基于PRISM和泰森多边形的地形要素日降水量空间插值研究

以黑河流域河西走廊中段地区为例,利用该研究区年、月降水与地形间较强的相关性特点,在PRISM方法的基础上对该地区日降水量进行了空间插值计算。文章提出了以月降水量的PRISM空间插值结果为该月逐日降水空间分布的参考本底,利用泰森多边形方法确定空间日降水的概率,从而实现黑河流域河西走廊中段地区日降水的空间制图方法,并对该方法得到的日降水时空数据集进行了误差分析和评估。分析结果表明,这一方法简单可靠,满足分布式水文模型或相关陆表过程分布式模拟对分布式日降水数据时空精度的要求。     

基于DEM的地理要素PRISM空间内插研究

利用PRISM模型基于DEM、站点数据和其它空间数据图层内插了气象要素,以便准确表达其空间分布特征。为了比较PRISM空间内插结果,采用GIS常用的Kriging内插、Spline内插等方法分别对降水和气温站点数据进行空间插补,并对内插结果进行精度分析、DEM空间分辨率的影响分析和各个权重因子的影响分析。分析表明,PRISM方法比其它内插方法能够更加精确地表达气象要素的空间分布,更适合于在地形复杂地区地表参数的空间内插。由于气象要素空间分布的复杂性,PRISM内插方法不能完全表达地表参数空间异质性。以后研究中,应在更小的站点影响单元内考虑更多因子利用PRISM方法进行气象要素的空间内插。     

不同源降水数据在天山南坡阿克苏河流域适用性分析

降水是水热循环以及气候变化研究的重要环节,降水资料的准确与否直接影响流域尺度的水文过程研究。本文基于2000-2015年天山南坡阿克苏河流域气象站点观测降水数据,对比分析了Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）降水数据集和Global Land Data Assimilation System（GLDAS）两种具有代表性的降水格网数据集在阿克苏河流域的适用性。结果表明：TRMM3B43数据在阿克苏河流域的整体表现优于GLDAS-2数据。两种数据的精度在月尺度上表现最优,相关系数分别为0.938和0.901,通过了0.01的显著性检验;在季节尺度,TRMM3B43数据各季节与站点插值的拟合度要优于GLDAS-2数据,但二者均呈现出高估冷季降水而低估暖季降水的趋势;在年尺度上,两种数据表现较差。在空间分布上,两种数据类型均能够反映出阿克苏河流域降水自西北向东南递减的空间分布趋势。并且两种数据在平原区的表现均优于山区,低估高海拔地区降水而高估低海拔地区的降水。     

基于广义加性模型估算1979-2014年三峡库区降水及其特征分析

高精度、长时间序列、空间连续的降水产品是气候分析、水文模拟等众多研究领域中的重要输入。近期欧洲研究人员融合了3种不同类型的降水数据：站点观测、遥感产品、再分析资料,制作了全球1979-2014年3小时一次0.25°空间分辨率的降水产品（Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation, MSWEP）,凭借高时空分辨率及其对多源信息的挖掘和融合,该产品一经发布即受到广泛关注。本文利用三峡库区及附近地区气象站点的降水资料对MSWEP月降水数据进行评估,采用广义加性模型算法（General Additive Model,GAM）融合站点降水空间插值结果和MSWEP产品,对三峡库区融合后降水进行分析。主要结论为：① 降水估算精度呈现冬春季偏高、夏秋季偏低的特征,MSWEP产品与站点插值方法具有互补性,前者对夏秋季降水估算精度更高,后者对冬春季降水估算精度更高;② GAM算法可以充分发挥站点插值和MSWEP数据各自的优势,提高区域降水估算精度,与融合前相比,均方根误差减少了17%~50%,相关系数r提高了10%~30%;③ 2003年库区蓄水前后降水变化的主要特征有：库区中部长江以南地区汛期降水（5-10月）下降,库区西部干季（1-4月,11-12月）降水增加,库区外围西北部（大巴山地区）汛期降水增加,降水空间格局异质性增加,干季降水占全年降水比例升高。     

一种改进的生成区域日降水场的方法及精度分析

利用全国687个气象站点11年的日降水数据,对基于地理特征和统计回归的函数拟合类模型DAYMET生成中国区域日降水场的能力进行了验证。交叉验证表明,DAYMET模型估计日降水累计得到的年降水量的绝对偏差11年平均为29.8%,年降水总量估计偏差低于20％的站点占48.3％。鉴于中国陆地区域降水深受季风的影响,不同方位气象站点对插值点的影响也有所不同,引入了站点不同方位对插值的影响权重,对DAYMET模型进行了改进,改进后年降水量的绝对偏差降为27%。与梯度距离平方反比法相比,该方法具有较高的区域降水插值精度。还以无定河流域降水插值为例,说明降水插值精度的高低与区域内雨量站点的多寡紧密相联。     

基于XGBoost的多源降水数据融合方法研究

气象站点观测降水难以精确反映降水时空分布与变化,而雷达降水存在复杂地形区域精度不高等问题。为了最大限度发挥两者的优势,文章以广东省北部山区为研究区域,选择2018-08-26—30一次暴雨过程为研究对象,结合地形、与海岸线距离、植被指数、经纬度等地表辅助参量,分析地面站点降水与地表辅助参量、雷达降水的相关关系,利用XGBoost算法与克里金插值方法,构建地面-雷达日降水数据融合模型,得到了空间分辨率为1 km的日降水融合数据集。此外,采用多元线性回归（LM）与克里金插值方法,实现了地面-雷达日降水数据的融合,并利用地面降水数据分别对XGBoost与LM日降水融合性能进行精度验证。结果表明：1）地面降水与雷达降水存在显著的正相关,地面降水与地表辅助参量之间的相关性随时间变化;2）XGBoost预测精度整体上高于LM预测结果;经模型残差校正后,XGBoost融合模型的精度整体上优于LM融合模型,这是因为XGBoost方法在捕捉地面降水与地表辅助参量、雷达降水之间关系性能上优于LM方法。     

TRMM3B42降水产品在鄱阳湖流域梅川江子流域的精度评价(英文)

在鄱阳湖流域的梅川江子流域,利用52个站点9年(2001-2005及2007-2010)的日降水数据对V6和V7两个版本的TRMM 3B42降水产品进行了精度评价。该评价针对多个时空尺度进行,包括栅格和流域两个空间尺度,日、月和年三个时间尺度。为避免尺度不匹配问题,本文利用泰森多边形方法将点尺度的站点观测数据转换到与TRMM数据相同的栅格尺度。评价结果表明,V6和V7两个版本的TRMM3B42降水产品差别较小,整体上均轻微高估了降水量(偏差均为0.04)。在日尺度,栅格和流域空间尺度上V6和V7TRMM3B42降水产品的精度均较差,相对均方根误差在135%-199%之间。因此,在该地区利用3B42数据进行日尺度的水文分析前需要对其进行校正。在月和年尺度,栅格和流域两个空间尺度上V6和V7两个版本的TRMM 3B42降水产品精度均较高,决定系数达到0.91-0.99,相对均方根误差在4%-23%之间。这表明TRMM 3B42降水产品在该地区月和年尺度的水文分析方面具有很好的应用前景。     

气候模式同站点插值外推气象数据的比较

在气象站稀疏的中亚荒漠地区采用基于大气物理机制的区域气候模式,可获得高分辨率格点气象资料进行气候变化研究.针对中亚地区1958-2001年的气候变化,采用RegCM区域气候模式对ERA40和NCEP/NCAR两套气象再分析数据进行动力降尺度至40 km,并将结果同三套基于气象站点插值外推的格点数据(CRU、WM和APHRO)进行比较.所有数据一致表明,1960年代以来新疆地区的气温显著增加,南疆地区降水增加、天山山区降水减少.除APHRO外,数据都表明北疆地区降水呈增加趋势.RegCM模拟的气温和降水数据与站点外推数据空间分布格局基本一致;但RegCM数据年平均气温低于站点外推数据,RegCM数据在新疆山区的年降水量是站点外推数据年降水量的1.3倍.由于研究区内73％的气象站点分布在中山带以下的干热气候区,站点外推数据可能低估山区降水并高估该区域气温.与站点插值外推的格点数据相比,区域气候模式具有能细致描述区域内中小尺度的地形/下垫面特征、更精确反映气象要素空间变异格局的能力.但因为缺乏足够的地面观测以及高精度遥感反演气象数据,当前尚无法全面评估区域气候模式在中亚地区尤其是山区的模拟精度.     

中国高分辨率温度和降水模拟数据的验证

PRISM模型是一种基于地理特征和回归统计方法生成气候图的模型。基于中国及其周边国家地区2450多个气象台站观测数据,以PRISM模型模拟生成了中国2.5′×2.5′(≈4～5km)逐月温度和降水数据。利用独立于模拟数据的中国生态系统研究网络18个野外观测站的长年气候观测数据,检验了PRISM模型的模拟结果,表明PRISM模型较好地模拟了我国温度和降水的空间分布及季节变化,除了在高山和亚热带地区由于地表覆盖和局部地形的差异影响模拟结果,其模拟值与实测值之间的趋势线同1∶1线基本一致,具有显著相关关系,其中降水效果略差     

降雨信息空间插值的不确定性分析

文章以潮白河流域为样区,根据58个雨量站1990年的降雨观测数据,采用反距离权重法、克立格法、样条函数法、趋势面法等插值方法,分析了站点数量变化、时间尺度变化、栅格像元的尺度变化、插值方法的差异对降雨数据空间插值结果的影响,剖析降雨插值中的不确定性。结果表明：（1）插值站点数量越大,区域降雨插值的不确定性越小;（2）像元尺度在50m~1000m间变化对降雨插值的不确定性只有微弱的影响;（3）对应于时间尺度由年到月到日的变化,降雨插值的不确定性随时间尺度的减小而显著增大;（4）不同插值方法影响到降雨空间插值的不确定性水平。为了减少降雨信息空间插值的不确定性,根本途径是要引入第三方相关变量,并将其整合到现有的插值算法中。高相关性变量的选取及其与插值模型的整合方式将成为降雨插值研究的主导方向。     

Spatio-temporal accuracy evaluation of MSWEP daily precipitation over the Huaihe River Basin,China: A comparison study with representative satellite- and reanalysis-based products

Multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) is one of the most popular merged global precipitation products with long-term spanning and high spatial resolution. While various studies have acknowledged its ability to accurately estimate precipitation in terms of temporal dynamics, its performance regarding spatial pattern and extreme rainfall is overlooked. To fill this knowledge gap, the daily precipitation of two versions of MSWEP (MSWEP V2.1 & V2.2) are compared with that of three representative satellite- and reanalysis-based products, namely the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM 3B42 V7), the climate prediction center morphing technique satellite-gauge merged product (CMORPH BLD), and the fifth-generation reanalysis product of the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ERA5). The comparison is made according to the dense daily rainfall observations from 539 rain gauges over the Huaihe River Basin in China during 2006-2015. The results show that MSWEP V2.1, MSWEP V2.2 and CMORPH BLD have better performance on temporal accuracy of precipitation estimation, followed by ERA5 and TRMM 3B42 V7. MSWEPs yield the most even spatial distribution across the basin since it takes full advantage of the multi datasets. As the weighted-ensemble method is independently carried out on each grid in MSWEPs, the spatial distribution of local precipitation is changed by different source data, which results in that MSWEPs perform worse than CMORPH BLD in terms of the representation of precipitation spatial pattern. In addition, the capability of MSWEPs to describe the spatial structure in the rainy season is lower than that in the dry season. Strong precipitation (≥100 mm/d) events are better represented in TRMM 3B42 V7 products than in MSWEPs. Finally, based on the comparison results, we suggest to improve the merging algorithm of MSWEP by considering the precipitation spatial self-correlation and adjusting the merging weights based on the performance of the source datasets under different precipitation intensities.     

多源降水数据的小流域水文模拟效用评估

小流域是研究小微尺度水文水资源系统演变规律的理想对象,是用于计算河流产水产沙 的最小单元,是水文及水土流失研究与管理的最佳地域尺度。通过遥感技术,气候模式获得降水 数据,并驱动分布式水文模型,模拟和预测水文过程,是流域水文水资源研究的必然趋势。以 NO? AA-CPC-US 降水作为参照,在美国不同地区的 9 个小流域,评估卫星降水产品 PERSIANN,PERSI? ANN-CDR,TRMM-3B42V7,GPM-IMERG,雷达降水 StageIV 以及气候模式 ERA5 降水产品的精度, 并用这 7 种降水产品驱动 CREST 分布式水文模型,评估了 7 种降水产品的水文模拟效用。研究表 明：各降水产品与 NOAA-CPC-US 降水吻合程度从高到低,依次是 StageIV 雷达降水,PERSIANN- CDR 和 GPM-IMERG 次之,再次是 PERSIANN 和 ERA5,最后是 TRMM-3B42V7。各降水产品在美 国北部高纬度地区和西部山地等区域的小流域降水估算精度略低,在美国中部,南部,东部的小流 域有较好的降水精度。在水文模拟效用评估中,设定相同率定期,分别使用 7 种降水产品率定 CREST 模型参数,得到率定参数集后,在相同验证期对流域日径流过程进行模拟。结果表明：NO? AA-CPC-US 和 Stage IV 雷达降水在各小流域水文模拟中效果较好,在美国北部和西部地区,使用 PERSIANN,PERSIANN- CDR,GPM- IMERG,ERA5 降 水 进 行 水 文 模 拟 时 需 要 谨 慎 。 TRMM- 3B42V7 的小流域水文模拟效果不理想。     

基于站点观测数据的气温空间化方法评述

基于统计学的插值方法是地理学、生态学领域研究气温空间化的主要方法之一,对获取精细化气温数据进行生态模拟具有重要意义。结合国内外气温空间插值的主要研究成果,对常用气温空间化方法进行了归纳、对比,探讨各种方法的适用性和不足之处,从而为涉及气温空间化的具体研究提供一定的参考,并探讨了各类方法优化的方向。不同方法的对比分析结果表明:各种气温空间化方法各有所长,在具体的应用中都取得过较好的效果,但并不存在普适性的方法,在实际应用时必须针对研究区域具体的地理特征进行方法适用性验证或对各类方法中的具体参数进行改进,才能实现区域气温的空间最优化模拟。根据气温场的物理分布特征,结合GIS技术,考虑地形等更多的相关因子以提高气温分布微观细节的模拟精度是未来重要的发展趋势。     

薄盘光滑样条插值中三种协变量方法的降水量插值精度比较

在薄盘光滑样条插值中,高相关协变量的选取决定了插值结果的精确性。以2001-2009年全国728个气象站点日降水为数据源,提取年降水量数据,在分析多年平均降水量与两协变量高程（DEM）和距海岸线距离（DCL）的空间相关性基础上,利用ANUSPLIN软件,比较不同协变量下降水量插值结果精度在全国尺度以及区域尺度上的差异。以DEM、DCL及DEM-DCL分别为协变量对降水量数据进行空间插值发现：①在全国尺度上,DEM法的平均绝对误差（MAE）为47.79,略低于DEM-DCL法（48.90）,但显著低于DCL法（55.54）;且DEM法的平均相对误差和均方根误差也明显低于其它两种方法。②在区域尺度上,除西藏地区外的其他7个区域,3种方法的插值误差与全国尺度上相一致。西藏地区降水插值结果以DCL法的精度最高,而DEM法则较差。研究建议除在西藏地区的降水量插值研究中采用DCL法,在全国其他大部分区域采用DEM法。     

秦岭中部山地降水的垂直变化研究

明确秦岭高海拔山区降水的变化规律,是深入理解秦岭作为中国南北地理过渡带特征、认识秦岭水资源在南水北调中线工程中重要作用的前提。但秦岭高海拔地区长期缺乏有效的降水观测数据,导致对其降水变化缺乏了解。利用2018年6月1日—2019年5月31日秦岭太白山海拔3760 m实测降水数据,发现在秦岭海拔3760 m处年降水量可达1300 mm,远高于汉江盆地和关中平原600~800 mm的年降水量。在此基础上,检验了克里金（Kriging）、反距离加权（IDW）和薄盘样条（ANUSPLIN）插值方法,以及GPM修正数据（GPM-cal）和ERA5再分析资料对秦岭中部山地年和季节降水空间模态的再现效果,各方案均能揭示秦岭高山区是降水高值中心,且降水随海拔的升高而增大,但利用克里金、反距离加权插值方案不能得到准确的高海拔降水值,与此相比,GPM-cal数据、薄盘样条插值与ERA5资料能较准确刻画秦岭中部山地年降水量随地形的变化。水汽通量分析显示,秦岭凭借高大地形对600 hPa高度以下的南来湿润气流具有明显的阻挡、强迫和拦截作用,使其南坡成为区域降水高值中心。结合高山区降水观测、薄盘样条插值、多源格点资料和数据修正方法,是认识秦岭山地降水形成和变化的有效途径。     

TRMM降水数据在中天山区域的精度评估分析

 遥感降水产品能反映降水的时空分布变化,对于资料稀缺的西北干旱区生态水文研究有重大意义。TRMM卫星降水资料在热带湿润地区有大量应用,但要将其用于我国西北干旱半干旱气候地区,还需对该数据产品在质量进行评估。选择干旱区内陆的新疆天山中部为研究区,并以周边15个台站的实测数据为依据对TRMM3B42降水数据质量进行评价。结果表明：（1）TRMM3B42数据对日降水事件的估计准确率较低,但是总体上暖季好于冷季,相对于较大的降水,对发生量小的降水估计更为准确;在暖季高估量小降水,低估量大降水,冷季则相反;（2）月降水情况来看,天山南坡两站与北坡的规律不符;对北坡山区降水估计的精度好于平原区,并且精度与海拔呈抛物线分布,降水越大的区域精度越高;偏差量的年内分布在各海拔区域之内一致性较好,但区域之间规律各有特点;（3）从年降水量来看,TRMM降水整体低于站点观测值,并且差量随着高程具有抛物线分布的特征。总之,该降水产品的质量总体上不高,但是其偏差在时间和空间上具有一定的规律性,该数据在干旱区的应用需要进一步校准处理。