结合HASM和GWR方法的省级尺度近地表气温估算

卫星遥感反演得到的地表温度可用于近地表气温的估算,但现有方法的估算精度仍有进一步提升的空间。为了获取空间上连续且精度较高的近地表气温,本研究以四川省为例,首次将高精度曲面建模（HASM）用于遥感和气温实测数据的融合,并将综合了气温、地表温度、海拔、坡度、坡向的地理加权回归（GWR）拟合结果作为HASM模型的初始温度场,进而采用此种结合HASM和GWR的求解算法（HASM-GWR）,融合MOD11C3地表温度产品与190个气象台站的气温实测数据,开展省级尺度近地表气温估算,并通过比较HASM-GWR、GWR以及普通线性回归（OLS）3种方法的估算精度,评估各模型对近地表气温的估算效果。结果表明,相比于传统估算模型,采用HASM-GWR数据融合方法能有效提高近地表气温的估算精度。采用该方法的近地表气温估算残差,72%介于-1~1 ℃,90%介于-2~2 ℃;且与GWR和OLS模型相比,估算结果的均方根误差（RMSE）分别降低了25.42%和39.83%。     

结合TRMM数据的区域降水高精度曲面建模研究

高精度曲面建模方法（High Accuracy Surface Modeling, HASM）,从理论上解决了传统方法在插值过程中峰值削平和边界震荡等问题。其模拟精度相对于经典插值方法有很大提高,已成功应用于人口密度、土壤属性,以及气候要素等领域的空间制图。然而,由于地面气象站点数量和分布的限制,使得HASM仅依靠站点数据难以得到高精度的空间降水估计数据,因此,本文以地貌与气候类型复杂多样的我国中西部地区2010年年降水量空间分布模拟为例,采用混合插值法进行HASM区域降水模拟。结果表明,TRMM作为背景场的HASM模拟的年降水量精度,在全局和局部明显优于IDW、Spline和Kriging等经典插值方法的结果,作为背景场的HASM模拟精度,MAE和RMSE分别为125.15 mm和155.80 mm,其他方法最好的模拟结果比其误差值分别高出53.6%和54.5%;其模拟误差在不同子区域都较小;各种方法在平原的精度都高于山区的精度。     

Sensitivity studies of a high accuracy surface modeling method

The sensitivities of the initial value and the sampling information to the accuracy of a high accuracy surface modeling(HASM) are investigated and the implementations of this new modeling method are modified and enhanced. Based on the fundamental theorem of surface theory, HASM is developed to correct the error produced in geographical information system and ecological modeling process. However, the earlier version of HASM is theoretically incomplete and its initial value must be produced by other surface modeling methods, such as spline, which limit its promotion. In other words, we must use other interpolators to drive HASM. According to the fundamental theorem of surface theory, we modify HASM, namely HASM.MOD, by adding another important nonlinear equation to make it independent of other methods and, at the same time, have a complete and solid theory foundation. Two mathematic surfaces and monthly mean temperature of 1951–2010 are used to validate the effectiveness of the new method. Experiments show that the modified version of HASM is insensitive to the selection of initial value which is particular important for HASM. We analyze the sensitivities of sampling error and sampling ratio to the simulation accuracy of HASM.MOD. It is found that sampling information plays an important role in the simulation accuracy of HASM.MOD. Another feature of the modified version of HASM is that it is theoretically perfect as it considers the third equation of the surface theory which reflects the local warping of the surface. The modified HASM may be useful with a wide range of spatial interpolation as it would no longer rely on other interpolation methods.     

基于改进HASM方法的中国日照百分率的模拟

日照百分率作为研究日照时数及太阳辐射等的重要因素之一,其模拟结果的好坏,直接关系到相关领域的研究应用。而高精度曲面建模方法（HASM）是近几年发展起来的用于生态建模的高精度曲面模拟方法。首先对现有的HASM进行改进,给出建立在完整理论基础之上、精度更高的曲面建模方法,并记为HASM.MOD;以高斯合成曲面为数值试验对象,验证HASM与HASM.MOD的模拟精度;最后,根据全国1951-2010 年752 个气象站点的月平均日照百分率数据,运用HASM.MOD研究近60 年月平均日照百分率的分布状况,同时比较了HASM.MOD、HASM、Kriging 和IDW法的插值精度。数值试验和实例验证结果表明,HASM.MOD的模拟精度最高。用该方法所提供的日照百分率数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

高精度曲面建模的一种快速算法

 高精度曲面建模(HASM)是一种全新的曲面建模方法,其整个过程可分为偏微分方程的离散、采样方程建立和代数方程组求解3个阶段。目前所采用的求解对称正定方程组的方法主要是共轭梯度法。为了解决HASM的计算速度问题,本文给出了2种新的预处理共轭梯度算法,分别为不完全Cholesky分解共轭梯度法和对称逐步超松弛预处理共轭梯度法。实验表明,不完全Cholesky分解共轭梯度法收敛速度最快,且这2种预处理方法均比其他方法具有更快的收敛速度。     

基于HASM方法对气候模式气温降水的降尺度研究——以黑河流域为例

基于空间平稳性分析,引入地理因素结合回归分析及高精度曲面建模方法（HASM）对黑河流域多年平均气温、降水给出了降尺度模拟。基于过去器测资料的验证,提出了CMIP5模式资料的合理降尺度方法。比较了降尺度结果与站点实测值的差异,同时比较了所给出的方法与经典插值方法的模拟精度。最后,基于历史时期T₁（1976—2005年）的降尺度方法结合RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5不同情景下未来时段T₂（2011—2040年）、T₃（2041—2070年）、T₄（2071—2100年） CMIP5模式结果,对降尺度方法进行了修正,给出了未来时段气温的降尺度模拟公式,并基于此对上述3种情景下多年平均气温的CMIP5模拟结果进行了降尺度模拟。结果表明：本文所提出的降尺度方法模拟结果与站点观测值具有较好的相关性,且精度高于其他经典插值方法。对未来时段的模拟结果表明,升温最快的是RCP8.5情景,在2071—2100年,除祁连山地区外,大部分地区年平均气温大于10℃。     

一种土壤属性制图的曲面建模方法(英文)

High accuracy surface modeling(HASM) is a method which can be applied to soil property interpolation.In this paper,we present a method of HASM combined geographic information for soil property interpolation(HASM-SP) to improve the accuracy.Based on soil types,land use types and parent rocks,HASM-SP was applied to interpolate soil available P,Li,pH,alkali-hydrolyzable N,total K and Cr in a typical red soil hilly region.To evaluate the performance of HASM-SP,we compared its performance with that of ordinary kriging(OK),ordinary kriging combined geographic information(OK-Geo) and stratified kriging(SK).The results showed that the methods combined with geographic information including HASM-SP and OK-Geo obtained a lower estimation bias.HASM-SP also showed less MAEs and RMSEs when it was compared with the other three methods(OK-Geo,OK and SK).Much more details were presented in the HASM-SP maps for soil properties due to the combination of different types of geographic information which gave abrupt boundary for the spatial varia-tion of soil properties.Therefore,HASM-SP can not only reduce prediction errors but also can be accordant with the distribution of geographic information,which make the spatial simula-tion of soil property more reasonable.HASM-SP has not only enriched the theory of high accuracy surface modeling of soil property,but also provided a scientific method for the ap-plication in resource management and environment planning.     

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。     

中国表层土壤全氮的空间模拟分析

基于第二次全国土壤普查5336个典型土壤剖面数据,分析表土全氮(A层)与环境因素的相关关系,利用多元回归模型和HASM模型结合的方法模拟中国国家尺度上表层土壤全氮的空间分布格局。结果表明:对350个检验点模拟结果的平均绝对误差和平均相对误差为0.67g·kg^-1和61.06%,与普通克里格法相比分别降低了0.05g·kg^-1和17.53%;对样点分布较少的西北地区的模拟结果也更符合实际情况。多元回归模型和HASM模型结合的方法考虑了环境因素的影响,可作为目前模拟大尺度土壤性质空间分布相对有效的方法。     

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。