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长江经济带卫星遥感降水数据空间降尺度研究

长江经济带卫星遥感降水数据空间降尺度研究

作者：谭伟伟武汉大学

学位级别：硕士

降水量作为一个重要的气象参数,不仅是水文循环的关键强迫因子,也是各种水文气象模型的重要输入。因此,生产高精度和高时空分辨率的降水资料在水文、气象学的研究中具有重要的意义。地面站点数据不能全面反映降水的空间特征,特别是在雨... 详细信息

降水量作为一个重要的气象参数,不仅是水文循环的关键强迫因子,也是各种水文气象模型的重要输入。因此,生产高精度和高时空分辨率的降水资料在水文、气象学的研究中具有重要的意义。地面站点数据不能全面反映降水的空间特征,特别是在雨量站稀少的山区。近年来,卫星技术的广泛应用使得获取空间上连续的面状降水数据成为了可能,从而克服地面站点数据空间不连续的缺陷。热带降水观测任务（Tropical Rainfall Measurement Mission,TRMM）提供了TRMM产品,而最新一代的全球降水计划（Global Precipitation Measurement,GPM）提供了覆盖全球范围的imerg（Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM）产品,其空间分辨率分别为0.25°和0.1°。卫星降水数据的分辨率较低,使得无法满足精细化的水文、气象学研究。本文从降水降尺度、降水数据融合两个方面,开展了TRMM 3B43数据的降尺度研究和GPM imerg数据的降水融合降尺度研究,估算了1 km分辨率的降水产品。主要内容如下:（1）基于多元自适应回归样条的TRMM 3B43降水降尺度目前一些降尺度方法（如:地理加权回归,GWR;随机森林,RF）存在不连续性的问题,特别是在降尺度结果中存在“块状效应”的现象,这在自然界是不可能发生的。本文引入了多元自适应回归样条（MARS）来解决这一问题。本研究以地理位置（经纬度）、数字高程模型（DEM）、日地表温度（LSTD）、夜间地表温度（LSTN）及四个遥感指标作为陆表环境解释变量。本研究将2006-2013年长江经济带月尺度TRMM 3B43数据从0.25°的分辨率降尺度到1 km,为了提高降尺度TRMM的精度,对降尺度TRMM进行了残差校正和地理差异分析（GDA）定标处理。MARS算法的作用是通过分裂环境变量的机制将研究区域划分为若干个子区域,并利用每个子区域中模型选择的可解释环境因子变量构造一个光滑的样条模型。因此,MARS具有平滑的建模能力,可以避免降尺度结果的“块状效应”现象。同时,降尺度TRMM数据显示了合理的空间变化模式和去噪的结果。根据站点数据的验证结果,基于MARS模型的降尺度TRMM的精度比GWR、RF模型更高,并且与原始TRMM数据相比,降尺度结果的偏差得到降低。此外,变量重要性分析的结果表明,地理位置变量在MARS模型中的重要性最高,其次是DEM数据。（2）基于高斯过程算法的降水融合降尺度研究本研究以湖北省为研究区域,考虑经纬度、DEM、亮温数据、imerg插值数据等辅助变量,融合2016年7月19日imerg日分辨率卫星降水数据与气象站点数据资料。本研究提出了点面融合方法和站点偏差校正估计两个融合方案,选择自适应样条多元回归、随机森林、高斯过程回归三种算法。结果表明,点面融合方法优于站点偏差校正估计方法,且高斯过程回归的融合结果优于其他两种算法。基于高斯过程方法的融合结果呈现合理的变化细节,符合降水的空间分布变化模式。融合结果的空间分辨率从0.1°提高到1 km,且精度相对于原始的imerg数据得到了较大的提升,该研究对高时间分辨率的多源降水数据的融合具有一定的意义。

关键词：降尺度 TRMM 块状效应 imerg 降水融合点面融合偏差校正

基于GPM卫星降水产品的流域实时洪水预报潜力研究

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基于GPM卫星降水产品的流域实时洪水预报潜力研究

作者：吴崇玮清华大学

学位级别：硕士

洪水是一种无法避免的自然灾害,气候变化条件下,全球多数地区的洪水发生频率上升,洪峰流量也较以往增加,严重危害人类社会及财产安全。同时洪水不仅仅是一种自然灾害,也是一种可以利用的水资源,如何有效的利用洪水已经是全球关注的议题... 详细信息

洪水是一种无法避免的自然灾害,气候变化条件下,全球多数地区的洪水发生频率上升,洪峰流量也较以往增加,严重危害人类社会及财产安全。同时洪水不仅仅是一种自然灾害,也是一种可以利用的水资源,如何有效的利用洪水已经是全球关注的议题。实时洪水预报是防洪抢险及水资源调度的重要依据,然而在缺乏雨量站观测降雨数据的地区,如偏远的地区及地形复杂的山区,雨量观测数据缺乏或质量不高导致在该区域建立准确的实时洪水预报具有一定的困难。GPM imerg卫星降雨产品的发展,使得降雨数据的获得有了新的途径。卫星降雨数据容易获取且观测不受地形条件的限制,对于缺乏雨量站观测降雨数据的地区极为重要。借由分析GPM imerg卫星降雨产品与地面雨量站数据的差异,对于卫星降雨产品进行地面验证;通过GPM imerg卫星降雨产品作为水文模型的输入数据,对于卫星降雨产品进行水文验证,探讨GPM imerg卫星降雨产品应用于实时洪水预报的潜力。以老挝境内湄公河支流南欧江流域和中国汉江流域为对象,在不同流域尺度及不同雨量站密度条件下进行研究,主要成果如下:(1)通过卫星降雨产品的地面验证,imerg Final卫星降雨产品相较于雨量站数据在不同流域尺度皆高估了降雨量,imerg Early卫星降雨产品在不同流域则有高估或低估的不同结果,造成此结果的主要原因可能为imerg Early校正数据时利用流域气候数据导致;通过水文验证,对于径流峰值的模拟,imerg卫星降雨产品的模拟结果较差,且imerg Early卫星降雨产品在不同流域尺度的模拟结果差异较大。融合卫星降雨产品与雨量站数据可以显著的改善卫星降雨产品的模拟结果,对于径流峰值的模拟也更为准确。(2)基于卫星降雨产品,构建了南欧江流域的THREW水文模型,可应用于南欧江实时洪水预报系统中为梯级水电站的防洪调度提供支撑。(3)提出一种GPM imerg卫星降雨产品在实时洪水预报中的应用模式。通过GPM卫星观测数据以及imerg反演算法可以获得区域内的降雨数据,若能在特定的关注区域自行接受卫星讯号,并且完成卫星降雨数据的反演,借此加快降雨数据反演过程的速率,并通过区域内部少量雨量站点进行校对,对于缺乏降雨数据地区的实时洪水预报具有重要意义。

关键词：卫星降雨产品 imerg THREW 实时洪水预报

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渭河流域GPM卫星降水产品的多尺度评估

人民珠江 2024年第9期45卷 27-35页

作者：郭彬斌戴忠衡阳师范学院地理与旅游学院湖南衡阳421002 湖南财政经济学院湖南省经济地理研究所湖南长沙410205 “传统村落遗产保护与活态利用”湖南省普通高校哲学社会科学重点研究基地湖南衡阳421002

为探究全球降水观测计划GPM下imerg系列与GSMaP系列中的近实时(imerg-Early,imerg-Late,GSMaP-NRT)和后实时(imerg-Final,GSMaP-Gauge,GSMaP-MVK)遥感降水产品在复杂地形流域的精度和适用性,基于渭河流域内雨量站数据,在不同空间尺度与时间尺度上对遥感降水的精度评价指标(CC,RMSE,BIAS)和降水能力探测指标(POD,FAR,CSI)进行综合评估,同时采用IHACRES水文模型对卫星降水数据在径流模拟中的适用性进行了评估。结果表明,GSMaP-Gauge(CC=0.55,RMSE=5.09,Bias=0.3%)与imerg-Final(CC=0.458,RMSE=5.92,Bias=8%)降水产品均能较为准确地反映降水的时空分布特征,但普遍存在对降水的高估;GSMaP与imerg系列数据在冬季对降水的探测能力(PODimerg-Final驱动的IHACRES模拟表现最好(NSE=0.856),由GSMaP-Gauge与imerg-Final为驱动的水文模型月尺度纳什效率系数均大于0.8,可作为降水驱动数据用于区域的水文过程模拟。

关键词： imerg GSMaP IHACRES 渭河流域

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GPM卫星降水数据在沿海地区的适用性分析——以三亚市为例

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气象科技 2020年第5期48卷 622-629页

作者：方勉何君涛符永铭王定贵朱梅海南省三亚市气象局三亚572000 海南省南海气象防灾减灾重点实验室海口570203

选取2016年1-12月GPM(Global Precipitation Measurement)卫星的imerg月尺度降水数据为研究对象,以同时期的气象站点实测降水数据为参考,利用相关系数、标准偏差、相对误差等多种统计分析指标对其在沿海地区估测能力进行评价。结果表明:... 详细信息

选取2016年1-12月GPM(Global Precipitation Measurement)卫星的imerg月尺度降水数据为研究对象,以同时期的气象站点实测降水数据为参考,利用相关系数、标准偏差、相对误差等多种统计分析指标对其在沿海地区估测能力进行评价。结果表明:imerg月尺度降水量与站点实测降水数据相关性较好,imerg估测的降水与气象站点实测降水量的时空变化规律也较为一致,但是量化到具体数值而言,其对山区、海岛站的估测能力不及地势平坦的区域;同时,选取降水个例对imerg日尺度和半小时尺度降水数据的分析表明,日尺度imerg估测的不同等级降水量也存在偏差,半小时尺度imerg降水数据对海岛站的降水估测偏高。总体而言,imerg降水数据对降水的时间变化规律和空间分布格局估测较为合理,但是对山区、海岛地区,其降水估测值还存在偏差,在今后应用中需结合地形特征加以合理利用。

关键词： GPM imerg 沿海地区降水估测

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卫星降水产品对台风暴雨事件的呈现能力及其综合表现

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水力发电 2022年第5期48卷 22-26,38页

作者：廖庆龙广西桂禹工程咨询有限公司广西南宁530023

卫星降水产品可实现对台风运动所引起暴雨事件的准实时监测。以2021年17号台风“狮子山”为研究对象,分析评价全球降雨测量计划GPM两种准实时产品imerg_E和imerg_L对该台风过境海南岛时的暴雨监测能力,并基于综合表现指数(CPI),评价了... 详细信息

卫星降水产品可实现对台风运动所引起暴雨事件的准实时监测。以2021年17号台风“狮子山”为研究对象,分析评价全球降雨测量计划GPM两种准实时产品imerg_E和imerg_L对该台风过境海南岛时的暴雨监测能力,并基于综合表现指数(CPI),评价了卫星降雨产品的综合表现。结果表明,2种准实时产品基本能呈现台风“狮子山”过境海南岛时降雨的分布情况,但存在比较明显的暴雨量低估现象。2种产品的台风降雨探测能力随着降雨阈值增加而变弱,但在3~5 mm/h区间时保持相对稳定。imerg_L相对于imerg_E在部分站点保持更高的相对偏差,在5 mm/h降雨阈值下,其在部分站点的探测能力弱于imerg_E。

关键词：监测能力台风暴雨卫星降水产品 imerg 海南岛

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基于深度学习的葵花8卫星资料反演降水

运筹与模糊学 2023年第3期13卷 1710-1719页

作者：王瑞南京信息工程大学大气物理学院江苏南京

本文构建了2016至2019年Himawari-8静止卫星上9个红外通道亮温数据和GPM imerg半小时平均降水量的机器学习训练集,然后将其划分为训练集(共5352个样本)、验证集(1784)和测试集(1784)。首先,选用目前深度学习技术中使用最为广泛、稳定可... 详细信息

本文构建了2016至2019年Himawari-8静止卫星上9个红外通道亮温数据和GPM imerg半小时平均降水量的机器学习训练集,然后将其划分为训练集(共5352个样本)、验证集(1784)和测试集(1784)。首先,选用目前深度学习技术中使用最为广泛、稳定可靠的U-Net模型,分析了Himawari-8卫星的不同红外通道对降水估计的贡献,比较了9个单通道和多通道的反演,结果表明采用通道13能获得相对更好的反演效果。随后,本文比较了多个单时刻以及多时刻组合的降水反演精度,发现采用多时刻观测输入,并未能进一步改进反演精度。最后,为进一步提升降水反演效果,本文比较了三个模型的反演精度,包括U-Net、pix2pixGAN和ConvMixer等,进行训练和降水反演试验。结果表明,pix2pixGAN反演的降水分布最优,它比其他模型结果更具有鲜明详实的结构。

关键词：降水反演 U-Net CGAN 深度学习 imerg Himawari-8卫星

国际主流多源融合降水实况产品的研究进展与展望

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气象科技进展 2022年第6期12卷 16-27页

作者：张璐潘旸谷军霞师春香国家气象信息中心数据研究室北京100081

精细、精准、高时效的网格降水实况产品对于智能网格预报业务、防灾减灾以及水循环、地气相互作用具有重要意义。从20世纪90年代起,利用地面观测、卫星、雷达、模式等多源资料和数据,美国、日本、欧盟等先后开始研制降水融合产品,并形... 详细信息

精细、精准、高时效的网格降水实况产品对于智能网格预报业务、防灾减灾以及水循环、地气相互作用具有重要意义。从20世纪90年代起,利用地面观测、卫星、雷达、模式等多源资料和数据,美国、日本、欧盟等先后开始研制降水融合产品,并形成一系列区域或全球范围的多源融合降水实况产品。目前全球降水实况产品中,美国NASA研发的Integrated Multi-Satellite Retrievals for GPM(imerg)产品已推出第六代,将数据覆盖范围扩大至全球,结合地球同步红外数据、微波数据、地面雨量计数据等,形成具有较高时空分辨率的降水融合产品。日本推出的GSMa P产品使用了PMW(Passive Micorwave)算法、降雪估算算法等方法,也研制出了具有较高质量的降水产品。区域高分辨率降水实况产品方面,美国最新业务化的MRMS(Multi-Radar/Multi-Sensor System)系统研制的雷达QPE(quantitative precipitation estimation)产品基于雷达基数据、地面雨量计数据、模式数据等,结合先进的技术在美国区域生成了1km、2min更新的降水实况产品。我国多源降水融合技术的研究起步较晚,自2010年起逐步开展研究,2018年国家气象信息中心牵头,中国区域逐时、5 km分辨率的地面卫星、雷达三源融合降水实况产品实现业务运行,作为零时刻实况应用于我国无缝隙智能网格预报业务,2021年该产品空间分辨率将提高至1 km。但同时需意识到,我国降水实况业务产品与灾害天气监测预警、高频次滚动更新的智能预报、智慧气象服务业务需求以及国际最先进降水实况产品研制技术尚有差距,全球降水产品还未摆脱对国际产品的依赖,及时掌握国际多源融合降水研制技术研究动态,开展降水融合核心技术的调研和攻关,对提高我国降水实况产品质量具有重要意义。

关键词：多源融合降水实况卫星雷达 imerg GSMaP MRMS

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