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。     

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。     

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。     

IMERG降水卫星在贵州省三岔河流域降水预报误差评估中的应用

以贵州省三岔河流域为研究区域，利用2018年1月1日～2020年12月31日期间的76个气象站观测数据评估全球降水观测计划多卫星降水产品IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)的雨量站订正产品IMERG Final Run (IMERG＿FR)和准实时产品IMERG Early Run (IMERG＿ER)在岩溶地貌的小流域的降水观测准确度，通过设定不同的降水阈值评估IMERG两种降水产品IMERG＿FR和IMERG＿ER对不同降水量区间的探测能力，评估指标包括相关系数(C_CC)、相对偏差(R_RB)、均方根误差(R_RMSE)、探测率(P_POD)、临界成功指数(C_CSI)和误报率(F_FAR)。结果表明，在整体上，IMERG＿FR和IMERG＿ER在该小型流域有一定降水探测能力，对降水强度的估算精度还存在提升空间。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

TRMM卫星反演降水在江苏典型平原区的评估与订正

卫星反演降水由于具有较高的时空分辨率,在大气、水文、生态等研究中起到越来越重要的作用,评估和订正卫星反演降水也成为研究热点之一。以江苏省为研究区域,以雨量站观测降水数据为基础,分析TRMM 3B42卫星降水产品在典型平原区的误差特性,并基于月水量平衡和逐步订正的基本原理订正其系统误差和随机误差。结果表明,原始的TRMM卫星降水数据和地面测站数据相关性较好,但在量值上存在明显误差。订正之后的TRMM卫星降水绝对误差和相对误差在量值和空间分布上均改善明显,均方根误差显著减小,确定性系数也有所提高。可见,经过误差订正后的降水数据综合考虑了TRMM卫星空间分布的合理性和站点观测的精确性,提高了卫星反演降水的精度。研究成果为TRMM卫星降水数据在其他地区的应用提供了参考。     

TRMM卫星反演降水在江苏典型平原区的评估与订正

卫星反演降水由于具有较高的时空分辨率,在大气、水文、生态等研究中起到越来越重要的作用,评估和订正卫星反演降水也成为研究热点之一。以江苏省为研究区域,以雨量站观测降水数据为基础,分析TRMM 3B42卫星降水产品在典型平原区的误差特性,并基于月水量平衡和逐步订正的基本原理订正其系统误差和随机误差。结果表明,原始的TRMM卫星降水数据和地面测站数据相关性较好,但在量值上存在明显误差。订正之后的TRMM卫星降水绝对误差和相对误差在量值和空间分布上均改善明显,均方根误差显著减小,确定性系数也有所提高。经过误差订正后的降水数据综合考虑了TRMM卫星空间分布的合理性和站点观测的精确性,提高了卫星反演降水的精度。研究成果为TRMM卫星降水数据在其他地区的应用提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于GsMAP的尼洋河流域降水时空分布特征研究

鉴于尼洋河地区实测降雨资料缺乏,卫星降雨产品具有显著优势,基于GsMAP降雨产品数据和地面观测站点数据,利用降雨量年内分配特征的δ方法建立卫星降雨校正公式,分析流域降雨量的时空分布特征。结果表明,实测站点月降雨量校正结果较好,相关系数达0.954,年尺度的站点降雨相关系数为0.54,降雨量空间分布呈现出自西向东递增的特点。卫星降雨观测在西部地区存在低估,东部地区有一定程度的高估,在降雨梯度分布上,流域在3500~4000m高程段降雨量呈上升趋势,其他高程段均为显著下降,整体变化率为-104mm/km。流域的年均面平均降雨量为699mm,降雨多集中于夏季,且有逐年增加趋势。