GPM卫星定量降水产品在南流江流域的适用性研究

在南流江流域定量评估三种GPM IMERG降水产品（FRCal、ER、FRUncal）的精度，并通过新安江模型模拟径流量，探讨IMERG卫星降水产品在南流江流域的水文适用性。结果表明，FRCal、ER、FRUncal与地面观测的平均月降水相关系数（CC）在0.80以上，尤其FRCal更是高达0.94，在日尺度上稍差，但FRCal的CC值亦高达0.71；在不同的时间尺度上，FRCal相对于ER、FRUncal更符合地面降水观测结果；将IMERG产品日降水数据驱动新安江模型模拟的径流与观测流量有一定偏差，与ER（0.46）、FRUncal（0.54）相比，FRCal的纳什指数NSCE（0.59）较大，具有更好的水文模拟性能，但FRCal略微低估了流域汛期的流量。IMERG产品在南流江流域对降水捕捉准确性较高，但在径流模拟方面还需改进。     

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。     

渠溪河流域GPM IMERG卫星降水对地面站点降水的可替代性研究

为评估IMERG卫星降水产品在空间覆盖范围、时空分辨率、雨雪数据观测等方面较上一代产品TMPA的改进效果,以三峡区间渠溪河流域为例,选择地面实测雨量数据作为参考值,在对IMERG产品进行统计分析评估的基础上,进一步运用BTOPMC分布式水文模型对其进行水文适用性评估,探讨IMERG卫星降水对实测降水GAUGE的可替代性,并选择TMPA产品进行了对比。结果表明,IMERG在渠溪河流域精度较高、水文表现较好,具有替代地面站点观测数据的潜力。     

浙江东部GPM卫星数据捕捉降水事件要素能力研究与评价

为了系统研究GPM IMERG数据对降水事件要素(降水次数、降水历时、降水事件间隔、平均降水强度和总雨量等)的捕捉能力,选择椒江流域和富春江流域两个典型流域,在事件尺度上,通过与2014～2019年地面站点实测数据对比,评估了GPM数据对各降水事件要素及雨型的捕捉能力。结果表明,GPM IMERG数据在月雨量方面与地面实测数据有着较好的相关性,总体效果较好;但GPM数据对降水历时存在高估现象,对月平均降水强度的监测与地面数据的相关性不好,尤其是台汛期的高雨强降水事件,总体低估了降水事件的平均降水强度;从雨型曲线可看出,GPM IMERG数据较实测数据探测的降水事件存在更大的可变性,对小雨强降水的探测较为敏锐。     

IMERG卫星降水产品实时监测黄河流域干旱效用分析

基于黄河流域2000年6月至2017年12月的地面栅格CPAP数据,选择多时间尺度的标准化降水指数(S_(PI)),运用统计指标评估IMERG Early Run V6降水产品在流域实时干旱监测的性能。结果表明,IMERG能较准确地捕捉黄河流域的降水量空间变化,相关系数高于0.8的区域占流域面积的73%,相对偏差绝对值低于25%的区域占54%;尤其在湿润地区表现出较好的稳定性和可靠性。IMERG、CPAP数据计算的SPI在中下游大部分地区相关性较好(C_C0.6)、命中率较高(0.5P_(OD)0.8)、虚警率较低(F_(AR) 0.5),而在黄河源区空间异质性较高;另外,随着时间尺度的增加,IMERG计算的SPI指数的适用性显著提高。IMERG实时监测干旱的方案明显高估了干旱特征,而在河套平原的效果相对较好,因此该方案适合黄河流域部分区域,但整体存在一定偏差,需谨慎使用。     

雅鲁藏布江流域GPM和TRMM遥感降水产品精度评估

分析雅鲁藏布江流域降水的时空变化规律,是高原地区水文研究的重要基础。以雅鲁藏布江流域为研究区,基于中国区域地面气象要素数据集,利用平均误差、相关系数、相对偏差、均方根误差等评价指标和误差分析方法,系统评估了GPM与TRMM降水产品数据在不同时空尺度的精度。结果表明,日、月尺度上两个产品数据平均相对误差值均与降水量呈正相关,出现西低东高现象,TRMM在高降水地区平均相对误差值更大,GPM冬季拟合效果不及TRMM产品;两种降水产品的精度在流域不同区域也有明显差异,西部区域TRMM产品数据误差更小;而中东部区域,GPM产品虽然相对偏差更大,但均方根误差更小,数据精度整体更高;另外,GPM对于强降水事件及其降水过程具有更好的监测能力;整体上,两个产品对于产生降雨均有较好的观测能力,GPM、TRMM产品对于连续无雨日的相关性拟合较差,观测精度一般,GPM相对于TRMM产品在雅鲁藏布江流域的提升并不明显。研究成果可为区域水资源管理与水文研究提供依据。     

基于机器学习模型的关中地区GPMIMERG降水数据订正方法

针对GPM_IMERG降水数据存在系统误差的问题,以关中地区为例,在筛选海陆位置、地形、植被指数（NDVI）变量的基础上,运用支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、高斯过程回归（GPR）模型对IMERG月降水数据进行订正,并通过34个站点数据验证订正模型。结果表明,关中地区IMERG数据具有良好的可替代性,其决定系数R²达0.76,平均绝对误差M_MAE、均方根误差R_RMSE分别为6.94、9.77 mm;经机器学习模型订正后星地数据之间的R²提升了2.05%～58.33%,R_RMSE、M_MAE分别降低了0.85%～71.23%、0.10%～73.47%;与GPR、RF模型相比,SVM模型的R_RMSE、M_MAE分别减小16.76%、9.76%和24.73%、14.11%,对IMERG数据订正具有更好的适用性。     

淮河流域TRMM多源卫星降水产品精度评估

不同的地区卫星降水产品的预报能力差别较大,因此需对卫星降水产品进行精度评估。基于淮河流域26个气象站的降水数据,采用统计方法评估了2001~2011年热带降水观测计划(TRMM)最新一代降水产品3B42V7和3B42RTV7在中国气候过渡带淮河流域的适用性。结果表明,两种降水产品均存在高估现象,3B42V7的性能优于3B42RTV7,两种产品夏季性能明显优于冬季;3B42V7与3B42RTV7年降水量几乎均高于地面观测年降水量,3B42RTV7年降水量的估算性能比3B42V7差,两种降水产品在湿润年的性能优于干旱年;除在小降水事件(0~1mm)发生概率明显低外,3B42RTV7、3B42V7与站点降水发生频次的趋势几乎一致,且全年优于汛期。降水强度25mm/d时,两种降水产品会高估降水量,对25mm/d的降水事件会低估,两种降水产品的趋势一致且相差不大;汛期3B42V7对降水强度25mm/d的降水事件拟合较好。与3B42RTV7相比,3B42V7有稍高的确报率、临界成功率及较低的错报率;TMPA产品对小雨或弱降水的确报率较高,对强降水尤其是25mm/d以上的降水错报率高达70%以上。     

五种降水数据产品在元江—红河流域的适应性评估

红河作为重要的国际河流,研究不同降水产品在红河流域的适用性,对于丰富区域水资源数据有重要意义。基于红河流域及其附近的29个气象站点实测降水数据,从时间和空间两个角度评估CRU、GPCC、GPCP、PREC/L、APHRO五种产品的降水数据。结果表明,总体上来看,这五种产品均能较好地反映红河流域降水的时空分布特征,综合分析GPCP表现最佳。从年降水量的对比来看,CRU、GPCC、PREC/L、APHRO存在对降水的低估,GPCP存在对降水高估;五种降水数据在旱季的降水精度比雨季表现好,夏季表现最差。在年降水量的空间分布上,五种降水数据整体上均表现出较为一致的空间分布特征;通过计算五种降水数据的降水空间分布图与实测降水空间分布图的Kappa系数,GPCC与实测降水空间分布表现为显著一致,其他降水产品表现为基本一致,且多数格点数据的降水精度与实测气象站点的高程呈正比。评估红河流域多源降水数据集的适用性,极大地丰富了红河流域的降水资料,为资料匮乏地区水资源研究提供了更多可能。     

流域尺度全球降水数据产品的相互比较

鉴于国家、大陆和全球尺度降水数据集之间的差异性方面的研究较多而很少考虑河流流域尺度上数据集的可靠性，采用最大/最小差异百分比法和TFPM-MK趋势分析法研究评估了12种广泛应用的降水数据集在全球6 292个流域中降水估计和变化趋势等方面之间的差异。结果表明，降水数据集之间存在较大差异，数据集之间的年平均降水量差异超过500 mm/a的流域共有2 469个，占地面积达4 419.6×10⁴ km²,主要分布在格陵兰岛、非洲、大洋洲和西亚。现有数据产品不能对所有流域的降水趋势达成一致，难以为确保流域内的水利发电、生活供水、防洪和抗旱等方面有效政策的制定和实施提供合理的科学依据。     

基于深度学习的无资料地区多源降水融合与性能综合评估

为研究卫星-地面站点降水融合校正对遥感降水数据在无资料地区水文应用的意义,构建了考虑时空因素的深度神经网络(CNN-LSTM)融合模型,结合地形因子和气象站点实测资料对渫水流域TRMM 3B42遥感数据进行融合校正,并定量评估校正后的日降水误差。结果表明,经过CNN-LSTM模型校正后的降水数据精度有所提高,其与站点降水资料的相关系数在0.65以上,均方根误差、平均绝对误差、探测率分别比原始TRMM数据精度提升4.01%、8.09%、16.61%,且校正后的数据明显低估了降水;在不同雨强条件下遥感融合校正降水精度表现良好,但对于暴雨事件探测的精度仍有待提高。     

CMORPH卫星站点融合降水的沂河流域径流模拟适用性评估

为验证卫星地面融合降水在北方半湿润地区径流模拟中的适用性，对比了2008～2012年沂河流域汛期的CMORPH融合降水和实测网格降水时空分布，并分别驱动HEC-HMS模型进行日径流模拟、洪水模拟，进而评估利用卫星地面融合降水进行洪水预报的可行性。结果表明，在沂河流域，CMORPH卫星站点融合降水与实测网格降水具有较高的相关性，其洪水模拟精度与实测网格降水相当，径流深和洪峰的预报能力更优，在研究区洪水预报中具有很好的适用性。     

三峡区间流域TMPA 3B43V7卫星降水产品多时空尺度精度评估

卫星降水产品属于间接估测降水,需要进行精度评估、适用性分析才能使用。利用地面站点观测数据评估了三峡区间流域TMPA 3B43V7卫星降水产品的年、月时间尺度及格点、流域空间尺度下的精度。结果表明,TMPA 3B43V7降水产品在月尺度上精度较高,在年尺度上数据精度稍差,但具有应用在降水变化特征分析、流域水文过程模拟等领域的潜力。     

最新GSMap-gauged与GPM-IMERG卫星降水产品性能评估及其在长江流域中的应用

为提高卫星降水产品在区域尺度的应用性,通过长江流域量化分析两种最新GPM计划卫星降水产品(GSMap-gauged和GPM-IMERG)的性能,根据2014年4月至2016年3月时空分辨率为0.25°/天、0.25°/月的卫星降水数据,与地表观测数据进行对比分析。结果表明,两种卫星降水产品的总误差在空间尺度上显示出截然不同的分布特点。在时间尺度上,夏季降水观测效果明显优于冬季。同时,GSMap-gauged高估了不足8mm/d的降水,低估了超过16mm/d的降水;GPM-IMERG低估了4～32mm/d的降水,高估了超过64mm/d的降水。通过极端降水指数发现GSMap-gauged低估了RRR99P、RR20TOT;而GPM-IMERG则略有高估。通过对比子流域上相关系数、平均误差、检测概率和假报警比率四项指标,发现GSMap-gauged明显优于GPM-IMERG。     

TMPA卫星降水数据质量评估及水文过程模拟

卫星降水资料在测站分布稀疏的复杂地形区域具有较大的优越性,但卫星与测站获取降水原理不同,需对卫星资料的可用性进行评估。以赣江上游为例,根据雨量站实测降水数据评估热带降雨观测计划（TRMM）多卫星分析降水数据资料（TMPA）的精度,并将该降水数据作为陆面水文模式Noah-LSM的输入,以评估TMPA降水数据在流域水文过程模拟的适用性。结果表明,TMPA日降水数据精度虽偏低,但在我国南方降水资料匮乏地区的水文过程模拟研究中具有一定的应用前景,TMPA月降水数据精度较高,可为无资料地区水资源计算和规划提供数据支持。     

淮河流域近58年降水特征分析

为了更明确、具体地了解淮河流域降水的时空分布特征,基于1959～2016年淮河流域170个高密度站点逐日降水资料,采用Spearman秩次相关和对趋势分析较准确的成对斜率回归中值等统计方法,分析了流域不同级别降水的降水量、降水日数和降水强度等指标的时空分布特征。结果表明,淮河流域年降水南北差异较显著,由西北向东南递增,年降水量和降水日数最大的地区均位于流域最南部大别山地区,其值为最小值的2倍左右;平均日降水强度及年暴雨量和暴雨日数的分布相似,东部沿海地区和西南部山区为大值区,西北部海拔流域最高的地区为最小值分布区,在流域中部由西北向东南方向逐渐增多;平均暴雨强度的一个大值区位于流域中部偏西的河南驻马店地区,淮河流域极端强降水的发生地也集中在此地周围;流域整体年降水量有轻微下降趋势,降水日数明显减少(东北部地区尤其显著,干旱风险增加),导致平均日降水强度显著增加。这主要是由10mm以下的小雨尤其是0.1～1mm的微量降水的频数显著减少导致的,而50mm以上的暴雨各指标在流域整体上均无显著的变化趋势;流域春秋两季降水量呈减少趋势,夏冬两季降水量呈增加趋势,属于春秋变干、冬夏变湿的地区。     

黄土高原典型流域网格化逐时降水融合产品CMPA V1.0的精度分析

选取黄土高原无定河、窟野河和皇甫川流域为研究区,从水文应用角度评估了中国自动站与CMORPH融合的逐时降水产品(CMPA V1.0)的精度。结果表明,CMPA V1.0降雨数据总体上较雨量站实测值偏低;与6、9月相比,8月降水产品精度较低。随降水量级的增加,CMPA V1.0对降水事件发生频次的监测能力和对降水事件监测的稳定性有所降低,误报率整体升高;CMPA V1.0低估了小雨的发生频率及降水贡献率,高估了雨强大于2.5mm/h降雨的发生频率及降水贡献率;CMPA V1.0能合理地反映研究区降水的日变化过程,但低估了研究区的时段平均降水量和时段平均降水频率,高估了研究区14:00前的时段平均降水强度。     

基于GAMLSS模型的云南省非一致性标准化降水指数分析

干旱指数对干旱的研究至关重要。随着气候变化和人类活动的影响，水文序列的频率分布随时间变化，因此需考虑干旱指数的非一致性。标准化降水指数S_SPI认为降水服从Gamma分布，对应的分布函数参数通常稳定不变，而实际的分布函数参数与时间序列具有一定相关性，因此利用GAMLSS模型以时间序列为协变量构建了降水序列的非一致性Gamma分布模型，在此基础上计算出非一致性标准化降水指数N_NSPI。以云南省为例，分别计算了1960～2019年的逐月N_NSPI、S_SPI,将两者进行对比分析，发现两者对干旱的识别结果总体趋势相近，但在1960～1985年N_NSPI识别的干旱数量和等级强于S_SPI,1986～2005年两者相近，而在2006～2019年，S_SPI识别的干旱数量和等级逐渐超过N_NSPI,进一步分析表明，考虑了分布函数参数随时间变化的N_NSPI能更精确反映实际干旱情况。     

沙颍河上游区降水序列变化趋势分析

分析降水序列变化趋势对于流域内气候预测及水资源管理利用等具有重要作用。根据沙颍河上游区1951~2010年降水量观测数据,采用一元线性回归法和Mann Kendall检验法对降水量的变化趋势进行了分析检验,并引入R/S分析法估算了降水序列的Hurst指数,以预测其未来变化趋势。结果显示,沙颍河流域年降水量呈微弱上升趋势,未来年降水序列表现出反持续性,但因其Hurst值接近0.5,故随机性较大;流域北部的北汝河区域年降水表现出下降趋势,而中南部的沙河和澧河年降水均呈微弱上升趋势;38个雨量站中,雨量呈上升趋势的站点多集中在流域南部,呈下降趋势的站点多集中在北部,且大多表现出持续性特征。     

沂沭泗流域降水变化特征分析

分析区域降水变化特征可为区域水资源可持续开发利用提供科学依据、为防汛抗旱提供科技支撑。以沂沭泗流域为例,利用1960~2011年日降水资料和Mann-Kendall趋势检验法研究了该流域降水变化特征。结果表明,该流域降水量主要集中在汛期;20世纪70~90年代降水量相对较少,其他时期相对较多;降水量、有效降水特征量和极端降水特征量均具有减少的趋势,其中降水频率和年最大连续有效降水日数减少趋势显著。