基于GRACE重力卫星云南陆地水储量变化的降尺度分析

利用GRACE重力卫星数据反演得到陆地水储量变化,可监测大尺度区域水储量变化,但该数据空间分辨率低,在中小尺度上很难应用。基于GRACE陆地水储量变化和其他水文要素的关系,提出一种基于GRACE陆地水储量变化的统计降尺度方法,即将GRACE反演得到的空间分辨率为1°的水储量变化数据降尺度到0.25°,并运用地下水及土壤含水量的变化总量来验证降尺度之后数据的可靠性。结果表明,该统计降尺度方法成功应用于云南中部地区,降尺度后的水储量变化和实测的水储量变化的时间序列在三个验证监测点的相关系数均超过0.82,而相对误差低于5.5%,并利用降尺度的结果分析了2009年7月~2010年6月西南大干旱期间水储量及干旱的时空变化特征,发现统计降尺度方法可有效提高GRACE数据的空间分辨率,但也具有一定的不确定性。     

基于同化数据的GRACE卫星反演中国陆地水储量变化降尺度分析

利用GRACE重力卫星反演得到陆地水储量变化受数据低空间分辨率的限制,目前仅应用于大尺度的空间范围内,为此提出一种简易的降尺度方法将GRACE陆地水储量变化精度提高了16倍。借助全球水文模型模拟的陆地水储量变化数据,在中国九大流域上进行分区对比分析,发现高分辨率数据基本保持了原始数据的时空变化趋势,同时又增加了水文模型模拟的水储量变化信息。此外,利用全国455个地下水位监测站的水位数据,验证了降尺度后的陆地水储量变化数据,可知高分辨率陆地水储量变化数据与实测地下水变化值的相关系数最高达0.847,普遍高于低分辨率GRACE陆地水储量变化值与实测地下水变化值的相关系数,证明降尺度后的数据更加准确有效。进而基于降尺度数据,利用EOF方法分析了2005年1月~2012年12月中国各地陆地水储量变化的时空变化特征,即在总体趋势上,长江流域及以南地区春夏两季的陆地水储量有明显增加,华北地区的地下水超采及南方流域的极端气候事件为影响该区域陆地水储量异常的重要因素。     

重力卫星监测的中国陆地水资源储量时空变化特征

陆地水资源储量变化对研究我国水文循环规律变化具有重要意义。利用重力卫星(GRACE)观测数据研究了我国陆地总水量时空变化特征,分析了六大江河流域水资源总量变化趋势,并与全球陆面数据同化系统(GLDAS)模拟结果进行对比。结果表明,珠江、长江、淮河流域陆地水储量均存在增加趋势,黄河、海河、松辽河流域总水量均呈递减趋势,验证了GRACE可有效监测陆地总水量的季节性及空间变化规律,对研究气候变化条件下区域及全球水文循环规律具有重要价值。     

基于GRACE卫星时变重力场的淮河流域地下水储量变化规律研究

鉴于淮河流域地下水储量变化规律研究对区域生态坏境和经济社会建设等具有重要意义,以淮河流域2002~2009年逐月GRACE时变重力场模型GRC_CSR_RL04数据为例,通过1 000km高斯平滑滤波反演,获得淮河流域陆地水储量的时空变化。同时采用同期GLDAS模型中土壤水和90眼地下水观测井实测地下水埋深数据推算淮河流域地下水储量的时空变化,并用另外31眼观测井数据对结果进行检验。研究反演了淮河流域2003~2009年地下水储量的变化过程,结果表明淮河流域水资源量多年平均增幅为0.13cm/a;地下水储量以约0.28cm/a趋势递增,全流域地下水年增长量约为0.756km3/a。     

基于GRACE RL06的云贵高原水储量变化反演及分析

云贵高原河流湖泊众多、季节性水文活动剧烈,监测其水储量长期变化具有重要意义。联合利用GRACE RL06数据及GLDAS进行云贵高原陆地、地表和地下水储量变化反演,针对GRACE信号泄露、C20项误差和区域水储量加权策略进行了对比研究,并利用相关性分析、趋势分析和L-S时频分析对2003年1月至2010年12月云贵高原水储量变化时序进行了特征分析。结果表明,GRACE与GLDAS反演水储量时序之间相关系数达0.94,且两者变化趋势一致;水储量变化年周期显著,并存在0.5、2、3年周期;2003～2010年底地下水储量变化以2007年6月为节点,呈先减后增趋势,分别为-4.4、0.7mm/a,且总体呈增加趋势,为5.4mm/a,有效揭示了2003～2006年夏季干旱及2010年初严重干旱的旱情发展过程。     

基于地理加权回归的吉林省微波土壤水分降尺度研究

微波遥感是土壤水分监测的重要手段,但微波遥感土壤水分产品的空间分辨率较低,难以满足区域尺度的应用需求。使用地理加权回归模型,以1 km MODIS产品的遥感地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)作为辅助数据,将空间分辨率为9 km的SMAP被动微波土壤水分数据降尺度为1 km,利用吉林省地面实测土壤水分数据,对降尺度后的SMAP数据进行了精度验证。结果表明,该降尺度方法在吉林省适用性较好,降尺度结果与SMAP数据在空间分布上保持了较高的一致性,小幅度提高了SMAP数据的精度,显著提高了SMAP数据的空间细节和纹理特征。     

GLDAS Noah模型水文产品与中国地面观测及卫星观测数据的对比

全球陆面数据同化系统(GLDAS)是全球水循环研究的重要数据源,基于重力卫星(GRACE)观测数据、中国的地面降水与径流观测数据,从模拟数据与观测数据之间的偏差、相关性及时空分布一致性角度,对GLDAS两个版本(GLDAS-1及GLDAS-2)的Noah模型模拟水文产品进行了评估。结果表明,GLDAS与GRACE TWS陆地水蓄量(TWS)变化情况在中国大部分地区一致性较差,且GLDAS-1与GLDAS-2均不能充分反映GRACE TWS数据的季节性变化规律;GLDAS-1与GLDAS-2模拟的中国外流区的径流明显低于观测径流,同时长江流域与松花江流域GLDAS-2模拟径流的精度远比GLDAS-1模拟径流的精度高;GLDAS-1与GLDAS-2在中国的外流流域的蒸散发均呈高估现象,且GLDAS-1的高估程度大于GLDAS-2。     

多种蒸散发产品在黄河流域的评估和融合

为探究GLEAM、GLDAS、ERA5三种蒸散发产品在黄河流域的适用性,利用基于水量平衡计算的流域蒸散发(EETWB)和三重组合(TC)方法,分别评价了流域尺度和栅格尺度上的精度,并基于TC方法的评估结果对产品进行空间融合.结果表明,在流域上3种产品与ETWB数值差异程度(RMSE)相差不大,ERA5的相关系数r最大(...     

顾及土地利用类型的大坡岭流域水文响应模拟研究

鉴于开展变化环境下流域的水文响应研究是实现流域良好管理的前提,以淮河源头大坡岭流域为例,通过构建SWAT模型,模拟并分析了流域不同土地利用类型的土壤水分值和地下水补给量,研究了在多种极端土地利用情景下流域径流的变化情况,并使用经过统计降尺度后的未来气象数据,结合未来土地利用预测数据,预估径流的变化情况.结果表明,SWA...     

基于星地多源数据与GA-DNN模型的江苏省GPM产品降尺度研究

针对GPM降水产品低空间分辨率的缺陷,基于多源环境数据提取了表征区域地形、水汽、地表覆被、海陆位置等20个辅助变量,采用遗传算法(GA)提取最相关变量做为降尺度因子,运用深层神经网络(DNN)算法建立2019年江苏省GPM逐月产品的降尺度模型,并利用地面站点数据进行验证。结果表明,GA算法能很好地排除冗余信息、约简降尺度模型;基于地面资料的独立验证表明降尺度后数据的决定系数R~2介于0.43～0.93之间,相对误差M_(RE)在7.47%～23.77%之间,平均绝对误差M_(AE)、均方根误差R_(MSE)分别为2.18～26.84、3.23～29.54mm;与GPM原始产品相比,降尺度后的平均R~2增加了0.05,M_(AE)、R_(MSE)分别减小了1.44、2.04mm,M_(RE)降低了2.97%。提出的GA-DNN降尺度模型可为粗级降水产品的精细化提供技术参考。     

拒马河流域水循环过程的多时空尺度特征

为明晰崇陵小流域和拒马河流域水循环过程的多时空尺度特征,分别构建崇陵小流域和拒马河流域WEP-L分布式水文模型,模拟流域水循环过程,在模型验证效果较好的基础上,利用模型计算结果分析水循环要素时空尺度变化特征。结果表明,年、季、月尺度降水、蒸散发、入渗、径流深的变差系数、极值比、偏差系数空间变化,均呈现崇陵小流域最大,而三个大尺度的相互关系呈现出随流域空间尺度增大而增大的变化趋势。水循环要素特征值崇陵小流域相对三个大尺度反映出空间尺度效应,小流域相对大尺度变化更为剧烈,三个大尺度间的空间尺度关系呈现出随流域面积增大特征值变大的现象。研究结果有助于全面细致地理解水循环过程,可为山区水资源高效利用提供理论依据。     

XGBoost算法在四川省GPM降水数据降尺度中的应用

针对GPM降水产品低空间分辨率的缺陷,结合四川省156个站点观测资料及地形、海陆位置、水汽、地表覆盖等环境变量,运用XGBoost和随机森林(RF)算法建立降尺度模型,将区域GPM产品从0.1°空间分辨率提升至1km。结果表明,融合多源环境因子的XGBoost和RF降尺度模型具有可靠性,与原GPM数据相比在提高空间分辨率的同时,数据精度决定系数R~2增加了6.98%～8.14%,平均相对误差M_(AE)、均方根误差R_(MSE)分别减小了15.34%～30.17%、8.97%～17.27%;XGBoost比RF模型的R~2提升0.01,M_(AE)、R_(MSE)分别减小3.47、6.53mm;四川省GPM产品经降尺度后的空间误差与降水量分布一致,降水丰富地区的模型不确定性更强,模型误差主要受水汽、地表覆被因子影响,海陆位置和地形的影响较小。     

基于ASTER GDEM和Google Earth的小流域划分方法

针对空间分辨率较低的ASTER GDEM在进行小流域划分时易出现较大误差的问题,提出了基于ASTER GDEM和Google Earth相结合的小流域划分方法,利用Google Earth中分辨率较高的卫星遥感影像对ASTER GDEM划分结果进行修正,从而得到较准确的流域划分结果。实际应用结果表明,该方法所得结果与实际较为相符,可应用于小流域设计洪水计算。     

基于主成分分析与逐步回归法的降尺度预报模型及应用

全球气候模式(GCM)的空间分辨率较低,缺少趋于气候信息,很难精确预测区域尺度的气候变化,而统计降尺度法简单,可弥补此缺陷。结合NCEP数据和国家气象观测站的站点数据构建月平均降水量的统计降尺度模型,选取HadCM3、ECHAM5和CSIRO-Mk3.0模型的SRA2气候排放情景,并采用主成分分析及多元线性回归相结合的方法预测了淮河流域蚌埠上游地区未来30年的降水变化趋势。结果显示,检验期逐月降水量拟合结果较好,未来30年年平均降水量与基准年相比有上升的趋势。     

Thornthwaite经验公式在降雨径流模拟中的适用性研究

利用增加时间步长离散化处理后的Thornthwaite经验公式在新安江-海河模型结构上增加流域蒸散发能力计算模块,代替原模型中实测蒸发数据的输入;并对气象数据进行插值处理,将蒸发输入由集总式变为分布式。以子牙河平原区献县流域为例,分别利用改进前后的新安江-海河模型进行日径流模拟。结果表明,基于温度的Thornthwaite经验公式能够代替实测蒸发数据有效地进行日径流模拟,减少了对实测资料的依赖,为半湿润半干旱流域适合于降雨径流模拟的蒸散发计算提供了一种简便的计算方法。     

区域气候模式RegCM3在海河流域的应用

利用区域气候模式RegCM3,模拟和对比分析了不同分辨率、不同积云对流参数化方案下海河流域1998年夏季气象要素场.结果表明采用20 km水平分辨率模拟的降水分布精度比50 km显著提高;Anthes-Kuo方案较Grell_FC80方案更好.20 km水平分辨率的Anthes-Kuo方案模拟的雨区分布、降雨强度和雨带走向与实况拟舍较好;该组合方案下的温度场、站点插值结果分析表明,RegCM3对温度随地形的空间分布及其变化趋势刻画较好,该参数组合方案可为海河流域气候变化模拟提供参考.     

基于SDSM-SWAT模型的汉江上游径流变化模拟

为分析汉江上游流域径流对气候变化的水文响应过程,耦合了SWAT水文模型和SDSM降尺度模型,选用石泉和黄家港水文站1990～2005年历史月径流资料,对水文模型进行率定和验证,并将2011～2100年CanESM2模式下低等排放情景(RCP2.6)和高等排放情景(RCP8.5)两种情景输出因子降尺度到汉江上游流域各站点,生成未来气候情景数据,模拟流域未来气候变化下的径流响应过程。结果表明,SWAT模型在该流域径流模拟中具有很好的适用性;未来流域径流会呈现增加态势,RCP8.5情景较RCP2.6情景变化剧烈,且未来各月径流相对基准期变化更加剧烈,这为流域水资源管理与保护提供了参考与支持。     

基于SMAR模型的森林小流域根区土壤湿度模拟

根区土壤水分(RZSM)对水文模拟和农业管理等具有重要作用,但直接测量RZSM难度很大。SMAR模型可模拟RZSM的变化,但目前在复杂地形地区的应用还较少。使用美国Shale Hills流域32个站点土壤水分剖面三年期间(2011～2014年)的日实测数据,探究基于物理机制的SMAR模型对RZSM模拟的准确性,评价该方法不同时空条件下的模拟性能。研究结果表明,SMAR模型能够准确利用表层土壤水分(SSM)数据估计RZSM;模拟结果与实测数据相比,平均R_RMSE为0.034,说明能够很好地模拟出流域尺度根系层土壤湿度空间分布情况。从时间上看,模型在湿冷季节的准确性优于在干暖季节的准确性。研究结果增加了对复杂地形下利用SSM模拟RZSM的理解,为复杂地形条件下根系土壤层湿度的模拟提供了支撑。     

区域复杂地形晴日太阳辐射估算研究

为改进复杂地形区区域地表接收太阳入射辐射的算法,基于数字高程模型、气象数据与遥感数据,分直接辐射、来自天空的散射辐射及来自周围地形的反射辐射3部分对海河流域2001—2019年区域地表接收的晴日太阳辐射日总量进行估算与分析。经验证,模拟的晴日太阳入射辐射日通量与实测数据吻合度较高,相关系数约为0.9,区域不同地形接收的太阳入射辐射空间差异明显,结果在可接受精度范围内,此估算方法可为山区太阳能的合理利用提供科学基础。     

基于温度和空气动力学的海河流域潜在蒸散发量估算方法的适用性

针对潜在蒸散发量估算方法众多但缺乏统一评价的问题,基于海河流域46个国家气象站点1960~2010年日气象数据序列,以Penman-Monteith方法估算量和蒸发皿蒸发量为基准,从估算量与蒸发皿蒸发量的相关性、年均值空间变化特征、年内四季空间变化特征和年际变化趋势四个方面,开展六种基于温度和空气动力学的潜在蒸散发量估算方法及Penman-Monteith法在海河流域的适用性讨论。结果表明,PenmanMonteith方法在整个流域适用性较强;六种基于温度和空气动力学的方法中,Kaharrafa方法和Blaney-Criddle方法在多年均值和年际变化趋势上估算效果较好,但在年内四季分布上却不太好,Penman和Rower方法在多年均值和年内四季分布方面适用性较强,但估算的年际变化趋势与蒸发皿蒸发量不一致。由于各方法考虑的气象因子及各因子对估算量的影响程度不同,基于温度和空气动力学方法仅考虑单一气象要素,只能反映某一方面的变化。