GPM DPR产品在东北地区两类降水过程中的应用评估

全球降雨观测计划(Global Precipitation Measurement,GPM)卫星自2014年2月发射以来,为高纬度地区的降水三维观测提供了基础,其搭载的双频星载测雨雷达(Double-frequency Precipitation Radar,DPR)反演的4种降水产品可以为中高纬度地区降水研究提供参考。本文利用GPM DPR提供的4种降水产品(Ka_HS、Ka_MS、Ku_NS和DPR_MS),对东北地区两次不同类型降水天气过程的降水结构特征进行分析,探究其宏微观特征的差异,并对GPM DPR的4种产品性能差异进行对比。结果表明:东北地区春季层状云降水的分布范围很广,大部分降水强度低于4.00 mm·h^(-1),且云系发展较为平缓,而夏季混合性降水的强度分布极其不均,且垂直方向发展较为旺盛,回波顶高度可达12 km。对比4种降水产品发现,Ka_MS降水强度、回波顶高度和降水类型划分都具有明显缺陷;Ka_HS可探测到更多的弱降水样本,但在雨强较大时也会出现严重衰减;Ku_NS能够提供较为可靠的回波顶高度和降水类型划分;DPR_MS产品具有独立表现,其中小于0.50 mm·h^(-1)的弱降水与Ka_HS的相关性较好,大于1.00 mm·h^(-1)的降水与Ku_NS有较好的一致性,此外,DPR_MS对降水和雨滴谱的垂直结构表征最合理。

GPM和CMORPH卫星产品在重庆暴雨过程中的应用评估

基于2020年6月重庆地区连续3次暴雨过程期间地面高时空分辨率加密雨量观测资料,评估GPM(IMERG)和CMORPH两种主流卫星降水产品对重庆暴雨强降水的估测精度。结果表明,IMERG和CMORPH总体上能较好地捕捉到重庆地区暴雨强降水的时间和空间分布特征,但两种卫星产品均表现为高估过程降水量,IMERG的相对误差RB在0.7%~41.6%之间,CMORPH的RB在23.7%~82.8%之间,CMORPH较IMERG高估更为显著。两种卫星产品对雨强小于20mm·h^(-1)的降水估测精度具有显著的系统性误差,表现为低估雨强小于2.0mm·h^(-1)的降水,高估雨强4.0~19.9mm·h^(-1)的降水,且IMERG的估测精度要优于CMORPH。对雨强超过20mm·h^(-1)的极端强降水,两种卫星产品均表现出极大的不稳定性,探测率(POD)和临界成功指数(CSI)均小于0.1,误报率(FAR)均大于0.85,估测能力有限,需要进一步改进算法。

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反演降水数据IMERG在浙江省的适用性研究

【目的】为了研究全球降水测量计划(GPM)综合多卫星检索降水产品(IMERG)在浙江省的适用性。【方法】以浙江省为研究区域,基于浙江省自动观测站降水数据,利用相关系数、均方根误差、相对偏差、分类指数统计法分别从年尺度、季尺度、月尺度、日尺度以及小时尺度分析GPM在浙江省的适用性。【结果】(1)春、秋、冬季的GPM和自动站对应效果远好于夏季,月尺度、日尺度、小时尺度下GPM和自动站降水数据对应效果较好,但整体上存在高值区略低估、低值区略高估现象;(2)年尺度与季尺度下GPM与自动站降水平均值的变化趋势一致,但GPM降水平均值较高,其中秋季表现最好;(3)年、月、日3个尺度下,尺度越精细化,相关系数越高、相对偏差越小,均方根误差越小;小时、日、月3个尺度下,降水阈值越低,产品尺度越粗糙,估测能力越高;降水阈值越低,产品尺度越精细,误报降水的比例越低;降水阈值越低,综合探测能力越高;(4)小时尺度下,在0.5~1 mm·h^(-1)区间,GPM虽然对降水事件略有高估,但拟合效果较好。【结论】综合来看,GPM日尺度降水数据产品精度在浙江省有较大应用潜力。

XGBoost算法在河北省GPM卫星降水数据降尺度中的应用

针对GPM卫星降水产品分辨率相对较低问题,本研究引入XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)回归算法,旨在改善河北省GPM降水数据的分辨率水平和应用精度。基于地形变化、土地利用、NDVI应用、经纬度和地面降水数据构建XGBoost的回归模型,然后运用网格搜索法进行参数优化,进而对河北省2020年GPM数据进行降尺度,利用独立验证点进行精度评估。结果表明,降尺度后的GPM数据与地面降水量在年尺度上具有高一致性,其R2达到了0.88,MAE(Mean Absolute Error,平均绝对误差)和RMSE(Root Mean Square Error,均方根差)分别为62.07 mm和85.72 mm。相比原始GPM数据,降尺度后的GPM数值精度R2提升了4.55%,MAE和RMSE分别降低了70.23%、71.14%。XGBoost模型能准确拟合星地多源降水数据之间非线性规律,在低精度、低分辨率GPM降水数据降尺度处理方面具有广阔应用前景。

基于GPM遥感数据与随机森林算法唐山市降水量空间制图研究

准确预测降水空间分布是水文气象研究与应用中的重要研究方向之一。以衡水市2020年12个气象站点年降水量为基准值,以GPM卫星降水产品、DEM地形因子、经纬度信息作为协变量,采用随机森林(RF)方法拟合降水量空间分布规律,并预测生成30m空间分辨率的降水量分布图。结果表明,降水量制图建模的样本数据具有统计学意义,GPM卫星数据符合高斯分布;RF准确拟合了降水量分布细节信息,降水呈现自动向西、自南向北减少的格局,其验证精度R2达0.62,MAE和RMSE分别为MAE和RMSE仅为55.81 mm、65.88 mm。该制图结果克服了该地高分辨率水文气象信息缺失的问题,可为类似站点稀疏地区异源降水数据融合提供基础。

GPM卫星遥感降水产品在赤峰市的应用研究

多源卫星遥感降水产品在时空分辨率方面展现出极大优势,然而其与地面观测降水量之间一致性探究仍然不足。选取赤峰市2020年26个标准气象站点的逐月降水量观测数据,定量评估GPM降水量产品的可靠性。结果显示,2020年赤峰市逐月降水量空间分布不均衡,降水量分布中心在1月~5月呈顺时针由北向南移动,在6月~12月呈顺时针由北向西移动。该地年降水量介于286 mm~581 mm,年降水量分布中心位于南部丘陵、北段山地地带;而东部平原、西部高原地区最少。独立验证显示,GPM数据对赤峰市月降水量捕捉精度R^(2)=0.98,MAE和RMSE分别为2.07 mm、3.13 mm;对年降水量捕捉精度度R^(2)=0.75,MAE和RMSE依次为30.74 mm、33.23 mm。评价结果显示赤峰市GPM降水量产品可靠性较高,在区域水文气象方面具备良好应用价值。

基于RRF算法临沂市GPM卫星降水量降尺度研究

本文针对现存开源降水量产品存在的低空间分辨率问题,基于多源环境数据提取地形、经纬度等5个环境变量集,运用正则化随机森林(RRF)算法建立2019年临沂市GPM产品的降尺度模型,并利用12个地面观测站资料进行验证。结果表明,RRF模型的验证精度R 2达0.73,MAE为42.09,RMSE为51.60 mm;比区域原始GPM产品精度R^(2)提升了65.91%,MAE和RMSE依次降低了32.15%、28.64%。降尺度后的降水栅格面精细刻画了降水量地带性渐变规律,因此更符合区域实际,且降尺度过程中的误差呈随机性。

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。

GPM卫星探测新疆区域降雪敏感性及云结构特征研究

目前人们对新疆干旱区降雪云结构特征的认知仍有限。利用2014—2021年GPM(global precipitation measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR(dual-frequency precipitation radar)和微波成像仪GMI(GPM microwave imager)观测资料,对比了DPR不同产品对新疆区域降雪的敏感性及三类降雪云(深厚、浅薄和近地表)的宏微观特性差异,利用等频率高度统计方法,分析了四次新疆不同下垫面降雪云结构特征。结果表明:浅薄降雪云出现频率超过60%,而深厚降雪云对降雪量的贡献最大,三类云的液水路径(LWP)和冰水路径(IWP)集中在80~450 g·m^(-2)和100~380 g·m^(-2),回波顶高、LWP、IWP与近地表降水率总体上呈正相关;四次典型降雪系统分别发生在阿勒泰山区(A个例)、伊犁河谷(B个例)、古尔班通古特沙漠腹地(C个例)及昆仑山北麓戈壁地区(D个例),其中A、B个例主要为冰云,C、D个例多为冰水混合云,在GMI中166 GHz高频通道对降雪的敏感性较好,亮温分布在200~275 K;雷达反射率因子(Z)集中在16~25 dBz,对应高度为0.75~4.65 km,A、B和D个例云团存在“左倾”结构,Z集中在云体中上部,属于发展阶段,C个例的Z主要位于云体下部,云团处于成熟阶段。质量加权平均直径(D m)和粒子数浓度(dB N w)在1.00~1.22 mm和33~35产生的降雪量较大,降雪强度不仅与冰晶和过冷水粒子大小有关,还受到粒子数浓度的影响。研究成果对提升新疆地区降雪监测水平,深入认识该地区降雪形成机制及评估复杂地形条件下人工增雨(雪)潜力等具有积极意义。

GPM遥感降水产品在广东省的极端降水事件适用性分析

在广东省研究新一代GPM(Global Precipitation Measurement)产品的精度及其探测极端降水事件的能力,探讨其对地面站点观测数据的可替代性,可为GPM产品在中国南方湿润区的应用提供参考依据。以广东省的珠江流域、韩江及粤东诸河流域、粤西沿海诸河流域为研究区,采用国家基准气象站观测的降水量为基准数据,使用相关系数R、平均绝对误差EMA、均方根误差ERMS、相对偏差BIAS、探测率POD、空报率FAR和成功系数CSI共7个指标验证GPM遥感降水产品与TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)产品的精度;对GPM产品与TRMM产品在广东省的各个子流域的精度进行对比分析;使用9种广泛应用的极端降水指数来描述研究区域的极端降水特征,对比分析TRMM产品与GPM产品探测极端降水事件的能力。研究结果表明:以地面实测降水为基准,GPM与TRMM产品在广东省的平均R值分别为0.57与0.49,B_(IAS)值分别为7.93%与9.13%,C_(SI)值分别为0.51与0.44,表明两种遥感降水产品均有一定的偏差;从整体上来看,相较TRMM而言,GPM的精度更高;对比广东省的不同子流域,GPM产品与TRMM产品在珠江三角洲的B_(IAS)值分别仅为2.28%与8.72%,表明两种遥感降水产品在珠江三角洲流域的精度最高。在探测极端降水方面,GPM产品对中雨、大雨和连续无雨日数都有更为准确的监测。综合来看,GPM新一代遥感降水产品精度较高、对极端降水探测能力强,更适用于广东省的洪水、旱情监测,在广东省特别是珠江三角洲具有巨大的应用潜力。

GPM卫星在台风降水过程中的应用评估

【目的】为了解新一代气象卫星对气象灾害预警的监测水平,【方法】以长三角地区约6 000个地面雨量站数据为基准,利用相关系数(CC)、相对偏差(RB)、均方根误差(RMSE)以及分级评分指标等方法定量评估GPM多源卫星融合产品(V6B)IMERG(E_Cal、L_Cal、F_Cal、F_Uncal)在2015—2021年期间影响长三角地区8个台风(“灿鸿”“温比亚”“云雀”“利奇马”“米娜”“黑格比”“烟花”“灿都”)的降水估测能力。【结果】结果表明:(1)IMERG的4个产品基本可以捕获台风期间的降水分布,它们在长三角地区的平均CC分别为0.70、0.72、0.78、0.73,但容易低估该区域的累积雨量。(2)IMERG在降水中心的雨量估测表现更差,对应的CC分别为0.42、0.44、0.53、0.48。(3)IMERG可监测出长三角和降水中心小时降水的变化趋势,平均CC均达到0.8以上,但它们对短时降水峰值有不同程度的低估和滞后。【结论】IMERG对小于5 mm/h的降水估测能力较好,但随着降水强度(5~20 mm/h)的增加,估测能力逐渐降低,几乎无法估测出大于20 mm/h的极端降水。总体上,F_Cal、F_Uncal、L_Cal、E_Cal在台风期间的降水估测表现依次变差,它们对强降水的估测精度仍需进一步提升。

基准降水对GPM数据精度的影响——以南京“20170610”极端降水事件为例

现有文献多采用两种途径生成评价GPM等卫星遥感反演降水数据精度的基准资料:站点基准降水和插值基准降水,然而,关于基准资料生成方法对卫星降水数据精度的影响以及应优先采纳哪种基准资料尚缺乏深入研究。因此,本文以南京“20170610”极端降水事件为例,利用地面稠密雨量站的观测资料,设计了不同地表雨量站点密度下的随机抽取试验,解析了不同地表基准降水条件下IMERG Early、IMERG Late和GSMaP NOW三种GPM数据的精度特征。结果发现,基准降水对GPM数据精度的影响与雨量要素、数据类型、指标类型、站点密度有关。进一步以高超密度站点插值降水作为“真实”降水,量化了不同站点密度条件下两种基准降水的误差,发现对于24 h累积雨量和逐小时降水过程,存在一定的雨量站点平均密度临界值。若雨量站点密度高于该临界值,以插值降水为基准评价GPM数据的精度更合理,否则采用插值降水和站点降水为基准均可。本文研究深化了对GPM降水数据误差特性的认识,可为合理选取评估卫星降水数据的地表基准数据生成方法提供参考。

基于MGWR模型的黄河流域GPM卫星降水数据降尺度研究

黄河流域地域广阔,但气象站点分布较少,导致气象资料短缺。卫星降水可以作为气象站点观测的重要补充,但其空间分辨率有限,导致其在区域研究中作用有限。以黄河流域作为研究区域,针对全球降水观测计划(GPM)卫星降水产品,以2002、2012年和2020年降水数据作为干旱年、标准年以及湿润年3个典型气候年份,在综合考虑归一化植被指数(NDVI)、数字高程模型(DEM)、坡度(Slope)、地表温度(LST)和风速(WDS)多种反映降水量空间分布特征的影响因子及其空间非平稳性特征的基础上,采用地理加权回归(GWR)模型、混合地理加权回归(MGWR)模型2种降尺度方法,得到了黄河流域1 km空间分辨率的降尺度降水数据,并进一步通过地面气象站点数据对降尺度结果进行验证。结果表明:(1)GPM年降水数据与地面气象站点观测数据在2002、2012年和2020年的黄河流域地区具有较高的相关性。(2)经MGWR模型降尺度的降水数据空间分辨率得到了显著提高,且在降水变化的空间细节表达方面较GWR模型更优。(3)在3个典型气候年份中,MGWR模型在降水量标准年中相对于GWR模型具有更高的准确性。研究结果能够为相关区域范围的降水降尺度研究提供宏观参考与借鉴,促进区域气候水文研究。

GPM卫星探测四川“5·21”特大暴雨的降水结构特征分析

四川复杂地形容易触发对流,暴雨发生频次较高,研究该地区暴雨结构及宏微观物理特征有重要意义和价值。本文利用GPM卫星资料分析了2018年5月21日四川一次特大暴雨的三维结构及宏微观特征。结果表明:此次特大暴雨过程由一个α中尺度对流系统造成;层状云降水与对流云降水的样本比例为2.5:1,但对流云降水率为层状云降水率的5倍;环境风场垂直切变较强导致最大雨水含量的位置与最大云冰含量的位置不一致;对流云降水反射率因子高频区数值随高度变化比层状云降水显著;粒子数浓度参数和有效粒子半径的频率分布反映出在4~7 km高度对流云中雨滴碰并增长过程显著,4 km以下雨滴蒸发和破碎过程明显,层状云降水粒子数浓度参数和粒子有效半径的范围比对流云窄且随高度变化不明显。

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。

基于GPM卫星探测的夏季高原涡降水结构特征

利用GPM卫星的双频反演产品DPR_MS和ERA5再分析数据,对2016~2020年夏季青藏高原上空能被GPM卫星探测到的32例高原涡降水特征进行研究。结果表明:(1)高原涡在高原上降水强度偏小,绝大部分低于2 mm/h,雨顶高度主要在6~9 km。降水类型以深厚弱对流为主(占59.64%),其次是浅薄降水(占40.35%),深厚强对流极少。(2)高原西部降水涡绝大多数为深厚弱对流、平均雨顶高度明显高于东部涡,但东、西部涡的平均降水强度没有明显差异。浅薄降水频次呈“东高西低、北高南低”的空间分布特征,深厚弱对流降水则相反。(3)深厚弱对流降水受高原涡强上升运动影响显著,在6.5~7.5 km高度有大量有效半径为1.1 mm的雨滴粒子堆积,近地面较强降水(7 mm/h)的雨滴破碎过程明显。浅薄降水的反射率因子在各个高度持续增大,其地面降水主要由雨滴粒子碰并形成,地表雨强受雨滴浓度影响明显。

基于GPM数据的华东地区降水时空分布特征研究

干旱与洪涝是华东地区最主要的气候灾害,针对当前该地区降水时空分布研究的缺失,借助气象站点实测数据对GPM降水数据进行了精度验证,在精度满足后续研究的基础上,利用Mann-Kendall突变检验方法以及地统计分析方法研究了华东地区降水时空分布特征。结果表明:GPM降水数据在年和月尺度上,与实测站点数据的相关系数分别为0.84、0.81,偏差分别为9.56%、9.31%,总体精度较高;在空间分布上,降水呈现出南多北少的空间格局;在时间分布上,年降水量逐渐增加并出现波动上升的趋势。研究结论对该地区气象灾害防范、政府决策具有一定参考意义。

基于GPM数据和XGBoost算法的降雨侵蚀研究

针对传统获取降雨侵蚀力空间不准确问题,提出降雨侵蚀力提取。研究表明,降雨侵蚀力与GPM降水呈显著正相关,拟合降雨侵蚀力与间非线性关系降雨侵蚀力高值区集中于珠三角和阳江南部。为类似区土壤流失模拟提供技术参考。

GPM卫星降水数据在广东的适用性分析

为评估全球降水观测(GPM)卫星降水数据在广东地区的适用性,利用广东省86个国家地面站点实测降水数据,选用5个评价指标从降水误差、季节平均降水量等方面进行精度验证。结果表明:(1)GPM卫星降水数据与站点实测数据相关性随时间尺度增加呈递增趋势,探测能力在月尺度上表现较好。(2)GPM卫星降水数据在季节尺度上对平均降水量有一定的表征能力,但季节间有明显差异,在夏季表现较差。(3) GPM降水数据受气候、地理位置和地形等因素影响较大,降水精度易受影响。