多源遥感降水产品在西北干旱区的气象干旱性能评估

多源遥感降水产品在气象站点稀少或分布不均地区的干旱监测方面,发挥着至关重要的作用,比如地处中国西北的干旱区。选择5套典型遥感降水产品(PERSIANN、CHIRPS、CMORPH、TMPA和MSWEP),基于标准化降水蒸散指数(SPEI),评估了降水产品在3种时间尺度的气象干旱性能;通过游程理论识别干旱事件,阐释了遥感降水产品捕获干旱事件的能力。研究表明:(1)在西北干旱区,5套遥感降水产品均能较好地捕捉多年平均降水量的空间分布格局,但却难以准确地捕捉降水的变化趋势。(2)在捕获SPEI性能方面,MSWEP最优,其次为TMPA、PERSIANN和CHIRPS,CMORPH表现最差。1个月尺度(SPEI1)是遥感降水产品识别气象干旱的最佳时间尺度。(3)在刻画干旱事件的特性方面,CHIRPS对干旱事件数量的识别能力最佳,PERSIANN最差;MSWEP和TMPA表征干旱严重性最好,CHIRPS较差;除CMORPH外,其余4套产品均能较好地捕获干旱事件的强度和极值。综上所述,虽然5套遥感降水产品整体上可较好地捕获西北干旱区的干旱特征,但由于受降水产品反演算法、地形复杂性以及地面验证站点疏密程度的影响,较难以找到一种降水产品在捕获干旱特性所有方面均表现最优。研究成果可为区域气象干旱监测最佳降水产品的选择,以及遥感降水产品在极端干旱环境反演算法的改进方面提供参考。

遥感降水降尺度高精度校正及不确定性分析方法

为消除降水场同质部分影响,提升统计降水降尺度结果精度,提出了基于贝叶斯高精度曲面建模(Bayes-HASM)算法的遥感降水降尺度高精度校正方法。该方法通过引入模拟精度更高的高精度曲面建模方法,并结合贝叶斯优化算法,实现了模型参数自动优化选择和高精度降尺度校正,解决了现有降尺度残差校正方法存在的误差和多尺度问题。结果表明:贝叶斯优化使高精度曲面建模的不确定性显著减少;经过Bayes-HASM残差校正后,降尺度结果的散点分布更加接近1∶1线,年、季、月和旬尺度的精度指标均得到了显著的改善,CC和IA指标提高至0.9左右,RMSE下降明显,RB也显著改善。本方法能显著降低模型的不确定性并起到消除降水场同质部分影响的作用,有效提升降水降尺度结果精度。

长序列遥感降水产品在黄河流域干旱监测中的适用性评估

以1983-2019年流域298个气象站点插值得到的格网降水(CMA)为标准,采用相关系数、相对偏差和均方根误差等统计指标,评估了3种降水产品对月、季、半年、年4种时间尺度(SPI1、SPI3、SPI6、SPI12)干旱特征的表征能力.研究发现:PERSIANN-CDR在监测干旱年际(SPI12)波动情况和量化干旱面积方面,总体估算结果偏大,但仍明显优于其他2种产品;多源集成产品MSWEP在估算降水量和捕捉降水空间分布格局方面,优于其他2种产品,但在气象站稀疏、地形复杂、气候多变的上游区,其一致性具有较大地区差异;PERSIANN-CDR和CHIRPS产品适用于表征中期干旱,而MSWEP适用于表征短期干旱;MSWEP能较好地捕捉CMA的SPI值变化趋势以及典型干旱事件的空间分布情况,但总体上3种产品对典型干旱事件识别方面(降水量及其空间捕捉)均需进一步改进.

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。

遥感降水产品对黄河源区水文干旱特征的模拟性能分析

遥感降水产品为稀缺资料地区水文气象灾害机理与预警研究提供了重要的数据资料,但不同遥感降水产品的性能存在较大区域异质性。利用遥感降水产品开展水文气象相关的研究和应用前,需要对其性能进行综合评估。基于此,以稀缺资料的黄河源区为研究区,利用1983—2018年的观测降水数据(CMA)驱动并率定ABCD水文模型,并利用标准化径流指数(SRI),评估3套典型遥感降水产品(PERSIANN-CDR、CHIRPS v2.0、MSWEP v2.0)对水文干旱的模拟性能。利用游程理论识别水文干旱事件,阐明遥感降水对水文干旱特征的捕捉能力。结果表明:(1)3套遥感降水产品均能较好地捕获CMA多年均值的时空分布格局。CHIRPS产品的水文模拟性能(纳什效率系数NSE=0.72)高于其他2套产品。(2)CMA和降水产品模拟的4个尺度的SRI(SRI1、SRI3、SRI6和SRI12)均呈显著增加趋势(P<0.01),表明近36 a源区河川径流增加,水文干旱趋缓,但降水产品均高估了SRI,表明对黄河源区降水产品的偏差校正有待开展。基本统计指标方面,MSWEP产品计算的SRI与CMA的最为一致,性能最佳,但在年尺度(SRI12)上,PERSIANN表现最优。(3)3套产品均高估了SRI1和SRI3的干旱历时和烈度,MSWEP产品对SRI6的模拟性能最优,PERSIANN对SRI12的模拟性能最优。研究结果可为黄河源区水文干旱研究的降水产品数据的选择提供科学决策支持。

赣江流域TRMM遥感降水对地面站点观测的可替代性

多卫星遥感降水产品为无/缺资料地区的水文过程模拟提供了新的数据来源。结合地面高密度雨量站网,在中国典型暴雨区赣江流域定量评估两种TRMM降水产品(3B42V7和3B42RTV7)的精度,并通过耦合分布式水文模型CREST,探讨了水文模拟中TRMM卫星降水产品对地面观测降水的可替代性。研究表明:3B42和3B42RT与地面观测流域平均月降水相关系数达到0.9以上,偏差在5%以内,日尺度上相关性略差,偏差略有增加。同时设计2种水文模拟对比试验:情景I为静态参数,使用地面雨量站降水率定模型参数,采用卫星降雨验证模型;情景II为动态参数,采用卫星数据重新率定模型参数,再利用卫星降雨验证模型。对比结果表明:情景II中完全使用TRMM降水后模型效果明显改善,证明TRMM卫星数据在赣江流域具有替代地面站点观测的潜力,但需要重新根据卫星降雨率定模型。

遥感降水资料后处理研究综述

获取高精度高分辨率的降水数据对于流域水文分析、水资源管理及洪涝干旱监测等均具有重要意义。遥感技术虽然能有效再现降水的时空分布,但原始遥感降水资料无法满足水文领域对高精度高分辨率数据的需求,需要开展遥感降水资料的后处理研究。介绍获取降水资料的主要方法,包括雨量站观测、地面天气雷达估测以及气象卫星反演,讨论各方法的主要优势和当前存在的问题,在此基础上综述遥感降水资料的后处理方法研究进展,包括空间降尺度、偏差校正以及产品融合,并归纳后处理降水产品的评价指标,最后指出今后的研究重点:发展和改进降水估计技术;构建更为合理的多源降水数据融合框架;加强降尺度法对比研究,进一步改进和完善降尺度法;开展降水相关的不确定性分析。

高分辨率遥感降水产品对强降水的监测能力评估——以2014年“威马逊”台风为例

针对2014年7月18日12时至2014年7月19日12时"威马逊"台风先后3次在中国华南沿海地区(海南、广东、广西)登陆所带来的暴雨过程,以中国气象局提供的地面观测站点数据作为参考,使用标准化偏差(NB)、相关系数(CC)、均方根误差(RMSE)、命中率(POD)、误报率(FAR)和关键成功率(CSI)等评价指标,对基于2种不同国际主流卫星降水反演算法GSMa P和IMERG的5套高分辨率遥感降水产品进行了小时尺度上的精度验证与分析。结果表明:遥感降水产品在暴雨事件中均表现出不同程度的低估,但地面校正算法较好地修正了遥感降水产品与地面观测数据间的整体偏差[GSMa P_GAUGE(-6.8%),IMERG_CAL(-0.5%)];遥感降水产品的误差主要来自大于100 mm的强降水,降水量超过100 mm时,5套产品的误报率(FAR)整体呈现上升趋势,命中率(POD)和关键成功率(CSI)呈现下降趋势;由于校正算法的数据来源是低时空分辨率的地面观测数据,校正后的遥感降水产品也在一定程度上丢失了高分辨率下捕捉到的降水变异特征。

多时间尺度下遥感降水产品与再分析降水产品在海河流域适用性对比分析

为了综合评估热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)、全球降水测量计划(global precipitation measurement,GPM)遥感降水产品和MERRA-2再分析降水产品在海河流域的适用性,基于流域内57个气象站点2014年3月—2018年2月期间的逐日实测降水数据,选用相关系数、均方根误差、平均绝对误差、相对误差等评价指标,对比分析三者在海河流域年、季、月多时间尺度观测精度。结果表明:在年、季、月时间尺度上,GPM数据与站点实测数据的相关性均为最优,TRMM相关性均最弱。在3种时间尺度下,MERRA-2再分析数据在海河流域的数据精度最高,GPM次之,TRMM数据误差最为明显。TRMM、GPM在年度、季度降水量上均存在一定的高估现象,TRMM表现出对降水的高估现象更加明显,但是夏季GPM相对误差略高于TRMM数据。总体上,3种降水产品在海河流域均具有较好的适用性,但MERRA-2与GPM在海河流域的适用性较好且优于TRMM,GPM在弱降水观测能力方面较TRMM明显增强,但强降水监测能力仍有待提升。

多源遥感降水数据在辽宁西部水文模拟中的应用研究

选用雷达遥感降水数据和卫星遥感降水作为水文模型的降水输入,以辽宁西部区域为研究区域,分析多源遥感降水数据在水文模拟中的适用性和精度。研究结果表明:经过修正后的雷达遥感降水数据和实测降水数据之间的误差值要小于卫星遥感降水数据;雷达遥感数据在水文模型中的模拟精度要好于卫星遥感降水数据,更适用于辽宁西部区域水文模拟。研究成果对于区域多源遥感数据在水文模拟中的应用提供相关参考。

不同卫星遥感降水数据在辽宁东部区域的适用性和精度对比分析

本文采用M-K检验方法和相关分析方法 ,结合辽宁东部区域降水站点数据,对比TRMM和GSMaP两种卫星遥感降水数据在辽宁东部地区的适用性和精度。研究结果表明:在年尺度上,GSMaP和TRMM降水数据和实测降水之间相关系数分别为0.62和0.36;在季节尺度上,两种卫星遥感降水数据均在夏季和实测降水相关性最高,且M-K检验值最高。在月尺度上,GSMaP卫星遥感降水数据和实测降水之间的差距小于TRMM卫星遥感降水数据。研究成果对于卫星遥感降水数据的应用分析提供参考价值。

高分辨率遥感降水对强降雨的监测能力研究

以地面观测站点逐小时降水数据为参考,在小时尺度上综合评估对比了两套多卫星遥感降水(GSMa P_MVK,GSMa P_Gauge)产品在广西2010年5月一次极端强降雨事件中的表现。结果表明:1两套遥感降水都能够较好地把握此次降水的空间分布模式,其与地面的相关系数分别为0.73和0.75;2在广西全区,和地面观测数据对比,GSMa P_MVK和GSMa P_Gauge对降水量分别高估了24.34%和45.88%。在暴雨中心,两套遥感降水在成功捕捉到了降水时段变化特征的同时也对总降水量有所低估,低估率分别为17.50%和26.93%;3地面校正后的GSMa P_Gauge在减少了小雨事件漏报的同时也增加了多余的小雨事件;4虽然两套卫星产品对强降水存在一定程度的低估,但它们都能预报到泥石流的发生。

多卫星遥感降水数据在塔里木河流域的适用性分析

资料缺乏地区由于其复杂的地形,站点布设困难,实测资料匮乏,遥感降水产品是实测资料的有益补充及替代。以塔里木河流域的子流域开都-孔雀河流域为研究区,采用国家基准气象站观测的降水量为基准数据,评估了TRMM 3B42RT、TRMM 3B42V7、CMORPH RAW、CMORPH CRT等四种遥感降水产品的精度。同时,在塔里木河的子流域玉龙喀什河流域,基于SRM模型,评估了以上几种遥感降水产品模拟径流的适用性。结果表明,TRMM 3B42V7的精度最高,TRMM 3B42RT的精度较低,CMORPH在山区的精度也较高,而CMORPH在平原地区高估了降水量;在四种遥感降水产品中,TRMM 3B42V7最适于模拟径流,可以基本表征日径流变化过程。

多源遥感降水评估及其在水文模拟中的应用

多源遥感降水产品为无资料或缺资料地区的水文过程模拟提供了新的高质量的数据来源。以美国爱荷华州Iowa-Cedar中型流域为例,基于地面雨量站降水数据CPC-U定量评估了5种多源遥感降水产品(NLDAS2、Stage IV、TMPARP、TMPART和IMERG)的精度,并结合分布式水文模型DRIVE(Dominant river tracing-Routing Integrated with Variable Infiltration Capacity Environment)进行了水文效用评估。研究表明:①NLDAS2和Stage IV都能很好地捕捉降水事件,与CPC-U具有良好的一致性,其次是IMERG和TMPARP,日尺度上相关系数达到0.63~0.80,偏差为-0.21%~15.37%,探测率为0.61~0.74,而TMPART产品精度较低;②采用不同降水数据驱动分布式水文模型进行径流模拟,NLDAS2和CPC-U表现效果最好,纳什效率系数分别为0.82和0.8,其次是Stage IV和TMPARP,纳什效率系数分别为0.79和0.63,而IMERG和3B42RT表现较差,纳什效率系数分别为0.46和-1.09。对比结果表明,NLDAS2、Stage IV降水产品精度评估表现较好,适合在Iowa-Cedar流域进行水文模拟应用,其次是TMPARP和IMERG,但IMERG水文效用评估相对较差,说明多源遥感降水数据融合产品更适合于水文模拟应用。

基于EMOS方法的多源遥感降水数据融合与性能评估——以黄河中游为例

选择对气候变化和人类活动极为敏感的黄河中游为研究区,采用集成模型输出统计方法(EMOS)对多源遥感降水数据(CHIRPS、CMORPH、PERSIANN-CDR和TMPA 3B42)进行数据融合,并对其基本统计性能和降水等级性能进行评估。研究发现:采用EMOS数据融合方法获得的降水数据集可更好地捕捉观测降水的空间分布和年际均值,其基本统计性能(δBIAS=-3.4%;δRMSE=13.1mm;γKGE=0.233)明显优越于4种独立的遥感降水产品、4种产品的均值(MME)以及采用分位数映射法(QM)获取的数据集,但各统计指标存在较大的空间差异性;EMOS方法获得降水数据集显著地改善了对中雨的检测性能(探测率DPOD=0.38);相对MME,EMOS对大雨的综合探测能力(关键成功指数ECSI)提高了12%,表明该方法对高强度降水的正确检测能力更具优势。基于EMOS多源数据融合方法获得的高精度数据集,可为黄河中游典型生态恢复区的极端降水-水沙关系研究提供科学支撑,具有较好的科学价值和应用前景。

3套遥感降水资料在秦岭大巴山区精度评估分析

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,通过回归分析法评估了2001~2010年CMPA、TRMM3b43V7、CMORPH1.0(gauge-satellite)3套遥感降水资料在秦岭大巴山区的精度;结合数字高程模型,分析了地形因子与遥感降水资料的精度关系.研究表明,CMPA、TRMM3b43V7、CMORPH1.0(gauge-satellite)遥感降水资料的降水空间分布与地面站点观测结果相似.其中CMPA资料在月、年尺度上与地面实测相关性最高,与地面观测值最为接近,CMORPH1.0(gauge-satellite)各项误差指标变化较明显,相关性最低,TRMM3b43V7居中.在复杂地形下,CMPA模拟精度最好,CMORPH1.0(gauge-satellite)因受地形影响,降水估算能力有限,精度最差.

遥感降水量产品寒区精度评估与径流模拟适用性研究

采用地面雨量站观测的降水量为基准数据,以寒区呼兰河流域作为典型研究区,评估了TRMM(Tropical rainfall measuring mission)最新一代卫星降水量产品3B42V7、3B42RT以及CHIRPS(Climate hazards group infrared precipitation with station data)、基于地面降水量插值获得的IDWP降水量数据在日、月、季度和空间尺度上的精度。利用站点和卫星2种降水量数据驱动SWAT模型,采用SUFI-2算法计算模型并考虑模型参数的敏感性,进行日流量过程模拟,评估了多卫星降水量产品在流域水文模拟和预报中的应用能力。研究结果表明:流域日平均尺度上,3B42V7、3B42RT、CHIRPS分别高估地面降水量5.43%、41.24%、3.37%。3B42V7在流域日、月、季度时间尺度上很接近地面观测降水量。3B42RT的日降水强度累计概率分布与雨量站较为接近。3B42V7和CHIRPS在率定期和验证期的日流量模拟效果均较好,NSCE率定期为0.77、0.84;验证期为0.67、0.56。3B42RT对流量峰值的模拟较差。可考虑采用TRMM 3B42V7和CHIRPS作为基础降水量资料应用于寒区水资源管理、干旱监测和洪水预报等相关研究。

不同遥感降水产品多时间尺度的比较研究——以三江源地区为例

通过与地面气象站点实测降水量的比较,从捕捉能力和反演精度两方面选取多个指标,结合海拔和雨强条件评估不同时间尺度上CPC、PER-CDR和TRMM三种遥感降水数据集在三江源地区的适用性。研究结果表明:①CPC产品探测降水能力最强(CSI=0.42),PER-CDR次之(CSI=0.33),TRMM最差(CSI=0.31)。遥感卫星产品在3000 m以上的高海拔地区探测降水能力高于3000 m以下地区,对于小雨的探测性能优于中雨和大雨事件;②日尺度上PER-CDR、TRMM相关系数均低于0.3,CPC为0.47。月和季尺度上的相关系数均在0.9左右,年尺度的相关系数大于0.8。同一时间尺度上,CPC和TRMM产品的一致性均优于PER-CDR产品;③年和季尺度上,TRMM产品的精度最高,月和日尺度则是CPC产品效果最优,CPC的RMSE较TRMM更小,表示CPC误差极值较TRMM少。PER-CDR产品在各个尺度上都明显高估降水,精度最低。不同时间尺度上,日相对误差最大,季、月的误差相对较小,年相对误差最小,即卫星降雨数据的精度随时间尺度的增加有所提高。综合对比三种产品,CPC产品探测降水能力最好,在三江源地区有较好的适用性。

多卫星遥感降水产品寒区误差时空特征分析

选取北方寒区呼兰河流域作为典型研究区,以地面雨量站及采用IDW插值方法获得的IDWP降水数据作为基准,采用多种统计学指标评估多卫星遥感降水产品在日、月、季度时间及0.05°×0.05°像元空间尺度对寒区地面降水探测精度,以SWAT模型研究其径流模拟适用性,比较TRMM最新一代3B42V7降水产品相对于3B42V6改进程度。结果表明,TRMM 3B42V7与TRMM 3B42V6相比,对流域平均及总体降水量探测均有改进,日时间尺度上,V6过低估计地面降水0.89%,而V7过高估计5.43%,月及季度时间尺度上,两者与雨量站降水量较为接近,降水强度探测方面,两者对不同降水强度区间降水发生频率均有不同程度估计,V6和V7均过高估计高强度大雨和暴雨量,分别高出21.98%、17.03%。V7对空间降水探测精度优于V6。日径流模拟方面,V7与V6相比,在寒区对径流模拟改进效果不显著,验证期二者模拟结果接近,均可应用于寒区径流模拟。CMORPH_CRT、CMORPH_RAW、PERSIANN_CDR数据在寒区评估效果较差,不宜在北方寒区推广。

多卫星遥感降水产品在柬埔寨的应用比较分析

柬埔寨地区的水资源十分丰富,但由于气象、水文站点的稀缺以及水文气象数据的不连续等原因,导致流域基本水雨情及水资源特征数据不够完善、全面和准确,不利于该国水资源的科学管理和开发利用。一系列高时空分辨率的遥感降水产品的出现为降水数据的缺失和不连续提供了新的解决方法。选取了5种高精度的遥感降雨数据(CHIRPS、CMORPH_CRT、CMORRPH_BLD、MSWEP、TRMM)对柬埔寨地区2003~2015年降雨的时空分布差异、精度评价、极端降雨估计情况进行了对比分析。结果表明,5组遥感降雨产品总体均能较好地反映柬埔寨地区降雨的时间及空间变化规律。这对于柬埔寨及其它无资料地区的水资源研究及工程设计工作具有一定的指导作用。