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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

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水电能源科学 2024年第4期42卷 15-19页

作者：张弘强唐业勤田海平王辉斌周立华谭新丛潘鹤鸣黄志鸿张亦可国网湖南省电力有限公司电力科学研究院湖南长沙410007 高效清洁发电技术湖南省重点实验室湖南长沙410007 兰州理工大学电气工程与信息工程学院甘肃兰州730050 国网湖南省电力有限公司凤滩水力发电厂湖南怀化419621 国网湖南省电力有限公司水电分公司湖南长沙410004 长沙理工大学水利与环境工程学院湖南长沙410114

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... 详细信息

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。

关键词：深度学习降水融合 CNN-LSTM模型无资料地区渫水流域

基于ATAK的MSWEP数据空间降尺度及对降水融合的影响研究

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水利学报 2022年第8期53卷 964-976页

作者：云兆得胡庆芳王银堂李伶杰王磊之陈建东南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210029 长江保护与绿色发展研究院江苏南京210098

全球性降水数据为获取大范围降水空间分布提供了新途径,但其空间分辨率不高一直是制约其应用于流域或区域尺度上的重要因素之一,因此研究全球性降水数据的空间降尺度方法具有重要的理论和实用价值。本文采用从区域到区域的Kriging(Area ... 详细信息

全球性降水数据为获取大范围降水空间分布提供了新途径,但其空间分辨率不高一直是制约其应用于流域或区域尺度上的重要因素之一,因此研究全球性降水数据的空间降尺度方法具有重要的理论和实用价值。本文采用从区域到区域的Kriging(Area to Area Kriging,ATAK)和反距离权重(Inverse Distance Weighted,IDW)两种方法,不考虑地面雨量资料及影响雨量的有关辅助信息,在汉江流域将全球性降水数据MSWEP的空间分辨率由0.1°×0.1°提高至0.02°×0.02°。结果发现ATAK降尺度得到的月雨量场虽然在统计精度上与IDW无明显差异,但提高了对月降水量局部空间变异特征的描述能力,在一定程度上克服了IDW的平滑效应。进一步以ATAK、IDW降尺度处理后的MSWEP数据以及不作空间降尺度处理的原始MSWEP数据为背景场,采用GWR方法分别与雨量站网降水数据融合,发现3种情况下得到的月降水融合数据在空间基本格局上相同,精度统计结果也较为接近,但雨量场的空间连续性及细节特征仍有一定差异。在地表雨量站网密度较高的情况下,背景场差异对MSWEP和站点降水融合结果的影响不能完全消除,甚至在局部可能放大。因此,对于MSWEP等全球性降水数据与站网降水资料的融合而言,选择适当的空间降尺度方法是必要的。本文的结论和认识为全球性降水数据的空间降尺度和雨量场精细化估计提供了重要参考。

关键词：空间降尺度降水融合 MSWEP ATAK GWR 汉江流域

基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力

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大气科学 2022年第6期46卷 1523-1542页

作者：李梦迪戚友存张哲管晓丹兰州大学大气科学学院兰州730000 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049 深圳市国家气候观象台深圳518040

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水(QPE,quanti... 详细信息

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水(QPE,quantitative precipitation estimation)产品估测精度易受雷达观测偏差和Z–R(雷达反射率—降水率)关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。

关键词：极端降水克里金插值雨量计订正降水融合

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基于多源数据的山区小流域降水融合模型

水科学进展 2023年

作者：詹昌洵张挺蒋嘉伟福州大学土木工程学院

为准确获取山区小流域的降水空间分布及其资源量，采用Kriging插值法对低分辨率卫星数据进行空间降尺度处理，通过长短期记忆网络（Long Short-Term Memory， LSTM）将局部卫星与观测数据进行降水融合，引入前期降水信息加强卫星与观测... 详细信息

为准确获取山区小流域的降水空间分布及其资源量，采用Kriging插值法对低分辨率卫星数据进行空间降尺度处理，通过长短期记忆网络（Long Short-Term Memory， LSTM）将局部卫星与观测数据进行降水融合，引入前期降水信息加强卫星与观测降水之间的时间相关性，并利用该模型进行流域降水空间分布估计。结果表明：从空间分布来看，融合模型对暴雨中心位置的捕捉更加精确；从降水量来看，所提模型在短时强降水下的探测率和临界成功指数分别为0.60和0.50，能够改善原始低分辨率卫星降雨数据，使其更接近实际情况；从雨量站数量来看，融合降水的精度随着站点数量的增加而提高，当站点数量达到某个临界值时，融合降水的精度趋于稳定。Kriging-LSTM模型为准确获取山区小流域的降水资源提供了新思路。

关键词：降水融合降水空间估计山区小流域 Kriging插值法长短期记忆网络(LSTM)

考虑协变量的随机森林降水融合算法在长江流域的应用

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水电能源科学 2023年第8期41卷 1-4页

作者：徐志牟亚莉梁犁丽王贺龙中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京101199 中国水利水电科学研究院北京100038 浙江省水利河口研究院浙江杭州310020

高质量、高时空分辨率的降水数据对水文、气象等领域的研究具有重要意义。目前遥感、再分析降水数据应用普遍,但存在分辨率低、精度不确定性大等问题。对此,提出了考虑协变量的随机森林降水融合算法,对CMA、CN05、ERA5、GLDAS、TRMM、IM... 详细信息

高质量、高时空分辨率的降水数据对水文、气象等领域的研究具有重要意义。目前遥感、再分析降水数据应用普遍,但存在分辨率低、精度不确定性大等问题。对此,提出了考虑协变量的随机森林降水融合算法,对CMA、CN05、ERA5、GLDAS、TRMM、IMERG、PERSIANN七套降水产品进行融合,并选取长江流域的三个典型子流域(金沙江、三峡区间、鄱阳湖)进行随机森林融合数据(RFF)的效果检验。结果显示,对于降水产品准确性,随机森林融合数据精度相较于原始降水产品有所提升。对于不同降水事件的准确性评估,随着降雨强度增加,各降水产品风险评分(TTS)评分均呈减小趋势,RFF的TTS评分优于原始降水产品。通过考虑协变量的随机森林模型对降水产品进行数据融合,可以提升降水数据的精度及不同降水事件发生的可靠性,为水文模拟等提供支持。

关键词：降水融合随机森林协变量长江流域精度评估

基于重庆“6·22”特大暴雨的降水融合产品质量评估

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成都信息工程大学学报 2022年第4期37卷 478-484页

作者：田茂举李奇临旷兰李深智赵美艳重庆市江区气象局重庆江401420 重庆市气象信息与技术保障中心重庆401147 重庆市气象服务中心重庆401147

为对比分析CMPAS(CMA multi-source merged precipitation analysis system)中国区域融合降水分析系统的二源和三源降水融合产品对特大暴雨降水过程的监测能力,以2020年6月19-22日重庆特大暴雨过程为例,利用重庆1977个自动气象站逐小时... 详细信息

为对比分析CMPAS(CMA multi-source merged precipitation analysis system)中国区域融合降水分析系统的二源和三源降水融合产品对特大暴雨降水过程的监测能力,以2020年6月19-22日重庆特大暴雨过程为例,利用重庆1977个自动气象站逐小时降水数据进行空间对比和统计评估。结果表明:(1)降水等级偏小时,两种降水融合产品数值以偏小为主,随着降水等级增大,估算误差也增大,两种产品数值以偏大为主,出现单站极端降水时,估算误差达到最大,两种产品数值均偏小,但三源产品值更接近站点观测值。(2)对于10 mm/h以下的降水区域,3种降水资料的空间分布结构完全一致;对于10 mm/h以上的降水区域,二源和三源产品的空间分布结构、量级与站点观测值分布基本吻合。出现极端降水的区域,二源和三源产品值较站点观测值偏小,在空间结构和量级的细节处理上,三源降水产品更接近实况。

关键词：气象学数据质量评估多源融合实况产品降水融合

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基于星地融合降水的黑龙江流域水循环模拟

基于星地融合降水的黑龙江流域水循环模拟

基于地理加权回归克里金的降水数据融合及其在水文预报中的应用

2023中国水利学术大会

作者：李成振张志崇肖家祥中水东北勘测设计研究有限责任公司水利部寒区工程技术研究中心

针对黑龙江流域境外降水实测数据难以获取而影响流域水循环模拟顺利开展的问题,采用卫星降水数据弥补了境外降水数据的不足。根据境内地面观测站实测降水数据,采用GWR法与校正系数"移置"法相结合的方法对卫星降水数据进行了分区融合校正... 详细信息

针对黑龙江流域境外降水实测数据难以获取而影响流域水循环模拟顺利开展的问题,采用卫星降水数据弥补了境外降水数据的不足。根据境内地面观测站实测降水数据,采用GWR法与校正系数"移置"法相结合的方法对卫星降水数据进行了分区融合校正,显著提升了卫星降水数据的精度。用融合校正后的降水数据驱动SWAT模型,开展黑龙江流域水循环模拟,取得了较为满意的结果。研究成果可为地面雨量站匮乏的大流域,特别是跨界河流水循环模拟提供借鉴。

关键词：降水融合 GWR法分区融合校正黑龙江流域

来源： cnki会议评论

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长江流域资源与环境 2017年第9期26卷 1359-1368页

作者：李运龙熊立华闫磊武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

地理加权回归克里金(GWRK)是在地理加权回归(GWR)基础上扩展得到的一种既能考虑回归关系的空间非平稳性又能考虑回归变量空间自相关性的降水数据融合方法。以赣江流域为例,在评价TRMM卫星数据精度的基础上,分别以GWRK和GWR方法构建了站... 详细信息

地理加权回归克里金(GWRK)是在地理加权回归(GWR)基础上扩展得到的一种既能考虑回归关系的空间非平稳性又能考虑回归变量空间自相关性的降水数据融合方法。以赣江流域为例,在评价TRMM卫星数据精度的基础上,分别以GWRK和GWR方法构建了站点-卫星降水数据融合模型,然后采用降水融合数据驱动GR4J水文模型进行水文预报。根据站点尺度降水融合数据精度及水文预报表现,对GWRK和GWR构建的降水融合模型效果进行评价,结果表明:较之GWR方法,GWRK方法能较明显的提高降水融合数据在站点尺度上的精度,但是由于输入到水文模型中的数据为面降水数据,受空间均化的影响,对水文预报精度的提高不如对站点尺度降水融合数据精度的提高明显。

关键词：地理加权回归克里金(GWRK) 降水融合水文模型 TRMM

基于多普勒天气雷达的黑河中上游降水的估计与融合

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基于多普勒天气雷达的黑河中上游降水的估计与融合

作者：李明丽华中科技大学

学位级别：硕士

在我国西北地区,地面雨量站点和气象站点分布稀疏且不均,以至于其虽然在单点上可以提供高精度的降水测量信息,但对降雨空间分布的估计能力不足。而我国在全国各地布设的新一代多普勒天气雷达能够大范围高时空分辨率地对降水进行全覆盖... 详细信息

在我国西北地区,地面雨量站点和气象站点分布稀疏且不均,以至于其虽然在单点上可以提供高精度的降水测量信息,但对降雨空间分布的估计能力不足。而我国在全国各地布设的新一代多普勒天气雷达能够大范围高时空分辨率地对降水进行全覆盖式监测,较好地反映降水的空间分布,但其对降水的估测精度却不如地面站点。因此论文以西北地区黑河中上游为例,对张掖多普勒天气雷达用于定量估测当地地形云降水的Z-I关系进行优化研究,并实现地面雨量站点监测降水与雷达定量估测降水的数据融合,以获得高精度与高时空分辨率兼具的降水数据从而对该地区水资源管理提供更好的数据参考。主要研究内容如下:利用Python中的PyCINRAD包对张掖C波段多普勒雷达扫描所得基数据的数据结构进行分析,并结合pandas、numpy、os等专业数据分析和文件处理包批量地对基数据文件中的回波数据等数据进行提取,对其中的奇异值和时空缺失值进行质量控制,构建雨量站—雷达将水数据对。采用整体最优化和按距离分段最优化法对张掖雷达应用于当地降水监测的Z-I关系进行优化,并与采用缺省公式和典型公式估测得到的降水作对比。结果表明:直接采用缺省公式或典型公式估测得到的降水,对该地区的真实降水存在严重低估,两种优化方法得到的Z-I关系定量估测所得降水能明显改善这一低估,无论是在整体上还是在单点尺度上都能够提高雷达定量估测降水的精度,但受Z-I关系法估测降水的局限性等影响,两种优化方法得到的Z-I关系对整体和单点尺度降水的优化程度都有限。为进一步提高雷达估测降水的精度,同时将地面站监测降水和雷达估测降水的优势相结合,采用地理比例分析法(Geographic Ratio Analysis,GRA),地理差异分析法(Geographic Differential Analysis,GDA)和条件融合法(Conditional Merging,CM)构建雷达定量估测降水与地面站监测降水的数据融合模型,并通过留一交叉验证的方法检验融合降水的精度。结果表明:从对降水定量估测的数据精度方面来讲,地理比例分析法得到的融合降水并不能提高雷达估测降水的精度,而地理差异分析法和条件融合方法都能够有效改善雷达对降水定量估测的精度,二者表现相近,条件融合法得到的数据精度略优;从对降水时空分布特征的刻画方面来看,地理差异分析法和条件融合法都能够提高单一Z-I关系对降水空间分布监测的准确性,而地理比例分析法不仅不能准确监测到降水中心还在极值降水的估测上出现较大误差,表现最差,对研究区域内地面站和雷达监测降水的融合并不具有适用性。

关键词：天气雷达最优化Z-I关系降水融合地理差异分析法条件融合法