基于集成学习方法的CLDAS土壤湿度降尺度研究
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S152.71

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国家重点研发计划(2018YFC1506602);国家自然科学基金(91437220)


Downscaling of CLDAS soil moisture based on ensemble learning method
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    摘要:

    土壤湿度为陆地生态系统水循环和能量收支的关键参数, 陆面数据同化系统可获得时空连续的土壤湿度数据, 但由于空间分辨率较低限制了进一步应用.以华北地区作为研究区, 基于单一模型(梯度提升机、深度前馈神经网络和随机森林)以及Stacking集成学习方法, 对中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS-V2.0)0~10 cm土层土壤湿度产品开展了降尺度研究.2019年4—10月降尺度模型的估算结果表明, 0~10 cm土层土壤湿度空间分辨率从6 km降尺度至1 km, 4种降尺度方法结果均能反映出我国土壤湿度时空变化规律, 一定程度上改进CLDAS产品高估现象, 且空间分布细节更加丰富, 精度得到提高, 其中以Stacking集成学习的降尺度方法最好, 降尺度的土壤湿度估算值与站点观测数据的相关性最高(R=0.756 8), 并且具有最小的误差(均方根误差为0.050 5 m3/m3, 偏差为-0.005 2 m3/m3).时间上, Stacking集成学习的降尺度结果同样与实测值的动态变化具有更高的相关性, 均方根误差和偏差以Stacking集成学习方法最小, 其次为随机森林和深度前馈神经网络.

    Abstract:

    Soil moisture is a key parameter of the water cycle and energy budget in terrestrial ecosystems.Land data assimilation system can provide spatio-temporally continuous soil moisture data, however, its low spatial resolution limits the further application.Here, the soil moisture output in 0-10 cm soil layer from China Meteorological Administration Land Data Assimilation System (CLDAS-V2.0) was downscaled from 6 km to 1 km in North China by three single models (gradient boosting machine, deep feedforward neural network and random forest) and a Stacking ensemble learning method.The downscaled results for period of April to October in 2019 show that the four downscaling methods can reflect the temporal and spatial variation of soil moisture in North China and somehow alleviate the overestimation of CLDAS products.Both the spatial distribution details and accuracies are improved compared with original CLDAS soil moisture data.Furthermore, the Stacking ensemble learning method outperforms the other three in downscaling performance, including its highest correlation coefficient with observed data (R=0.756 8) and lowest error (RMSE=0.050 5 m3/m3, Bias=-0.005 2 m3/m3).Meanwhile, the downscaled results by Stacking ensemble learning are also highly correlated with the dynamic changes of soil moisture, with lowest RMSE and bias compared with station observations, followed by random forest and deep feedforward neural network.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

韩慧敏,沈润平,黄安奇,狄文丽.基于集成学习方法的CLDAS土壤湿度降尺度研究[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2021,13(6):693-706
HAN Huimin, SHEN Runping, HUANG Anqi, DI Wenli. Downscaling of CLDAS soil moisture based on ensemble learning method[J]. Journal of Nanjing University of Information Science & Technology, 2021,13(6):693-706

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  • 收稿日期:2021-09-22
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  • 在线发布日期: 2022-01-21
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