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自然资源遥感  2021, Vol. 33 Issue (4): 111-120    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021009
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GPM卫星降水产品空间降尺度研究——以贵州省为例
杜懿(), 王大洋, 王大刚()
中山大学地理科学与规划学院,广州 510275
Spatial downscaling of GPM precipitation products: A case study of Guizhou Province
DU Yi(), WANG Dayang, WANG Dagang()
School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
全文: PDF(4562 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为提高GPM卫星降水产品的空间分辨率,扩展其应用范围,以贵州省为研究区域,通过建立空间降尺度模型对其进行降尺度研究。首先,以经度、纬度、高程、坡度、坡向等地形因子为解释变量,以原始GPM卫星降水数据为目标变量,分别建立多元线性回归、地理加权回归、极限学习机、支持向量机、随机森林回归等降尺度模型; 然后对多年平均时间尺度进行应用与评价; 最后选择效果最佳的模型分别对典型年的年、月降水量进行空间降尺度研究。结果表明,除随机森林回归模型外的其余4种空间降尺度模型均表现良好,其中以多元线性回归模型表现最为稳定、效果最优; 多元线性回归模型的降尺度结果在观测精度和空间相关性上均有较大程度的提升。该研究可为贵州省提供高分辨率的网格化降水产品,对区域水文气象研究等工作提供支持。

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杜懿
王大洋
王大刚
关键词 贵州省GPM空间降尺度多元线性回归地理加权回归极限学习机    
Abstract

To improve the spatial resolution and expand the application scopes of GPM precipitation products, the downscaling study of GPM precipitation products was conducted based on the precipitation data of Guizhou Province by establishing multiple spatial downscaling models. Firstly, with the topographic factors including longitude, latitude, elevation, slope, and aspect as explanatory variables and the original GPM precipitation data as target variables, multiple downscaling models were established based on the methods of multivariate linear regression, geographically weighted regression, extreme learning machine, support vector machine, and random forest regression. Then multiyear average precipitation data were applied and assessed, and the optimal model was selected to conduct the spatial downscaling study of the annual and monthly precipitation amount in typical years in Guizhou Province. According to the results, the downscaling models except for the random forest regression model all performed well. Most especially, the multivariate linear regression model performed the most stably and effectively and yielded the highly improved downscaling results in terms of observation accuracy and spatial correlation. This study will provide a set of high-resolution gridded precipitation products for Guizhou Province and provide support for regional hydrometeorological research.

Key wordsGuizhou Province    GPM    spatial downscaling    multivariate linear regression    geographically weighted regression    extreme learning machine
收稿日期: 2021-01-08      出版日期: 2021-12-23
ZTFLH:  TP79P468  
基金资助:国家自然科学基金面上项目“基于降水分类的极端降水与气温关系及其未来变化研究”(51779278)
通讯作者: 王大刚
作者简介: 杜 懿(1994-),男,博士研究生,专业方向为水文及水资源。Email: duyi19930922@163.com
引用本文:   
杜懿, 王大洋, 王大刚. GPM卫星降水产品空间降尺度研究——以贵州省为例[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 111-120.
DU Yi, WANG Dayang, WANG Dagang. Spatial downscaling of GPM precipitation products: A case study of Guizhou Province. Remote Sensing for Natural Resources, 2021, 33(4): 111-120.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021009      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2021/V33/I4/111
Fig.1  贵州省主要气象站点及高程分布
站点 经度/(°) 纬度/(°) 高程/m 年均降水/mm
威宁 104.28 26.87 2 236.2 927.55
盘县 104.62 25.78 1 516.9 1 204.92
桐梓 106.83 28.13 972.0 977.88
毕节 105.28 27.30 1 514.4 897.35
湄潭 107.47 27.77 792.8 1 071.89
思南 108.25 27.95 417.7 1 030.32
铜仁 109.18 27.72 280.8 1 339.56
黔西 106.02 27.03 1 252.5 885.63
安顺 105.92 26.26 1 394.1 1 189.69
贵阳 106.72 26.58 1 074.3 1 158.04
凯里 107.98 26.60 722.6 1 241.95
三穗 108.67 26.97 611.0 1 161.98
兴仁 105.18 25.43 1 379.3 1 167.61
望谟 106.08 25.18 567.0 1 222.87
罗甸 106.77 25.43 441.5 1 170.62
独山 107.55 25.83 1 012.3 1 216.06
榕江 108.53 25.97 287.4 1 259.57
Tab.1  贵州省内气象站点基本信息
时间尺度 极限学习机 支持向量机 随机森林
训练期 验证期 训练期 验证期 训练期 验证期
多年平均 1.30 3.95 3.54 10.17 0.94 9.43
多年春季 2.28 3.78 8.50 6.46 1.87 14.07
多年夏季 1.61 7.37 14.10 15.33 0.92 4.47
多年秋季 2.23 10.64 8.12 8.72 1.14 6.49
多年冬季 6.71 9.09 6.63 11.53 4.91 28.36
Tab.2  机器学习模型的MAPE计算结果
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年平均 0.1 ° × 0.1 ° 80.07 7.17 102.70 0.83
0.01 ° × 0.01 ° 71.07 6.39 94.37 0.88
多年春季 0.1 ° × 0.1 ° 25.41 8.71 33.69 0.97
0.01 ° × 0.01 ° 24.71 8.36 33.39 0.97
多年夏季 0.1 ° × 0.1 ° 49.50 9.60 57.22 0.79
0.01 ° × 0.01 ° 44.89 8.89 53.49 0.85
多年秋季 0.1 ° × 0.1 ° 17.37 7.47 22.13 0.61
0.01 ° × 0.01 ° 15.92 6.91 20.24 0.70
多年冬季 0.1 ° × 0.1 ° 10.30 16.66 12.21 0.90
0.01 ° × 0.01 ° 9.81 14.91 11.94 0.89
Tab.3  各时间尺度下多元线性回归模型评价指标计算结果
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年平均 0.1 ° × 0.1 ° 80.07 7.17 102.70 0.83
0.01 ° × 0.01 ° 75.12 6.73 96.89 0.85
多年春季 0.1 ° × 0.1 ° 25.41 8.71 33.69 0.97
0.01 ° × 0.01 ° 26.58 8.95 34.89 0.97
多年夏季 0.1 ° × 0.1 ° 49.50 9.60 57.22 0.79
0.01 ° × 0.01 ° 46.28 9.07 54.46 0.82
多年秋季 0.1 ° × 0.1 ° 17.37 7.47 22.13 0.61
0.01 ° × 0.01 ° 16.21 6.95 20.64 0.66
多年冬季 0.1 ° × 0.1 ° 10.30 16.66 12.21 0.90
0.01 ° × 0.01 ° 9.71 16.12 11.09 0.92
Tab.4  各时间尺度下地理加权回归模型评价指标计算结果
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年平均 0.1 ° × 0.1 ° 80.07 7.17 102.70 0.83
0.01 ° × 0.01 ° 76.41 6.92 94.01 0.86
多年春季 0.1 ° × 0.1 ° 25.41 8.71 33.69 0.97
0.01 ° × 0.01 ° 22.88 7.85 31.10 0.96
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年夏季 0.1 ° × 0.1 ° 49.50 9.60 57.22 0.79
0.01 ° × 0.01 ° 46.66 9.29 57.14 0.82
多年秋季 0.1 ° × 0.1 ° 17.37 7.47 22.13 0.61
0.01 ° × 0.01 ° 18.21 7.67 22.91 0.57
多年冬季 0.1 ° × 0.1 ° 10.30 16.66 12.21 0.90
0.01 ° × 0.01 ° 10.45 16.82 13.08 0.88
Tab.5  各时间尺度下极限学习机模型评价指标计算结果
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年平均 0.1 ° × 0.1 ° 80.07 7.17 102.70 0.83
0.01 ° × 0.01 ° 73.63 6.71 87.01 0.79
多年春季 0.1 ° × 0.1 ° 25.41 8.71 33.69 0.97
0.01 ° × 0.01 ° 25.41 9.57 31.55 0.92
多年夏季 0.1 ° × 0.1 ° 49.50 9.60 57.22 0.79
0.01 ° × 0.01 ° 43.97 8.70 53.86 0.80
多年秋季 0.1 ° × 0.1 ° 17.37 7.47 22.13 0.61
0.01 ° × 0.01 ° 14.55 6.25 19.24 0.65
多年冬季 0.1 ° × 0.1 ° 10.30 16.66 12.21 0.90
0.01 ° × 0.01 ° 9.21 14.32 11.30 0.89
Tab.6  各时间尺度下支持向量机模型评价指标计算结果
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
多年平均 0.1 ° × 0.1 ° 80.07 7.17 102.70 0.83
0.01 ° × 0.01 ° 68.13 6.14 93.31 0.71
多年春季 0.1 ° × 0.1 ° 25.41 8.71 33.69 0.97
0.01 ° × 0.01 ° 19.16 5.99 31.61 0.89
多年夏季 0.1 ° × 0.1 ° 49.50 9.60 57.22 0.79
0.01 ° × 0.01 ° 44.02 8.80 52.45 0.82
多年秋季 0.1 ° × 0.1 ° 17.37 7.47 22.13 0.61
0.01 ° × 0.01 ° 17.77 7.53 22.45 0.45
多年冬季 0.1 ° × 0.1 ° 10.30 16.66 12.21 0.90
0.01 ° × 0.01 ° 15.82 20.83 21.65 0.73
Tab.7  各时间尺度下随机森林回归模型评价指标计算结果
Fig.2  多年平均年降水量空间分布
Fig.3  多年平均春季降水量
Fig.4  多年平均夏季降水量
Fig.5  多年平均秋季降水量
Fig.6  多年平均冬季降水量
Fig.7  研究区逐年降水量变化过程
时间尺度 分辨率 MAE/
mm
MAPE/
%
RMSE/
mm
R
干旱典型年 0.1 ° × 0.1 ° 93.12 11.62 103.72 0.72
0.01 ° × 0.01 ° 89.82 11.23 100.03 0.73
湿润典型年 0.1 ° × 0.1 ° 145.07 11.22 189.44 0.50
0.01 ° × 0.01 ° 135.84 10.71 172.37 0.62
Tab.8  干、湿典型年降水量降尺度效果评价
Fig.8  典型干旱年年降水量
Fig.9  典型湿润年年降水量
Fig.10  典型干旱年降水量月程分配
Fig.11  典型湿润年降水量月程分配
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