并在黄河源区进行应用。结果表明：在月尺度上,融合数据性能优于原始降水产品;在日尺度上,融合数据性能明显高于卫星遥感和再分析降水产品,但低于基于站点的降水产品CHM＿PRE;2套基于站点的降水产品CN05.1和CHM＿PRE对于融合数据有最大的贡献率。在黄河源区的应用表明,该数据融合方法确实能够更准确地估计降水量,可应用于无实测降水资料地区,为数据融合分析及应用提供参考。     

中国内陆TRMM降水数据质量评估

针对TRMM降水数据在中国内陆是否可靠的问题,本研究采用了Xie Pingping根据地面观测站点产生的降水数据、中国气象局公开的759个站点观测降水数据与3B42_V6版本的TRMM降水数据,在中国内陆将地面观测数据同TRMM数据进行了深入对比分析。发现TRMM降水质量受地形影响很大,迎风坡偏小背风坡与山顶偏大,TRMM降水在汛期(夏季与秋季)比站点观测降水大,枯季(冬季与春季)TRMM相对精确。所以本研究建议在对TRMM降水数据进行应用时应该进行地形矫正。     

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 3B43降水数据在黄河源区的适用性评价

应用1998-2013年气象台站实测的降水数据以及2013年6-9月使用雨量桶收集的数据对TRMM 3B43 V7降水数据在黄河源区的精度从不同时间尺度、不同台站、以及不同海拔、坡度和坡向进行评价。检验发现,TRMM 3B43 数据对年和四季降水出现了不同程度的高估或低估,对于年降水、秋冬季降水表现为高估,而对春夏季降水表现为低估。同时,TRMM 3B43 数据在位于半湿润区的气象站点的降水数据质量优于半干旱区的气象站点的数据质量。除此以外,对TRMM降水在不同海拔、坡度和坡向的精度评估发现,随着海拔的升高,TRMM降水的相对偏差呈现出增加-减少-增加的变化趋势;随着坡度的升高,TRMM降水的相对偏差呈增加趋势;TRMM降水在东北坡、东坡和东南坡的偏差相对较小,而在西坡、南坡、北坡、西南坡的偏差相对较大。     

TRMM降水资料在青藏高原的适用性分析

利用32个观测台站降水资料,在江河源区以均方根误差(Nrmse)、相对误差(BIAS)和相关系数等指标对TRMM降水数据精度进行了评估。结果表明,TRMM降水数据有较好的适用性,与观测数据相比误差在偏负10%以内,在月时间尺度上两者相关系数达到0.9以上。把TRMM数据应用到整个青藏高原,给出了整个高原1998～2009年降水的年均、季均、月均空间分布。降水从东南向西北逐渐递减,东南部年降水量达到1000mm/a,而西北部仅为200mm/a左右,特别是北缘低于100mm/a;降水主要集中在5～9月,冬季降水很少。     

台风活动对中国沿海地区极端降水的影响

基于1961—2020年格点化数据集逐日降水资料及中国气象局台风最佳路径数据集,计算台风降水对中国沿海地区极端降水事件的贡献率;利用混合和单一元统计极值分布模型量化台风对降水极值概率分布的影响,探究其量化结果的影响因素,并通过典型流域进行流域尺度的应用验证。结果表明：从台风降水的贡献来看,台风降水主要影响中国沿海及部分临近沿海的内陆地区的高重现期极端降水事件;在量化台风影响方面,利用考虑台风降水分布的混合元统计极值分布模型可提高研究区大部分地区降水极值概率的估计,并且沿海地区台风降水的影响大于内陆地区,北方沿海地区的影响大于南方各分区;台风极端降水贡献率、台风与非台风降水差异是台风影响中国沿海地区降水极值概率分布的重要因素。     

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。     

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。     

中国高寒区水文学中的一些认识和参数

针对中国高寒区水文数据和参数缺乏、机理不清的现状,应用祁连山葫芦沟寒区水文小流域观测数据及相关研究成果,率定并获取了高寒区水文模拟中的几个关键参数:① 降水观测误差校正系数及公式;② 固液态降水分离的临界气温;③ 高寒灌丛降水截留参数;④ 土壤完全冻结温度;⑤ 积雪消融的临界气温。认识到若全球变暖引起植被带上移,则山区流域蒸散/降水比例增大、径流系数必然减小;现有降水数据难以满足高寒区水文模拟的需要,降水截留模拟有待改进,冰川、积雪消融缺乏高精度简单估算方法;长时间水文模拟中必须考虑风吹雪、冻土类型演替及冻结深度变化,以及冰川运动和体积变化;需加强冻结层下水、积雪升华和冰川汇流观测试验研究。     

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.     

塔里木盆地东北部大气降水氚浓度的恢复及应用

氚作为一种理想的示踪剂和测年技术手段,在地下水研究中应用广泛。为了解决塔里木盆地东北部地下水氚测年研究中的大气降水氚浓度恢复问题,采用因子分析法,建立了塔里木盆地东北部大气降水氚浓度模型,并用实测数据进行了模型校正,校正后模型计算结果与实测数据吻合良好,表明所建立的大气降水氚浓度模型较合理;同时,考虑到研究区大气中氚含量受20世纪大气层核试验的影响,采纳了前人部分研究成果,最终恢复了该区域1960—2009年大气降水氚浓度值。据此,将所恢复的大气降水氚浓度数据作为输入值,代入到氚测年的活塞流模型和混合流模型,计算了研究区4个地下水样的年龄,并分析了氚年龄计算结果的合理性,认为所获得的年龄数据符合当地水文地质条件,这进一步证明了本文所恢复的大气降水氚浓度值较为可靠。     

基于全球导航卫星系统资料的短时降水预报

根据大气对天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay, ZTD)影响的变化特征,提出并实现了一种无气象数据短时降水预报的方法。利用2015年5—6月浙江连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station, CORS)网的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)观测数据和对应每小时的降水量信息对该方法进行验证,结果表明该方法能够预测出80%以上的降水事件,与国际上利用气象数据根据大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)预测出的结果精度相当。表明脱离地面实测气象数据仅利用ZTD对短时降水进行预报可行有效,对于降水的短时预报具有重要研究意义和应用价值。     

TRMM降水数据在气象干旱监测中的应用研究

针对热带降雨计划卫星(TRMM)的降水数据在气象干旱监测中还未有应用的现状,论文利用TRMM 3843降水数据产品,以2008年10月～2009年2月间我国北方冬麦区气象干旱为监测实例,采用降水距平百分率指数对干旱的空间演变过程进行了监测.监测结果显示:(1)累积降水距平百分率,由于充分考虑了前期降水的累积效应,其气象干旱监测结果与实际情况极为吻合.(2)在2008年10月～2009年2月期间,我国北方冬麦区气象干旱先后经历了一个不断加重到逐渐缓解的过程.其中,2009年1月份的干旱程度最高,干旱核心区主要分布在北京南部,天津、河北中南部,山西大部,陕西北部,山东西部,河南中北部,湖北北部以及安徽北部等广大区域;至2009年2月底,受多次有效降水过程的影响,我国北方冬麦区的抗旱压力则得到极大缓解.(3)TRMM降水数据较地面气象站点观测,具有较好的时空连续性,在全国性及区域性宏观气象干旱监测中具有较好的应用前景.     

GPM IMERG降水产品在珠江流域的适用性分析

以珠江流域为研究区域,以CMFD再分析降水数据集为基准值,对2010～2018年的GPM卫星降水产品进行适用性评价,主要从多时间尺度精度表现、日降水探测能力、极端降水监测能力等方面进行分析。结果表明,该降水产品在珠江流域具有较高的观测精度,多年平均相对偏差仅为3.78%,皮尔逊相关系数高达0.96;该卫星降水产品对日降水的探测能力与降水强度关系密切,降水强度越大,探测能力越弱,当日降水强度为5 mm/d左右时,探测能力最佳;此外,该卫星降水产品对珠江流域极端降水事件的监测能力较好,能准确刻画出极端降水的空间分布特征。整体来看,GPM卫星降水产品在珠江流域具有较高的应用潜力,可为流域降水监测、降水过程再现等工作提供数据支持。     

降水集合预报模式在甘肃武威地区山洪预警中的应用研究

山洪预警是区域防灾减灾的重要决策依据。结合降水集合预报模式,应用垂向混合产流模型,对甘肃武威地区的山洪预警进行研究。结果表明:修订后的降水集合预报可满足大雨量级的精度,在山洪预警检验中效果明显。未进行修订的降水集合预报数据在大雨量级精度较低,很难在山洪预警中得到应用。研究成果对于区域山洪预警方式和方法具有重要参考价值。     

1955—2008年冬克玛底河流域冰川径流模拟研究

采用HBV水文模型,对长江源区有冰川覆盖的冬克玛底河流域日径流进行了模拟试验研究.使用冬克玛底河流域周边4个有长期观测资料的气象站日气温、日降水数据,结合流域内自动气象站实测数据,应用多元回归法插值恢复了流域1955—2004年日气温数据,应用降水梯度与反距离权重相结合的方法恢复了流域1955—2004年日降水数据.采用数据质量较好的2004/2005年度和2006/2007年度两个物质平衡年水文气象数据进行模型参数的率定,应用2005/2006年度和2007/2008年度水文气象数据进行模型参数的检验.在确定模型能较好的模拟流域年月径流深的前提下,采用率定好的模型参数和恢复的气象资料,恢复了1955—2004年冬克玛底河流域的年径流深;依据水量平衡原理,得到流域冰川物质平衡变化.结果表明:1955—2008年冰川物质平衡呈亏损趋势,平均-136.0mm.a-1;年径流深呈波动增加趋势,平均增加5.61mm.a-1.径流深的增加量中约34%是因为降水增加所致,66%是因为温度升高导致冰川消融加剧所致.     

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.     

TRMM卫星降水数据在小尺度流域的评估与应用

选取史灌河流域上游黄泥庄站以上集水区域为研究流域,以地面站点观测为基准数据,评估TRMM 3B42V7版本卫星降水数据的精度,并采用上述两种降水数据驱动栅格型新安江模型,模拟黄泥庄站日径流和月径流过程。结果表明:2001~2010年TRMM 3B42V7降水数据与雨量站数据累积量的偏差不大,仅为1.71%,但相关系数较低,采用TRMM降水数据模拟的日径流能基本再现黄泥庄站的日径流过程,但对洪峰的模拟精度较低;TRMM月降水数据精度较高,相关系数为0.96,能够较为精确地模拟黄泥庄站的月径流过程。     

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。