基于Delta分位数映射法的青藏高原中东部IMERG卫星降水误差订正

可靠的降水资料对理解青藏高原水量平衡和水循环过程尤为重要。IMERG(Integrated MultisatellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement)是新一代卫星降水产品,具有更广的覆盖范围与更高的时空分辨率,但在高原复杂地形条件下仍然存在较大的不确定性。鉴于此,本研究应用Delta分位数映射法(Quantile Delta Mapping,QDM),对IMERG日降水数据进行偏差订正,使用2001-2010年的中国区域地面气象要素数据集(China Meteorological Forcing Dataset,CMFD)降水数据和IMERG日降水产品分季节建立传递函数,对2011-2014年的IMERG逐日降水进行订正。研究结果表明:(1)Delta分位数映射法能够有效订正IMERG的降水频率、数值和空间分布,对极端降水和负偏差较大区域的订正效果更为明显。订正后的IMERG降水概率分布更加接近观测概率分布,降水偏差也更符合正态分布,改进了对全年和季节降水空间分布的刻画,提高了月降水的精度。(2)订正后日降水量均方根误差由1.49 mm·d^(-1)降低到1.26 mm·d^(-1),精度提高了15.44%;订正后的日降水在不同降水量级的临界成功指数CSI、命中率POD、误报率FAR、准确率Precision和F评分Fscore均有提高,降低了微量和暴量降水的空报率。(3)对极端降水的订正效果显著,降水强度SDII以及极强降水量R95p和R99p的均值更接近观测值;有效提高了对极端降水空间分布的表征,极端降水偏差从30%以上降低到5%以内;SDII、R95p和R99p的均方根误差从1.59 mm·d^(-1)、6.54 mm·d^(-1)、14.89 mm·d^(-1)降为0.65 mm·d^(-1)、3.01 mm·d^(-1)、8.99 mm·d^(-1),精度分别提高了59.12%、53.98%和39.62%。本研究验证了Delta分位数映射法在青藏高原的适用性,有利于为青藏高原气象和水文研究获取更精确的降水数据。

多源卫星降水数据在川渝地区的适用性分析

降水的分布特征在时空尺度上存在较大的差异性,如何快速准确地获取高时空分辨率的水文资料,拥有更好的降水检测能力,对于获取降水资料的技术有较高的要求。本研究选用四种卫星降水产品(TRMM 3B42V7 、TRMM-RT 3B42V7、PERSIANN-CDR和 CMORPH)近十年(2008-2016)的数据,使用三种广泛使用的统计指标(CC、MAE和MRE)验证了年度,季节性和月尺度降水量的测量结果。 本文研究结论如下: (1)除了TRMMRT3B42,其余三种卫星产品均能较好地反映该地区相应的降水演变规律;(2)通过四种卫星降水产品的各项指标比较得知,TRMM3B42为模拟川渝地区降水最优的产品,TRMMRT3B42始终表现为最差;(3)川渝地区西部为高海拔且降水少的区域,在该地区上卫星降水产品模拟降水能力差。

基于Attention-Unet网络的FY-4A卫星降水估计

准确的卫星降水估计是开展天气、气候、水文、生态等研究的重要基础,并且可以降低由降水直接导致的洪水等自然灾害造成的损失。目前业务运行的卫星降水产品主要使用物理反演方法,存在反演过程中降水特征信息较为片面等缺点。近年来随着深度学习技术不断发展,其挖掘隐藏特征信息的能力也逐渐被引入到各种非线性过程研究。以Attention-Unet为核心搭建具备处理卫星多通道数据能力的卫星降水估计网络框架,利用风云4A卫星(FY-4A)多通道扫描辐射计9—14通道数据构建数据集进行降水估计模型训练。为评估该模型的效果,将Attention-Unet模型的降水估计结果与业务运行的卫星降水产品以及其他成熟深度学习网络模型进行对比。结果表明,Attention-Unet模型的降水估计效果优于使用传统物理反演方法的卫星降水产品FY4A-QPE和CMORPH,也优于作为对比的Unet模型和PERSIANN-CNN模型。在FY-4A多通道数据基础上,在模型训练中加入与降水有较大相关的地形数据,结果表明模型在保持降水区域识别能力的基础上降水量估计误差更小。

基于MGWR模型的华北GPM卫星降水数据降尺度研究

卫星降水产品是地面稀疏站点观测降水量的重要补充,但存在分辨率粗糙的缺陷。为提升GPM数据可用性,以华北地区为研究区域,纳入归一化植被指数(NDVI)、地表温度(LST)、地形为协变量,构建混合地理加权回归(MGWR)模型,重构华北地区降水数据集。结果表明:原GPM年降水数据与地面观测降水量之间存在较高一致性,但在反映降水量空间细节分布方面明显欠缺,经MGWR模型降尺度后的GPM数据精度得到提升,MGWR模型在GPM数据降尺度方面具有良好应用性。

GPM和FY2G卫星降水数据在金沙江石鼓以上流域的适用性评价

为评估GPM卫星(Early、Late和Final)及FY-2G卫星逐日降水产品在金沙江石鼓以上区域的精度,基于流域内12个国家级气象站日降水数据为基准,用相关系数(CC)、相对误差(RB)等指标,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了对比分析。结果表明:GPM卫星降水产品在金沙江石鼓水文站以上流域精度较好且优于FY-2G,且GPM Final产品精度较GPM Late和GPM Early有显著提升,能够更准确地反映流域内降水的时空分布,在业务运行中可以作为缺少实测降水地区的重要补充数据。

新疆GPM卫星降水数据降尺度研究

GPM卫星降水产品在全球降水观测中具有良好替代性,但存在粗糙的空间分辨率缺陷。结合地面气象观测站降水量资料、地形、NDVI和经纬度等环境变量,运用支持向量机(SVM)回归建立降尺度模型,将研究区0.1°的GPM降水产品提升至1 km空间分辨率。结果表明,研究区2020年GPM降水量与地面站点降水量之间具有良好一致性。经过降尺度后,GPM数据与地面站点资料之间的R2提高了21.92%,MAE和RMSE依次降低了60.15%、59.97%。结果可为该地精细化气象资料提供参考依据。

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,基于卫星降水数据采用标准化降水指数SPI并运用游程理论对流域实行干旱监测。结果表明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,整体高估地面降水2.6%;IMERG-F与地面实测降水驱动的SPI指数保持较高的一致性CC>0.9;MERG-F更能准确地呈现出流域的干湿特征;IMERG-E对干旱次数的模拟效果最优,IMERG-F对平均干旱历时和平均干旱烈度的监测结果最好。

台风“烟花”影响浙江期间GPM卫星降水产品的评估及订正

为了解和提高GPM(Global Precipitation Measurement)卫星降水产品在台风降水过程中的表现和质量,基于地面气象观测站雨量资料,分别采用逐步订正法和最优插值法订正卫星反演降水产品,并从不同时间尺度评估2021年台风“烟花”登陆浙江期间GPM(第六版)反演产品在订正前后的监测能力。结果表明:未订正的GPM反演降水产品未能描述浙江省内高大地形处的强降水中心,对过程降水量低估约45%,主要源于对浙江东北部降水大值区的低估,降水分级检验显示,未订正的GPM产品除对小雨有较好反映能力外,其余各级别探测能力均较差;经逐步订正法和最优插值法分别订正后,反演产品的过程累计、逐日及逐时降水的评估结果均有提升,且逐步订正法订正后效果更优,最优插值法订正后对实际降水略有高估,两种方法订正后的产品不仅可描述与高大地形相关的强降水中心,也可反映大暴雨和小时雨强大于23 mm·h^(-1)的强降水。

卫星降水产品在陇东2022年7月特大暴雨事件中的适用性评估

以地面雨量站观测数据、中国气象局多源融合降水数据(CMPAS)为基准,通过定量、分类、结构相似度3种方法综合评估8种卫星降水产品(FY-4A、CMOPRH-RT、IMERG-Early、IMERG-Late、GSMaP-Now、GSMaP-Gauge、PERSIANN-Now、PERSIANN-CCS)在甘肃陇东2022年7月一次破历史记录的极端性强降水过程中的适用性。结果表明:(1)8种卫星降水产品基本反映降水中东部大、西北小的空间分布特征,除GSMaP-Now产品外,其余7种产品均低估暴雨中心降水量。(2)8种卫星降水估算产品对于强降水峰值的描述能力较好,强降水过程的2个峰值阶段均有体现,但均严重低估大暴雨及以上量级降水。(3)GSMaP-Gauge对暴雨以下量级降水估算最优,而CMOPRH-RT对暴雨及以上量级降水估算最优,所有产品对特大暴雨量级降水均无法正确命中。(4)CMOPRH-RT产品能从降水总量、降水量级、形态分布三方面最好地表现降水过程的结构分布。对本次降水事件,CMOPRH-RT降水产品在各方面表现综合最优。

基于Cubist算法的临汾市GPM卫星降水数据降尺度研究

为提升GPM卫星降水产品应用性,利用临汾地区2019年GPM降水数据和11个地面气象站点资料,引入地形、海陆位置等降尺度因子,构建基于Cubist回归算法降尺度模型,将原始GPM数据提高至100m的空间分辨率。结果表明:Cubis算法降尺度修正后的GPM数值精度显著提高,其R^(2)达0.60,MAE和RMSE为17.46、20.29mm,相对降尺度前的R^(2)提升了22.45%,MAE和RMSE分别减小了64.10%、68.89%。降尺度结果清晰展现了区域降水量分布细节信息,具有较好的应用价值。

TRMM卫星降水数据在洣水流域径流模拟中的应用

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,评估热带降雨观测计划(TRMM)最新一代卫星降水产品3B42V7的精度;利用站点和卫星两种降水数据驱动栅格新安江模型,采用SCEM-UA算法考虑模型参数不确定性,进行流量过程模拟,评估TRMM 3B42V7在流域水文模拟和预报中的应用能力。数据精度评估显示:在平均意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较高,较站点观测低估了6.68%;但在绝对值意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较低,绝对偏差达到57.76%;TRMM 3B42V7经过了地面月降水量偏差校准,其精度在月尺度上有较大提高。径流模拟结果表明:TRMM 3B42V7模拟的日径流过程精度较低,有部分洪峰没有捕捉到,但仍能表征径流的日变化特征;月尺度上模拟径流与实测径流吻合较好,能表征径流的季节性和年内变化特征;计算的日尺度和月尺度95%置信区间包含大部分实测流量过程。

TRMM卫星降水反演数据在珠江流域的适用性研究——以东江和北江为例

为评估最新一代TRMM 3B42-V7卫星降水反演数据产品在珠江流域的精度和适用性,选取位于珠江流域下游的东江和北江流域为研究区域,基于地面雨量站点数据评估了该产品的精度和适用性,并结合可变下渗容量(Variable Infiltration Capacity,VIC)水文模型进行了水文模拟验证。对比分析结果表明,在网格尺度上,大多数网格日尺度相关系数达到0.60以上,月尺度相关系数达到0.90以上,3B42-V7产品表现出较好的精度,在区域尺度上精度得到了进一步提高;水文模拟验证分两种情景下进行,情景Ⅰ的结果表明,当水文模型由地面雨量站点数据率定时,3B42-V7产品数据的水文模拟效果不佳,个别区间内存在对洪峰流量明显的低估;情景Ⅱ的结果表明,由3B42-V7产品数据重新率定水文模型时径流模拟效果有了较大改善,说明该产品可在一定程度上作为资料缺乏地区的降水数据来源。

多源卫星降水数据在瓯江流域的适用性分析

为利用卫星降水数据开展流域水文模拟预报,基于瓯江流域内94个雨量站1998~2013年逐日降雨量数据,分析了多源卫星降水数据（TMPA、RT、CMORPH和PERSIANN）在该地区的适用性。结果表明,PERSIANN数据精度最低,其次为CMORPH和RT,TMPA数据精度最高,其中PERSIANN和CMORPH数据低估了实际降水量,而RT和TMPA略高估了降水量;梅汛期和非汛期的精度高于台汛期,月时间尺度降水量的精度高于日时间尺度。各卫星降水数据中,TMPA和RT数据在中雨级别下精度最高,对小雨和大雨级别的降水分别存在低估和高估现象,而PERSIANN和CMORPH数据对所有量级下的降水均存在低估现象;随着雨量的增加,卫星降水的误报率均有不同程度的增加。

多源卫星降水产品在长江流域的时空精度对比

准确评估现有多源卫星降水产品的时空精度特征,可为长江流域的水资源高效开发利用奠定坚实的气象数据基础。利用长江流域191个气象站点1999—2019年逐日站点实测降水数据和TRMM(tropical rainfall measuring mission)、CMORPH(CPC MORPHing technique)、CHIRPS(climate hazards group infrared precipitation with station data)和PERSIANN_CDR(precipitation estimation from remotely sensed information using artificial neural networks climate data record)4种卫星降水产品,运用皮尔逊相关系数R、均方根误差E RMS和纳什效率系数E_(NS)等连续性指标评价卫星降水产品在长江流域时间和空间尺度上相对于站点降水的探测精度,并运用探测率P_(OD)、误报率R _(FA)和T_(S)评分3个分类评价指标衡量卫星降水产品对不同量级降水的捕捉能力。结果表明:在年尺度上,TRMM和CMORPH相对于CHIRPS和PERSIANN_CDR表现出更高的探测精度,而对于年降水量空间分布特征,仅有TRMM、CMORPH和CHIRPS能不同程度地准确反映;在月尺度上,TRMM和CMORPH对降水估计仍然具有较高精度,TRMM、CMORPH和CHIRPS在描述月降水空间分布方面在长江流域不同区域各具优势;在日尺度上,4种卫星降水产品对弱降水的捕捉能力均较强,对强降水探测能力则较差;在空间尺度上,4种卫星降水产品在日和月尺度上表现为高海拔地区精度较高,而年尺度上则无明显变化规律。总体而言,4种卫星降水产品中,TRMM和CMORPH在长江流域年、月、日不同时间尺度上更具优势,但在空间分布上,4种产品在不同地区差异显著。这一结论为进一步开发适用于长江流域的高时空分辨率降水融合产品奠定了研究基础。

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30mm.(10a)-1.黑河流域年降水量体现出随海拔高度的递增规律(11.1mm.(100m)-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 900m).

淮河上游区域GPM IMERG卫星降水数据应用评价

为系统评估GPM IMERG V05B卫星降水产品在淮河息县以上流域的应用,以流域内9个地面站实测雨量数据作为参考,应用统计指标、分类指标及极端降水指标,对2015~2017年GPM IMERG产品分别评价分析了日、月、年尺度上统计指标与分类指标,评估了不同雨强、极端降水探测性能。结果表明,GPM IMERG卫星降水产品与地面监测数据在日、月尺度的降水监测值表现出较好的相关性,总体呈高估现象,日尺度探测率高于0.8,但错报率、汉森和凯普斯得分不理想,月尺度上在8、9月份存在低估,年雨量误差10.0%~23.8%;GPM IMERG对小雨综合探测性能强,但错报率较高,对中雨探测精度较高;极端降水事件探测能力表现不稳定。

TRMM卫星降水数据在天山山区的校正方法研究

本文基于全球降水观测(Global Precipitation Measurement,GPM)及天山山区40个气象站点数据,提出了一种新的热带降水测量任务(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星数据误差校正方法(MERGE),并与广泛使用的地理差异分析(Geographical Different Analysis,GDA)方法进行对比,通过交叉验证来评价两种方法对山区年/月降水的校正效果。结果表明,MERGE方法不仅能提高TRMM的空间分辨率(0.05°),且在年(平均Bias降低了21%)、月(平均Bias降低了37%)尺度上的校正结果都优于GDA方法;校正后TRMM降水的误差在不同月份存在很大差异,即在降水较多的雨季(4—10月)误差较大(MAE>3mm),而在干季(11月至次年3月)误差较小(MAE<3mm)。MERGE方法不仅能有效改善高海拔地区的降水误差(平均误差降低了59%),且对原始TRMM数据的依赖性较小(R2=0.47),即使在原始TRMM数据表现不佳的局部区域,也能有效降低其误差。

IMERG和GSMaP卫星降水产品在三江源区的适用性评估

利用98个三江源区国家级气象站和区域气象站降水观测资料,对IMERG和GSMaP两种卫星降水产品进行了对比验证分析,并就长江流域、黄河流域和澜沧江流域分别进行了适用性评估。结果表明:IMERG卫星降水产品与地面观测日降水数据的相关系数中位数达到0.62,均方根误差中位数为4.24 mm,命中率能够达到0.80以上,明显优于GSMaP数据;两种卫星降水产品对小雨等级降水略有高估,而对于中雨和大雨均为低估,尤其对于大雨的低估现象更为严重,其中IMERG对短时强降水的低估是造成大雨低估的主要原因之一;两种卫星降水产品平均相关系数均呈现出随着海拔高度升高而降低的特征,且在低海拔区的相关系数最大,均方根误差最小。

GPM IMERG卫星降水数据在广西地区适用性分析

为对比评估最新IMERG V6版本的3种卫星降水数据(Early、Late和Final)在广西地区的适用性,利用广西18个地面站点降水数据,选用7个评价指数从降水量误差、季节平均降水量、降水事件探测能力等多方面进行综合评估。结果表明:(1) 3种卫星降水数据与站点降水数据相关性随时间尺度增加均呈递增趋势,在月尺度上表现出较好的探测能力,但三者均存在均方根误差RMSE的时间累积效应。(2) 3种卫星降水数据对广西各季节平均降水量有一定的表征能力,但不同季节差异明显,在冬季的精度表现相对较差。(3) 3种卫星降水数据在地形和气象因素复杂地区的误差较大,降水探测能力存在一定的不足。(4) 3种卫星降水数据均能探测不同强度的降水,在雨季对降水事件识别能力较好,但降水强度加大使卫星探测降水事件准确率下降。总体上,校正延时IMERG-F精度略优于未校正近实时的IMERG-E和IMERG-L,在广西地区具有一定的适用性,但校正过程也存在加重降水量高估程度的现象。

三峡区间TMPA和IMERG卫星降水产品精度评估

为了验证卫星降水产品对地面站点降水观测数据的可替代性,研究利用地面站点观测数据,采用统计分析方法,对三峡区间流域TMPA3B43V7、GPMIMERG卫星降水产品进行月尺度下的精度评估。结果表明:2种卫星降水产品表现出较好的一致性;在流域上游地势平坦区域纬度较低,卫星降水产品精度相对较差;在流域下游高山峡谷地形纬度较高,卫星降水产品精度较好;卫星降水产品具有替代地面站点降水观测数据的潜力,在三峡区间流域具有一定的适用性。研究成果可为应用卫星降水产品进行三峡区间流域水文模拟、降水趋势分析等奠定基础。