劉益鋒, 汪小欽, 吳思穎, 林夢婧

(福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘和信息共享教育部重點實驗室 衛(wèi)星空間信息技術綜合應用國家地方聯(lián)合工程研究中心, 福州 350108)

降水作為水循環(huán)的重要輸入，同時也是導致水土流失的直接動力之一，在各種空間和時間尺度上獲取精確的降水數(shù)據(jù)對研究水土保持等生態(tài)工作起到關鍵作用[1-2]。長期以來，水土保持工作中對降雨數(shù)據(jù)的獲取基本依賴于傳統(tǒng)的氣象站點，而氣象站點觀測數(shù)據(jù)的獲取不容易，且國家氣象局提供的全國氣象站點數(shù)量少，如福建境內(nèi)的全國氣象站點僅有22個，站點密度低，空間位置分布不均勻等導致最后處理的降雨數(shù)據(jù)精度較差，難以滿足實際應用的需求。

近十幾年來，隨著空間技術與遙感反演理論的發(fā)展，推動了衛(wèi)星在降雨觀測方面的應用，出現(xiàn)了許多高時空分辨率的遙感反演衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)，能夠適用于實際的全球及區(qū)域研究[3]。其中應用最多的是來自美國NASA和日本JAXA于1997年共同研發(fā)的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星，20年來已經(jīng)積累了海量的高時空分辨率降水數(shù)據(jù)，廣泛應用于各種有關降水的研究中[4]。如Robbins[5]使用TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)研究巴布亞新幾內(nèi)亞降雨與觸發(fā)山體滑坡事件之間的關系；李德俊等[6]利用TRMM數(shù)據(jù)對川南特大暴雨進行診斷；Castro等[7]對TRMM降水數(shù)據(jù)在亞馬遜雨林等地的研究發(fā)現(xiàn)，TRMM數(shù)據(jù)在降水的季節(jié)性上有很好的表現(xiàn)。

作為TRMM的繼任者，美國NASA和日本JAXA于2014年2月28日發(fā)射全球降水測量(Global Precipitation Measurement：GPM)任務，旨在為星載定量降水估計建立新的標準，并提供下一代降水產(chǎn)品。其載有第一架星載雙頻降水雷達(DPR)和圓錐掃描多通道微波成像儀，與TRMM相比具有更寬的測量范圍，而且提高了對弱降水(<0.5 mm/h)和固態(tài)降水的探測能力[8]。在從TRMM時代向GPM時代過渡的過程中，國內(nèi)外不少學者對GPM產(chǎn)品進行評估。如Mou等[9]基于GPM和TRMM對新加坡降雨進行評估時，發(fā)現(xiàn)GPM在對空間降水變異性和降水探測能力上的表征要優(yōu)于TRMM；金曉龍等[10]對GPM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)在天山山區(qū)的適用性分析中發(fā)現(xiàn)，GPM能夠以較準確的精度和較低的誤差估測降水。但是由于GPM發(fā)射的時間較晚，其產(chǎn)品在時間序列上有所欠缺，因此在一些區(qū)域的適用性更是得不到有效的驗證。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

福建省地處中國東南沿海，介于北緯23°33′—28°20′，東經(jīng)115°50′—120°40′，東與中國臺灣省隔海相望，東北與浙江毗鄰，西北橫貫武夷山脈與江西相交，西南與廣東相連?？傮w地勢西北高東南低，境內(nèi)峰嶺聳峙，丘陵連綿，河谷、盆地穿插其間，山地、丘陵占全省總面積的80%以上(圖1)。陸地海岸線長達3 752 km，港灣眾多，島嶼星羅棋布。平均海拔1 000 m左右，位于亞熱帶地區(qū)，屬典型的亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，平均氣溫15.3～21.9℃，平均雨量930～1 843 mm[11-12]。

圖1 福建省地形及氣象站點分布

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文使用的地面實測降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)的福建省22個氣象站點逐日的實測降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)GPM和TRMM降雨產(chǎn)品共同的覆蓋時間，選擇時間跨度從2015—2017年，并處理成逐旬、逐月、逐季的數(shù)據(jù)。GPM和TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)均來自NASA(https:∥pmm.nasa.gov/)，具體的產(chǎn)品見表1。

表1 GPM與TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品參數(shù)

為了對GPM和TRMM能夠在多時間尺度上進行精確的對比分析，需要對數(shù)據(jù)進行預處理。在時間尺度上分別對兩種數(shù)據(jù)進行累計，處理成逐旬、逐月的衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)；季節(jié)上根據(jù)福建區(qū)域的季節(jié)特性，取3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—翌2月為冬季，處理成逐季數(shù)據(jù)。

本文基于站點尺度對GPM和TRMM進行分析。GPM和TRMM的試驗數(shù)據(jù)是根據(jù)氣象站點的坐標值所對應的并預處理好的不同時間尺度的柵格格點數(shù)據(jù)。

為了對兩種衛(wèi)星在福建省的適用性進行定量的評價，采取相關系數(shù)(r)、散點斜率(K)、均方根誤差(RMSE)對衛(wèi)星降雨產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行評價。為了使不同時間尺度的RMSE具有可比性，統(tǒng)一計算為日均方根誤差(RMSE*)。r表示衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)和地面實測降水數(shù)據(jù)的線性相關性；K值越趨近1表示測試數(shù)據(jù)越接近真實值[13]；RMSE可以很好地評價衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的精度[14]，而RMSE*可以使不同時間尺度的誤差具有可比性。

(1)

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2 結果與分析

2.1 日、旬和月尺度下GPM和TRMM降雨產(chǎn)品的精度對比

圖2顯示了站點尺度上GPM和TRMM的日、旬、月降雨值與相應時間站點觀測數(shù)據(jù)的散點及線性擬合情況，圖3是兩種衛(wèi)星產(chǎn)品的精度指標在時間尺度上的變化趨勢。從圖2可以看出，隨著時間尺度的增加，GPM和TRMM在相關性和擬合程度上不斷提高，數(shù)據(jù)的離散程度越來越小，擬合直線的斜率越趨向于1，RMSE*逐漸變小。從日尺度到旬尺度有一個陡然變化趨勢，從旬尺度到月尺度的變化相對較為緩慢。與地面站點觀測數(shù)據(jù)相比，衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)偏小，同時GPM的總體精度優(yōu)于TRMM。

在日尺度上，TRMM與GPM的擬合程度都不高，與y=x線存在較大的偏差，K值在0.5左右；相應的TRMM的相關系數(shù)r=0.43，而GPM雖然高于TRMM，但r值也僅為0.51；RMSE*都大于13 mm/d。一方面是因為衛(wèi)星產(chǎn)品的日觀測數(shù)據(jù)是以世界時(UTC)為準，而地面觀測站點的數(shù)據(jù)是在北京時的基礎上進行統(tǒng)計的，兩者相差8 h[15]；另一方面我們所獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是地面點坐標對應的衛(wèi)星格網(wǎng)數(shù)據(jù)，每個柵格覆蓋的范圍較大，其對應的數(shù)據(jù)也是該范圍內(nèi)的一個均值，導致一定程度上衛(wèi)星數(shù)據(jù)在站點尺度上小于實測降水量，同時解釋了后面大部分散點圖的趨勢線斜率K<1[16]。

由日尺度增加到旬尺度，不管是擬合程度還是相關系數(shù)上都有很大的改善，r和K值也增長到0.7～0.8，散點呈現(xiàn)出一定的集中分布，RMSE*值由14 mm/d左右驟降到4 mm/d附近，同時也證明了時間尺度對數(shù)據(jù)評估精度的影響。

在月尺度上，由于基本上排除了時空差異的影響，兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的散點圖呈現(xiàn)集中分布于趨勢線上，GPM和TRMM的K值都在0.8以上，與y=x相當接近，相應的兩者相關性也高達0.92，0.9，表現(xiàn)為高度相關。雖然從旬到月的時間跨度是之前的兩倍，但是在精度提高上卻遠不如從日到旬，特別是在RMSE*指標上精度僅從4 mm/d提高到3 mm/d左右。

在月尺度上，逐個站點對比地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)(表2)，相關系數(shù)r和RMSE的指標中GPM整體上要優(yōu)于TRMM，但是均值對比上兩者間的差距卻不是很明顯，r和RMSE的差值分別僅為0.01,5.21 mm，而散點的線性擬合斜率K值，TRMM的均值優(yōu)于GPM。進一步對比發(fā)現(xiàn)站點號為58944，59133，59134的3個站點上，GPM的觀測精度要明顯低于TRMM的精度。觀察后發(fā)現(xiàn)3個異常點均位于福建東南沿海地區(qū)(圖1)；從表2中可以看出，在這些異常點上不管相關系數(shù)R還是RMSE，GPM相對于TRMM具有較大的誤差。因此，雖然GPM在福建的整體精度較高，但是在東南沿海區(qū)域的精度不如TRMM，如果僅針對該地區(qū)的降水應用，可以優(yōu)先考慮采用TRMM數(shù)據(jù)。

2.2 季節(jié)尺度對比分析

福建省位于亞熱帶季風氣候盛行區(qū)域，年均降雨量豐富，但是在季節(jié)上分配不均，呈現(xiàn)出夏季多雨，冬季少雨的常態(tài)[17-18]，所以在季節(jié)尺度上開展衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)的精度評估是其在福建省適用性的一個重要方面。

按照福建地區(qū)的氣候將每年的3—5月歸為春季、6—8月歸為夏季、9—11月歸為秋季、12—翌年2月歸為冬季，對4個季節(jié)內(nèi)22個地面實測站點的降水數(shù)據(jù)與GPM和TRMM兩種衛(wèi)星的降水數(shù)據(jù)進行對比分析(圖4)。

圖2 不同時間尺度下GPM和TRMM與站點觀測數(shù)據(jù)的散點圖

圖3 日、旬、月尺度下GPM和TRMM指標變化趨勢

可見，衛(wèi)星降雨產(chǎn)品在不同季節(jié)的精度差異較大，GPM和TRMM數(shù)據(jù)在春、秋、冬3季的精度較高，尤其是冬季，而夏季兩者的精度最低。從圖4的散點圖對比可以看出，夏季兩種衛(wèi)星的降水數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出與地面實測數(shù)據(jù)的較低擬合度和相關性，GPM和TRMM的散點線性擬斜率K和相關系數(shù)r均小于0.7，散點分布較為零散，RMSE大于130 mm/季。其主要的原因可能是福建夏季是臺風季，常伴有強降雨，在觀測精度上存在較大偏差。

表2 月尺度下各站點的精度統(tǒng)計

圖4 不同季節(jié)的衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)與地面實測降水數(shù)據(jù)的散點對比

而在冬季，兩者衛(wèi)星在擬合程度上都與實測值高度一致，散點圖的擬合直線基本上與y=x重合，K值均接近于1；RMSE小于60 mm/季；r均大于0.95，GPM的r高達0.98。這是由于福建省在冬季的降雨量是全年四季中最低的，而GPM衛(wèi)星是以雙頻降水測量雷達為主載荷，其在軌道傾角及儀器通道方面的優(yōu)勢，大大提高了對弱降水和固態(tài)降水的探測能力[19-20]，因此在冬季少雨的情況具有較高的精度，這與金曉龍等[10]對GPM產(chǎn)品在天山山區(qū)的適用性研究結果一致。春季和秋季也具有較為滿意的結果，GPM的r均達到0.9，TRMM的r也大于0.85；K基本上大于0.8；GPM的RMSE約100 mm/季，TRMM的RMSE約120 mm/季。從相對降雨誤差而言，春夏由于降雨總量較大，相對誤差反而小，約25%；而秋冬季節(jié)由于降雨量少，相對誤差約是1/3。

站點的季節(jié)降雨值與GPM和TRMM的相關系數(shù)r隨季節(jié)的變化見圖5，發(fā)現(xiàn)總體上隨降雨量增加r降低，表現(xiàn)為一定的負相關。在夏季多雨季節(jié)，兩者衛(wèi)星的相關系數(shù)僅為0.6左右，而隨著降雨量的減少，在秋冬兩季上相關性不斷增加，特別是在冬季r趨于1，在春季則表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。在兩種衛(wèi)星相關系數(shù)的變化線上，GPM的r值均要大于TRMM，所以在季度上GPM的衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)在福建省具有更高的可靠性。

圖5 福建省降雨量及相關系數(shù)的季節(jié)變化

3 結 論

(1) 福建省GPM和TRMM降水數(shù)據(jù)與地面實測數(shù)據(jù)的精度在日、旬、月時間尺度上，由于時間差異的不斷減少，兩者精度不斷改善，特別是從日尺度到旬尺度增長加速度最快，各指標得到極大的改善，而從旬到月尺度的精度改善非常有限。在各站點的月尺度上，雖然總體GPM精度高于TRMM，但是在福建東南沿海TRMM要遠優(yōu)于GPM。

(2) 在季節(jié)尺度上，福建的春、秋、冬三季衛(wèi)星的降水精度遠高于夏季，特別是在冬季，由于GPM提高了對弱降水和固態(tài)降水探測能力，在精度上表現(xiàn)優(yōu)異；隨著降雨量的增加相關性反而減少，具體表現(xiàn)為夏季多雨低相關，冬季少雨高相關，在整體指標上GPM在福建具有較高的可靠性。

GPM衛(wèi)星作為新一代的降水觀測衛(wèi)星，在福建省的觀測精度總體要高于TRMM衛(wèi)星，在對有關降水的研究和應用中有較好的應用前景。