GPM IMERGE衛(wèi)星遙感降水數(shù)據(jù)在巢湖流域的精度評價

程 揚,郭 燕,齊鵬云,萬能勝,賴錫軍

(1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所 中國科學院 流域地理學重點實驗室,南京 210008;2.中國科學院大學,北京 100049;3.安徽省巢湖管理局湖泊生態(tài)環(huán)境研究院,合肥 230000)

降水是水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)之一，在時空分布上具有顯著的變異特征[1]。同時，降水也是水文模型不可缺少的輸入變量，在流域尺度水文學研究中，準確獲取高時間、空間分辨率的降水信息是流域水文模型精度的重要保證[2]。

傳統(tǒng)的降水觀測主要通過雨量計和雷達兩種方式進行，但兩種方法在應(yīng)用時均存在不足。雨量計能夠準確的觀測到地面點的降水情況，但雨量站的布設(shè)密度和位置等條件會對數(shù)據(jù)的精度造成一定的限制和影響[3]，而目前國內(nèi)建立的遙測雨量站和氣象站密度并不能滿足現(xiàn)實的需求[4]；雷達降水在地形復雜地區(qū)由于信號遮擋、回波不確定性等問題的存在，探測精度也不能得到有效保證[5]。近年來，隨著航空航天技術(shù)、遙感技術(shù)以及數(shù)據(jù)反演算法的發(fā)展，衛(wèi)星降水觀測以其高時空分辨率的降水觀測產(chǎn)品逐漸成為了新的降水數(shù)據(jù)來源[6]，如CMORPH(Climate Prediction Center Morphing Technique)[7]、GSMaP(Global Satellite Maping of Precipitation)[8]、TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)[9]等衛(wèi)星降水產(chǎn)品已廣泛被用于水文水資源以及氣候變化等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中。

GPM降水計劃是繼TRMM之后新一代全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品，根據(jù)其數(shù)據(jù)反演算法提供了4種級別的產(chǎn)品，其中三級產(chǎn)品IMERGE (Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)提供了高時空分辨率的全球降水數(shù)據(jù)。作為TRMM衛(wèi)星的繼承和發(fā)展，GPM對降水的探測在時間、空間分辨率上均有所提升[10]。但由于GPM衛(wèi)星產(chǎn)品面世時間較短，國內(nèi)對GPM降水數(shù)據(jù)在各流域的探測精度及適用情況研究尚不足夠[11-12]。

本文將具有代表性的GPM 三級產(chǎn)品IMERGE v05 B選為研究對象，該產(chǎn)品提供給3種不同時效性、不同精度的數(shù)據(jù)：early-run(下文以GPM-E表示)發(fā)布于觀測后4 h，late-run(下文以GPM-L表示)發(fā)布于觀測后12 h，final-run(下文以GPM-F表示)發(fā)布于觀測后兩個月，三組產(chǎn)品校準次數(shù)依次增加，且GPM-F經(jīng)過了地面雨量站觀測數(shù)據(jù)的校準，理論上具有更高的精度[10]。本文以巢湖流域為研究區(qū)域，以地面站點降水數(shù)據(jù)為對照，分別對GPM的三組產(chǎn)品在濕潤區(qū)的應(yīng)用精度進行評估。

1 研究區(qū)域、資料與方法

1.1 研究區(qū)域

巢湖流域(116°26′00″—118°29′52″E，30°56′21″—32°16′00″N)位于安徽省中部，長江淮河之間，總面積1.35萬km2，地跨合肥、蕪湖、六安、馬鞍山、安慶等五市16縣市區(qū)，是安徽省會經(jīng)濟圈主體。巢湖流域氣候類型為亞熱帶濕潤性季風氣候，四季分明，流域年平均溫度為16～16.5℃。降水量適中，年均降水量1 100 mm左右，主要集中在夏季，梅雨顯著。巢湖流域連接著江淮丘陵地帶以及沿江平原區(qū)，流域內(nèi)地形以丘陵、平原為主。巢湖是區(qū)域內(nèi)最大的湖泊，位于流域中部，是我國第五大淡水湖。巢湖流域內(nèi)河網(wǎng)密布，主要分屬于杭埠—豐樂河、南淝河、派河、柘皋河、兆河、白石天河、裕溪河等7大水系，其中杭埠河和裕溪河分別為入湖和出湖水量最大的河流。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究使用的降水數(shù)據(jù)時段從2016年1月1日至2017年2月28日。其中，GPM產(chǎn)品數(shù)據(jù)下載自美國國家宇航局(https:∥pmm.nasa.gov/)，數(shù)據(jù)格式為netCDF，數(shù)據(jù)的時間分辨率為0.5 h；空間分辨率為0.1°×0.1°，覆蓋范圍60°S～60°N；而作為評估的對比參考數(shù)據(jù)，本文使用的地面站點降水數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象局，包括巢湖流域廬江、無為、舒城、巢湖閘下、肥西、合肥、肥東等120個站點的逐日的降水數(shù)據(jù)，站點空間分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及地面降水站點分布

1.3 評估指標

本文采用定量分析方法和分類統(tǒng)計指標兩種評價方式對GPM產(chǎn)品的數(shù)據(jù)精度進行評價。

(1) 定量分析方法。定量指標反映GPM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)與地面站點數(shù)據(jù)在數(shù)量上的一致性，包括以下幾個指標：

相關(guān)系數(shù)R：用于衡量衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)程度；取值范圍[-1,1]，絕對值越大，相關(guān)性越強。

(1)

均方根誤差RMSE：用于衡量衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的絕對誤差，對特大特小誤差反映敏感；取值范圍[0,+∞]，值越小，誤差越小。

(2)

相對誤差BIAS：用于衡量衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的相對誤差，能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)的偏離的方向；取值范圍[-1,1]，絕對值越小，誤差越小，大于0表示高估降水量，小于0表示低估降水量。

(3)

(2) 分類評分指標。分類評分指標反映GPM衛(wèi)星降水產(chǎn)品對不同降水事件的檢測能力，包括以下幾個指標：

2.1.1 課外活動參與度不均衡，組織活動質(zhì)量有待提升 問卷表明，工程學院學生的課外活動平均時間不算多，相對而言，大二、大四學生平均課外活動時間更少些。絕大多數(shù)在校生都參加了校內(nèi)的各種社團，并且參與目的明確，態(tài)度積極端正。其中，大三學生參團的平均個數(shù)最多，大四學生參團人均數(shù)最低。大一至大三學生對社團活動的滿意度約為60%，高于大四學生。在各類型課外活動的偏好方面，學生最喜歡參加的是“體育類”和“文藝類”，最不感興趣的是“學術(shù)講座類”，大部分學生對真人秀娛樂節(jié)目更感興趣。

探測率POD：用于衡量對降水事件的探測能力；取值范圍為[0,1]，值越大，說明GPM產(chǎn)品對降水事件的成功探測的程度越高。

(4)

空報率FAR：用于衡量降水事件被錯誤預測的概率;取值范圍為[0,1]，值越小，說明GPM產(chǎn)品對降水的誤報程度越小。

(5)

頻率偏差B：用于衡量降水事件是否被高估或低估；取值范圍為[0,+∞]，B>1說明GPM產(chǎn)品高估了降水事件；B<1說明GPM產(chǎn)品低估了降水事件。

(6)

公正先兆評分ETS：用于衡量對降水的綜合探測能力。取值范圍為[-1/3,1]，值越大，說明GPM產(chǎn)品對降水的綜合探測能力越強。

(7)

(8)

式中：H為衛(wèi)星產(chǎn)品準確探測到的降水事件數(shù)；F為誤報的降水事件數(shù)；M為漏報的降水事件數(shù)；Z為衛(wèi)星降水和地面觀測數(shù)據(jù)均未發(fā)生該強度降水事件數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時間尺度精度評價

2.1.1 日尺度 繪制流域內(nèi)120個站點2016年1月至2017年2月的GPM數(shù)據(jù)和地面站點數(shù)據(jù)的散點圖并進行相關(guān)分析(圖2)。結(jié)果顯示，GPM-E產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)R=0.79，斜率K=0.70；GPM-L產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)R=0.63，斜率K=0.72；GPM-F產(chǎn)品的決定系數(shù)R2=0.66，斜率K=0.84，三組數(shù)據(jù)的決定系數(shù)均通過p<0.01的顯著性檢驗，表明3種GPM IMERGE降水產(chǎn)品與地面降水數(shù)據(jù)在整體上均具有較高的一致性。比較3種產(chǎn)品的決定系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著校準次數(shù)的增加，GPM產(chǎn)品精度也略有遞增。

相關(guān)系數(shù)只能表示衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)與地面站點數(shù)據(jù)整體的一致性，而不能有效反映差異量的大小，因此，計算各GPM產(chǎn)品的精度評價指標，結(jié)果見表1。3種產(chǎn)品的均方根誤差RMSE相差不大，分別為8.59 mm，8.44 mm和8.62 mm。而相對誤差BIAS指標顯示，GPM產(chǎn)品對降水均存在一定程度的高估，其中GPM-E和GPM-F產(chǎn)品對降水相對高估了9.52%和9.75%，而GPM-F產(chǎn)品對降水的觀測相對偏高23.15%。

表1 GPM日降水序列總體精度評價指標

2.1.2 季節(jié)尺度 巢湖流域降水年內(nèi)分布不均，夏季降水最多，梅雨顯著，冬季降水最少，因此有必要對GPM數(shù)據(jù)進行季節(jié)尺度上的精度評價。將巢湖流域2016年3月至2017年2月的降水數(shù)據(jù)按3—5月、6—8月、9—11月和12月—次年2月依次劃分為春季、夏季、秋季和冬季進行分析。由于2016年巢湖流域地面站點降水數(shù)據(jù)缺失值集中在秋季，因此在進行季節(jié)降水量精度評估時僅選取廬江、無為、舒城、巢湖閘下、肥西、合肥、肥東等無數(shù)據(jù)缺失的7個站點以季節(jié)內(nèi)各站點降水總量的平均值代表整個流域的季節(jié)總降水量，并計算GPM各降水產(chǎn)品在各季節(jié)內(nèi)的精度評價指標(圖3)。

從圖3A可見，巢湖流域2016年夏季降水最多，其次為秋季和春季，冬季降水最少。對于2016年各季節(jié)降水量，GPM產(chǎn)品在降水較少的春季和冬季高于地面站點實測降水，而在夏、秋兩季，準實時產(chǎn)品GPM-E和GPM-L低于地面降水，校正后的非實時GPM-F產(chǎn)品高于地面站點降水。圖3B顯示，各產(chǎn)品各季節(jié)的相關(guān)性都較高(R>0.7)，其中，在降水最多的夏季，3種GPM降水產(chǎn)品與地面降水數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)程度也最高(R>0.8)。值得注意的是，秋、冬兩季GPM-E，GPM-L，GPM-F3種產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)依次遞增，可能的原因是GPM衛(wèi)星產(chǎn)品對微量降水及以冰雪形態(tài)出現(xiàn)的固態(tài)降水探測存在較大誤差，而GPM-F產(chǎn)品經(jīng)地面站點校正，有效彌補了該方面不足。圖3C顯示，3種GPM IMERGE產(chǎn)品的均方根誤差RMSE均與降水量大小表現(xiàn)出一致的趨勢，夏季最高，春冬兩季較低，可能是由于巢湖流域夏季降水多且多以強降水形式出現(xiàn)，給衛(wèi)星精確地觀測降水帶來極大地挑戰(zhàn)，而春冬兩季降水較少且強度較低，降水量總體變化不大，RMSE的值就相對較低。圖3D顯示，GPM-E，GPM-L兩種準實時產(chǎn)品的相對誤差BIAS趨勢一致，在降水較少的春冬兩季表現(xiàn)為高估，而在降水較多的夏秋兩季表現(xiàn)為高估，其中在夏季誤差最小(<2%)。而GPM-F產(chǎn)品對4個季節(jié)的降水量估計均偏高，具體表現(xiàn)為春季相對誤差最大，冬季相對誤差最小。3種產(chǎn)品相比，經(jīng)地面站點校正后的GPM-F產(chǎn)品相對與準實時的GPM-E和GPM-F產(chǎn)品，其探測精度在冬季表現(xiàn)出絕對的優(yōu)勢。

圖3 季節(jié)降水量及評價指標

2.2 不同強度降水精度評估

從上文的分析結(jié)果來看，降水強度對GPM產(chǎn)品的精度有一定程度的影響，因此引入分級評價指標探測率POD、空報率FAR、頻率偏差B和公正先兆評分ETS等指標定量地對降水強度的影響進行評價。

根據(jù)天氣學對降水量等級的劃分規(guī)定和巢湖流域的降水強度情況，選取0.1 mm/d，10 mm/d，25 mm/d，50 mm/d4個閾值將降水劃分為無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨級以上幾個等級，分別計算各等級降雨的分級評價指標(表2)。

表2 GPM產(chǎn)品對不同強度降水觀測精度分級評價指標

總體來看，降水強度對GPM產(chǎn)品對降水探測的能力有一定影響。對于探測率POD，GPM產(chǎn)品對是否降雨(0.1 mm/d)的探測率最高，達0.79，而隨著降雨強度的增大，GPM產(chǎn)品對相應(yīng)強度降水的探測率逐漸降低。空報率FAR顯示，GPM產(chǎn)品對50 mm/d的降水存在最多的誤報可能。從頻率偏差指標B可以看出，GPM產(chǎn)品對10 mm/d以下的小雨表現(xiàn)為高估，且對0.1 mm/d的少量降水高估最嚴重；而對50 mm/d的強降水表現(xiàn)為低估。綜合以上3個指標并結(jié)合ETS指標可以發(fā)現(xiàn)，GPM產(chǎn)品對0.1 mm/d和50 mm/d的降水探測精度低于10 mm/d和25 mm/d強度的降水，說明降水強度過低或過高對GPM產(chǎn)品的探測精度均有一定程度的影響。

3種不同時效性產(chǎn)品相比，總體上，隨著校正次數(shù)的增加，GPM產(chǎn)品的精度越高。特別是對于50 mm/d的高強度降水，GPM-F產(chǎn)品經(jīng)地面站點數(shù)據(jù)校正后，相比GPM-E和GPM-L產(chǎn)品探測精度提升明顯。

2.3 不同站點數(shù)據(jù)精度

降水受不同氣象要素和地理要素的影響，在空間上表現(xiàn)出較強的空間異質(zhì)性，有必要對巢湖流域內(nèi)各站點的數(shù)據(jù)精度分別進行分析[13]。因此，基于研究區(qū)內(nèi)120個地面氣象站點的日降水量分別計算3種GPM產(chǎn)品的精度評價指標，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，絕大部分地面站點降水量和GPM產(chǎn)品降水量之間的相關(guān)系數(shù)較高，進一步驗證了在巢湖流域GPM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)與地面站點數(shù)據(jù)存在明顯的一致性。流域中部站點相關(guān)系數(shù)較高而流域邊緣地區(qū)相對稍低，天蒼、瑤海磨店、張橋水庫、眾興水庫、眾興等個別站點相關(guān)系數(shù)低于0.6，說明這些站點GPM與地面站點數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系較弱。其中，除天蒼站位于流域西南的大別山區(qū)外，其他幾個站點均集中于流域北端長豐縣和肥東縣交界區(qū)域，其可能原因為該區(qū)域內(nèi)成像雷達像元內(nèi)的降水不均勻，導致遙感產(chǎn)品與地面站點實測降水在時空檢測尺度上不匹配[14]。另外，GPM-F產(chǎn)品相對于兩準實時產(chǎn)品來說，流域中部的相關(guān)系數(shù)明顯提升，表明經(jīng)過地面站點的校正后，GPM-F產(chǎn)品在流域中部地區(qū)與實測降水數(shù)據(jù)有更高的一致性。

圖4 各站點評價指標

分析3種GPM產(chǎn)品在各站點的絕對誤差分布圖可以發(fā)現(xiàn)，GPM-L產(chǎn)品與GPM-E產(chǎn)品相比絕對誤差略有降低但不明顯，且兩準實時產(chǎn)品的絕對誤差均在流域東南部最大，近半數(shù)站點的絕對誤差都在10 mm以上。而GPM-F產(chǎn)品的絕對誤差在全流域沒有明顯的分布特征，其數(shù)據(jù)在流域東南部絕對誤差明顯低于兩準實時產(chǎn)品，但在其他站點也出現(xiàn)了絕對誤差過大的情況，考慮可能的原因為GPM-F產(chǎn)品相較GPM-E和GPM-L產(chǎn)品經(jīng)歷了更多校正方案的處理，不同的校正算法導致了GPM-F產(chǎn)品在流域內(nèi)誤差分布情況不同于準實時產(chǎn)品。

BIAS指標反映了GPM產(chǎn)品日降水數(shù)據(jù)偏離實測降水量的程度，對于GPM-E和GPM-L產(chǎn)品，有93個站點在流域內(nèi)的BIAS值大于0，占總站點數(shù)的77.5%，說明該產(chǎn)品在巢湖流域大部分站點對降水的估計表現(xiàn)為高估。而GPM-F產(chǎn)品在120個站點中僅有8個站點的BIAS低于0，即經(jīng)過更多校正處理后，GPM-F產(chǎn)品在巢湖流域?qū)邓墓烙嬈吒訃乐亍?/p>

綜合以上分析，流域中部GPM數(shù)據(jù)和地面站點降水量的相關(guān)性較邊緣更高；準實時產(chǎn)品在流域西南部絕對誤差較大，但經(jīng)地面站點校正后的GPM-F產(chǎn)品在流域內(nèi)絕對誤差分布較平均；流域內(nèi)多數(shù)站點的GPM數(shù)據(jù)高估了降水，且校正后的GPM-F產(chǎn)品在更多站點表現(xiàn)出高估。

3 結(jié) 論

(1) GPM IMERGE 產(chǎn)品對巢湖流域降水的估測能力總體較高，但在不同的時間尺度下的探測精度表現(xiàn)不一。日尺度方面，GPM IMERGE產(chǎn)品均表現(xiàn)出較高的線性相關(guān)性(R>0.78)和較低的均方根誤差(RMSE<8.6 mm)，而相對誤差檢驗則顯示了GPM產(chǎn)品對降水一定程度的高估，其中，兩準實時產(chǎn)品高估低于10%，而非實時GPM-F產(chǎn)品存在23.15%的高估。在季節(jié)尺度上，GPM數(shù)據(jù)與地面站點數(shù)據(jù)在夏季擁有最高的線性相關(guān)性(R>0.8)和最高的均方根誤差(RMSE>13.8 mm)，說明豐富的降水能夠帶來GPM數(shù)據(jù)精度的提高，但暴雨也導致了較大的絕對誤差。

(2) 降水強度對GPM IMERGE產(chǎn)品的探測精度存在一定程度的影響。隨著降雨強度的增大，GPM產(chǎn)品對相應(yīng)強度降水的探測率逐漸降低，同時，GPM產(chǎn)品對50 mm/d的降水存在最多的誤報可能。GPM產(chǎn)品容易高估10 mm/d以下的小雨，而低估50 mm/d的強降水。總體來看，GPM產(chǎn)品對10 mm/d的降水綜合探測能力最強，降水強度過低或過高對GPM的探測精度均有一定程度的影響，但對50 mm/d的暴雨的探測能力最弱。

(3) 各站點驗證結(jié)果表明，流域中部GPM數(shù)據(jù)和地面站點降水量的相關(guān)性較邊緣更高；準實時產(chǎn)品在流域西南部絕對誤差較大，但經(jīng)地面站點校正后的GPM-F產(chǎn)品在流域內(nèi)絕對誤差分布較平均；流域內(nèi)多數(shù)站點的GPM數(shù)據(jù)高估了降水。

(4) 經(jīng)地面站點校正的GPM-F產(chǎn)品在秋冬季和高強度降水中的精度較準實時GPM-E和GPM-L產(chǎn)品均有提升，但導致了更高的高估。因此，在選擇GPM產(chǎn)品進行流域降水分析及水文模擬時，因結(jié)合時效性要求、研究的時間尺度和降水強度等條件綜合考量，并在研究流域做適當精度評估后選用。