TRMM卫星降水数据在雅鲁藏布江流域的适用性分析

以雅鲁藏布江流域为研究区,利用16个气象站点的实测降水量在月尺度和日尺度上验证了TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)卫星降水数据的精度,并在此基础上基于TRMM月降水数据分析了雅鲁藏布江流域的降水时空分布特征。结果表明:在整体上,TRMM月降水数据与站点实测降水量相关系数R=0.902,斜率K=0.849,数据精度较高,数值上比站点实测降水量略微偏低;就单个站点而言,大部分站点相关系数较高,偏差较小,但波密站相关系数相对较低,江孜站和南木林站数据偏差相对较大。TRMM日降水数据与站点实测降水量相关系数R=0.466,斜率K=0.451,数据精度较低,与站点实测降水量一致性较差。在降水空间分布上,雅鲁藏布江流域整体呈现由西向东逐渐递增的趋势,不同区域间差异极其明显;在降水时间分布上,大部分降水集中在6至9月,12月至第二年2月很少有降水发生。     

GPM卫星降水数据在黑河流域的适用性评价

论文分别从时间和空间两个角度对GPM卫星降水数据在黑河流域适用性进行评价。以TRMM卫星的降水产品和气象观测站点实测的降水数据作为参考,选用相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、相对误差（BIAS）、平均误差（ME）以及标准偏差（SD）多种统计分析指标进行精度评价。结果表明：1）GPM卫星降水数据具有与观测数据较好的一致性以及良好的时间模式;2）GPM卫星降水数据与观测数据之间有着较高的相关系数（R>0.72）以及较低的误差范围 （-0.59%~1.62%）;3）相比TRMM,GPM具有较低的均方根误差（RMSE<28.76）,尤其是对夏季降水,GPM具有相对更高的相关系数（R>0.76）和更小的相对误差（BIAS<1.14）;4）卫星估测降水量的精度与高程具有明显的相关性。总的来说,GPM卫星降水数据在地形复杂的干旱半干旱区域也能够具有较好的精度,能够较为准确地反映干旱半干旱地区的降水分布。     

天山山区TRMM降水数据的空间降尺度研究

山区降水是干旱区水资源的重要补给源,但由于山区地形复杂、监测困难造成资料缺乏,水文预报的误差较大。近年来,TRMM3B43降水数据得到了大量应用,但受其较低空间分辨率的影响,使得应用精度受到限制。论文以2001—2010年TRMM3B43数据为基础,结合提取的7个数字地形因子（经度、纬度、坡度、坡向、海拔、地形开阔度、地形起伏度）,构建了天山山区年、季的降水主成分-逐步回归降尺度模型。分析结果表明：主成分-逐步回归降尺度模型有效地将TRMM3B43数据的空间分辨率由0.25°×0.25°提高到1 km×1 km。通过站点实测降水数据对比验证,决定系数均在0.85以上,降尺度后的数据精度显著优于原始TRMM3B43数据。该方法对研究干旱区空间降水精细化具有一定参考意义。     

长江流域降水中氢氧同位素特征及水汽来源

利用全球降水同位素观测网(GNIP)所提供的数据,研究了位于长江流域的南京、武汉、成都、昆明4个站点大气降水δ~(18)O及其相关要素的时空分布特征。对长江流域4站点大气降水中的δ~(18)O与气温、降水量、在不同时间尺度下的相关关系进行了分析与研究,提出长江流域的大气降水线方程并与全球及我国大气降水线相比较。结果表明,4站点δ~(18)O与δD年平均值波动较小,而多年月平均值波动较大,其中昆明波动最大。季节尺度下,长江流域大气降水中δ~(18)O在干季具有显著的温度效应,在湿季具有降水量效应;年尺度下,长江流域具有降水量效应。与全球大气降水线相比,长江流域大气降水线的斜率与截距都要偏小,尤其是截距偏低很多。利用HYSPLIT模型对南京与昆明站点1991年夏季水汽路径进行聚类分析,其分析结果与大气降水线及氘盈余分析结果一致,即站点存在不同水汽来源。     

SWAT模型降水输入参数的改进研究

水文模型的运行和模拟精度,很大程度上依赖于输入参数的质量。论文通过不同途径获取的降水数据作为SWAT模型的输入参数,比较分析模型模拟精度。研究发现通常SWAT模型在模拟过程中选择的降水站点是固定的,如果某些年份缺失数据则会调用天气发生器,天气发生器基本可以满足SWAT模拟的需要,可以取得比较满意的结果。利用空间插值为缺乏降水观测的子流域提供降水输入参数,一定程度上提高了SWAT的模拟精度。不过在某些降水过程时空变率较大的情况下,空间插值的降水量往往偏低,导致SWAT模型对洪峰的模拟效果不好。     

TRMM多卫星资料在黑河上游降水时空特征研究中的应用

论文利用数字高程模型(DEM),使用多元回归模型对黑河上游2000-2009年TRMM多卫星降水资料的月数据进行了降尺度研究,并用地面气象台站观测数据对降尺度的结果进行了检验,检验结果表明这种降尺度的方法能够在不降低(甚至提高)数据质量的情况下,得到空间精度更高的降水资料。在此基础上,基于降尺度后的月降水数据,对黑河上游2000-2009年降水10 a平均值年总量空间变化,以及年内降水分配、年内降水的空间差异进行了分析。结果表明:①降尺度之后的数据比原始数据能更加表现降水变化的细节和趋势;②坡向对降水的影响表明,在东西方向,东坡的降水要高于西坡,最高可以达到10%,而南北坡的降水差异变化较小;③黑河上游2000-2009年的年平均降水为344 mm,整个上游大多数地区的降水主要分布在250~400 mm之间;④在海拔3 800 m以下,降水随高程的增加而增加,而在3 800 m以上,降水总体平均略有减少,但是降水的最大值出现在这一带;⑤黑河上游的降水具有东南-西北的递减趋势,但递减趋势在不同的月份存在差异;⑥降水量的年内分配极不均匀,冬春季稀少,主要降水集中在6-9月。     

中国区域年降水空间分布高精度曲面建模

论文利用781个采样站点的降水数据(中国大陆729个气象台站1951—2002年间月降水观测数据、台湾地区25个站点1971—2000年年均降水数据、世界"雨极"乞拉朋齐年均降水量以及中国西部增设的26个虚拟站点模拟数据),选取有效的敏感性解析因子经纬度、高程、坡向修正系数与地形开阔度等,建立累年平均降水与相关解析因子之间的多元回归方程(降水总体趋势)。并对于回归拟合后与局部变化有关的"随机指示项",采用HASM算法进一步插值处理。模型充分考虑其他地理环境因子的影响,在采样点稀疏区域使用虚拟站点辅助模拟,克服了传统模拟方法完全依赖观测站点实测资料,在站点稀疏区域等雨量线走向主观性的缺点;模型模拟结果既突出空间分布的总体趋势,也反映局地细节变化。     

输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响

以潮河流域为研究区域,利用潮河流域1990~2013年监测数据,构建SWAT模型,在模型结构和参数不改变的情况下,探究输入数据精度（DEM分辨率）与准确性（降水插值）对径流和总氮模拟结果影响.结果显示：DEM分辨率变化（30~300m）对径流及总氮模拟效果不同,对径流模拟影响不明显,纳什系数（ENS）和R²可达到0.87以上;对总氮模拟结果影响较大,分辨率越精细,模拟效果越好.不同水文年,DEM分辨率变化对总氮负荷模拟表现不同.丰水年对总氮负荷影响较大,负荷量差异较为明显,枯水年影响相对较小;不同DEM分辨率下,年均（1993~2002年）总氮负荷强度空间分布相似,高负荷区均位于潮河中游,潮河上游及下游的负荷强度相对较低.不同降水输入数据站点分布、站网密度和准确性不同,流域内降水空间分布差异显著.总体上,基于站点较少的气象站插值数据与雨量站实测降水数据,径流和总氮模拟效果较为接近;基于SWAT官方雨量站插值数据,径流和总氮模拟效果较差.不同降水数据输入情景下,模拟的总氮负荷强度模拟的空间分布差异明显;降水量分布较高的区域,负荷量也较高;不同水文年下,不同降水输入对总氮负荷模拟表现不同.丰水年和枯水年,基于气象站插值数据的总氮模拟结果与基于雨量站实测数据的模拟结果较为接近,而基于SWAT官方雨量站插值的模拟误差较大;平水年,基于SWAT官方雨量站插值的模拟结果较气象站插值数据的模拟结果更好.该研究可为流域开展模型构建提供科学参考和借鉴.     

基于优化参数的陕西省气温、降水栅格化方法分析

基于统计、地统计基本原理,运用传统插值法、地统计插值法、多元回归法和模拟气象站点法4 大类11 种方法,对陕西省2003-2012 年平均气温、降水量数据进行栅格化。结果表明:① 多元回归法和模拟气象站点法均能大幅提高气温数据的估测准确度,且多元回归法对气温的表示更加精细,其中以“回归+残差IDW(Inverse Distance Weighting)”法精度最高,MAE、RMSE、R²分别为0.498、0.775 和0.954 8;② OK(Ordinary Kriging)法对降水数据的估测准确度最高,MAE、RMSE、R²为46.934、69.251 和0.947 8;③ 气温、降水栅格化方法具有明显的区域性,不存在绝对普适的最优方法,应根据数据类型、地域特征对原始数据进行探索性分析,从而获得区域最适合的栅格化方法;④ 陕西2003-2012 年多年平均气温为10.925 ℃,标准差2.221 ℃,气温随纬度、海拔的增加而降低,具有鲜明的纬度和垂直地带性;平均降水量为664.446 mm,标准差213.226 mm,降水呈现由南向北逐渐递减的趋势,纬度地带性较强。     

空间分辨率与精度协同改进的卫星AOD产品降尺度模型

针对现有卫星气溶胶光学厚度(AOD)产品空间分辨率和精度往往难以满足大气污染精细治理实际需求,提出了一种耦合偏差校正的统计降尺度改进模型(SDBC).该模型基于“空间尺度不变性假设”引入相关驱动因子的额外空间信息实现AOD降尺度,并在此基础上通过偏差校正进一步提升降尺度产品的精度.以1km分辨率MAIAC AOD产品为例,在北京、大湾区、台湾岛3个典型地区开展模型验证.结果表明:(1)DEM、NDVI、人口数量和土地覆盖是影响AOD变化的细节因子,在SDBC空间降尺度过程中引入可将AOD产品的空间分辨率有效提升至500m,且降尺度产品验证R2最高可达0.88;(2)顾及卫星观测几何、质量标识、大气水蒸气柱、气溶胶模式等因子的偏差校正则可进一步提升降尺度AOD产品的精度,3个地区的验证R2均在0.85以上,最高可达0.93;(3)信息熵评估结果显示SDBC模型生成的500m AOD产品提高了原始MAIAC AOD产品的空间信息量.在保留了公里级产品AOD的空间分布格局的基础上,SDBC产品也增强了细节和纹理特征、改善了边界现象和马赛克效应.研究结果证实SDBC模型能有效协同改进现有卫星A...     

不同尺度和数据基础的水文模型适用性评估研究——淮河流域为例

在淮河流域蚌埠站以上区域构建人工神经网络(ANN)、HBV-D 模型和SWIM模型等水文模型,评估不同时间、空间尺度和数据基础下水文模型的适宜性。得出:①时间尺度上三个模型对数据要求不同, ANN模型需要月尺度数据即可建立降水-径流关系且能取得较好的模拟效果,HBV-D 和SWIM模型为日尺度水文模型,需逐日降水、温度和径流量等数据,SWIM模型还需作物管理、营养盐和土壤侵蚀等数据;②空间尺度上,ANN模型适应于大尺度,HBV-D 模型适用于1×10⁴ km²及以上流域,SWIM模型更适合于1×10⁴ km²以下小流域降水-径流关系建立;③模拟效果分析,月尺度统计上ANN模型对水文模拟的整体效果较好,但不适合用于气候变化背景下水文水资源等研究,而有物理基础的HBV-D和SWIM模型虽模拟的纳希效率系数不及ANN模型,但在气候变化背景下仍是较好的工具。     

灰色季节性指数自记忆模型及其在海河区降水模拟与预测中的应用

准确的降水模拟与预测,对防汛、抗旱及区域水资源管理有着重要的指导作用。由于降水序列波动较大,传统的灰色模型所得到的降水模拟值和预测值往往趋于平均值,论文从输入数据和模型结构改进两个方面对传统的灰色模型进行改进——采用季节性指数法对降水数据进行平滑处理,引入自记忆函数,构建灰色季节性指数自记忆模型（SS-GM）,并将其应用于海河区降水过程的模拟和预测。结果表明：①该模型较传统灰色模型而言,模拟效果有很大程度的提高,能够准确模拟年和月尺度的降水过程,各水资源二级区的月尺度Nash-Sutcliffe 系数（NSE）和决定系数（R²）均达到了0.60 以上,大部分区域年降水模拟的NSE和R²均在0.70 以上,且在较大的时空尺度上,模拟效果更佳;②模型具有一定的月降水量的预测能力,在1~2 月预见期内,各分区降水预测值NSE达到0.50 以上,大部分地区NSE值超过0.60;③模型结构简单、计算方便,能很好地反映降水数据序列的变化趋势,且具有较高的模拟及预测精度。     

“衡邵干旱走廊”历史降雨量时空特征及趋势分析

采用"衡邵干旱走廊"28个气象站点建站以来的逐月降水资料,基于泰森多边形法、面积加权法得到该地区年、季、月尺度降雨量,应用Mann-Kendall(M-K)非参数检验、GIS空间分析及Hurst指数等研究了降水的时空特征及趋势,结合降水距平百分率指标(P_a)揭示气候异常特征.结果表明:时间上,"衡邵干旱走廊"年际降水呈弱增加趋势,无突变特征;年内降水集中,春季和夏季多,秋季和冬季较少,除了春季,其余季节降水均有突变;各站点年降雨量变化有增有减,仅武冈显著下降,M-K检验表明,有8个站点存在突变点.年尺度P_a显示,"衡邵干旱走廊"1994、2002年为中涝,2011年为中旱,其余绝大部分为正常年,且各站点雨涝重于旱情;从季、月尺度P_a来看,夏、秋季节干旱特征明显,秋季干旱强度高于夏季,且"伏旱"严重.空间上,"衡邵干旱走廊"降水高值区主要位于四周地势较高地区,低值区主要分布于盆地范围内;北部、东部降水呈增加趋势,中部、西部以减少趋势为主.Hurst指数揭示,"衡邵干旱走廊"降水未来趋势持续性略高于反持续性.     

基于TRMM订正数据的横断山区降水时空分布特征

鉴于高时空变异地区降水观测的需求,论文提出了基于ISODATA动态聚类法和最大似然法分区逐月回归的TRMM数据订正方法,并以横断山区为例,利用地基台站降水数据对1998-2012 年的TRMM 3B43 V7 数据进行了实验研究,并探讨了过去15 a 横断山区的降水时空分布特征及变化趋势。结果表明,TRMM 3B43 V7 数据在横断山区的总体精度较高,单站精度较低。订正后的TRMM 3B43 数据,与实测值偏差大为减少,降水相对偏差大于10%的站点由原始数据的16 个(42.1%)减少为7 个(18.4%),有81.6%的站点年降水量相对偏差小于10%,且相对偏差大于等于20%的站点仅3 个,能够基本满足横断山区降水时空分布特征研究的精度需要,有效地弥补了有限站点观测的不足。研究区内年降水量从东南向西北递减,与东亚季风在该区域的走向一致;1998-2012 年横断山区的降水量主要呈减少趋势,减少地区主要分布在南部以及中西部地区。夏季降水减少趋势最为突出,秋季次之,冬春变化趋势不明显。横断山区大部分区域的降水量与东亚夏季风指数正相关,与东亚冬季风指数负相关;最近15 a,研究区东亚季风指数持续变小,恰好与研究结果中的降水减少趋势一致。     

2001-2010年青海湖流域植被覆盖时空变化特征

基于2001—2010年MODIS-EVI时间序列数据反演了青海湖流域植被覆盖的空间格局和变化规律,并结合气象观测数据,在年际、月际等不同时间尺度上分析了植被变化及其对气候变化的响应以及驱动机制。结果表明:(1)2001—2010年青海湖流域总体植被变化趋于变好,EVI值10年共增长10.38%,其中春季和夏季植被增长率最大,10年增长率分别达到15.2%和18.63%;(2)植被对气候因子的响应具有明显的空间异质性。流域内植被覆盖增加的区域占全流域面积的70.68%,其中显著增加的区域占8.2%,主要分布在布哈河中游以及青海湖北部草场地区,植被覆盖下降的区域占总面积的29.32%,主要分布在西北高海拔地区以及青海湖湖滨沙地;(3)植被变化对气候因子的响应具有复杂性,在不同时间尺度上EVI和气候因子相关性不同。在年际尺度上,EVI和气温的相关系数是0.29,和降水无明显相关性;但比较10年中的生长季,即植被生长5—9月的EVI和气温、降水相关性为0.33和0.27,这里降水相关性显著增高,总体上说,气温是年际植被变化的主导因素。在月际尺度上,EVI和气温、降水强烈相关,相关系数分别为0.76、0.86(P0.01)。青海湖地区地处高海拔地区,且雨热同季,某种程度上揭示了高原植被的生长策略和对气候的响应机制。     

1961—2007年黄土高原极端降水事件的时空变化分析

极端降水事件会引起严重的灾害事件,其变化趋势需要进行详尽的评估。基于50个站点1961—2007年日降水数据,定义极端降水事件及衡量指标后,使用M ann-Kendall法评估了黄土高原极端降水事件的空间分布和时间变化特征。结果表明,极端降水事件的空间分布具有东南—西北方向的梯度变化特征,降水量、强度和年最大日降水量均从东南向西北递减,而严重干旱事件从东南向西北递增。多数站点极端降水事件的各指标都具有单一趋势,但各指标具显著性趋势的站点数差异很大。约40%的站点极端降水频率具有显著降低趋势;约30%的站点极端降水量的减少趋势和严重干旱频率的增加趋势具有显著性;约10%的站点极端降水强度的上升趋势和年最大日降水量的下降趋势显著。     

北部湾沿海地区植被覆盖对气温和降水的旬响应特征

论文分析北部湾沿海地区植被覆盖对气候变化的响应,为该区域植被恢复和植被生产力研究提供依据.基于研究区2000--2011年423景SPOT-VEGETATION逐旬NDVI数据及逐日气温和降水数据,利用像元二分模型,相关分析,偏相关分析和时滞偏相关分析等数理统计方法,对研究区植被覆盖时空变化特征及与旬降水和旬均温的相关性及滞后性进行分析.结果表明:1)近12 a来,北部湾沿海地区植被覆盖度平均值呈增长趋势,由2000年的65.23%增加到2011年的72.02%,增加了6.79%;2)研究区植被生长季旬NDVI均值介于0.21~0.67之间,在不同时期变化是不同的,其值呈现出"降低--增长--降低"3种变化过程;3)各种植被类型与温度具有显著的相关关系,全部通过了0.01的显著性水平,且NDVI与温度的显著性水平高于NDVI与降水的显著性水平,说明北部湾沿海地区植被覆盖NDVI对气象因子中的温度更为敏感;4)NDVI与气温的时滞偏相关系数显著高于NDVI与降水的时滞偏相关系数,旬NDVI与旬降水的滞后时间多集中于6~9旬之间,而旬NDVI与旬气温的滞后时间多以0~5旬为主;5)不同类型植被的生长对气温和降水的响应时间不一致,但与水热条件时滞偏相关系数越高的植被类型响应时间越短.上述研究结果表明,近12 a来北部湾沿海地区植被处于恢复状态,且植被对降水和气温具有明显的阈值和滞后性.     

GPM卫星降水数据在天山山区的适用性分析

卫星降水产品在山区的适用性具有较高的不确定性。论文基于天山山区2014-2015年167个气象站点数据,应用较为广泛的两套卫星降水产品--TRMM与CMORPH,选用均方根误差（RMSE）、相关系数（R）、相对误差（PB）,以及分类统计分析指标（错报率FAR、探测率POD、公正先兆评分ETS、频率偏差BIAS）等,评估了新一代卫星降水产品--Global Precipitation Measurement（GPM）在天山山区的适用性。结果表明：相对于以上两种产品,GPM在山区的精度最高。具体表现在：1）3套产品在降水较多的夏秋季均表现较好,相对于TRMM与CMORPH,GPM与观测数据的相关系数最高（R≥0.6）,相对误差最小（PB≈10%）;2）在整个天山山区,GPM相对于其他两套产品表现出较低的误差范围（-55%~55%）;3）GPM在不同的高程带内,均表现出同观测站点较低的误差与较高的相关系数;4）3套降水产品均表现出对探测弱降水事件较高的准确性（POD≈0.58）和较低的错误率（FAR≈0.63）,但综合分析4种指数,GPM表现最佳,能够以较准确的精度和较低的误差估测降水系统。     

降水波动对呼伦贝尔草甸草原初级生产力年际动态影响

降水是控制草原植被生产力最关键的因素. 为探明降水量在不同时间尺度上的波动及其对草原植被的响应机制,以呼伦贝尔草甸草原为研究对象,选用反映年际降水量波动的降水集中度和偏离期2个因子,将以地面光谱生物量模型计算获得的草甸草原植被NPP(net primary production,净初级生产力)与不同周期降水量和降水波动因子建立回归模型,分析年际降水量波动对草甸草原植被NPP的影响. 结果表明:①在呼伦贝尔草甸草原区,以年内4—7月为关键期,P_k(关键期累积降水量)对草甸草原植被NPP的影响最大,C_dk(关键期降水集中度)平均值为0.439±0.182,d_k(关键期降水偏离期)平均值为31.6 d,变幅为-3.6~94.2 d. ②以P_k和以旬为单位的C_dk、d_k构建的草甸草原植被NPP估算模型,y=-52.11+88.957C_dk+0.724d_k+0.953P_k,能较好地反映草甸草原植被NPP与降水波动之间的关系,模型估测精度可达91.0%. 因此,在半干旱草原区,利用基于遥感植被反射光谱构建的NPP模型计算草甸草原植被NPP具有较高的可信度,并且与样方调查结果有极高的关联性.      

基于SEBAL模型的赤峰市植被修复下林草蒸散耗水特征

水是制约干旱半干旱地区实现可持续发展的关键因素,维持降水与蒸散发的平衡是开展植被修复工程时需要着重考量的因素.利用陆面地表平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL）模型反演了2000年、2008年、2016年赤峰市全域及森林与草地生态系统的实际蒸散发,通过参考蒸散比不变法与日气象数据将反演结果扩展至日尺度,累加得到月际与生长季尺度的实际蒸散发;结合降水变化,分析植被修复工程开展后赤峰市实际蒸散发的时空变化特征与水分盈亏状况.结果表明:①2000年、2008年、2016年赤峰市生长季的实际蒸散量分别为440.86、452.76、474.34 mm,呈增加趋势,蒸散发高值区（>400 mm）由北向南扩增.②2016年生长季森林分布区的耗水量比2000年增加了27.69×108 t,水分亏缺量增加了8.03×108 t,表明过度造林会使森林生态系统遭受严重的干旱胁迫.③一个生长季内,草地生态系统蒸散量的增幅远低于森林生态系统,1 m2草地生态系统的耗水量比森林生态系统少0.18 t.研究显示,在降水量低于300 mm的区域,草地生态系统面临较轻的干旱,且部分区域可以实现水分平衡.为了维持区域水资源存量,建议赤峰市在今后的植被修复工作中,对于降水量低于300 mm的区域以草本修复为主.