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自然资源遥感  2021, Vol. 33 Issue (4): 209-218    DOI: 10.6046/zrzyyg.2020395
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湘江流域TRMM卫星降水产品降尺度研究与应用
范田亿1,2(), 张翔2(), 黄兵1, 钱湛1, 姜恒1
1.湖南省水利水电勘测设计研究总院洞庭湖研究中心,长沙 410007
2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072
Downscaling of TRMM precipitation products and its application in Xiangjiang River basin
FAN Tianyi1,2(), ZHANG Xiang2(), HUANG Bing1, QIAN Zhan1, JIANG Heng1
1. Research Center of Dongting Lake, Hunan Hydro & Power Design Institute, Changsha 410007, China
2. State Key Lab of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China
全文: PDF(7566 KB)   HTML  
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摘要 

为满足各行业对高分辨率、高精度降水数据的需求,以湘江流域为例,分别建立了基于多元线性回归法(multiple linear regression,MLR)和地理加权回归法(geographic weighted regression,GWR)的TRMM卫星降水降尺度模型,采用留一交叉验证法对模型进行优选,反演得到0.05°卫星-地面融合降水产品,并在此基础上分析了湘江流域的时空变化特征。结果表明: 相比热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)降水,降尺度后TRMM降水的空间分辨率得到大幅度提升,且与气象站点观测降水之间的决定系数平均提高了0.27以上,均方根误差和平均相对偏差平均降低了28.42 mm和29.88百分点以上,表明考虑植被、地形和地理要素的回归降尺度模型能够较为准确地刻画降水的空间分布特征; 相比MLR降尺度模型得到的降水,GWR降尺度模型得到的降水与气象站点观测降水之间的决定系数平均提高了0.06,均方根误差和平均相对偏差平均降低了14.88 mm和8.83百分点,表明GWR降尺度效果更好; 2006—2017年湘江流域不同时间尺度的降水时空变化特征迥异,表现在变化趋势及其显著性、对应区域的位置及面积上。

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范田亿
张翔
黄兵
钱湛
姜恒
关键词 TRMM降尺度时空变化湘江流域    
Abstract

To meet the demand of various industries for high-resolution and high-precision precipitation data, this study establishes the downscaling models of the TRMM precipitation data of the Xiangjiang River basin based on the methods of multivariate linear regression (MLR) and geographically weighted regression (GWR). The leave-one-out cross-validation method was adopted to select the optimal model, and a satellite-ground fusion precipitation product with a resolution of 0.05° was obtained through inversion. On this basis, the spatial-temporal change characteristics of the precipitation in the Xiangjiang River basin were analyzed. The results are as follows. The spatial resolution of the TRMM precipitation data was greatly improved after downscaling. As verified using the precipitation observed at meteorological stations, the coefficient of determination of the TRMM precipitation data increased by more than 0.27, and the root mean square error and average relative error of the TRMM precipitation data decreased by more than 28.42 mm and 29.88 percentage points, respectively on average after downscaling. All these indicate that the regression downscaling model that takes account of vegetation, terrain, and geographic elements can accurately describe the spatial distribution characteristics of precipitation. According to the verification using the precipitation observed at meteorological stations, the coefficient of determination of the GWR downscaling model increased by 0.06 compared to the MLR downscaling model. Meanwhile, the root mean square error and average relative error of the precipitation data obtained using the GWR downscaling model decreased by 14.88 mm and 8.83 percentage points, respectively on average compared to precipitation data obtained using the MLR downscaling model. These indicate better effects of the GWR downscaling model. The spatial-temporal change characteristics of the precipitation in the Xiangjiang River basin during 2006—2017 are greatly different on different time scales, which is reflected in the changing trend and its significance and the locations and area of corresponding zones.

Key wordsTRMM    spatial downscaling    spatiotemporal variation    Xiangjiang River basin
收稿日期: 2020-12-08      出版日期: 2021-12-23
ZTFLH:  TP79P339  
基金资助:国家重点研发计划课题“变化环境下长江重大水问题综合分析与研判”(2019YFC0408901);湖南省自然科学基金项目“苦草营养元素代谢与碳汇关键过程对气候变化的响应研究”(2020JJ5316)
通讯作者: 张翔
作者简介: 范田亿(1995-),女,硕士,助理工程师,主要从事变化环境下水资源水环境研究。Email: 1723257974@qq.com
引用本文:   
范田亿, 张翔, 黄兵, 钱湛, 姜恒. 湘江流域TRMM卫星降水产品降尺度研究与应用[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 209-218.
FAN Tianyi, ZHANG Xiang, HUANG Bing, QIAN Zhan, JIANG Heng. Downscaling of TRMM precipitation products and its application in Xiangjiang River basin. Remote Sensing for Natural Resources, 2021, 33(4): 209-218.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2020395      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2021/V33/I4/209
Fig.1  湘江流域数字高程和河网图
数据类型 数据名称 空间分
辨率
时间分
辨率
数据来源
遥感数据 TRMM 3B42 0.25° 美国国家航空航天局
NDVI 1 km
DEM 90 m 中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台
气象数据 降水 中国气象数据网
Tab.1  研究数据及来源
Fig.2  湘江流域2006—2017年TRMM多年平均降水量空间分布图
方法 全局/局
部回归
参数估计方法 计算量 优势
MLR 全局 普通最小二乘法 理论完善
GWR 局部 加权最小二乘法 动态建模, 逐点赋权, 减少“关系微弱”数据的干扰
Tab.2  降尺度方法对比
Fig.3  湘江流域降尺度前后数据点的空间分布图
精度评
价指标
公式 最优值
R2 R 2 = j = 1 n ( x j - x - ) ( y j - y - ) j = 1 n ( x j - x - ) 2 j = 1 n ( y j - y - ) 2 2 1
RMSE/mm RMSE = j = 1 n ( x j - y j ) 2 n 0
ARE/% ARE = j = 1 n x j - y - n × y - 0
Tab.3  精度评价指标
Fig.4  降尺度前后TRMM月均降水量空间分布图
Fig.5  降尺度模型预测月降水量结果验证
月份 R2 RMSE/mm ARE/%
TRMM MLR GWR TRMM MLR GWR TRMM MLR GWR
1月 0.56 0.58 0.84 35.50 10.41 5.91 61.91 13.51 6.71
2月 0.38 0.87 0.84 42.15 13.64 7.75 46.51 13.30 7.08
3月 0.63 0.94 0.94 35.99 16.13 4.53 25.51 7.99 2.31
4月 0.72 0.94 0.95 51.76 21.51 7.62 37.45 8.95 3.02
5月 0.44 0.84 0.91 80.32 36.35 11.62 29.23 14.01 3.99
6月 0.54 0.84 0.91 76.22 40.40 12.83 29.14 13.40 3.75
7月 0.70 0.90 0.94 63.05 23.57 7.01 49.58 13.07 3.80
8月 0.52 0.84 0.80 65.13 38.61 10.57 34.16 16.26 5.04
9月 0.38 0.82 0.93 55.04 27.58 8.08 37.79 22.13 6.98
10月 0.61 0.90 0.96 31.40 13.84 4.03 63.02 12.42 4.80
11月 0.82 0.89 0.96 39.19 17.40 7.60 50.92 12.60 4.73
12月 0.60 0.88 0.94 40.90 16.15 9.58 62.34 21.26 10.74
平均值 0.58 0.85 0.91 51.39 22.97 8.09 43.96 14.08 5.25
Tab.4  降尺度前、后TRMM月降水量精度评价结果统计
Fig.6  湘江流域多年平均月降水量空间分布图
Fig.7  湘江流域降水时空变化趋势分布图
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