甘富萬(wàn),余膳男,黃宇明,孫晉東,張華國(guó) ,金彩平
(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;3.中交上航局航道建設(shè)有限公司,浙江 寧波 315200;4.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院,廣西 南寧 530000)
降水是水循環(huán)中最基本的環(huán)節(jié),同時(shí)也是水文和氣象科學(xué)中最重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)之一。目前,獲得降雨數(shù)據(jù)的主要方式有:地面雨量站觀測(cè)、地面反演雷達(dá)和衛(wèi)星遙感測(cè)雨[1]。地面站點(diǎn)由于野外臺(tái)站分布的地域局限、分布不均勻、時(shí)間不連續(xù)等,特別是對(duì)無(wú)人區(qū)降雨資料的獲取時(shí),往往使雨量計(jì)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)空代表性不強(qiáng)[2]。地面反演雷達(dá)因?yàn)榇嬖诘孛婵臻g的復(fù)雜性和雷達(dá)返回波的不穩(wěn)定性,所以不可避免地降低了降雨量的估測(cè)精度[3- 4]。遙感降雨數(shù)據(jù)自20世紀(jì)問(wèn)世以來(lái),受到了水文和氣象研究者的極大關(guān)注。TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)憑借其時(shí)效性強(qiáng)、時(shí)間周期短、空間分辨率高等特點(diǎn),近年來(lái)已作為地面觀測(cè)降水替代資料廣泛應(yīng)用于水文模擬、水旱災(zāi)害預(yù)報(bào)、水資源管理等方面[5]。TRMM是美國(guó)航天局和日本空間發(fā)展局共同研制的監(jiān)測(cè)遙感衛(wèi)星,其所載的PR(Precipitation Radar)傳感器是全球唯一的星載測(cè)雨雷達(dá),可獲取準(zhǔn)全球的高時(shí)空分辨率降水?dāng)?shù)據(jù)[6-7]。多源衛(wèi)星降水分析產(chǎn)品TMPA(TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis)是基于TRMM衛(wèi)星資料研發(fā)的衛(wèi)星遙感降雨數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了衛(wèi)星多個(gè)傳感器資料和地面雨量計(jì)觀測(cè)資料,經(jīng)過(guò)了資料整合分析后得到的高精度降雨數(shù)據(jù)。TRMM 3B42 V7 TMPA衛(wèi)星產(chǎn)品是TMPA第7版本的產(chǎn)品,其空間覆蓋范圍為50°S-50°N,空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率最大達(dá)到3 h。
阻礙衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)得到全面推廣的主要原因是其相對(duì)不穩(wěn)定的時(shí)間序列精度和空間刻畫(huà)能力[8],國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)研究做了大量的工作。Yong B等[9]研究了高緯度的青藏高原地區(qū)的TRMMV6、V7降雨數(shù)據(jù)的精度,結(jié)果顯示TRMMV7產(chǎn)品比V6產(chǎn)品的系統(tǒng)偏差有顯著改善;但在冬季未能緩解高緯度的老哈流域TRMMV7產(chǎn)品的嚴(yán)重高估問(wèn)題。楊云川等[10]在長(zhǎng)江上游金沙江流域的典型高山峽谷地區(qū),評(píng)估了TRMM3B42V6產(chǎn)品的精度;結(jié)果表明隨著高程的增加,衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)降雨的探測(cè)能力越低。Zeng等[11]在月尺度上,驗(yàn)證了我國(guó)干旱的瀾滄江地區(qū)TMPA 3B43V6降雨產(chǎn)品;結(jié)果顯示V6產(chǎn)品在干旱監(jiān)測(cè)方面精度較高。Chen等[12]對(duì)中國(guó)地區(qū)TRMMV6、RTV6、V7以及RTV7四種衛(wèi)星產(chǎn)品的降水資料進(jìn)行精度評(píng)價(jià),從統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)、相對(duì)偏差等指標(biāo)發(fā)現(xiàn), V7版本比V6版本在精度方面有了較大的提升。
因此,在使用前非常有必要對(duì)TRMM多衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度進(jìn)行定量評(píng)估。本文以南流江流域的常樂(lè)水文站以上集水區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域,以其同時(shí)間段TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,在日、月和季節(jié)時(shí)間尺度上對(duì)兩套衛(wèi)星降雨產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)估,評(píng)估內(nèi)容涉及相關(guān)性分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差評(píng)定和空間分布特征分析,從而給出TRMM衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在南流江流域的精度。
南流江流域的常樂(lè)水文站以上集水區(qū)域位于廣西壯族自治區(qū)南部,是北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)重要地區(qū),處于國(guó)家“一帶一路”重大戰(zhàn)略位置,介于東經(jīng)109°18′12″~110°23′26″,北緯21°45′06″~22°56′21″之間,研究區(qū)域面積6 843.95 km2,平均坡降為0.04%,主河道全長(zhǎng)285 km。南流江流域降雨量豐富,災(zāi)害頻繁,但由于瀕臨海洋,水資源時(shí)空分布不均勻,降雨量從流域西南到東北逐漸減小,多年平均降雨量為1 600~1 950 mm,且年際變化大。隨著水文學(xué)和氣象科學(xué)地不斷發(fā)展,人類(lèi)對(duì)降雨數(shù)據(jù)的要求愈發(fā)嚴(yán)格,地面雨量站觀測(cè)降雨已逐漸不能滿足研究者的需要。因此,對(duì)南流江流域TRMM 衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)精度的研究,不僅為T(mén)RMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品用戶獲取高時(shí)空分辨率和高精度的遙感降水?dāng)?shù)據(jù)提供參考價(jià)值,而且有助于更深入的了解南流江流域水資源時(shí)空分布規(guī)律,對(duì)該流域水文模擬、水資源管理和洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)等具有現(xiàn)實(shí)意義。
地面站點(diǎn)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)采用收集到的南流江流域16個(gè)雨量站2007年6月1日至2016年12月19日逐小時(shí)雨量觀測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于廣西壯族自治區(qū)氣象部門(mén)。TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)采用的是兩套3B42 TMPA衛(wèi)星降水產(chǎn)品:準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)3B42RT和過(guò)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)3B42,可在NASA官方網(wǎng)站免費(fèi)下載。
為了對(duì)比衛(wèi)星降雨產(chǎn)品與地面雨量站點(diǎn)不同類(lèi)型和時(shí)間的數(shù)據(jù),需要將其統(tǒng)一到同一類(lèi)、同時(shí)間和空間尺度上;因此,需要對(duì)衛(wèi)星和地面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理:首先,本文在空間上利用ENVI 軟件按南流江流域的常樂(lè)水文站以上集水區(qū)域邊界提取3B42.NC4數(shù)據(jù)集格點(diǎn)坐標(biāo),然后用MATLAB編程提取數(shù)據(jù)集在該區(qū)域所有格點(diǎn)3 h產(chǎn)品降雨數(shù)據(jù);時(shí)間上,因?yàn)門(mén)RMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)是使用的格林尼治時(shí)間,所以將提取得到的格點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間(UTC+8 h)。日降雨數(shù)據(jù)由3 h數(shù)據(jù)累加求和得到;同樣地,月尺度和季節(jié)尺度的降雨數(shù)據(jù)也可通過(guò)累加獲得。
以搜集到的南流江流域16個(gè)雨量站的降雨資料為基準(zhǔn)值,以該區(qū)域同時(shí)間段TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,選擇相關(guān)系數(shù)CC、相對(duì)偏差RB、均方根誤差RMSE為統(tǒng)計(jì)指標(biāo),同時(shí)利用反距離加權(quán)插值IDW方法插值得到流域內(nèi)分辨率為0.025°×0.025°的日平均降雨量分布圖,分析站點(diǎn)觀測(cè)降雨與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的空間分布特征,建立TRMM3B42降水?dāng)?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)模型,在日、月和季節(jié)時(shí)間尺度上對(duì)兩套衛(wèi)星降雨產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。為了對(duì)TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的探測(cè)能力進(jìn)行精度評(píng)定,采用報(bào)錯(cuò)率FAR、探測(cè)率POD、成功系數(shù)CSI統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算公式如下
CC=(Cov(X,Y))/(σXσY)
(1)
(2)
(3)
其中,X代表站點(diǎn)觀測(cè)降雨數(shù)據(jù)或基于站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的模擬徑流;Y代表TRMM3B42衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)或基TRMM3B42降水?dāng)?shù)據(jù)模擬徑流值;Cov(X,Y)為X和Y兩組數(shù)據(jù)的協(xié)方差;σX、σY為X和Y兩組數(shù)據(jù)的均方差;。CC的取值范圍是[0,1],結(jié)果越靠近與1,說(shuō)明研究數(shù)據(jù)越接近相對(duì)應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。
為了給出衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)在南流江流域的探測(cè)能力,本文采用報(bào)錯(cuò)率FAR、探測(cè)率POD、成功系數(shù)CSI統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。各雨量觀測(cè)時(shí)段符號(hào)見(jiàn)表1。
表1 地面站點(diǎn)觀測(cè)降雨和TRMM衛(wèi)星探測(cè)降雨列聯(lián)
探測(cè)率POD指衛(wèi)星與地面站點(diǎn)同步探測(cè)有雨的比率,反映的是衛(wèi)星對(duì)降雨的識(shí)別能力;報(bào)錯(cuò)率FAR指衛(wèi)星誤報(bào)有雨的比率;成功系數(shù)CSI指衛(wèi)星成功探測(cè)有雨的比率,反映的是TRMM衛(wèi)星估計(jì)有降雨或?qū)崪y(cè)有降雨并且正確做出判斷的概率。探測(cè)率POD和成功系數(shù)CSI的取值范圍為(0,1),值越接近與1,說(shuō)明衛(wèi)星探測(cè)能力越高;報(bào)錯(cuò)率FAR的值越接近于0,說(shuō)明衛(wèi)星探測(cè)能力越高。計(jì)算公式如
POD=H/(H+M)
(4)
FAR=F/(H+F)
(5)
CSI=H/(H+F+M)
(6)
根據(jù)地面雨量站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),提取TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7降水?dāng)?shù)據(jù)集中與站點(diǎn)相對(duì)應(yīng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。首先以南流江流域地面雨量站點(diǎn)日降雨數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo),提取得到的TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7降雨數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)分別繪制散點(diǎn)圖,然后將站點(diǎn)和站點(diǎn)所在TRMM衛(wèi)星所在網(wǎng)格降雨數(shù)據(jù)按日降雨量統(tǒng)計(jì)為月、季度尺度降雨數(shù)據(jù),同樣繪制散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖1)。
圖1 TRMM3B42RTV7日、月和季度尺度上衛(wèi)星網(wǎng)格降雨數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)散點(diǎn)
圖2 TRMM3B42V7日、月和季度尺度上衛(wèi)星網(wǎng)格降雨數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)散點(diǎn)
由圖1、2和表2可知,在日尺度上站點(diǎn)觀測(cè)降雨與衛(wèi)星降雨產(chǎn)品存在精度差異。TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的組合較TRMM3B42RTV7更接近于1∶1的線性趨勢(shì)線;并且TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.64,大于TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)0.62,表現(xiàn)出了與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)較好的密切程度。從相對(duì)偏RB來(lái)看,TRMM3B42V7高估了地面站點(diǎn)降雨數(shù)量4.56%,而TRMM3B42RTV7高估了地面站點(diǎn)降雨量6.52%,表明 TRMM3B42V7在降雨量上與地面站點(diǎn)降雨量相差較小。從均方根誤差RMSE來(lái)看,TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的RMSE為10.86,而TRMM3B42RTV7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的RMSE為11.32,表明TRMM3B42V7偏離地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)系列的程度較小。
表2 衛(wèi)星降雨產(chǎn)品不同統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比
從月、季度尺度降雨量散點(diǎn)圖可明顯看到,隨著時(shí)間尺度的增大,站點(diǎn)和衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)的組合越來(lái)越接近于1∶1的線性趨勢(shì)線,精度差異逐漸縮小。同樣地,TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的組合表現(xiàn)出了較TRMM3B42RTV7更接近于1∶1的線性趨勢(shì)線,并且TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都要大于TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù),表現(xiàn)出了與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)較好的密切程度。
將南流江流域16個(gè)雨量站的降雨數(shù)據(jù)和站點(diǎn)所在的衛(wèi)星產(chǎn)品網(wǎng)格降雨數(shù)據(jù)劃分若干降雨強(qiáng)度區(qū)間,統(tǒng)計(jì)不同降雨強(qiáng)度的發(fā)生頻率以及對(duì)研究期內(nèi)總降雨量的貢獻(xiàn)率,分析衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在不同降雨強(qiáng)度下的精度。同時(shí)為了分析衛(wèi)星對(duì)降雨事件的捕捉能力,本文選擇探測(cè)率POD、報(bào)錯(cuò)率FAR、成功系數(shù)CSI統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。坐標(biāo)橫軸表示日降雨量強(qiáng)度閥值,坐標(biāo)縱軸表示降雨探測(cè)能力指標(biāo),例如,橫坐標(biāo)1 mm/d對(duì)應(yīng)的TRMM3B42V7的探測(cè)率POD為65.23%,意思是以1 mm/d為降雨閥值,小于1 mm/d的降雨視為無(wú)雨,統(tǒng)計(jì)得到的探測(cè)率POD為65.23%,結(jié)果如圖3所示。
由圖3a可知,TRMM衛(wèi)星降雨除了在小于 1 mm 的小降雨事件發(fā)生頻率上與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)存在較大偏差外,在其他不同降雨強(qiáng)度上的發(fā)生頻率與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)有較大一致性。值得注意的是,衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在小于1 mm的小降雨事件發(fā)生天數(shù)頻率上有嚴(yán)重低估現(xiàn)象,且在大于30 mm的強(qiáng)降雨事件發(fā)生天數(shù)頻率上存在高估的現(xiàn)象。從雨量貢獻(xiàn)率折線看,TRMM3B42RTV7降雨產(chǎn)品在1~5 mm量級(jí)的小降雨事件雨量貢獻(xiàn)率上存在一個(gè)低估,在15~20 mm量級(jí)的降雨事件和大于30mm的強(qiáng)降雨事件雨量貢獻(xiàn)率上存在高估,整體上與站點(diǎn)雨量貢獻(xiàn)率折線還是吻合較好;TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品在1~5 mm量級(jí)的小降雨事件和大于30mm的強(qiáng)降雨事件的雨量貢獻(xiàn)率上存在低估,在中等降雨強(qiáng)度的雨量貢獻(xiàn)率上與站點(diǎn)雨量貢獻(xiàn)率折線還是吻合較好。
由圖3可知,在不同降雨閥值下TRMM3B42RTV7和TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品表現(xiàn)出了相似的對(duì)降雨事件捕捉能力,但整體上TRMM3B42V7的POD、FAR和CSI要優(yōu)于TRMM3B42RTV7。在以1mm/d為降雨閥值時(shí),TRMM3B42V7探測(cè)率POD為65.23%,報(bào)錯(cuò)率FAR為27.53%,成功系數(shù)CSI為50.96%,而TRMM3B42RTV7探測(cè)率POD為63.56%,報(bào)錯(cuò)率FAR為29.22%,成功系數(shù)CSI為50.32%,TRMM3B42V7有更低的報(bào)錯(cuò)率,略高的探測(cè)率和成功系數(shù)。在1~20 mm/d的的降雨閥值范圍內(nèi),TRMM3B42RTV7和TRMM3B42V7對(duì)降雨能力的捕捉能力幾乎一樣。值得注意的是,隨著閥值的增大,在100~150 mm/d降雨閥值范圍內(nèi),TRMM3B42V7的探測(cè)率和成功系數(shù)明顯高于TRMM3B42RTV7,同時(shí)報(bào)錯(cuò)率也明顯較低。然而在大于150 mm/d降雨閥值范圍內(nèi),TRMM3B42RTV7有較低的報(bào)錯(cuò)率,較高的探測(cè)率和成功系數(shù)。
圖3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)誤差評(píng)定統(tǒng)計(jì)
衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的空間監(jiān)測(cè)降雨的能力是其最大的優(yōu)勢(shì)之一,所以評(píng)價(jià)衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的降雨量空間刻畫(huà)能力也是精度評(píng)價(jià)的重點(diǎn)內(nèi)容。利用反距離空間插值法IDW繪制多年平均日降水量分布圖。
地面雨量站點(diǎn)的日均降雨量分布結(jié)果表明,南流江流域的降雨量從西南到東北逐漸減小,空間分布特征較為明顯,這與上文提到的南流江流域?qū)嶋H降雨空間分配規(guī)律一致;要注意的是,在西南部局部區(qū)域降雨量較周?chē)涤炅科伲驗(yàn)榈孛嬲军c(diǎn)觀測(cè)降雨只能反映流域某一點(diǎn)的降雨,最多能代表方圓幾千米范圍的真實(shí)降雨,由于降雨量空間分布圖是差值的結(jié)果,所以在降雨量空間分布上難免會(huì)有偏差的情況。TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品能很好地反映出南流江流域東北少西南多的雨量空間分配特征,且降雨量分布中心也大體一致,但在雨量較大的西南和東南區(qū)域存在高估25%的現(xiàn)象,這與上面提到的地面站點(diǎn)雨量空間分布有局部偏小的現(xiàn)象有關(guān)。而TRMM3B42RTV7降雨產(chǎn)品并沒(méi)有反映出雨量空間分配的特征,整體上有嚴(yán)重高估的現(xiàn)象,特別是在南流江流域東北部,日降雨量均值都在6 mm以上,從相對(duì)偏差RB空間分布圖上同樣看出有20%左右的高估,這與實(shí)際降雨情況不符。
(1)通過(guò)對(duì)時(shí)間序列降雨量精度評(píng)價(jià),日尺度上衛(wèi)星降雨產(chǎn)品與站點(diǎn)觀測(cè)降雨有較大的精度差異。TRMM3B42V7與地面站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.64,高估了地面站點(diǎn)降雨數(shù)量4.56%,RMSE為10.86,TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品的精度優(yōu)于TRMM3B42RTV7。隨著時(shí)間尺度的增大,衛(wèi)星降雨產(chǎn)品與站點(diǎn)觀測(cè)降雨的精度差異逐漸縮小;但整體上,還是TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品的精度優(yōu)于TRMM3B42RTV7。
(2)衛(wèi)星日降雨產(chǎn)品在不同量級(jí)降雨事件發(fā)生頻率以及對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)率上,與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)分布整體上有較大一致性;但在小于1 mm的小降雨事件和大于30 mm的強(qiáng)降雨事件精度上有待進(jìn)一步改善。在對(duì)衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的捕捉能力進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),TRMM3B42V7對(duì)降雨的捕捉能力要比TRMM3B42RTV7強(qiáng);但在局部降雨強(qiáng)度上,特別是對(duì)強(qiáng)降雨的捕捉能力TRMM3B42RTV7要優(yōu)于TRMM3B42V7。
(3)通過(guò)降雨量空間分布特征分析,TRMM3B42V7、TRMM3B42RTV7均存在高估降雨量的趨勢(shì)。TRMM3B42V7降雨產(chǎn)品能基本上刻畫(huà)出南流江流域雨量西南多東北少的空間分配特征,且在相關(guān)性空間分布方面也表現(xiàn)出了與站點(diǎn)數(shù)據(jù)較高的相關(guān)性;但在東北部和西南部存在10%以上高估,中部局部區(qū)域存在10%左右的低估現(xiàn)象。TRMM3B42RTV7衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在南流江流域的空間分布存在巨大差異,不能夠描繪出南流江流域降雨量東北部少西南部多的特征,特別是在東北部存在30%左右的高估情況。