TRMM和GPM衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品在廣西地區(qū)的適用性評價

顏景順，韋海寧，白昌彬，肖 瑤

(1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.中國科學院大學，北京 100049；3.南京大學，江蘇 南京 210000)

0 引 言

降水是地球氣候系統(tǒng)的關鍵部分，其通過潛熱釋放對大氣環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響[1]，同時降水在時空上的分布不均和變化不穩(wěn)定又是引起水旱災害的直接原因。通過地面站雨量計觀測可以獲取準確的降水量，但受限于地面站點數(shù)量較少和站點分布不均等問題，難以獲取準確的區(qū)域和全球尺度降水量。隨著遙感技術的興起與發(fā)展，衛(wèi)星遙感反演逐漸成為一種高效且具有潛力的降水量估算方式。TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)是近年來應用最為廣泛的降水遙感衛(wèi)星之一，其降水產(chǎn)品在水資源管理、水文氣象和大氣模擬中應用廣泛[2-3]，國內外學者在對TRMM降水產(chǎn)品的檢驗中發(fā)現(xiàn)其在不同地區(qū)的適用性差異較大[4-7]。2015年TRMM任務結束，TMPA[8]產(chǎn)品仍在使用TRMM星座中其他衛(wèi)星的輸入數(shù)據(jù)生產(chǎn)，TMPA不僅提供了大量的準全球覆蓋降水數(shù)據(jù)，而且為下一代遙感降水產(chǎn)品積累了足夠的經(jīng)驗和技術。GPM(Global Precipitation Measurement)衛(wèi)星作為TRMM的繼承和替代衛(wèi)星，其核心觀測平臺于2014年2月28日發(fā)射，旨在提供比TMPA系列更精細、更準確的全球降水產(chǎn)品。針對廣西地區(qū)TRMM和GPM降水產(chǎn)品的評估研究較少，且研究所用的檢驗站點數(shù)據(jù)較少，檢驗的產(chǎn)品比較單一，且檢驗的時間范圍較短，不足以全面反映TRMM和GPM降水產(chǎn)品在廣西地區(qū)的精度和適用性[9-10]。廣西作為全國水旱災害較為嚴重的地區(qū)之一，評估和應用高精度降水產(chǎn)品對防御廣西地區(qū)水旱災害有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

廣西地處華南沿海地區(qū)，地勢總體上西北高、東南低，呈西北向東南傾斜狀。四周多被山地、高原環(huán)繞，桂中和桂南多丘陵平地，呈盆地狀。年均降水量在1 000～2 700 mm之間，廣西三大降水中心分別在十萬大山迎風坡東興至欽州一帶、大瑤山迎風坡一側的昭平至金秀一帶、越城嶺至元寶山東南側永福至興安一帶，降水主要集中在每年的4月～9月，占全年降水量的70%～85%。廣西季風氣候顯著，降水時空分布不均，一方面由于降水量大且集中，廣西地區(qū)洪澇災害頻發(fā)，而另一方面巖溶地貌在廣西大面積發(fā)育分布，使得地表蓄水能力弱，容易造成地表干旱，相比周邊地區(qū)更容易形成干旱災害。

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

本文氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)，全部站點數(shù)據(jù)已經(jīng)過質量控制，選取了廣西89個國家地面觀測站2001年～2017年實測日降水數(shù)據(jù)，將日尺度數(shù)據(jù)聚合為月降水量數(shù)據(jù)檢驗衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品。用于檢驗遙感降水產(chǎn)品的觀測站站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)DEM、年均降水量(1980年～2010年)空間分布以及氣象站點分布

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)

TRMM衛(wèi)星攜帶多種降水探測傳感器，包括可見紅外輻射計(VIRS)、TRMM微波成像儀(TMI)、云和地球輻射能量傳感器(CERES)、閃電成像傳感器(LIS)和首個星載降水雷達(PR)。基于TRMM衛(wèi)星上的傳感器觀測數(shù)據(jù)，已經(jīng)開發(fā)了幾種降水反演算法。TMPA算法結合了衛(wèi)星微波和紅外傳感器的觀測和地面雨量計觀測資料，并生成了準全球覆蓋(50°N～50°S)的0.25°×0.25°空間分辨率降水產(chǎn)品。

GPM計劃由一顆核心觀測衛(wèi)星和其他十余顆衛(wèi)星星座組成，GPM衛(wèi)星主要改進了以下幾點：①衛(wèi)星軌道傾角從35°增加到了65°，擴大了探測覆蓋面積的同時也提高了產(chǎn)品時空分辨率；②降水雷達升級為雙頻雷達(Ku和Ka波段)，對微弱降水更敏感；③GPM微波成像儀新增165.5 GHz和183.3 GHz兩個通道，增強了微弱降水和固態(tài)降水的探測能力。GPM降水產(chǎn)品在第六版產(chǎn)品中首次將多衛(wèi)星降水聯(lián)合反演IMERG(Integrated Multi-Satellite Retrievals for GPM)算法應用于TRMM時代的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，旨在生成長時間序列的連續(xù)的降水產(chǎn)品。GPM提供的降水產(chǎn)品在空間分辨率上提高到了0.1°×0.1°。

為了對應地面驗證氣象資料覆蓋的時間范圍，選擇了2001年1月至2017年12月的TRMM 3B43(V7)月度降水數(shù)據(jù)和GPM IMERG(V6)月度降水數(shù)據(jù)進行驗證分析。上述兩種衛(wèi)星產(chǎn)品均由NASA戈達德地球科學資料和信息服務中心制作(GES DISC，https:∥disc.gsfc.nasa.gov)。

1.3 方法

衛(wèi)星降水遙感反演結果評價采用相關系數(shù)R、均方根誤差RMSE、相對誤差BIAS等參數(shù)，衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面降水實測值的R、RMSE和BIAS公式可分別表示為

(1)

(2)

(3)

式中，G和S分別為地面站點實測降水量和衛(wèi)星降水反演降水量；n為樣本總數(shù)；i為各樣本號。為了研究和評價不同時間尺度衛(wèi)星降水產(chǎn)品的精度，將匹配的實測降水量和衛(wèi)星反演降水量按觀測時間的年份、季節(jié)、月份、分別計算出評價指標結果。

在數(shù)據(jù)提取和匹配上，將地面驗證氣象站點位置所在的遙感數(shù)據(jù)柵格格網(wǎng)值代表衛(wèi)星遙感反演降水值，基于GEE(Google Earth Engine)遙感大數(shù)據(jù)平臺編程實現(xiàn)2001年～2017年逐月TRMM和GPM降水產(chǎn)品的批量提取和匹配。

2 結 果

2.1 總體精度評價

基于89個站點月降水量數(shù)據(jù)對TRMM和GPM遙感降水產(chǎn)品進行總體檢驗，TRMM、GPM與所有站點逐月降水量散點圖，一共匹配了18 245對數(shù)據(jù)(見圖2)。

從圖2中可見，TRMM和GPM總體精度相差不大，各站點月降水量值分布在0～800 mm之間，且月降水量主要集中在0～200 mm區(qū)間。從精度評價指標對比來看，GPM降水產(chǎn)品在相關系數(shù)R、均方根誤差RMSE以及相對偏差BIAS等指標中均略優(yōu)于TRMM降水產(chǎn)品。

圖2 TRMM和GPM降水產(chǎn)品總體精度評價

2.2 逐年尺度評價

圖3為TRMM和GPM逐年精度指標對比。從相關系數(shù)R和均方根誤差RMSE指標來看，除2011年～2013年TRMM相較于GPM有較明顯差異，其他年份2種降水產(chǎn)品相差不大，總體上GPM降水產(chǎn)品精度略占優(yōu)勢。從相對偏差角度對比兩種降水產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)GPM相比于TRMM在大部分年份表現(xiàn)都較好，TRMM對于降雨量的高估更為明顯。在2014年GPM新的觀測平臺加入后，相較于之前的TRMM降水產(chǎn)品，GPM降水產(chǎn)品的精度在廣西地區(qū)并沒有很明顯的改善。

圖3 TRMM和GPM降水產(chǎn)品年尺度精度對比(2001年～2017年)

2.3 季節(jié)尺度評價

為了解不同季節(jié)遙感降水產(chǎn)品的適用性，將遙感降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)和實測降水數(shù)據(jù)按春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)、冬季(12月～2月)進行匹配和驗證。從季節(jié)尺度評價結果來看(見圖4)，兩種降水產(chǎn)品在各個季節(jié)的精度表現(xiàn)差異不大，GPM整體表現(xiàn)略優(yōu)。具體來看，兩種降水產(chǎn)品與實測值的相關系數(shù)R最大值均出現(xiàn)在冬季(RTRMM=0.91，RGPM=0.93)，R最小值均出現(xiàn)在夏季(RTRMM=0.84，RGPM=0.83)。從RMSE來看，兩種降水產(chǎn)品在夏季的均方根誤差均最大，在冬季的均方根誤差最小。從相對誤差來看，TRMM偏差最大的季節(jié)出現(xiàn)在夏季(6.81%)，GPM偏差最大的季節(jié)出現(xiàn)在冬季(5.33%)，這可能與GPM傳感器對冬季弱降水探測更為敏感有關，GPM對冬季弱降水有部分高估。

圖4 TRMM和GPM降水產(chǎn)品季節(jié)尺度精度評價

2.4 月尺度評價

為了更好的從月尺度角度了解兩種降水產(chǎn)品的精度，統(tǒng)計了廣西89個站點的月尺度驗證精度指標(見表1)。從均方根誤差指標來看，兩種降水產(chǎn)品的均方根誤差與降水量呈線性增長趨勢，6月、7月份誤差較大，12月、2月誤差較小。除7月份外GPM在其他月份的均方根誤差均比TRMM小。從相對誤差指標來看，兩種降水產(chǎn)品在各月均表現(xiàn)為高估。TRMM在6月相對誤差最大(11.7%)，12月相對誤差最小(3.52%)；GPM在10月相對誤差最大(11.94%)，11月相對誤差最小(2.73%)。

表1 TRMM和GPM降水產(chǎn)品月尺度精度評價

從兩種降水產(chǎn)品與實測值的逐月相關系數(shù)R箱線圖(見圖5)可以看出，處于華南前汛期的5月和6月，各站點的相關系數(shù)R離散較大，表明TRMM和GPM在前汛期的遙感反演精度穩(wěn)定性不佳；而在1月和12月各站點的相關系數(shù)R離散較小，且相關系數(shù)R較高，表明TRMM和GPM在降水量較小的月份反演精度和穩(wěn)定性較高。

圖5 TRMM和GPM降水產(chǎn)品月尺度相關系數(shù)箱線

2.5 精度評價指標空間分布

為了解TRMM和GPM衛(wèi)星降水產(chǎn)品驗證精度的空間分布特征，將各站點的驗證精度指標數(shù)據(jù)進行空間插值。從圖6可見，89個站點的TRMM和GPM與實測值的相關系數(shù)R分別在0.841～0.981和0.848～0.978之間，其中桂林的相關系數(shù)R最高，R值最低的是上思。TRMM和GPM的與實測值的相關系數(shù)R在空間分布上基本一致，GPM整體精度優(yōu)于TRMM，尤其是在桂東南以及桂北一帶GPM表現(xiàn)出更高的精度。兩種產(chǎn)品R低值區(qū)均主要分布在桂中和桂西南一帶，桂東北R相對較高。

圖6 TRMM和GPM降水產(chǎn)品與實測值相關系數(shù)R空間分布

圖7為兩種降水產(chǎn)品對實測值的相對誤差空間分布圖。兩種降水產(chǎn)品的相對誤差空間分布特征依然表現(xiàn)得較為一致。TRMM和GPM相對誤差在-5%

圖7 TRMM和GPM降水產(chǎn)品與實測值相對誤差空間分布

2.6 廣西降水量空間分布特征

為了對比兩種降水產(chǎn)品與實測值的降水空間分布特征差異，本分析首先基于89個站點的年均降水量數(shù)據(jù)進行空間插值得到圖8a，將TRMM和GPM柵格數(shù)據(jù)進行年均值合成得到圖8b、8c。從三者的空間分布對比可以看出，降水量高值區(qū)(沿海、桂東北)位置能基本對應；但TRMM在桂東北的高值區(qū)與實測高值區(qū)范圍相比有所擴大，GPM在桂東北的高值區(qū)與實測高值區(qū)范圍較為一致。在降水量低值區(qū)域(左江河谷、右江河谷)，TRMM和GPM在右江河谷與實測低值區(qū)對應較好；但在左江河谷地區(qū)均有所高估，與實測值相差較大。從空間分辨率角度來看，GPM較高的空間分辨率優(yōu)勢對于刻畫地區(qū)降水量分布的細節(jié)有較大優(yōu)勢。

圖8 地面站點、TRMM和GPM年均降水量分布(2001年～2017年)

3 結 論

(1)TRMM和GPM降水產(chǎn)品精度在廣西地區(qū)整體上相差不大，GPM新觀測平臺加入后，GPM產(chǎn)品相對于TRMM的精度在廣西地區(qū)并沒有明顯的提升；但GPM更高的空間分辨率使得其在區(qū)域尺度降水模擬中更具優(yōu)勢。

(2)TRMM和GPM降水產(chǎn)品的精度指標在空間分布上有較大差異，兩者在桂東北的表現(xiàn)較好，而在桂西南和桂中地區(qū)表現(xiàn)較差，兩者在桂西南地區(qū)均存在明顯高估，而在沿海地區(qū)存在明顯低估。

(3)本研究為TRMM和GPM衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品在廣西地區(qū)的適用性提供了詳細的檢驗和對比數(shù)據(jù)。為下一步研究區(qū)域降水時空變化規(guī)律、水文模擬等提供了新的數(shù)據(jù)參考。