结合偏差校正和动态约束线性回归模型的两阶段多源降水数据融合方法

作     者：谢文豪 易善桢 冷创 

作者机构：华中科技大学土木与水利工程学院 

出 版 物：《地球信息科学学报》 (Journal of Geo-information Science)

年 卷 期：2024年第11期

页      面：2506-2528页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2016YFC0401004) 华中科技大学自主创新研究基金(2016JCTD115)~~ 

主　　题：降水融合 偏差校正 IMERG ERA5-Land 经验累积分布函数匹配法 动态约束线性回归模型 西南地区 

摘      要：降水融合技术通过将多种降水数据整合在一起，以获取更准确和更可靠的降水信息。然而，这些降水数据源通常本身存在系统偏差，同时降水表现出显著的时空异质性。为应对这些问题，本文提出了一种偏差校正和降水时空融合相结合的两阶段降水融合方法。在偏差校正阶段，采用经验累积分布函数匹配法（ECDF）对降水产品进行偏差校正；在时空融合阶段，先通过动态约束线性回归模型（DCLR）获取时空权重，随后对偏差校正后的降水产品进行加权平均。将本文提出的降水融合方法称为ECDF＿DCLR。此外，在时空融合阶段分别使用动态贝叶斯模型平均（DBMA）和简单模型平均（SMA）与偏差校正阶段的ECDF结合，形成对照降水融合方法 ECDF＿DBMA和ECDF＿SMA，以验证ECDF＿DCLR的有效性。将ECDF＿DCLR、ECDF＿DBMA和ECDF＿SMA分别应用于西南地区2005—2017年卫星降水产品IMERG和再分析降水产品ERA5-Land的融合，以地面气象站降水数据作为基准评估融合结果。结果表明：(1) ECDF能有效降低IMERG和ERA5-Land的系统偏差，同时提高它们的精度，两者RB绝对值减小的比例分别为95.5%和99.6%,KGE增加的比例分别为12.7%和41.5%。ECDF还可以增强ERA5-Land的探测降水事件能力（ERA5-Land的CSI增加了7.8%），但对IMERG的影响不大（IMERG的CSI保持0.53不变）。此外，在融合前进行偏差校正是必要的，偏差校正与时空融合相结合生成的降水产品的KGE和CSI分别平均高出只时空融合生成的降水产品的KGE和CSI的11.5%和3.1%。(2) DCLR、SMA和SMA均能有效融合降水产品，3种方法中DCLR降水融合的精度最好，它们提高降水事件探测能力的差异不大。在不同时间尺度、空间尺度和不同海拔等级上，3种融合降水产品的KGE和CSI大都大于或接近最佳数据源的KGE和CSI，它们当中通过DCLR融合的降水产品具有最高的KGE，但它们CSI的差距基本不超过0.01。与地理加权回归相比和带漂移项的克里金相比，ECDF＿DCLR的大部分指标表现更好，其KGE和CSI分别至少高出前者的4.3%和1.8%。总之，ECDF与DCLR相结合的降水融合方法能够为西南地区提供更准确的降水数据，给多源降水数据融合领域提供研究思路。