卫星降水产品尺度效应及检验策略研究

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自然界降水具有强烈的时空变异特征,准确的降水测量是水文气象领域颇具挑战性的科学问题之一。卫星遥感反演是获得全球降水数据的重要途径。尺度问题是遥感降水反演方法、产品、产品检验以至多源降水数据联合使用所面临的首要问题。论文围绕尺度这一核心问题,从量化遥感降水数据的尺度效应出发,重点发展高时空分辨率降水数据的降尺度方法,设计并提出遥感降水数据多尺度陆面检验策略,为遥感降水数据应用及多源降水数据融合提供研究基础,最终建立多源降水数据检验的完备理论和方法体系。  定量研究了尺度差异对卫星降水产品精度的影响。在华南地区(25°N~30°N,115°E~120°E),以区内100个地面站点观测数据为参照,采用卫星数据升尺度和站点数据聚合的多尺度比较方法,定量评估了热带降雨观测卫星(TRMM)3B43数据和3B42实时数据的精度与尺度之间的关系。研究结果显示,随着粒度尺度增大,遥感降水数据的空间变异性减小;遥感数据和站点数据的各自的均值相当;二者的一致性增大,差异性减小,且系统误差与随机误差均呈现减小趋势。在某一粒度尺度上,降水数据的系统误差趋于稳定,随机误差接近于0。总之,随着粒度尺度的增大,遥感数据与站点数据的一致性增强,差异性减弱,表明遥感数据精度随粒度尺度的增大而提高。此外,利用加法误差模型和乘法误差模型得到的结果具有良好的一致性。  首次提出了基于累积直方图匹配的高时空分辨率遥感降水数据的降尺度方法(Downscaling based on Cumulative Distribution of Frequency,DCDF)。该方法假设降水速率和红外波段云顶辐射温度(Tb)之间具有相似的累积概率分布特征。以中国地区的六个5°×5°不同气候区为研究对象,基于2014年气候预测中心算法生成的降水数据(CMORPH)和FY-2E热红外波段的Tb数据,在10天1°×1°范围内建立降水速率和Tb之间的定量关系,最终将3小时、0.25°分辨率的CMORPH数据提高到1小时、0.05°分辨率。研究表明,降水速率和Tb之间存在显著的幂函数关系,该关系可以有效地反应不同气候区降水的特点。降尺度后的降水产品能更好地反映降水的细节和运动过程。当降水速率为1~10mm·h-1时,降尺度数据和CMORPH数据与雨滴谱数据有良好的一致性。在日尺度上,降尺度数据和CMORPH数据在区域尺度上的精度相近;在点位尺度上,79%降尺度数据的精度更高或者与CMORPH相当。定量检验结果显示,在对流雨为主的区域,降尺度数据的精度最高(Bias=7.35%~10.35%;R=0.48~0.60),相比之下,CMORPH数据的精度为Bias=20.82%~94.19%,R=0.31~0.59。在锋面雨为主的区域,降尺度数据和CMORPH数据的精度相当。在地形雨为主的区域、干旱区、地形复杂区域或者旱季,二者的精度均较低。  考虑降水的气象气候学特征与遥感降水数据的多尺度特性,提出遥感降水数据陆面多尺度检验策略。降水的气象和气候学特征决定了开展检验的空间范围(幅度尺度),同时限定了待检验数据的分辨率(粒度尺度)。针对中小尺度天气系统下的降水产品检验,主要是范围小于200公里、生命期短的对流雨,通常开展小时或日数据的检验。针对中间天气系统尺度下的降水产品检验,主要是范围为200~2000公里、生命期较长的温带锋面雨,通常开展日或者几日数据的检验。针对气候尺度下的降水产品检验,主要是某一区域、气候区或者气候带的月、年遥感数据检验。全球尺度检验是指兼顾降水类型和降水分布规律,包括纬度、海陆和地形等因素对遥感降水精度的影响,以及对流雨、锋面雨及地形雨的遥感降水精度特征。最后,以中国区域为研究对象,开展遥感降水数据多尺度检验,检验遥感降水数据多尺度检验策略的有效性。  论文首先以华南部分区域为例,从分析遥感降水数据的尺度效应着手,揭示了遥感数据精度随粒度尺度的变化规律;进一步以中国区六大气候区域为研究对象,提出并验证了基于累积直方图匹配的高时空分辨率遥感降水数据降尺度方法,在充分认识数据精度与粒度尺度的基础上,提高了遥感降水数据的时空分辨率;最后以整个中国区域为落脚点,设计并提出了遥感降水数据陆面多尺度检验策略,为遥感降水数据应用、多源遥感降水数据之间、遥感降水数据与地面观测数据的联合使用奠定了理论和方法基础。研究结果同样适用于全球降水数据。
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