黄河中上游多源降水数据精度评估

为研究黄河中上游遥感降水数据的可替代性,以2001~2010年站点实测降水数据为依据,采用相关系数、均方根误差和平均误差三个指标,分别从年、季、月尺度对14种卫星降水数据进行精度评价,并以水系为空间单元对极端降水事件进行评估。结果表明,在年、季、月尺度上,ITPCAS的精度均相对较高,GSMaP、PERSIANN的精度最低。季节上,降水数据均易高估春、夏季暴雨以下降水,低估暴雨以上降水;均易高估秋季大雨以下降水,低估大雨以上降水。对于极端降水,GSMaP、CHIRPS呈严重高估,PERSIANN呈严重低估;区域上,甘宁、内蒙水系各数据集对极端降水的评估与实测降水的一致性较强,其余水系中各数据集对极端降水评估的精度差异较大。     

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。     

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。     

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。     

CFSR、ERA-Interim再分析降水数据在高寒山区径流模拟中的适用性

为能更好地在严重稀缺资料地区开展水文水资源相关方面的工作,以天山西部山区的喀什河流域为典型研究区,基于1990~2000年现有的实测水文气象站点资料、CFSR与ERA-Interim数据,通过对比流域内两再分析降水数据空间分布情况、水文站点处实测与两再分析数据的降水时间序列变化及两再分析降水数据经过一定处理后驱动VIC模型所得的径流过程与实测径流过程三个方面,并评价了各再分析降水数据在喀什河流域的适用性。结果表明,两再分析降水分布符合山区大于平原、东部多于西部的规律,符合实际地理分布特点。流域内ERA-Interim年降水范围较为合理,而CFSR年降水范围则不太符合现实情况;两再分析降水数据春夏秋三季降水分布较为一致,其中ERA-Interim降水在流域内的高值区随季节变化较为明显,CFSR降水可能由于数据集本身或分辨率较低的缘故导致变化不为明显。冬季降水可能由于所针对的对象并非高寒区及冬季固液态降水的转化关系未深究这两个因素而较为反常。此外,CFSR降水高估了ERAInterim弱降水区,低估了其强降水区;研究区内CFSR降水存在高估实际降水的现象,而ERA-Interim降水存在低估强降水的现象;ERA-Interim在两套水文参数下均具有较为良好的模拟效果,且ERA-Interim数据在喀什河流域具有更好的适用性。     

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。     

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。     

基于标准降水指数的河南省干旱时空演变规律分析

基于河南省17个气象站1960~2010年的月降水资料,采用标准降水指数（SPI）统计分析了年尺度和季尺度的SPI干旱指数,探讨了不同时间尺度下不同干旱等级的时间演变趋势及空间分布特征。结果表明,河南省年尺度干旱总体上呈增加趋势,不同年代呈现不同的变化趋势;季尺度干旱表现为春旱和秋旱的干旱强度和干旱站次比均呈增加趋势,而夏旱和冬旱有所减缓,在当前气候变化背景下,河南省干旱整体上呈现对农业生产不利影响加重的趋势。在区域上,河南省北部易发生干旱,但干旱程度较低,而南部和西南部相对易发生严重干旱和极端干旱。     

降水资料匮乏地区不同再分析数据降尺度效果的评价

匮乏的降水基础资料不利于分析研究天山西部区域,因此研究外源降水资料的适用性、校验及降尺度,可更好地服务于水资源的高效利用、提高洪水预报的精度及极端水文事件的应对能力等。基于现有的26个实测站点1979～2005年的日降水量数据、同期NCEP/NCAR、ERA-interim、CFSR和CanESM2数据,借助极限学习机法研究了资料匮乏地区降水降尺度及修正方法。结果表明,基于四种不同数据集所建立的统计降尺度模型基本上能够模拟各站点的降水时空分布情况;综合对比四种数据集,ERA数据模拟降水的效果最佳,但不同站点最佳的外源降水存在一定的差异;相较于比例缩放法,分位数映射法修正降水误差更能充分考虑降水的变异性,能有效地提高降水模拟精度。     

ERA-5降水数据在澜沧江流域高山峡谷地区的适用性研究

以澜沧江流域典型高山峡谷地区为例,首先对最新发布的ERA-5再分析降水产品进行不同时空尺度下的精度评估,发现ERA-5数据与站点数据之间的相关性较高,可较好反映流域降水分布空间变化趋势,但高估了实测降水,存在着较大的系统误差,且误差有明显的时空变异特性,需经校正才可投入实际应用;然后使用比率偏差校正法对ERA-5进行校正,针对每个包含气象站的ERA-5网格计算其日降水事件对应的校正系数,将校正系数插值到每个网格,从而实现整个研究区域的校正,校正后的ERA-5数据在降水空间分布和数值上的精度均大幅度提升;最后采用水文模型间接评估校正效果,结果表明校正后的ERA-5降水径流模拟精度同样明显高于原始数据。     

变化环境下中国不同强度降雨的时空变化特征

受全球变暖和降水的空间异质性影响,局地极端降水事件呈现出广发和频发的态势,提取不同强度降雨变化的时空特征对科学开展防洪减灾布控具有重要的实际意义。为此,以中国大陆为例,采用Mann-Kendall检验方法对各流域不同强度降雨过程进行趋势性检验,利用95%置信水平对其进行显著性判断,并利用变标度极差分析方法(R/S)揭示未来各流域不同强度降雨的持续性演变特征。结果表明,各流域对应的不同等级强度降雨对年降水量贡献的表现形式不同,干旱和半干旱区流域小雨、中雨和大雨的年累积降水量对年总降水量的贡献高达90%左右,而半湿润和湿润区流域的贡献约为70%左右;未来黄河流域、辽河流域和海河流域的极端大暴雨事件将有所减少,而长江流域和珠江流域的极端大暴雨事件将显著增加。研究结果对于流域水管部门提出适应和减轻降水不利影响的应对方案具有重要的指导意义。     

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。     

甘肃省陇东地区极端降水的时空特征

为阐明甘肃省陇东地区极端降水的变化规律,利用该地区13个气象台站1961~2015年的逐日降水资料,应用超门限峰值法、反距离加权法、线性倾向估计法、滑动平均法、Mann-Kendall突变分析法、复值Morlet小波分析法研究极端降水的时空变化特征。结果表明,陇东地区各站第95百分位极端降水阈值在27.8mm附近变化,即可以大雨事件作为极端降水事件进行监测;极端降水指数主要表现为从南向北递减的趋势,极端降水事件对环县和崆峒的影响较小;极端降水事件虽然在总量、强度上表现为减小趋势,但其发生频次及对总降水的贡献率逐渐增强;极端降水总量和极端降水强度周期变化均在21年左右能量最强,而极端降水频次和极端降水贡献率周期变化分别在28、5年左右能量最强。     

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。     

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。     

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。     

辽宁省场次暴雨时空分布特征研究

基于辽宁省基础水文数据库,选取资料完整可靠的481处雨量站作为代表站,筛选出1965～2014年间最大点降水量超过200mm的超标准暴雨124场,采用线性倾向估计、M-K检验、小波分析、克里金插值等技术,系统分析了辽宁省场次暴雨时空分布特征。结果表明,辽宁省超标准暴雨年发生次数在0～6次/年之间,年际变化基本持平,并呈现出3～5、13～15年2个主要周期;年内尺度上,超标准暴雨集中发生于7～8月,且主峰降水多集中于24h之内;空间分布上,暴雨中心多位于东南部地区,出现频次由东南部向西北部递减。暴雨中心位于辽西地区的场次暴雨多发生于7月;暴雨中心位于辽东地区的场次暴雨在7、8月均有发生,且位于东南部地区的暴雨多发生于8月。