董國濤, 樊 東,, 楊勝天, 薛華柱, 周俊利， 黨素珍，程春曉

(1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院 水利部 黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003; 2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000;3.北京師范大學(xué) 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境遙感與數(shù)字城市 北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875)

降水是全球水熱循環(huán)中最為重要和活躍的過程之一，同時(shí)也是水文過程模擬、水循環(huán)和水量平衡分析的重要參數(shù)。受地理位置、地形及下墊面因素影響，降水呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空異質(zhì)性。獲取準(zhǔn)確的大范圍高時(shí)空分辨率連續(xù)降水資料，對(duì)氣象預(yù)報(bào)、水文模擬、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等具有重要意義[1-3]。

目前降水測(cè)量手段主要有站點(diǎn)雨量計(jì)觀測(cè)、地面雷達(dá)觀測(cè)與衛(wèi)星遙感降水反演。雨量計(jì)測(cè)量方式能夠提供高精度的地面“點(diǎn)”降水資料，但受到站點(diǎn)密度及其空間分布的影響，難以準(zhǔn)確地反映降水的時(shí)空分布；雷達(dá)觀測(cè)降水受電子信號(hào)強(qiáng)度以及運(yùn)行環(huán)境等多因素的影響，在地形復(fù)雜地區(qū)具有較大的不確定性?；谛l(wèi)星遙感的降水觀測(cè)方式具有覆蓋范圍廣、時(shí)空連續(xù)性高等特點(diǎn)，已成為降水觀測(cè)的重要手段，特別是對(duì)于地面氣象站點(diǎn)相對(duì)匱乏的地區(qū)[2,4]尤為重要。早期，作為衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)降水的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星提供了準(zhǔn)全球范圍內(nèi)的3 h網(wǎng)格化降水產(chǎn)品，已在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。作為TRMM衛(wèi)星的繼承與發(fā)展，GPM(Global Precipitation Measurement)提供了更大范圍和更高時(shí)空分辨率的降水產(chǎn)品，提供更強(qiáng)大的降水?dāng)?shù)據(jù)支撐。

遙感反演作為一種間接的降水測(cè)量手段，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)是數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提條件。已有眾多研究分析了TRMM數(shù)據(jù)在中國大陸[8-10]、天山山區(qū)[4,11]、黑河流域[12-14]、瀾滄江流域[2]、雅魯藏布江流域[15]、伊洛瓦底江流域[16]、橫斷山區(qū)[6,17]、金沙江流域[7]、鄱陽湖流域[18]、洣水流域[3]、贛江流域[19-20]、川渝地區(qū)[21]、黃河源區(qū)[22-23]、東北地區(qū)[24]、青藏高原[1,25]、西北內(nèi)陸[5,26-27]、喀斯特山區(qū)[28]的適用性，結(jié)果表明TRMM降水產(chǎn)品整體精度較高，在氣象、水文等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。自2014年GPM核心平臺(tái)發(fā)射以來，對(duì)GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品的適用性評(píng)價(jià)工作陸續(xù)展開。作為TRMM衛(wèi)星的繼承與改進(jìn)，GPM IMEGR(Integrated Multi-statelitE Retrievals for GPM)算法將TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的空間分辨率由0.25°×0.25°提升到0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率由3 h提高到30 min，在地表徑流過程模擬中表現(xiàn)出了巨大潛力[29]。但是在干旱少雨區(qū)[30]、高緯度地區(qū)[31]、大氣強(qiáng)對(duì)流區(qū)[32]、山地雨影區(qū)[33]及海陸交匯帶[34]等地區(qū)對(duì)短時(shí)降水以及冬季微量降水的探測(cè)仍具有較大的不確定性。評(píng)估GPM IMEGR降水?dāng)?shù)據(jù)的有效性，有利于推進(jìn)GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在中國氣象、水文、生態(tài)等行業(yè)的研究與應(yīng)用。

黃河流域作為我國水旱災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)之一，降水時(shí)間變率大、空間分布不均[35]?？臻g化降水資料的準(zhǔn)確與否，將在較大程度上影響水文模擬預(yù)報(bào)、旱澇災(zāi)害防治和水資源規(guī)劃管理等方案實(shí)施效果。因此，本文以黃河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選擇TRMM和GPM重合時(shí)期(2014年3月—2015年4月)降水?dāng)?shù)據(jù)為研究對(duì)象，利用流域內(nèi)氣象站點(diǎn)的降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析TRMM和GPM兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在黃河流域的適用性。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1　研究區(qū)概況

黃河流域位于東經(jīng)95°53′—119°14′，北緯32°9′—41°51′，西起巴顏喀拉山，東至渤海，南臨秦嶺，北抵陰山，流域面積75.2萬km2，地勢(shì)西高東低，地貌特征復(fù)雜。黃河流域?qū)俚湫偷臏貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季受副熱帶高氣壓帶及西太平洋暖濕氣流影響，濕潤(rùn)多雨；冬季受蒙古西伯利亞高壓控制，寒冷干燥。降水主要集中在夏秋季節(jié)，6—9月降水量占全年降水量由南部的60%逐漸增加到北部的80%以上[36-37]。流域降水空間分布由東南向西北遞減，多年平均降水量為466 mm，年均降水資源量約為3 510億m3[37]。由于地域廣闊，距海洋距離遠(yuǎn)近的不同及地形的影響，使得流域內(nèi)降水不僅年內(nèi)、年際變化大，且空間異質(zhì)性強(qiáng)烈。同時(shí)，黃河流域也是我國水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域，干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，降水是造成此類災(zāi)害最主要的因素，因此對(duì)黃河流域降水進(jìn)行準(zhǔn)確觀測(cè)與模擬并研究其時(shí)空分布規(guī)律顯得十分必要[38-40]。

1.2　數(shù)據(jù)與處理

TRMM衛(wèi)星是由美國NASA和日本JAXA共同研制的降水試驗(yàn)衛(wèi)星，于1997年11月27日在日本發(fā)射成功，它搭載了首臺(tái)星載降水雷達(dá)，能夠有效地探測(cè)降水三維空間信息。最初TRMM設(shè)計(jì)用于對(duì)熱帶地區(qū)降水量及地球輻射能量進(jìn)行測(cè)量來了解全球氣候變化及其機(jī)理，在2001年衛(wèi)星軌道由250 km提升至402.5 km，觀測(cè)范圍擴(kuò)展到50°S—50°N。觀測(cè)范圍的擴(kuò)展使得TRMM數(shù)據(jù)應(yīng)用更為廣泛，其降水產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于氣象、水文、生態(tài)等領(lǐng)域，對(duì)研究全球氣候系統(tǒng)、水熱循環(huán)和能量的收支狀況及其變化發(fā)揮了重要作用。由于燃料耗盡，TRMM衛(wèi)星已于2015年4月停止運(yùn)行。

GPM作為TRMM的后續(xù)降水測(cè)量計(jì)劃，包含了法國CNES(Centre National D′Etudies Spatiales)、印度ISRO(Indian Space Research Organization)、歐洲EUMETSAT(European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites)、美國NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)以及DOD(Department of Defense)的一系列衛(wèi)星，其核心觀測(cè)平臺(tái)GPMCO(GPM Core Observatory)已于2014年2月28日成功發(fā)射[41]。在TRMM衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，GPM核心觀測(cè)平臺(tái)搭載了以Ku和Ka波段組成的雙頻段降雨雷達(dá)DPI(Dual-frequency Precipitation Rader)和多波段微波成像儀GMI(GPM Microwave Imager)，由于技術(shù)上的改進(jìn)使得GPM在精度和敏感性上有較大的提升，能夠提供時(shí)空分辨率更高的降水產(chǎn)品[41]。此外，相比于TRMM衛(wèi)星，GPM核心觀測(cè)平臺(tái)具有更大的軌道傾角，使其有更廣闊的觀測(cè)范圍，達(dá)到60°S—60°N。

本研究所用TRMM與GPM數(shù)據(jù)均從NASA降水測(cè)量計(jì)劃網(wǎng)站(www.pmm.nasa.gov)獲得。其中，TRMM數(shù)據(jù)為第7版本3B43降水?dāng)?shù)據(jù)(TRMM 3B43 V7)，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為月(圖1D)。GPM數(shù)據(jù)為最新的3級(jí)融合降水產(chǎn)品IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)，其空間分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為月(圖1C)。本文選取TRMM與GPM重合期(2014年3月—2015年4月)降水產(chǎn)品及同時(shí)期地面雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)來源于氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包含流域內(nèi)76個(gè)國家級(jí)氣象站的月實(shí)測(cè)降水量(圖1A)。

2　方 法

本研究采用相關(guān)系數(shù)(R)、相對(duì)誤差(BIAS)和均方根誤差(RMSE)來評(píng)價(jià)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性。計(jì)算方法為：

(1)

(2)

(3)

3　結(jié)果與分析

3.1　年尺度數(shù)據(jù)精度

根據(jù)氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度獲取TRMM及GPM對(duì)應(yīng)像元年降水量，以站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量為自變量遙感像元值為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果見圖2。GPM，TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水量的決定系數(shù)分別為0.78，0.86，線性方程斜率分別為0.74，0.85，顯示了衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水在整體上較高的一致性，但存在不同程度的偏差。從散點(diǎn)的分布可以看出，GPM與TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在降水量小于400 mm時(shí)對(duì)降水存在一定程度的高估，在年降水量超過800 mm時(shí)則低估了降水量。與GPM降水?dāng)?shù)據(jù)相比，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值散點(diǎn)圖更接近于1∶1線，在年尺度上的精度更高。相關(guān)系數(shù)只能表示衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水量整體的一致性，不能有效反映差異量的大小，因此，計(jì)算兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品與實(shí)測(cè)降水量的相對(duì)誤差與均方根誤差，結(jié)果見表1。GPM與TRMM數(shù)據(jù)的BIAS均大于0，表示兩者對(duì)于降水存在一定的高估，RMSE分別為82.18 mm和65.50 mm?？傮w上，TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性高于GPM降水?dāng)?shù)據(jù)。

圖1黃河流域氣象站點(diǎn)及2014年降水量空間分布

圖2　黃河流域2014年GPM，TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水量散點(diǎn)圖表1　GPM與TRMM衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)精度

3.2　季尺度數(shù)據(jù)精度

黃河流域是典型的季風(fēng)氣候區(qū)，降水量年內(nèi)分布不均，各季節(jié)降水量差異極為明顯，僅僅分析兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在整年的適用性是不夠的。本研究以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季，計(jì)算各季節(jié)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)值的R，BIAS，RMSE(圖3)。各季節(jié)衛(wèi)星降水產(chǎn)品與實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)在0.76～0.91，表現(xiàn)出很好的一致性。其中春、秋兩季相關(guān)系數(shù)較高，而冬、夏兩季相關(guān)性略低，原因在于冬季降水主要以降雪的形式出現(xiàn)，夏季降水多呈現(xiàn)歷時(shí)短、雨量大的強(qiáng)對(duì)流天氣，衛(wèi)星對(duì)固態(tài)降水及短時(shí)降水探測(cè)能力有限導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)偏低。從BIAS來看，冬季相對(duì)誤差明顯大于其他季節(jié)，原因是冬季降水相對(duì)較少(全流域冬季平均降水僅為11.1 mm)，較小的總降水量使得誤差所占比重較其他季節(jié)更為明顯。黃河流域衛(wèi)星降水與實(shí)測(cè)值在各季節(jié)的RMSE都在50 mm以下，夏季最大而冬季最小。這與絕對(duì)降水量存在相似的分布特征，流域內(nèi)氣象站點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的夏季降水均值為227.2 mm，且多以強(qiáng)降雨形式出現(xiàn)，給衛(wèi)星精確地觀測(cè)降水帶來極大地挑戰(zhàn)，同時(shí)RMSE對(duì)離群值反映較為敏感，因此RMSE在絕對(duì)誤差較大的雨季大于絕對(duì)誤差較小的旱季。對(duì)比兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品，TRMM數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值有更高的相關(guān)系數(shù)，更小的相對(duì)誤差和均方根誤差，表現(xiàn)出與實(shí)測(cè)值更好的一致性。

圖3GPM，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在各季節(jié)的相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差與均方根誤差

3.3　月尺度數(shù)據(jù)精度

圖4為流域內(nèi)各月實(shí)測(cè)降水均值與該月衛(wèi)星降水產(chǎn)品像元值對(duì)比圖。兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在7月、8月存在對(duì)降水的低估，GPM與TRMM在8月對(duì)各站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水平均低估2.3 mm和5.5 mm，占月降水量的2.5%和6.1%。在其他月份衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)均大于實(shí)測(cè)降水量，其中12月相對(duì)誤差最大，GPM與TRMM降水產(chǎn)品在每個(gè)站點(diǎn)比實(shí)測(cè)降水量平均高出29.15%和30.79%；最大的絕對(duì)誤差出現(xiàn)在9月，分別為7.1 mm和6.0 mm。

圖4黃河流域月GPM，TRMM與實(shí)測(cè)月降水量對(duì)比

3.4　單站點(diǎn)數(shù)據(jù)精度

從年、季、月尺度檢驗(yàn)的結(jié)果來看，TRMM與GPM數(shù)據(jù)在大部分時(shí)間段均具有較好的精度，但整體精度檢驗(yàn)不能反映出單個(gè)站點(diǎn)上衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水量之間的差異。

降水是所有氣象要素中影響因子最多的變量之一，其受地形地勢(shì)、經(jīng)緯度、海拔、大氣環(huán)流等因素影響具有較大的時(shí)間變率和空間異質(zhì)性，僅對(duì)數(shù)據(jù)整體進(jìn)行評(píng)估不能全面客觀地反映出數(shù)據(jù)精度在空間上的不均一性。因此，本文計(jì)算了每個(gè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量與對(duì)應(yīng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)像元值的相關(guān)系數(shù)，同時(shí)以泰森多邊形法根據(jù)各站點(diǎn)的空間位置對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行劃分，使多邊形中任意點(diǎn)到多邊形內(nèi)氣象站點(diǎn)的距離最小，借此對(duì)離散的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行區(qū)域化，并以K均值聚類方式對(duì)各多邊形進(jìn)行空間聚類，研究流域內(nèi)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度的空間分布規(guī)律(圖5)。流域內(nèi)大部分氣象站點(diǎn)與衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)都在0.8以上，這與全局檢驗(yàn)的結(jié)果一致，進(jìn)一步表明了GPM與TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在黃河流域具有較強(qiáng)的適用性。流域內(nèi)各站點(diǎn)R值大小空間差異明顯，流域南部R值普遍較大而北部略小。鄂爾多斯高原及其以北地區(qū)的陶樂、惠農(nóng)、臨河等站點(diǎn)附近衛(wèi)星所測(cè)得降水量與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性最低，可能的原因在于這些站點(diǎn)處降水稀少(年降水量不足200 mm)且降水變率較大，造成衛(wèi)星降水反演在這些區(qū)域不夠準(zhǔn)確。

圖5黃河流域GPM(A)與TRMM(B)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水量R值空間分布及K均值聚類

4　結(jié) 論

(1) 黃河流域內(nèi)GPM與TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)年降水量之間存在良好的線性關(guān)系。整體而言，衛(wèi)星數(shù)據(jù)降水值比實(shí)測(cè)降水量偏大，GPM與TRMM分別高估2.46%和2.19%。

(2) GPM與TRMM數(shù)據(jù)在各季節(jié)與實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)在0.76～0.91，不同季節(jié)數(shù)據(jù)質(zhì)量差異明顯，秋季相關(guān)性最高而冬季相關(guān)性最低。以固態(tài)降水為主的形式和較少的絕對(duì)降水量導(dǎo)致冬季相對(duì)誤差較大；夏季多暴雨，衛(wèi)星數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量在絕對(duì)值上差異較為明顯。

(3) GPM與TRMM數(shù)據(jù)在7月、8月份比站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水量略微偏小，8月對(duì)降水量低估最大，占月降水量的2.54%和6.05%；其余月份對(duì)降水量存在不同程度的高估，其中12月相對(duì)誤差最大，GPM與TRMM降水產(chǎn)品平均每個(gè)站點(diǎn)比實(shí)測(cè)降水量高出29.15%和30.79%；最大絕對(duì)偏差出現(xiàn)在9月，分別為7.10 mm和6.00 mm。

(4) 各站點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，流域中南部區(qū)域GPM與TRMM數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)降水量的相關(guān)系數(shù)較高，而鄂爾多斯高原及其以北地區(qū)衛(wèi)星所測(cè)降水量與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性相對(duì)較低，與該區(qū)域內(nèi)總降水量偏小且降水歷時(shí)短、強(qiáng)度大等降水特征有關(guān)。

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