甘富萬，李彥婕，倪 倩，高 揚(yáng)

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧540004；2.廣西珠江委員會南寧勘測設(shè)計(jì)院，南寧540000）

0 引言

降水的時(shí)空分布關(guān)乎生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，衛(wèi)星降水反演的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測方式的缺陷［1］。其中，熱帶降雨觀測任務(wù)（TRMM）的TMPA 產(chǎn)品和全球降水觀測（GPM）的IMERG 產(chǎn)品是目前應(yīng)用最廣的降水反演產(chǎn)品，其中，TRMM 的時(shí)空分辨率分別是0.25°和3 h，而GPM則為0.1°和0.5 h［2］。

自TRMM 發(fā)射后，TMPA3B42 各版本的產(chǎn)品在很多地區(qū)被證實(shí)與雨量站有較好的一致性［3，4］。作為最新一代的衛(wèi)星，GPM的降水產(chǎn)品IMERG 的新版本一般有更好的表現(xiàn)［5］，但也有特殊情況［6］。在IMERG 子產(chǎn)品的評估中，IMERG-F 與雨量站有更高的相關(guān)性，但近實(shí)時(shí)產(chǎn)品在水文預(yù)報(bào)中有巨大潛力［7］。

很多研究表明IMERG 是TMPA 的可靠替代品［8，9］，而且在二者眾多降水子產(chǎn)品中，IMERG-F 往往表現(xiàn)最好［10］。但是，在一些地區(qū)GPM 的性能并沒有明顯比TRMM 提升［11，12］。因此，為比較這兩個(gè)產(chǎn)品的適用性，仍有必要在更多的地區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，雖至今已有包含多種子產(chǎn)品的討論，但同時(shí)涵括最新版本（IMERGV06-E，IMERGV06-L，IMERGV06-F，TMPA3B42-V7，TMPA3B42-RT）的研究還很少。所以，仍然很有必要更細(xì)致地綜合分析這五種產(chǎn)品，以量化IMERG 和TMPA 的性能并反映出近實(shí)時(shí)和后實(shí)時(shí)產(chǎn)品的差異。

本文選擇地形地貌復(fù)雜的亞熱帶沿海南流江流域，基于長達(dá)九年的降雨資料，從兩個(gè)空間尺度（站點(diǎn)和流域）和三個(gè)時(shí)間尺度（日、月、季）來比較最新版本的IMERG 和TMPA 產(chǎn)品與實(shí)測降雨數(shù)據(jù)的一致性，評估衛(wèi)星數(shù)據(jù)在南流江流域?qū)τ炅空緮?shù)據(jù)的適用性，為衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于該流域的水文和氣象研究提供依據(jù)，并且為類似亞熱帶沿海中小流域地區(qū)的相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

南流江流域位于中國廣西南部沿海地區(qū)，南流江則是廣西南部獨(dú)流入海的河流中流程最長、流域面積最廣、水量最豐富的河流。該流域面積為6 843.95 km2，地形地貌復(fù)雜，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量為1 400～1 760 mm，雨量豐富，是廣西的暴雨中心區(qū)之一，具有重要的研究意義。

1.2 降雨數(shù)據(jù)

本研究使用的是IMERGV06 產(chǎn)品（IMERG-E，IMERG-L，IMERG-F）和TMPA3B42V7的產(chǎn)品（TMPA-V7，TMPA-RT）的日數(shù)據(jù)，在月和季尺度上的時(shí)間序列則由日數(shù)據(jù)累加得到。衛(wèi)星數(shù)據(jù)從美國國家航空航天局網(wǎng)站下載（http：//pmm.nasa.gov/data-access/downloads）。廣西氣象局提供了南流江流域逐小時(shí)的雨量觀測數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)在日、月和季尺度的降水?dāng)?shù)據(jù)由實(shí)測數(shù)據(jù)累加得到。站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)檢查篩選出15 個(gè)降雨數(shù)據(jù)完整的站點(diǎn)，以此作為標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在站點(diǎn)尺度上，每個(gè)雨量站按時(shí)間序列逐個(gè)進(jìn)行分析，而在流域尺度上站點(diǎn)不再有所區(qū)分，所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)按時(shí)間尺度分別整理成3個(gè)序列（日、月和季）來對流域進(jìn)行整體評價(jià)。此外雨量站數(shù)據(jù)經(jīng)過了時(shí)差轉(zhuǎn)換，以與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度保持一致。本文將15 個(gè)雨量站按從北到南，從西到東的順序用字母代替，以便讀者閱讀?；谀狭鹘饔?qū)儆谥行×饔颍?5 個(gè)站點(diǎn)在空間分布上較為密集，因此能夠反映該流域降水的時(shí)空分布特征，圖1 展示了研究區(qū)雨量站的空間分布。

圖1 南流江流域及其氣象站點(diǎn)的分布Fig.1 The map of the Nanliujiang River basin

1.3 研究方法

本研究基于兩種空間尺度（站和流域）和3種時(shí)間尺度（日、月、季）對南流江流域進(jìn)行綜合分析。在季尺度上，依據(jù)中國傳統(tǒng)的候平均氣溫法劃分季節(jié)，即在該流域一年分為4個(gè)季節(jié)：2-4月，5-7月，8-11月，12-2月。

衛(wèi)星降水產(chǎn)品的評估主要基于兩類傳統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括CC、RMSE、RB，評價(jià)的是衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的精度性能。CC和RMSE分別反映線性相關(guān)程度和誤差的整體水平，RB反映衛(wèi)星數(shù)據(jù)對實(shí)測數(shù)據(jù)高估或低估的程度。分類指標(biāo)包括POD、FAR、CSI，用來評價(jià)降雨產(chǎn)品檢測降雨的能力。3 個(gè)指標(biāo)的范圍都是從0 到1，F(xiàn)AR越小說明表現(xiàn)越好，POD和CSI則是越高越好。為研究降雨強(qiáng)度變化對衛(wèi)星探測能力的影響規(guī)律，本文選取了多個(gè)閾值對3個(gè)分類指標(biāo)進(jìn)行細(xì)致分析。在站點(diǎn)尺度下，依據(jù)我國降雨等級劃分的原則，0.1、10、25 和50 mm/d 分別是小雨、中雨、大雨和暴雨的分類值，因此選取這4 個(gè)具有代表性的閾值。在流域尺度下，考慮到流域較長的數(shù)據(jù)序列，所以選擇了跨度從0.1～100 mm/d 的15 個(gè)閾值來細(xì)分區(qū)間以綜合評價(jià)衛(wèi)星產(chǎn)品的探測性能。

2 結(jié)果和討論

2.1 站點(diǎn)尺度上的精度評估

2.1.1 基于統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的比較

圖2 展示了南流江流域15 個(gè)站點(diǎn)的CC的空間分布，五個(gè)產(chǎn)品在空間上沒有明顯差異，都反映了靠近東南的N（新田）和H 站（亞山）相關(guān)性較弱。在日尺度下，IMERG-E 有10 個(gè)站點(diǎn)的CC介于0.66～0.70。IMERG-L 和IMERG-E 分布相似，但I(xiàn)MERG-L 沒有低于0.60 的CC。IMERG-F 有8 個(gè)站點(diǎn)的CC都大于0.7，最大值達(dá)0.74，最小值僅為0.63。除了H 站較低的CC（0.62），IMERG-F 與其他站點(diǎn)一致性較高，這可能是因?yàn)镠 站有部分時(shí)間缺失實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)之后產(chǎn)生了一定誤差，其次該站與流域的暴雨中心博白縣距離最近，暴雨快速的時(shí)空變化會影響衛(wèi)星的信號。至于TMPA-V7和TMPART，CC主要在0.60-0.70 之間。因此，IMERG 產(chǎn)品表現(xiàn)明顯優(yōu)于TMPA 產(chǎn)品。IMERG 產(chǎn)品中，IMERG-F 表現(xiàn)最好，其次是IMERG-L、IMERG-E，這可能是因?yàn)镮MERG-E只采用了云移動矢量傳播算法中的前向傳播算法，而IMERG-L 和IMERG-F 在此基礎(chǔ)上還加入了后向傳播算法。

圖2 CC在3種時(shí)間尺度上的空間分布Fig.2 The spatial distribution of CC on the three scales

表1 評價(jià)指標(biāo)及其公式Tab.1 Evaluation indicators applied to IMERG and TMPA

隨時(shí)間尺度增大，CC明顯變大。在月尺度下，IMERG-E，IMERG-L 和TMPA-RT 的CC高于0.68，而IMERG-F 和TMPAV7 的CC都大于0.76，表明后實(shí)時(shí)產(chǎn)品比近實(shí)時(shí)產(chǎn)品表現(xiàn)好。在季尺度下，CC主要集中在0.86～0.95 之間，可認(rèn)為5 個(gè)產(chǎn)品的差異很小。5 個(gè)產(chǎn)品的最大值都出現(xiàn)在A 站（龍安），IMERG-E（0.95），IMERG-L（0.96），IMERG-F（0.95），TMPA-RT（0.94），TMPA-V7（0.92），這可能由于數(shù)據(jù)的抵消，從而在季尺度顯現(xiàn)出更高的相關(guān)性。

根據(jù)圖3，在日尺度下，衛(wèi)星產(chǎn)品的RMSE范圍在10～16 mm之間，沒有明顯的差異。在月尺度下，五個(gè)產(chǎn)品分布的值域增大，介于在50～140 mm。IMERG-F 和TMPA-V7 的值主要分布在50～75 mm，相比于近實(shí)時(shí)產(chǎn)品更為集中。在季尺度下，RMSE值劇烈增加，超過了100 mm，表明數(shù)據(jù)不夠可信。從空間尺度來看，位于南部的N 和O 站（常樂）相比其他站點(diǎn)RMSE相當(dāng)高，而靠北的A 站的RMSE相對較低。結(jié)合上文提到A 站的高CC，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在這個(gè)站點(diǎn)表現(xiàn)最好。從3種時(shí)間尺度綜合來看，IMERG-F 的RMSE最小，相比于其他產(chǎn)品更加穩(wěn)定，而TMPA-RT在五種產(chǎn)品中RMSE較高，表現(xiàn)最差。

圖3 RMSE在3種時(shí)間尺度上的表現(xiàn)Fig.3 RMSE of each station on the three scales

從圖4（a）可看出，有接近一半站點(diǎn)的最大RB值由TMPART 產(chǎn)生，誤差最高。IMERG-E 和IMERG-L 的15 個(gè)站的平均RB值分別為0.055 和0.061，可被視為穩(wěn)定水平。IMERG-F 和TMPA-V7 的RB的絕對值基本相似，平均值保持在0.07。圖4（b）中，橙色表示高估，紅色表示低估，數(shù)據(jù)條的長度表示偏差的程度。針對同一個(gè)站點(diǎn)，衛(wèi)星產(chǎn)品的最大值與最小值的差值在0.04～0.34，其中80%的站點(diǎn)的差值都低于0.18，表明五個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)品在同一個(gè)站點(diǎn)的表現(xiàn)差異很小。但是對于同一個(gè)衛(wèi)星降水產(chǎn)品，其在不同雨量站下的差異較大，最大值與最小值的差值都高于0.29?？傮w來說，C（新橋），L（張黃）和M 站（菱角）的絕對誤差幾乎沒超過0.05，但是N 和H 站的RB很高，造成站點(diǎn)之間這種差異的原因可能是地面測量本身存在一定缺陷，存在不確定的測量誤差。其次，蒸發(fā)損失會給雨量站帶來影響。此外，博白縣是南流江流域的暴雨中心之一，暴雨快速的時(shí)空變化會導(dǎo)致臨近的H 站的不確定性。最后，由于東南位置靠近北部灣，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響較大導(dǎo)致了測量的不準(zhǔn)確性。

圖4 15個(gè)站點(diǎn)的RB的比較Fig.4 Comparison of RB for 15 stations

2.1.2 基于分類指標(biāo)的比較

由圖（5）可知，當(dāng)閾值為0.1 mm/d 時(shí)，TMPA 和IMERG 有很大差異，IMERG 產(chǎn)品的POD都高于0.65，而TMPA 都低于0.55。當(dāng)閾值為10 mm/d 時(shí)，IMERG-F 的表現(xiàn)最好，87%的POD都高于0.6。TMPA 產(chǎn)品的POD比IMERG-E 和IMERG-L 的大，可看出相比小雨，對中雨的探測性能提高了很多。當(dāng)閾值為25 mm/d 時(shí)，最大POD值出現(xiàn)在IMERG-F，但是五種產(chǎn)品的差異明顯縮小。當(dāng)閾值為50 mm/d 時(shí)，產(chǎn)品的POD都低于0.5，并且站點(diǎn)的POD的值域跨度變大，這可能是由于網(wǎng)格降尺度均勻化數(shù)據(jù)，衛(wèi)星產(chǎn)品不能夠反映局部區(qū)域的暴雨特性。有學(xué)者曾經(jīng)指出，衛(wèi)星的紅外線算法會導(dǎo)致在風(fēng)暴周期的早期，暴雨被低估［13］。

圖5 在4個(gè)閾值下的POD的空間分布Fig.5 The spatial distribution of POD at four precipitation thresholds

根據(jù)圖6，當(dāng)閾值為0.1 mm/d 時(shí)，TMPA 和IMERG 產(chǎn)品的FAR分別在0.14～0.24 和0.23～0.33，很明顯TMPA 誤報(bào)率相對低。隨閾值增大，衛(wèi)星產(chǎn)品的誤報(bào)率都上升，并且產(chǎn)品之間的差異逐漸增大。當(dāng)閾值為50 mm/d 時(shí)，5 個(gè)產(chǎn)品誤報(bào)很嚴(yán)重，最大值出現(xiàn)在TMPA-V7（0.72），最低值出現(xiàn)在IMERG-F（0.41），進(jìn)一步反應(yīng)出五個(gè)產(chǎn)品在強(qiáng)降雨方面的缺陷。因此，在強(qiáng)降雨事件中，衛(wèi)星產(chǎn)品的精度仍需改進(jìn)。分析FAR隨閾值變化的整體趨勢，發(fā)現(xiàn)TMPA 產(chǎn)品急劇上升（0.41，0.44），而IMERG 產(chǎn)品的穩(wěn)定性更好（0.26，0.25，0.23）。

圖6 在4個(gè)閾值下的FAR的空間分布Fig.6 The spatial distribution of FAR at four precipitation thresholds

在圖7 中，當(dāng)閾值為0.1 mm/d 時(shí)，IMERG 產(chǎn)品的CSI都高于0.50，而TMPA 產(chǎn)品都低于0.50，探測能力明顯不在同一個(gè)水平。隨閾值增大到10 mm/d，衛(wèi)星產(chǎn)品之間的差異縮小，都在0.30～0.50 之間。當(dāng)閾值為50 mm/d 時(shí)，CSI普遍低于0.40，同時(shí)IMERG 和TMPA 出現(xiàn)了顯著的差距，這可能因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)樣本不夠充足，而且暴雨會影響衛(wèi)星傳感器接受信號?？傮w來說，IMERG 產(chǎn)品的成功系數(shù)比TMPA 的高，具體而言，IMERG-L 優(yōu)于IMERG-E 但次于IMERG-F，TMPA-RT 與TMPA-V7 水平相似。

圖7 在4個(gè)閾值下的CSI的空間分布Fig.7 The spatial distribution of CSI at four precipitation thresholds

2.2 流域尺度上的精度評估

2.2.1 基于統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的比較

根據(jù)圖8，日尺度下，5 個(gè)產(chǎn)品的CC分別為0.66、0.68、0.70、0.63、0.62，IMERG 的相關(guān)性整體比TMPA 好。TRMM 的傳感器受到發(fā)射波長的限制，最小可觀測降雨量為0.7 mm/h，因此CC相對低。月尺度下，衛(wèi)星產(chǎn)品的相關(guān)性都大幅度提高，尤其是TMPA-V7 提高了0.21。TMPA-V7（0.84）的表現(xiàn)僅次于IMERG-F（0.85），表明IMERG 和TMPA 產(chǎn)品的差距縮小，這和在站點(diǎn)尺度下得出的結(jié)論是一致的。季尺度下，5 個(gè)產(chǎn)品的精度都相當(dāng)高，CC都達(dá)到了0.85，最大值與最小值僅相差0.03，可認(rèn)為幾乎沒有差異。在3 種時(shí)間尺度下，IMERG-F 的CC都最大，與實(shí)測數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖8 流域尺度下的CC，RMSE和RBFig.8 Three statistical indicators at basin scale

產(chǎn)品在日尺度下的RMSE接近，基本在12 mm。在月和季尺度下，衛(wèi)星產(chǎn)品的RMSE的范圍分別在71～96 mm 和145～200 mm，誤差的累積導(dǎo)致了較大的值。根據(jù)RB，IMERG-E、IMERG-L 和TMPA-V7 對降雨有不同程度的低估，而IMERG-F和TMPA-RT 則是高估。IMERG-L 數(shù)據(jù)整合了IMERG-E 的數(shù)據(jù)，因此結(jié)果有一致性，展現(xiàn)了相近的低估（3.4%、3.3%）。IMERG-F 對降雨輕微高估，RB僅為0.001，可能是由于聯(lián)合地面月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正［14］。根據(jù)以上結(jié)果，IMERG 的近實(shí)時(shí)產(chǎn)品有低估降水的傾向，后實(shí)時(shí)產(chǎn)品有高估降水的傾向，這與其他研究發(fā)現(xiàn)一致［10，14］。可看到，與TMPA-RT 相比，TMPA-V7與站點(diǎn)之間的偏差減小了近2 倍。因此，總體來說后實(shí)時(shí)產(chǎn)品比近實(shí)時(shí)產(chǎn)品有更強(qiáng)的相關(guān)性和更小的偏差。

2.2.2 基于分類指標(biāo)的比較

從圖9 知，在閾值為0.1 mm/d 時(shí)，TMPA 的POD比IMERG產(chǎn)品低了接近0.15，表明了TMPA 對小雨探測能力相當(dāng)不好，但I(xiàn)MERG 在其基礎(chǔ)上提高了對輕降雨的探測能力，這可能由于GPM 搭載的更為先進(jìn)的雷達(dá)有更高的時(shí)空分辨率，進(jìn)一步下降了降水探測的最小閾值，更有利于有效捕捉小雨。IMERG 和TMPA 在閾值為1～50 mm/d 之間時(shí)，探測能力較為相似，但是當(dāng)降雨為超過50 mm/d的暴雨時(shí)，5個(gè)產(chǎn)品的差異劇烈變大。總體來說，IMERG-F 的POD隨閾值的變化最為平穩(wěn)，尤其在閾值小于60 mm/d 時(shí)反映出相對優(yōu)異的探測能力，POD總是高于其他產(chǎn)品。五種產(chǎn)品的FAR和CSI變化趨勢正好相反。隨閾值增大，F(xiàn)AR呈現(xiàn)上升趨勢，而CSI恰恰相反。當(dāng)閾值為50 mm/d時(shí)，衛(wèi)星產(chǎn)品的成功系數(shù)低（低于0.32）而誤報(bào)率高（超過0.50），與站點(diǎn)尺度的結(jié)果相吻合，強(qiáng)降雨導(dǎo)致流域的樣本數(shù)量減少，可能對探測統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

圖9 在15個(gè)降雨閾值下衛(wèi)星產(chǎn)品探測能力的表現(xiàn)Fig.9 Three categorical indicators at basin scale under 15 precipitation thresholds

總體來說，通過比較近實(shí)時(shí)產(chǎn)品和后實(shí)時(shí)產(chǎn)品，雨量站月數(shù)據(jù)校正沒有能明顯幫助提高探測成功率。IMERG 產(chǎn)品表現(xiàn)優(yōu)于TMPA 產(chǎn)品，可能有以下幾點(diǎn)原因。首先，GPM 核心觀測群能接收包括微波、紅外、地面觀測數(shù)據(jù)的更多數(shù)據(jù)來源。其次，GPMCO搭載的全球首個(gè)星載雙頻衛(wèi)星雷達(dá)（DPR）和多波段錐掃微波成像儀（GMI）使GPM 對瞬時(shí)降水估計(jì)更加敏感。此外，GPM 算法有助于融合衛(wèi)星群內(nèi)所有衛(wèi)星的傳感器。最后，GPM有更復(fù)雜全面的地面驗(yàn)證系統(tǒng)。

3 結(jié)論

在本研究中，5 種衛(wèi)星產(chǎn)品從2008年8月到2017年7月對南流江流域進(jìn)行了綜合的評價(jià)。主要結(jié)論如下：

（1）在日尺度上，從流域和站點(diǎn)來說，IMERG 產(chǎn)品的相關(guān)性都優(yōu)于TMPA，相關(guān)性從高到低的順序依次是IMERG-F、IMERG-L、IMERG-E、TMPA-V7 和TMPA-RT。隨時(shí)間尺度增大，IMERG 和TMPA 之間精度的差異縮小，TMPA-V7 超過了IMERG的后實(shí)時(shí)產(chǎn)品。

（2）在日尺度上，IMERG 的穩(wěn)定性在站點(diǎn)上略優(yōu)于TRMM，但從流域整體來看基本沒差異。在月和季尺度上，后實(shí)時(shí)產(chǎn)品比近實(shí)時(shí)產(chǎn)品穩(wěn)定。從空間來看，最北的A 站穩(wěn)定性最好，南部的N和O站穩(wěn)定性最差。

（3）對于15 個(gè)站點(diǎn)，IMERG 在相對誤差上沒有展示出優(yōu)勢，但不同站點(diǎn)RB的差距比較大，新橋、張黃和菱角的相對偏差明顯低于新田和亞山站。在流域上，IMERG-F傾向于輕微高估降雨，與IMERG-E 和IMERG-L 相反。TMPA-V7 與TMPART 相比，偏差減小了近2 倍。因此，總體來說后實(shí)時(shí)產(chǎn)品比近實(shí)時(shí)產(chǎn)品有更小的偏差。

（4）3 個(gè)分類指標(biāo)隨降水閾值的趨勢在站點(diǎn)和流域尺度上相似，POD和CSI與閾值成反比，而FAR呈現(xiàn)正比。探測小雨時(shí)，TMPA 的能力相對較弱，而IMERG 作為其后繼者有了明顯的提升。當(dāng)強(qiáng)降雨時(shí)，5 個(gè)產(chǎn)品的探測效果都不理想且站點(diǎn)值的分布更加分散，表明雨強(qiáng)對衛(wèi)星探測影響很大?！?/p>