基于地面測量數(shù)據(jù)校正的降雨衛(wèi)星暴雨同化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于降雨量預(yù)估技術(shù)領(lǐng)域，尤其及一種基于地面測量數(shù)據(jù)校正的降雨衛(wèi)星 暴雨同化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 降水是地球水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，降水量的改變在建立水循環(huán)模型，維持 生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，洪水報警預(yù)測方面起著十分重要的作用。精準地測量降水及其 區(qū)域和全球分布，長期以來一直是一個頗具挑戰(zhàn)性的科學研究目標。
[0003] 傳統(tǒng)的雨量站和氣象雷達系統(tǒng)是一種直接獲取降雨數(shù)據(jù)的方式，但是由于降雨在 時間和空間上的不均勻性以及測量站點的分布局限性，很難獲得大區(qū)域和全球性的降雨分 布，尤其對于偏遠地區(qū)，盆地，以及地形復雜的區(qū)域。因此，近年來，具有全球覆蓋性和幾乎 不間斷的時間連續(xù)性的衛(wèi)星降雨預(yù)估產(chǎn)品在彌補地面雨量計和地基雷達降雨測量的局限 性方面的作用越來越受到重視。
[0004] 目前主流的衛(wèi)星降水產(chǎn)品包括紅外主導的降水預(yù)估，該產(chǎn)品對使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 獲得的遙感信息進行降水反演，還有后來的PERSIANN-CSS(Hongetal.，2004)，微波主導 的CMORPH(Joyceetal.，2004)和基于TRMM的降雨衛(wèi)星產(chǎn)品 3B42RT, 3B42V6(Huffmanet al.，2007)等，這些降雨衛(wèi)星產(chǎn)品已經(jīng)在災(zāi)害監(jiān)測，水文建模和氣象監(jiān)測方面獲得了廣泛應(yīng) 用。熱帶降雨測量計劃測雨雷達（簡稱TRMMPR)是第一個主動遙感的星載降雨雷達，其 多衛(wèi)星降雨分析（TMPA)系統(tǒng)是迄今為止對降雨數(shù)據(jù)有著最優(yōu)預(yù)測的系統(tǒng)。TMPAZ準實時 3B42RT將微波輻射計放置在多個低軌道衛(wèi)星上，全球降雨觀測衛(wèi)星能以每三小時為周期提 供觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)集是一套覆蓋南北煒60度之間的全球3小時降雨平均格點降雨數(shù)據(jù) 集。然而，當要求獲得單位小時的降雨數(shù)據(jù)時則會產(chǎn)生明顯的抽樣誤差。因此，利用填縫技 術(shù)將衛(wèi)星數(shù)據(jù)與來自地球同步衛(wèi)星的紅外數(shù)據(jù)相結(jié)合，以獲得具有高時間分辨率的全球降 雨圖變得十分必要。
[0005]全球降水衛(wèi)星制圖（GSMaP;0kamotoetal· 2005;Kubotaetal· 2007;Aonashi etal. 2009;Ushioetal. 2009)是近年來解決基于衛(wèi)星的降雨預(yù)估在時間上和空間上具 有高尺度變異性的有效方法。此技術(shù)起始于2002年，由日本科學技術(shù)振興機構(gòu)（JST)和日 本宇宙航空機構(gòu)（JAXA)的降水測量科學團隊提供支持。此項目的主要目的是使用當前在 軌的被動微波輻射計數(shù)據(jù)生產(chǎn)具有高精度，高分辨率的全球降雨產(chǎn)品；此外，改善降水物理 模型和降雨速率反演算法；并進一步評估產(chǎn)品精度，為全球降雨測量（GMP)項目的開展奠 定基礎(chǔ)。這個項目廣泛收集了來自被動微波（PMW)和紅外（IR)傳感器的衛(wèi)星預(yù)測輸入數(shù) 據(jù)，可以通過將被動微波傳感器的數(shù)據(jù)和紅外輻射計的數(shù)據(jù)相結(jié)合的技術(shù)，提供具有較高 時間精度和空間精度的產(chǎn)品?；诖思夹g(shù)的全球降雨預(yù)測產(chǎn)品在洪水預(yù)警系統(tǒng)等水文領(lǐng)域 有廣泛應(yīng)用。
[0006] 未經(jīng)過雨量計修正的全球降雨衛(wèi)星制圖（GSMaP)產(chǎn)品叫做GSMaP_MVK，它能提供 表面降雨率為〇. 1度，時間分辨率為一小時的全球降雨預(yù)測值。為了提高衛(wèi)星降水可靠性， 一種有效的方法是將此測量數(shù)據(jù)與另一數(shù)據(jù)來源相結(jié)合，如全球雨量計數(shù)據(jù)集。由于全球 降雨衛(wèi)星制圖產(chǎn)品（GSMaP_MVK)預(yù)估和地面測量在時間和空間上抽樣點不同，兩組測量值 會出現(xiàn)不匹配的情況，為了填補衛(wèi)星預(yù)測和地面雨量站之間由時空分辨率不同引起的預(yù)測 誤差，基于雨量計的全球降雨衛(wèi)星制圖校準產(chǎn)品GSMaP_Gauge(Kubotaetal.，2007)應(yīng)運 而生。
[0007] 對該產(chǎn)品可能產(chǎn)生的誤差進行量化并進一步進行記錄，可增大其應(yīng)用價值和應(yīng)用 范圍。然而，基于該產(chǎn)品現(xiàn)有的降水評估主要局限在日本領(lǐng)域（Ushioetal.2009;Kubota etal. 2009)，其他地域仍缺乏詳細的研究。此外，在具有強降雨的案例中，該產(chǎn)品的技術(shù)方 法在預(yù)測應(yīng)用中比起觀測站較大程度上降低了降雨預(yù)估值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了水文學的進一步研究及工程應(yīng)用，數(shù)據(jù)同化是修正調(diào) 整實時測量數(shù)據(jù)的一個有效方法。因此，本文的主要目的就是給出一個方法，就是將全球降 雨衛(wèi)星制圖產(chǎn)品的預(yù)測值和一定密度的雨量計觀測所預(yù)測的降雨量數(shù)值進行同化，從而更 精準的預(yù)估出降雨量，尤其是極端強降雨的情況。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下，
[0010] 一種基于地面測量數(shù)據(jù)校正的降雨衛(wèi)星暴雨同化方法，包括以下步驟：
[0011] (1)預(yù)處理：獲得相互獨立的衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)和地面雨量站數(shù)據(jù)，同時對測量值比 較分析得出測量偏差，具體為：GSMaP_MVK為數(shù)據(jù)同化提供實時的遙感測量數(shù)據(jù)，并將其記 作St，將網(wǎng)格化之后的地面雨量計測量的數(shù)據(jù)記作Gt，將GSMaP_MVK提供的實時遙感測量數(shù) 據(jù)與地面雨量計的測量值之間的測量偏差記作Zt表示為一個自回歸模型如下式：
[0012]
[0013] (2)時間更新：將測量值估值和噪聲誤差估值都表示為自相關(guān)函數(shù)；
[0014] (3)測量更新：通過卡爾曼濾波方法對測量偏差預(yù)估值和噪聲誤差方差預(yù)估值進 行同化。
[0015] 進一步的，所述步驟（2)中將測量值估值和噪聲誤差估值都表示為自相關(guān)函數(shù)具 體為：
[0016]SZt的預(yù)估值為xt，并且xt滿足自相關(guān)函數(shù)關(guān)系：
[0017] xt=Axt !+Bt (2)
[0018] 其中，A是測量偏差的一階相關(guān)系數(shù)，Bt是一個均值為0的獨立隨機變量；將x,的 預(yù)估值表達為：
[0019] χ：? -Λχ·^ 13)
[0020] 將Bt預(yù)估方差Pt表示為：
[0021] Pt=APtlAT+Q(4)
[0022] 其中，Pti是t_l時刻預(yù)測的誤差方差，Q是狀態(tài)噪聲方差。
[0023] 進一步的，步驟（3)所述通過卡爾曼濾波方法對測量偏差預(yù)估值和噪聲誤差方差 預(yù)估值進行同化具體為：
[0024] 將測量偏差估計值用.?表示，噪聲誤差估計值用Pt表示，使用卡爾曼濾波更新 方法得到以下表達式：
[0025]
[0026] 其中，Kt表示t時刻的卡爾曼濾波增益，R表示測量噪聲方差。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1、能在獲取衛(wèi)星實時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合雨量站信息獲得更可靠的降雨數(shù)據(jù)，同時 減小數(shù)據(jù)誤差；
[0029] 2、卡爾曼濾波后的同化數(shù)據(jù)和標準的全球降水衛(wèi)星制圖產(chǎn)品GSMaP_MVK相比，是 更有效的數(shù)據(jù)同化工具，在降雨強度較大的情況中和地面觀測值有著更密切的一致性。
[0030] 3、卡爾曼濾波的同化方法不僅適用于海拔比較低的地區(qū)，在海拔較高的山地也同 樣有著較強的適用性；
[0031] 4、基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)同化方法在捕捉連續(xù)時間序列的降水時空變化中有更 好的優(yōu)化效果。
【附圖說明】：
[0032] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0033] 圖1是本發(fā)明基于地面測量數(shù)據(jù)校正的降雨衛(wèi)星暴雨同化方法的處理過程的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2(a)是整個涇河流域在0.Γ*0.1°的分辨率下，a，b，c類網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星測 量值隨累計降水量和海拔高度變化的CC參數(shù)變化三維圖；
[0035] 圖2(b)是整個涇河流域在0.Γ*0.1°的分辨率下，a，b，c類網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)同化結(jié)