多源卫星降水产品的近实时校正融合方法研究及水文应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 孟铖铖 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 莫兴国 |
| 关键词 | 近实时卫星降水估计 数据评估 多阶段订正框架 SWAT模型 水文效用 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 降水是重要的气象要素，与气象水文预报、旱涝灾害、水资源管理等诸多方面密切相关。降水具有明显的时空异质性，难以进行准确估计，高精度降水时空分布数据的缺乏制约着与之相关的气象水文领域的发展。气象卫星技术和遥感反演算法的发展使得卫星降水估计成为弥补地面站点观测不足的重要手段。卫星降水数据容易获取且观测过程不受地面设备布设条件的限制，在区域降水监测中具有明显的优势。但目前的卫星降水产品包含较大的误差，通过数据评估探究卫星降水产品误差特征，对数据进行合理的误差订正，能够提高数据质量，进而提升卫星降水产品的水文效用。同时，探究降水驱动误差在降水-径流模拟过程中的传递特征有助于进一步明晰卫星降水产品水文模拟适用性。本文以IMERG、GSMaP、PERSIANN遥感降水反演算法的六种代表性近实时降水数据集（GSMaP_NRT、GSMaP_MVK、IMERG Early run、IMERG Late run、PDIR-now和PERSIANN-CCS）为研究对象，以黄河源区、伊洛河流域和唐河流域为研究区，通过分析卫星降水产品与地面观测数据的差异，对卫星降水产品进行精度评估；利用近实时更新的开源降水观测数据产品，构建开源背景下的近实时卫星降水产品多阶段订正框架，对降水产品的降水发生频率和降水量进行校正，提高近实时卫星降水产品的数据精度和应用潜力；通过构建区域水文模型，探究卫星降水产品在径流模拟中的误差特征及水文模拟适用性。
本论文的主要结果及结论如下：
（1）不同卫星降水产品精度特征存在差异，卫星降水产品在雨季的数据精度往往优于旱季。后处理产品GSMaP_Gauge在各区域数据精度较好；IMERG近实时产品较其他近实时产品在各区域表现最好。卫星降水产品误差主要由探测事件导致，其次为误报事件，漏报误差占比较小。卫星降水产品的后处理过程能够一定程度改进数据的统计评估指标，减小数据误差，但仍存在一定不足。卫星降水产品数据质量在不同时间尺度、降水强度和降水类型下存在差异。以新一代卫星降水产品GPM IMERG为例，卫星降水产品数据质量随时间尺度由日拓展至月得到提升；降水产品对中等强度降水（5~10 mm/d）具有更好的探测能力，对弱降水和强降水的估测能力存在不足；降水产品对液态降水探测效果优于固态降水，降水强度和降水类型对数据精度存在共同影响，当降水强度低于5 mm/d时，对固态降水估测误差更小；参考数据不确定性可能导致卫星降水产品性能被低估。
（2）利用CPC开源降水观测网格数据构建近实时卫星降水产品多阶段订正框架能有效提高近实时卫星降水产品数据精度，由机器学习方法组成的双机器学习订正框架（DML）的订正结果具有最高的数据精度，优于基于统计方法的订正框架（SEC），将近实时卫星降水产品区域平均KGE和CSI指标提高了31.48%~529.86%和30.46%~97.78%。DML订正结果优于参考数据并具有更高的空间分辨率，优于主流的后处理卫星降水产品并具有较高的时效性。多阶段订正框架显著降低了卫星降水数据的误报误差和探测误差这两个主要误差成分。其中，DML框架在各阶段的改进有效且均衡，SEC框架在降水发生频率订正阶段对数据误差组成影响较小，主要是通过对降水强度的校正融合来减小数据误差。参考数据集的准确性对DML框架的订正效果起决定性作用，但对SEC订正结果影响较小。在不同参考站点密度下，DML订正结果对降水事件的捕获能力均优于站点插值数据，在降水量估计方面精度与插值数据相近，但在站点密度较低时略有优势。DML订正框架在近实时降水估计中具有极大的应用潜力，当缺少近实时地面参考数据时，仍能够提升近实时卫星降水产品精度。该订正框架在次日尺度降水订正中也具有一定有效性。
（3）SWAT模型在黄河源区、伊洛河和唐河上游区域均具有适用性，对各研究区日径流模拟精度均达到可信（R2>0.50，NSE>0.50，RE≤±25%），日径流模拟精度在黄河源区（唐乃亥站以上）整体较高，优于唐河流域（中唐梅站以上）和伊洛河流域（灵口站以上）。使用站点观测降水构建、率定模型所得的最优参数组时，直接采用近实时卫星降水数据驱动水文模型仍存在较大误差，在此基础上进一步进行参数率定能一定程度提高近实时卫星降水产品的径流模拟结果，但仅GSMaP_NRT数据在黄河源区日径流模拟率定期结果达到可信。采用后处理卫星降水产品和订正后的DML数据驱动水文模型相较于其他卫星降水产品，模拟效果有所提升，其中DML降水数据在黄河源区的径流模拟效果可达极好（R2>0.85，NSE>0.75，RE≤±10%），在唐河流域为较好（0.75 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 149 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199793]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孟铖铖. 多源卫星降水产品的近实时校正融合方法研究及水文应用[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。