TRMM卫星降水数据在黄河源区的适用性研究

具有较高时空分辨率的卫星降水数据为研究缺乏地面实测站点流域的水文循环过程提供了有力的支撑。以黄河源区为研究对象,在对比分析2002—2015年TRMM 3B42卫星降水数据与站点实测降水数据的基础上,利用VIC分布式水文模型验证了TRMM降水数据在我国资料稀缺的高寒流域径流模拟的适用性。结果表明,TRMM卫星测雨数据与站点实测降水数据在时空分布及变化趋势上有较好的一致性,TRMM数据多年平均相对误差为-7.1%,相关系数达到0.86。根据VIC模型模拟结果可知,TRMM数据与站点实测数据的月尺度模拟效果较好,日尺度模拟效果不佳,丰水年TRMM数据模拟精度较枯水年高。     

四种卫星降水数据在黄河源区的适用性分析

基于黄河源区17个气象站1998—2015年逐日降水量资料,分析多源卫星降水数据(TMPA、RT、CMORPH和PERSIANN)在该地区的适用性,并在此基础上评估TMPA数据在水文模拟应用中的潜力。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RT数据在该地区存在高估降水量的问题。利用气象站插值降水量和唐乃亥水文站1998—2013年逐月径流资料对分布式水文模型(VIC模型)进行参数率定,在此基础上采用精度最高的TMPA数据驱动VIC模型,进一步验证了TMPA在黄河源区分布式水文模拟应用中具有较高潜力,TMPA模拟的径流过程与基于地面气象站插值降水量模拟的径流过程精度基本相当。     

TRMM卫星降水产品在尼洋河流域的适用性定量分析

作为地面雨量站资料的重要补充,卫星降水产品对资料短缺或无资料地区尤为重要。位于我国高寒山区的尼洋河流域属于典型的资料短缺地区,根据5个气象站点2001-2016年的月降水数据和中国地面降水日值格点数据集2001-2013年的日降水资料,利用反距离权重插值法对其进行处理,在尼洋河流域分别对月、日尺度数据用相关系数(R)和相对误差(BIAS)检验TRMM降水数据的精度。结果表明:在时间尺度上,TRMM月降水数据与实测数据在流域整体上一致性良好(R=0. 90),而日降水数据的一致性较差(R=0. 29),且BIAS较大;在单一站点上,TRMM月降水数据的精度较高(R 0. 9),而日尺度R 0. 50,精度较低。在空间尺度上,通过克里金插值法得到TRMM降水精度的空间分布,月降水精度由西向东逐渐减小,而日降水的精度与之相反。整体上,TRMM月降水数据精度高,具有较好的适用性,根据TRMM月降水数据分析尼洋河降水时空分布特征。结果显示尼洋河流域降水大都集中在5月至9月,而11月至次年2月,降水量很少;年降雨量呈现由西北向东部逐渐递增的趋势,不同区域降水量差异较大。     

乌梁素海流域气候模式适用性评价及旱涝预估

根据2001—2011年乌梁素海流域及周边气象站点的实测逐日降水数据,利用CMIP5中5个全球气候模式在3种不同代表性温室气体浓度路径情景下的降水模拟结果,计算了模拟变量和实测数据的相对误差、均方根误差和相关系数,选用在乌梁素海流域模拟降水效果较好的模式进行集合平均,检验了该模式对乌梁素海流域降水的适用性。结果表明:单个模式的模拟结果与实测值的相关性相对较差,采用集合平均方法修正后的结果与实测值拟合程度较好,相关性更高;2021—2050年降水量主要体现出夏季更集中、冬季更少的特征,降水量年际变化大,旱涝事件频发,特别是2025—2035年旱涝事件交替出现,发生旱涝事件的年份约占总年份的1/3。     

TRMM降雨数据在喀斯特地区的适用性分析——以贵州省为例

为验证TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)降雨数据在喀斯特地区的适用性,以贵州省为研究区,利用贵州省19个气象台站1998-2015年的降水数据,在年尺度和月尺度上验证了TRMM卫星降水数据的精度,并在此基础上基于TRMM月降水数据分析了贵州省的降水时空分布特征。结果表明TRMM降水数据基本能反映降水的空间分布及演变过程,年尺度上TRMM降水数据与站点实测降水量相关系数R=0.817,斜率K=0.751,数据精度较高,数值上比站点实测降水量略高。月尺度上TRMM降水数据与站点实测降水量相关系数最高,达到0.927,斜率为0.9127,数值略高于站点实测降水量。分析表明:坡度对TRMM降水数据精度的影响大于高程和坡向,坡度小于10°的精度较高。总体而言,TRMM降水数据在喀斯特地区具有一定精度,但是降水量少或地形起伏大的地区精度相对较低。     

TRMM卫星降水数据在江苏省的适用性评价

利用江苏省内167个雨量站点2000—2013年的实测资料,多尺度检验和探讨TRMM卫星降水数据(TRMM 3B42日降水产品、TRMM 3B43月降水产品)在江苏省应用的可行性。在多年平均尺度上,TRMM降水数据和实测降水数据空间分布上均呈现从南向北递减,但TRMM降水值高于实测降水量。在日尺度上,通过降水频率、漏演和空演率、降水分级分别检验了TRMM 3B42降水数据与实测降水数据的吻合程度,连云港市和宿迁市漏演率和空演率均较低,在该两地可用TRMM反演数据较为准确地判别实际情况有无降水;TRMM 3B42数据对小雨测量的相对误差较大,对中雨、大雨、暴雨的相对误差较小。在月尺度上,通过相关性系数和绝对误差的检验,看出TRMM 3B43数据与地面实测数据一致性程度整体较高,其中在徐州、连云港北部相关性最高,在江苏南部、洪泽湖周边相关性略差。在年尺度上,比较了实测降水数据与TRMM降水数据的变差系数,两者呈现较一致的规律,江苏南部年降水量波动小,北部波动大。     

GPM卫星降水产品在中国大陆的精度评估

为评估全球降水计划(GPM)主流卫星降水产品IMERG和GSMaP在中国大陆的适用性,基于中国气象局提供的地面降水数据集,选用6种统计指标及误差分解方法对其反演精度进行多时空尺度评估,并分析其误差组分特征。结果表明:(1) IMERG系列产品的统计指标整体表现较好,IMERG_Final虽改善了IMERG_Late在部分地区对降水的低估,但扩大了高估降水的范围,且校正算法对整体精度(CC、RMSE)的提高并不明显;GSMaP系列产品均高估了地面降水,GSMaP_Gauge的评估结果较纯卫星产品GSMaP_MVK均有较大提高。(2) IMERG系列产品对降水事件的探测能力较好,GSMaP_Gauge对降水有着高命中率(POD)的同时,误报率(FAR)最高。各产品在强降水区域均表现出较高的命中率和较低的误报率,表明卫星产品对强降水的探测能力较优。(3) IMERG和GSMaP的误差成分主要来源于误报误差,且具有极为明显的季节性差异,卫星降水产品对暖季降水探测精度更高。总体上,IMERG和GSMaP在湿润区的反演精度优于其他区域,站点校正数据优于纯卫星数据,能较为准确地反映中国大陆的降水特征。     

TRMM卫星降水产品和SPDI在河南省干旱监测中的适用性

本文选取河南省15个具有代表性的气象站点,根据其1998—2019年的逐月气象观测资料和TRMM 3B43V7逐月卫星降水数据,运用多种统计指标评估TRMM 3B43V7卫星降水产品在河南省的适用性;采用卫星降水数据代替地面降水资料计算标准化帕尔默干旱指数(SPDI),并寻求最优时间尺度;结合历史干旱事件记载,评估SPDI指数在河南省干旱监测中的适用性。结果表明:TRMM3B43V7卫星降水数据与实测地面降水数据相比,精确度很高(Bias=-0.05)、相关性很强(CC>0.88);由TRMM卫星降水数据计算得到的SPDI指数用于评估河南省历史干旱表现良好,且12个月时间尺度的SPDI指数(SPDI12)适用性最好。鉴于以上结论,可以考虑基于TRMM卫星降水产品和SPDI12指数构建河南省的干旱监测业务化系统。     

TRMM数据在贵州乌江流域的适用性分析

以年、季、月尺度对1998年～2017年研究区域5个气象站点和TRMM(热带降雨测量任务)卫星的降水数据准确性进行验证的结果表明,在年度尺度上,TRMM降水数据与实测降水量的相关系数R=0. 83,略高于实际测量的降水量;季节尺度TRMM季降水数据与实测降水的相关系数均在0. 80以上,其中R在春季最高,冬季最低;月尺度TRMM降水数据与实测降水的相关系数最高,达到0. 93,斜率为0. 97,TRMM降水量略高于同一站点实测降水量。总体看,TRMM数据在贵州乌江流域具有良好的适用性。     

TMPA 卫星降水数据的评估与校正

卫星遥感降水由于时空分辨率的优势在现代水文模拟中正起着越来越大的作用。本研究对黄河源区的两套卫星降水产品(TMPA准实时3B42RT和研究数据3B42V6)进行了详细评估,结果表明,3B42RT与3B42V6相比会明显高估地面降水,而两者对降水事件的反演能力基本一致。通过引入"降水重心"的概念,两套卫星降水产品均可以基本反映降水的空间分布及长期演变过程。在两者尤其是3B42RT数据的校正中,首先将卫星数据与地面站点月降水对比,再等比例降尺度回日降水,然后尝试逐步订正和最优插值两种残差处理方法,从而使降水量和降水分布的精度进一步提高。最后用校正后的卫星降水驱动分布式水文模型,利用输出径流间接验证校正的效果。     

卫星与地面观测融合降雨产品精度与径流模拟评估

虽然近年来卫星反演降雨产品逐渐成熟,但精度仍较差,不能满足现代水文气象业务和科研的需求,因此需要地面观测资料对其进行订正。文中采用的卫星与地面站融合数据是基于中国3万多个自动站降雨观测数据和CMORPH卫星反演降雨资料,采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成的中国区域高时空分辨率(0.1°/1h)的降雨量融合产品。通过在汉江丹江口水库以上流域建立分布式水文模型,对2008～2012年的融合降雨数据进行水文模拟适用性分析。结果表明:在日尺度上,CMORPH卫星降雨与地面站点融合数据具有较好的相关性,但存在一定的系统偏差;该降雨产品能较好地捕捉到强度小于25 mm的中小降雨,其模拟的径流与流域下部高峰流量的观测结果有较好的一致性,但总水量比实测值低15.7%,NSE达0.723。研究成果为基于高时空分辨率的卫星雨量计融合降雨产品在分布式水文模型的水文适用性提供了新的见解和经验,并为该数据在流域洪水模拟的水文预报应用提供参考与借鉴。     

Improvement of Multi-Satellite Real-Time Precipitation Products for Ensemble Streamflow Simulation in a Middle Latitude Basin in South China

The real-time availability of several satellite-based precipitation products has recently provided hydrologists with an unprecedented opportunity to improve current hydrologic prediction capability for vast river basins, particularly for ungauged regions. However, the accuracy of real-time satellite precipitation data remains uncertain. This study aims to use three widely used real-time satellite precipitation products, namely, TRMM Multi satellite Precipitation Analysis real-time precipitation product 3B42 (TMPA 3B42RT), Precipitation Estimation from Remote Sensing Information using Artificial Neural Network (PERSIAN), and NOAA/Climate Precipitation Center Morphing Technique (CMORPH), for ensemble stream flow simulation with the gridded xinanjiang (XAJ) model and shuffled complex evolution metropolis (SCEM-UA) algorithm in the middle-latitude Mishui basin in South China. To account the bias of the satellite precipitation data and consider the input uncertainty, two different methods, i.e. a precipitation error multiplier and a precipitation error model were introduced. For each precipitation input model, the posterior probability distribution of the parameters and their associated uncertainty were calibrated using the SCEM-UA algorithm, and 15,000 ensemble stream flow simulations were conducted. The simulations of the satellite precipitation data were then optimally merged using the Bayseian model averaging (BMA) method. The result shows that in Mishui basin, the three sets of real-time satellite precipitation data largely underestimated rainfall. Streamflow simulation performed poorly when the raw satellite precipitation data were taken as input and the model parameters were calibrated with gauged data. By implementing the precipitation error multiplier and the precipitation error model and then recalibrating the model, the behavior of the simulated stream flow and calculated uncertainty boundary were significantly improved. Furthermore, the BMA combination of the simulations from the three datasets resulted in a significantly better prediction with a remarkably reliable uncertainty boundary and was comparable with the simulation using the post-real-time bias-corrected research quality TMPA 3B42V7. The proposed methodology of bias adjustment, uncertainty analysis, and BMA combination collectively facilitates the application of the current three real-time satellite data to hydrological prediction and water resource management over many under-gauged basins. This research is also an investigation on the hydrological utility of multi-satellite precipitation data ensembles, which can potentially integrate additional more satellite products when the Global Precipitation Measuring mission with 9-satellite constellation is anticipated in 2014.     

基于Triple-collocation方法的多源降水产品评估

多源降水产品在过去十几年来得到了广泛的应用,然而在数据缺失区其可靠性检验的难度较大。采用Triple-Collocation(TC)方法可以在未知真值的情况下,对三组相互独立的产品进行交叉评估。基于TC方法,综合评估了卫星遥感产品、再分析产品与地面实测数据集在中国区域的不确定性。研究所选空间分辨率为0.25°,时间分辨率为日尺度,数据选用时段为2013—2015年。首先,在中国南方对TC方法进行可靠性验证。通过与传统方法所得结果(相关性系数CC与均方根误差RMSE)对比,相对偏差仅为4.5%与3.0%,而后将方法应用于整个中国大陆区域(除台湾地区),并重点关注青藏高原数据缺失区。结果显示:在卫星产品中,IMERG整体表现最优;在青藏高原无台站网格点上,IMERG与ERA-interim所得平均CC分别为0.63与0.61,略优于地面实测数据集(0.58),这表明卫星遥感产品与再分析产品在青藏高原区域具有一定的优势和应用潜力;实测数据在台站稀疏区域的高不确定性也得到了进一步验证。研究成果证明了TC方法在中国大陆区域的适用性和可靠性,为数据缺失区的降水产品评估提供新的思路和方法。     

TRMM卫星降雨数据在湖南省的精度和可靠性评定

卫星降雨数据的高时空分辨率使其在洪涝灾害监测、流域水文模型模拟等方面得以广泛应用,而对卫星降雨数据的精度评定和可靠性分析仍然是当前重要的研究课题。采用中低纬度旱涝灾害频发的湖南省23个国家基准气象站的降雨数据作为地面验证数据,对最新一代TRMM卫星降雨产品(3B42V7)的精度和误差特征进行了全面评估。从日、月、年和季节的不同时间尺度以及空间分布和高程等不同的空间要素方面对比分析了1999-2012年该卫星降雨产品在湖南地区的适应情况。研究表明:TRMM卫星反演降雨数据在日尺度上与地面气象站数据的匹配情况较差,相关系数仅为0.31;而在月尺度上有显著提高,相关系数为0.88。在干旱季节(11、12、1、2月)的表现要优于湿润季节(5、6、7、8月)。3B42卫星反演降雨数据存在比较明显的空间变异性,空间要素如高程、位置分布等对卫星降雨数据可靠性的影响强于降雨量的影响。     

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TMPA 3B43V7、GPM IMERG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。     

降水入渗补给系数与地层的相关分析与应用

降水入渗补给系数与地层相关分析的目的，是为推求山丘区降水入渗补给量.鲁中山丘区是由各种不同地层出露组成的山丘区域.在多个水文流域基流分割基础上，建立流域年均降水入渗补给系数与各种地层出露面积占流域总面积权重间的最佳回归方程，利用该回归方程和地层分布及降水量推算不同地下水流域的降水入渗补给量.在地下水开发利用不高的山丘区，降水入渗补给量即为地下水补给量     

流域年均径流量与流域面积、降水量的二元指数关系模拟

勐波罗河为怒江流域云南境内第一大一级支流,降水、径流分布复杂。通过对勐波罗河流域内7个水文站的实测径流还原、插补延长分析后得到年径流量系列,分析其统计参数,建立多年平均径流量与各站流域面积、流域多年平均降水量的一元一次关系、一元指数关系、二元指数关系,进行总体和分区的模拟分析对比。不同关系的总体拟合误差范围为±19.6%~±11.5%,分区后进行二元指数关系模拟误差范围为±2.8%,较好地反映了径流与流域面积和降水的密切关系,符合勐波罗河流域水文特性。该方法具有可操作性,可广泛在高原山地区推广。