基于混合地理加权回归与克里格的区域降水量空间插值方法

基于四川省区域范围内144个气象站点的实测降水数据,在综合考虑空间位置、地形等影响因素的基础上,采用改进的回归克里格模型,即混合地理加权回归克里格模型（MGWRK）对四川省年降水量的空间分布进行空间插值,并与普通克里格（OK）、全局回归克里格（GRK）和地理加权回归克里格（GWRK）等模型的插值效果进行对比分析。结果表明：（1）应用逐步回归法筛选确定的用于回归分析的影响因子组合为经度、纬度和坡度,可有效消除解释变量间的多重共线性,为后续的空间插值奠定基础;（2）同一回归变量在地理加权回归（GWR）与全局回归（GR）两种回归模型中的AICc（修正的赤池信息量准则,Corrected Akaike Information Criterion）值之差（ΔAICc）可用于定量判定各回归变量的空间非平稳性类型,据此将变量坡度设为全局变量,经度和纬度设为局部变量进行处理。在此基础上,通过MGWRK模型对四川省年降水量进行空间插值;（3）MGWRK插值模型综合考虑了空间位置、地形等多个影响因素及其与降水相互关系的空间非平稳性特征,相对于传统的OK和GRK法具有更高的插值精度。     

基于二次多项式回归模型的黑河流域TRMM数据降尺度研究

在不同空间尺度下分别建立TRMM 3B43降水数据与数字高程模型（DEM）和归一化植被指数（NDVI）的二次多项式回归模型,将2001—2013年黑河流域TRMM降水数据的空间分辨率从0.25°提高到1 km,并利用流域内9个气象站点实测数据对降尺度结果进行了检验。结果表明:降尺度方法不仅提高了TRMM数据的空间分辨率,数据的精确程度也有所提高;与传统线性回归模型降尺度方法相比,基于二次多项式回归模型获得的降尺度结果更接近于实测值,其结果更为准确;模型建立的尺度对最终降尺度结果精确性具有较大影响,0.50°是基于DEM和NDVI对黑河流域TRMM降水数据进行降尺度的相对最优尺度。     

基于GWR模型降尺度模拟蒙古高原地区TRMM降水数据

以多年月平均NDVI值高于0.1为阈值,对蒙古高原进行“植被区”与“非植被区”的子区域划分。在分析“植被区”植被对降水响应时滞性和“非植被区”陆地表面温度不同数据值与降水量相关性的基础上,子区域分别构建了TRMM3B43降水数据与海拔、坡度、坡向数据、归一化植被指数（NDVI）/陆地表面温度（LST）数据的地理加权回归（GWR）模型,得到区内2006-2015年每年5-10月1km空间分辨率的月降水量降尺度模拟数据,并利用区内141个气象站点数据对降尺度模拟数据进行精度验证。结果表明：（1）蒙古高原“植被区”植被对降水响应存在时滞性,约为一个月;“非植被区”多数月份白天与夜晚陆地表面温度差（LST＿D＿N）与降水量的相关性最显著。（2）降尺度模拟数据与气象站点数据具有较好的一致性,月尺度相关系数为0.83,各站点相关系数介于0.42～0.98。（3）在生长季、月平均尺度上,降尺度模拟数据具有较高精度,其中9月和10月数据精度优于TRMM 3B43数据。降尺度模拟数据整体精度较高,加之对原始数据在50°N以上未覆盖地区的填补以及空间分辨率的提高,可为区内水循环变化、农牧业生产、干旱监测等...     

澜沧江流域卫星产品降尺度与融合方法

卫星降水产品具有覆盖范围广、更适用于无资料区域的优势,但分辨率较低、精度不足,为获取高时空分辨率、高精度的降水数据,需对卫星产品进行降尺度,并与地面观测数据融合,以提高数据质量。以澜沧江流域为例,在综合考虑地形、地理和植被等要素的基础上,建立地理加权回归（geographic weighted regression,GWR）模型对热带降雨测量卫星（tropical rainfall measurement mission,TRMM）和基于人工神经网络的遥感降水估计-气候数据记录（precipitation estimation from remotely sensed information using artificial neural networks-climate data record,PERSIANN-CDR）产品进行空间降尺度,再采用集合卡尔曼滤波算法,将地面气象站点经反距离加权插值法（inverse distance weighted,IDW）插值后的数据作为融合算法观测值,对降尺度后的TRMM、PERSIANN-CDR数据进行融合,以进一步提高降水数据精度。结果表明：...     

TRMM卫星降水产品降尺度及其在湘江流域水文模拟中的应用

高时空分辨率降水数据对准确刻画区域降水时空变化特征、精准模拟区域生态和水文过程具有重要的现实意义。以湘江流域为例,在考虑地理、地形和植被等多重要素的基础上,建立了基于地理加权回归法（Geographic Weighted Regression,GWR）的热带降雨测量卫星（Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM）降水降尺度模型,并采用比例指数法反演得到星地融合日降水Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种产品,用来驱动土壤和水评估模型（Soil and Water Assessment Tool,SWAT）,分析评估其在水文模拟中的应用潜力。结果表明：1）GWR降尺度后,在TRMM降水空间分辨率由0.25°提升至0.05°的同时,同气象站点观测月降水之间的决定系数（R2）平均提升了0.33,均方根误差（RMSE）平均降低了43.30 mm,平均相对偏差（Average Relative Error,ARE）平均降低了38.71%,表明该降尺度模型在湘江流域TRMM月降水降尺度研究中具有良好的适用性;2）与TRMM日降水量相比,星地融合日降水Ⅲ产品同气象站点观测日降水量的R2提高了0.81,RMSE降低了10.27 mm,ARE降低了0.11%,表明以气象站点观测日降水量作比例指数展布星地融合月降水是可行有效的;3）星地融合日降水Ⅲ产品在SWAT模型日、月径流模拟中的纳什效率系数最大,分别为0.79、0.93,相对误差最小,分别为0.12%、1.10%,水文模拟效果最优,可替代气象站点和TRMM卫星降水进行水文模拟。研究结果可为气象站点稀缺区域的高精度降水资料获取和高效水文模拟提供数据支撑和方法借鉴。     

基于MGWR的渭河流域TRMM降水产品空间降尺度分析

高分辨率降水数据有助于刻画降水的时空分异特性,对流域水文、气象和生态等过程的精准模拟具有重要作用,因此对低分辨率降水产品开展空间降尺度,提高其分辨率十分必要。鉴于此,本文在充分考虑热带降雨测量卫星（Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM）降水产品在渭河流域适用性的基础上,引入归一化差分植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）、数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）、坡度、坡向和经纬度等地理环境因子,构建了多尺度地理加权回归（Multi-scale Geographically Weighted Regression,MGWR）模型用以分析不同因子对渭河流域降水空间格局影响的尺度差异;进一步提出了一种针对TRMM降水产品的空间降尺度方法,并透过精度评价验证了降尺度结果的可靠性。结果表明：1）TRMM降水产品数据相较于站点实测数据存在一定精度误差,年尺度上R2=0.807,BIAS=2.909%,RMSE=83.477 mm,表现较好;季尺度上秋季R2最高,为0.847,夏季RMSE最大,为62.393 mm,四季的BIAS均较低;月尺度R2为0.456～0.815,BIAS介于±0%～8%之间,多数月份为正值,RMSE值域范围为3.019～37.841 mm,精度较好;总体而言,TRMM降水产品数据在年、季和月尺度上均表现出良好的整体适用性。2）不同因子在干湿年份对降水空间分异格局的影响呈现出不同的尺度特征,其中湿润年的DEM、NDVI、坡向和经纬度对降水呈现局部影响,坡度影响具有全局性,而干旱年各因子均表现为局部影响。3）流域和站点尺度上,降尺度TRMM数据相较于降尺度前产品数据精度得到一定改善,其中流域尺度上,R2整体提升3%,RMSE降低1mm;站点尺度上,各站点统计指标变化各异,但降尺度后统计指标整体优于降尺度前,并且由于时间尺度上的误差累积,站点年尺度数据精度相比月尺度数据稍差（R2由0.8～0.91变为0.4～0.95,RMSE从11～17变为32～150）。4）降尺度TRMM数据相比于降尺度前产品数据,空间分布更细腻,细节特征表现更好,且在年、月时间尺度上均具有较高的精度,可为渭河流域资料短缺地区的水文设计提供数据支撑。     

基于TRMM 3B43数据的川西高原月降水量空间降尺度模拟

利用2001-2013年TRMM 3B43、MODIS-NDVI、DEM、气象观测等数据,在分析植被对降水响应滞后性的基础上,构建了TRMM 3B43数据中月降水量与经纬度、海拔、坡向和NDVI因子间的多元线性回归方程式,作为川西高原月降水量资料的降尺度计算模型,采用“回归方程+残差”的插值方法获取研究区2001-2013年1km空间分辨率的月降水量空间数据,并利用区内16个气象站点的观测数据与模拟结果进行了相关分析和误差检验。结果表明：（1）各气象观测站点基于TRMM 3B43资料的降尺度模拟降水量的数据均具有很高的精度,其中,精度最高的稻城站模拟结果与站点观测值的相关系数高达0.9839,精度最低的小金站相关系数亦高达0.8781;（2）在月、年尺度上,降尺度模拟降水量的数据亦具有很高的精度,其中,5-10月的精度明显高于其它月份,湿润年份精度总体高于干旱年份;（3）降尺度模拟降水量与站点实测降水量整体上相关系数为0.9499,偏差为0.0866,两者吻合度较高,但降尺度模拟降水量值略偏高;（4）降尺度在月尺度上能基本保证TRMM 3B43原始数据的精度,而在年尺度上能有效提高原始数据的精度,加之对空间分辨率的提高,可为获得更加全面、精细的降水分布数据提供有效方法。     

TRMM降水数据在长江流域的降尺度分析与校正

在充分考虑2001−2019年TRMM 3B43降水量数据在长江流域适用性的基础上，基于地理加权回归模型（GWR），结合归一化植被指数（NDVI）、增强型植被指数（EVI）、高程、坡度、坡向数据，选取不同组合对19a内TRMM降水量数据进行降尺度，并对优选的降尺度数据分别进行GDA、GRA校正，最后在年、季、月尺度下进行精度评价与结果分析。结果表明：（1）降尺度数据与站点实测数据的R²、BIAS、RMSE满足精度要求的同时，空间分辨率由0.25°提高至1km，且TRMMNDVI数据精度优于TRMMEVI数据。（2）GDA校正结果优于GRA校正结果，且数据稳定性更好，更适于长江流域TRMM数据校正。（3）数据与站点实测数据R²在年（0.91～0.986）、季（0.704～0.88）、月（0.625～0.89）尺度上均有较高精度，细节特征较TRMM数据表现更好。（4）降水量越大的月份降尺度及校正效果越好。降尺度及校正后的TRMM数据能更好地反映长江流域真实降水信息，为农业生产、水资源优化配置、防洪减灾等提供可靠的数据支持。     

基于SWAT模型的TRMM降水数据径流模拟适宜性评价

以辉发河流域为研究区,采用SWAT分布式水文模型,以实测降水数据和TRMM降水产品作为模型输入,在月尺度和日尺度上构建了四种径流模拟情景,并利用SUFI_2算法分析了不同降水输入和时间尺度下模型的参数敏感性、参数不确定性和径流模拟结果。结果表明:(1)TRMM降水产品的误差会改变参数的敏感性排序,尤其是在日尺度上;(2)4种模拟情景P因子的范围为0.58~0.9,R因子的范围为0.47~1.58,模型拟合精度较好。月尺度上TRMM数据的估算误差较小,其更高的空间分辨率可使径流模拟不确定性得到明显改进,而随着时间尺度的变化,TRMM数据在日尺度上的误差增大会导致日径流模拟结果不确定性的增加;(3)在月尺度和日尺度上,采用TRMM数据降水输入模拟径流,其NS和R2系数均达到较好水平,实测降水模拟结果略优于TRMM数据。研究表明,在辉发河流域,TRMM降水产品在径流模拟方面表现出较好的适宜性,是一种较为可靠的降水数据源。     

TRMM偏最小二乘降尺度降水模型在新疆不同地貌的适应性

高分辨率降水数据有利于客观描述区域降水时空分异特征,也可为区域生态和水文等过程高精度模拟提供重要参数。该研究旨在研究采用偏最小二乘法降尺度方法提高热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)数据空间分辨率用于新疆不同地貌区降水量估算的可行性。基于多源遥感数据和气象站点数据,引入相对湿度、NDVI、地形和经纬度等地理环境因子,构建偏最小二乘法降尺度模型,使遥感数据的空间分辨率由0.25°×0.25°(27.5 km×27.5 km)提高至250 m×250 m,模拟对比降尺度前后降水量估算精度差异,并探讨新疆降水时空分布特征及其对地形地貌的响应规律。结果表明:1)相比TRMM原始数值,由偏最小二乘法降尺度模型修正后的降水量与气象站点数值的拟合度显著提高,其决定系数(R~2)由0.74提高到0.85,均方根误差降低了0.26mm,较好解决了原始数据低值高估和高值低估等问题;用乌鲁木齐河流域不同海拔高度和地形地貌区站点实测值验证该模型,发现修正后的所有站点其精度均有提高(R~2从0.06～0.91提高到0.39～0.95,均方根误差从0.20～0.44 mm降低到0.18～0.40 mm),表明了该模型在不同海拔和地形地貌区降水分异刻画的可靠性及大尺度推广的可行性。2)研究期内各地形地貌区的年降水量排序为中高山、极高山、高山、低山、中山、平原、盆地;中高山及以上山区降水集中发生在6-9月,低海拔山区及平原区的降水较多发生在5-8月,但年内降水量分配较均匀。新疆降水呈"北多南少"的空间分布格局特征,各山体(山群)均存在2个较明显的降水峰值区,但各山体绝对高度和规模不同,以致峰值区的海拔也不尽相同。研究结果可为气象站点稀缺区域的降水数据提供有益补充。     

遥感降水数据空间降尺度及干旱时空监测

在全球气候变暖的背景下,干旱灾害日趋频发。为全面精细研究华中地区降水的时空变化,结合水汽(PWV)、增强型植被指数(EVI)等数据,基于地理加权回归模型,结合克里金插值分别对2010—2019年的GPM IMERG和TRMM 3B43数据进行空间降尺度,并利用区域内53个气象站数据进行精度评价。对优选的降尺度数据采用变异系数法、Theil-Sen Median趋势分析耦合Mann-Kendall显著性检验方法及Hurst指数法,分析了华中地区的降水时空变化特征及其可持续性特征,并对未来降水趋势进行预测,最后构建归一化降水距平百分率(NPA)、标准化降水蒸散指数(SPEI₁₂)来实现研究区的干旱时空监测。结果表明:降尺度处理后降水细节增强,能有效改善原始数据的高估现象,GPM数据降尺度数据比TRMM降尺度数据更接近实测数据;近10年华中地区降水时空分布差异较大,降水较高波动变化和高波动变化共占全区69.21%;10年间降水变化以非显著变化为主,其中,轻微增加地区占全区54.88%,轻微减小地区占全区40.41%;10年间降水变化趋势以弱(27.33%)、中(34.9...     

TRMM卫星降水数据在区域干旱监测中的适用性分析

为了评估高时空分辨率的卫星遥感降水产品在干旱监测中的适用性,该文基于热带降雨卫星(tropical rainfall measurement mission,TRMM)产品和气象站点的观测数据,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)分别计算了2种数据源的不同时间尺度(1、3、6和12个月)的河南省1998-2016年干旱事件发生的年际和空间变化。结果表明:TRMM 3B43月尺度降水数据与气象站点的观测数据具有显著的相关性,相关系数均高于0.9,除少数情况下,TRMM 3B43对降水存在略微高估现象;两种数据源计算的各时间尺度(1、3、6和12个月)存在着很高的一致性,波动幅度随着时间尺度的增大而减小;1998年以来河南省春季发生干旱事件的年份是2000、2001年,夏季发生干旱事件的年份是1999、2014年,秋季发生干旱事件的年份1998、2001、2007年,冬季发生干旱事件的年份1999、2012年,另外,基于SPI-12得出发生干旱的年份是1999、2001、2012和2013年;根据站点的不同时间尺度的两种数据源的SPI时间序列进行相关性分析,其相关系数都高于0.7,两者间的一致性很高,说明TRMM数据能够替代站点观测数据进行干旱的监测与评估。     

基于TRMM数据的巴基斯坦降雨侵蚀力估算及空间降尺度模拟

中巴经济走廊是"一带一路"建设的旗舰项目。降雨侵蚀力是反映区域资源环境承载能力的重要指标,开展境外高精度降雨侵蚀力遥感估算研究对中巴经济走廊建设具有重要意义。基于TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星3B42降雨数据估算了巴基斯坦的降雨侵蚀力,并结合气象、植被、地形等因子构建了空间降尺度模型,将降雨侵蚀力的空间分辨率提高到1km。结果表明:(1)空间降尺度模型模拟的降雨侵蚀力与TRMM 3B42降雨数据估算的降雨侵蚀力显著相关(R~2=0.94),降雨侵蚀力的空间降尺度结果能更加详细地刻画巴基斯坦降雨侵蚀力的空间分布格局,尤其是地形起伏较剧烈的北部山区和俾路支东缘;(2)巴基斯坦境内2010年的年降雨侵蚀力平均值为524.15(MJ·mm)/(hm~2·h·a),分布范围为0.58~5 929.85(MJ·mm)/(hm~2·h·a),整体上呈现出东部高西部低的空间格局,且高值区主要分布在伊斯兰堡、门盖拉镇、锡亚尔科特-拉合尔-萨希瓦尔沿线,以及卡拉奇等城镇附近区域。     

TRMM降水数据在复杂山地的精度评估——以重庆市为例

在地形复杂的重庆地区,利用研究区内34个气象站点实测数据,分别从年、季、月3个尺度,对2000-2011年间TRMM 3B43降水数据精度进行了验证,并分析了高程和坡度对月尺度验证结果的影响,同时利用主成分分析法比较了高程与坡度对TRMM 3B43降水数据的影响程度。研究表明:(1) 年尺度上,TRMM 3B43年降水数据普遍高于气象站点的实测结果(平均偏高5.86%),渝西、渝南的结果比渝东北的准确。季尺度上,秋季拟合效果高于其它3个季节。月尺度上,相关系数R=0.85,两者之间存在显著相关性。(2) 逐站点验证,研究区TRMM 3B43月降水数据具有较高精度(相关系数均大于0.80)。(3) 随着海拔的升高,相关系数呈"增加-减少-增加"的变化趋势,绝对偏差呈减小趋势;随着坡度的升高,绝对偏差呈"增加-减少-增加"的变化趋势,绝对偏差呈线性增加的趋势。(4) 利用主成分分析方法得出,高程对数据精度的影响大于坡度。