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。     

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。     

华北地区暖季小时降水量的对比与分析

以中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)为对照，对比分析了中国逐小时融合降水产品CHMPA与CMORPH卫星反演降水产品对华北地区暖季(6～9月)小时降水量时空分布特征的再现能力，进一步研究了华北地区暖季小时降水及日变化特征。研究发现，在2008～2018年间CHMPA和CMORPH的降水时空分布情况与观测情况基本一致，CHMPA对降水的估计整体较观测值偏小，CMORPH较观测值偏大，CHMPA资料空间分辨率高，与实际观测数据差异较小，更有利于强对流天气的诊断分析。华北地区暖季小时降水整体呈现东南多、西北少的特征，常规降水多出现于高原地区，短时强降水多出现于高原和平原之间的丘陵地带及平原地区。华北地区暖季降水存在明显的日变化特征，降水大值中心在午后出现于山区附近，随后逐渐向东南移动，并于夜间在华北平原西部造成大面积降水，次日清晨降水中心到达平原中部，随后降水逐渐减弱。华北地区暖季降水量和降水频次的峰值在高原地区多出现于正午至午后，在平原地区多出现于午夜至凌晨。研究成果可为华北地区的降水预报提供参考。     

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。     

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。     

近50年来京津唐地区降水时空演变特征分析

研究京津唐地区降水量的时空分布对于认清该地区水资源的数量变化趋势、合理配置水资源及降低旱涝灾害均具有重要意义。基于京津唐地区6个国家级气象站点50年逐日降水资料,利用滑动均值法、M-K检验法及空间插值法等,分析了京津唐地区降水的空间分布、变化特征及近50年的降水变化趋势。结果表明,该地区降水在时空上分布不均匀,整体上西南降水少,东北降水多,年内降水主要集中在6~9月,50年来降水量整体呈减少趋势,但自2005年以来,年降水量出现回升迹象。     

沱江流域汛期极端降水事件时空演变特征

为分析沱江流域汛期极端降水事件的时空演变特征,基于沱江流域内20个气象站点1960～2016年汛期逐日降水数据,建立汛期总降水量PTOT、极强降水量R99p、强降水量R95p、暴雨日数R50、大雨日数R20、连续5d最大降水量RX5d、1d最大降水量RX1d这7项极端降水序列,并对极端降水序列做趋势分析、突变点检验、周期分析和空间分布分析。结果表明,沱江流域近57年来极端降水事件呈衰减趋势,但极端降水量的减少趋势明显,极端降水日数减少趋势不明显。极端降水指数PTOT、R99p、R95p、R50、R20、RX5d、RX1d在1960～1963年呈增加波动变化,1964～2016年表现为减少波动变化,突变点集中在1960、2010年代。PTOT、R95p、R99p、RX5d、RX1d的第一主周期为20年,年代际震荡稳定;R50、R20年际震荡更稳定。沱江流域极端降水指数中心57年来主要在简阳、资阳、仁寿三个站点间呈条带状分布。总之,沱江流域汛期极端降水集中分布于流域中上游,时间上呈衰减变化。研究成果可为提高流域对洪水、泥石流等自然灾害的预警能力,为防洪减灾等相关工作提供依据。     

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。     

澜沧江流域近51年来极端降水事件的变化趋势和突变特征

基于澜沧江流域1960～2010年31个气象站点的逐日降水资料,采用百分比阈值法定义了不同站点极端降水事件的阈值,应用Mann-Kendall检验方法分析了极端降水事件的降水量、降水频率、降水强度和严重干旱频率等的时空变化特征。结果表明,澜沧江流域极端降水阈值的空间分布呈西北至东南逐渐增大的分布趋势;极端降水事件整体上呈显著上升趋势,且在空间上存在差异,各指标均呈西北向东南逐渐增加的趋势,尤其是德钦站以南的澜沧江中下游地区为干湿事件发生较频繁的区域;极端降水事件在气候的长期变化过程中还存在突变现象。     

1972～2017年河北省夏季降水的时空变化特征

利用河北省1972～2017年(不含2014年)135个地面观测站的逐日降水资料,对河北省夏季(6～8月)降水过程的时空变化特征进行诊断分析。结果表明,近45年河北省夏季年均降水量、降水强度和降水极值均呈现出从东南沿海向西北内陆逐渐递减的分布形势,降水频率的分布则与其相反。降水的年均降水量在河北省北部呈下降趋势,南部呈上升趋势,年均降水量的减少主要是降水频率的减少造成的。暴雨的空间分布与地形分布关系密切,年均降水量与降水强度增强的区域均位于张家口、承德北部、太行山西侧的高原区和秦皇岛东部的沿海地区,其他地区二者均呈下降趋势。各类2、3、4、5d及其以上降水过程的频数均具有年际和年代际变化特征,且以下降趋势为主,持续2、3d降水过程频数的空间分布较为均匀,而持续4d及其以上降水过程频数的年际变化明显。     

长江流域年降水集中程度分析

针对降水量的时空分布影响旱涝灾害的防治和水资源的合理利用问题,基于长江流域80个气象站1956～2005年的逐日降水资料,以15 d为时段长度,运用年降水集中度和集中期并结合变差系数和趋势系数,分析了长江流域降水集中程度及其不同时期内的变化趋势.结果表明,50 a来降水量分布呈逐渐均匀的趋势,但1990年以来,降水较为集中,各区段降水叠加的可能性增大,为旱涝灾害的防治提供了参考依据.     

澜沧江—湄公河流域气象干旱时空分布特征分析

以澜沧江—湄公河流域为例,基于38个气象站1977～2010年降水资料,采用标准化降水指数(SPI)、干旱频率、干旱覆盖范围及干旱重心分析了流域气象干旱时空分布特征。结果表明,干旱强度与覆盖范围随时空分布呈规律性变化,年际变化较大,雨季变化趋势不明显,旱季呈显著下降趋势。该方法计算简单易行、资料易获取、稳定,可用于不同时空的干旱监测与评估。     

海河流域极端降水时空变化规律及其与大气环流的关系

为了解海河流域极端降水时空变化规律,基于海河流域40个气象站1960～2016年逐日降水资料,采用线性回归、M-K趋势检验法、Pearson相关性分析法,分析了海河流域近57年来10个极端降水指数的时空变化及其与大气环流的相关性。结果表明,除了持续干期(CDD)和持续湿期(CWD)外,大多数极端降水指数多年平均值在空间上呈自东南向西北减少的分布规律,CDD呈现自北向南减少的规律,CWD呈现自东南向西北增加的规律;在时间变化上,所有极端降水指数均呈下降趋势,只有最大一日降水量(RX1day)的下降趋势显著;在空间变化上,除中雨日数(R10mm)和降水强度(SDII)呈上升趋势的站点与呈下降趋势的站点个数相同外,多数站点各极端降水指数呈下降趋势;除CDD与其他极端降水指数相关性较弱外,各极端降水指数的变化具有较好的一致性;除CWD外,极端降水指数与厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)现象关系密切,而AO(北极涛动)和NAO(北大西洋涛动)是CWD变化的重要因素。研究成果对于海河流域水灾害防治及水资源配置有重要意义。     

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。     

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。     

广西极端连续降水变化趋势及周期性研究

为分析广西极端连续降水时空变化特征,选取1958~2015年广西23个气象站点逐日降水资料,综合运用改进的百分位法、Mann-Kendall检验法及复Morlet小波分析法,分析广西1~5d极端连续降水的降水量和降水频次。结果表明,近58年广西极端连续降水量存在桂东北、桂南两个高值区和桂西北、桂东两个低值区;随着持续天数的增加,极端连续降水频次的高值中心由桂东北逐渐向中部蒙山地区移动,且低值区与高值区的差值逐渐缩小,说明极端连续降水的区域持续性随着持续天数的增加而增强;极端连续降水总体呈增加趋势,且随着持续天数的增加有两极分化的极端化趋势;1~5d极端连续降水26~28年周期最为显著,并嵌套几个长度不等的小周期,其中4~6、11~12、16~18年周期震荡较为强烈,目前广西正处于各天数极端连续降水的增加时期。     

基于SPI/SPEI的锡林郭勒盟干旱变化特征

近年来,干旱现象频发,对锡林郭勒盟生态系统、畜牧业发展造成严重影响,对区域经济发展产生巨大威胁。利用1980～2018年研究区内15个气象站点的逐月累积降水量和月平均温度,采用标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散发指数(SPEI)分析锡林郭勒盟干旱时空特征,对比了SPI、SPEI在干旱监测中存在的差异。结果表明,1980～2018年锡林郭勒盟持续性干旱事件频发,随着年代的变化连续性干旱事件的发生频次、持续时间均呈增加趋势;研究区干旱频次在空间分布上始终处于动态变化中,中东部和西部地区的干旱发生频次较高,干旱频发区逐渐向西部转移,从东向西干旱发生频次逐渐增加;随着温度上升,SPI对干旱的监测能力开始下降,特别对重旱、特旱的监测能力明显不足,而SPEI对异常干旱的监测能力较强,不易受到降水因素的影响,对研究区干旱的监测、评估更具有优势。     

广西近50年降水结构时空变化特征分析

为研究广西地区汛期降水结构的时空变化特征及趋势,基于1962~2012年广西83个国家级地面气象站逐小时降水观测资料,采用Mann-Kendall分析法、ArcGIS的空间分析技术研究了广西年降水量及不同历时降水的发生率和贡献率的趋势变化及空间分布规律。结果表明,近50年来,除桂北、桂中、桂西北气候区外,其他气候区的年降水量序列均呈上升趋势,降水峰值主要分布在桂南和沿海气候区;降水发生率和降水历时大致呈逆相关,贡献率随降水历时变化趋势则不明显;大部分地区短历时降水发生率、贡献率均呈下降趋势,10h以上降水事件的发生率、贡献率均呈上升趋势。