TRMM卫星降水产品在南流江流域的精度评估

甘富万，余膳男，黄宇明，孙晋东，张华国 ，金彩平

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004；3.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200；4.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530000)

0 引 言

降水是水循环中最基本的环节，同时也是水文和气象科学中最重要的观测数据之一。目前，获得降雨数据的主要方式有：地面雨量站观测、地面反演雷达和卫星遥感测雨[1]。地面站点由于野外台站分布的地域局限、分布不均匀、时间不连续等，特别是对无人区降雨资料的获取时，往往使雨量计观测降水数据的时空代表性不强[2]。地面反演雷达因为存在地面空间的复杂性和雷达返回波的不稳定性，所以不可避免地降低了降雨量的估测精度[3- 4]。遥感降雨数据自20世纪问世以来，受到了水文和气象研究者的极大关注。TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星遥感降水数据凭借其时效性强、时间周期短、空间分辨率高等特点，近年来已作为地面观测降水替代资料广泛应用于水文模拟、水旱灾害预报、水资源管理等方面[5]。TRMM是美国航天局和日本空间发展局共同研制的监测遥感卫星，其所载的PR(Precipitation Radar)传感器是全球唯一的星载测雨雷达，可获取准全球的高时空分辨率降水数据[6-7]。多源卫星降水分析产品TMPA(TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis)是基于TRMM卫星资料研发的卫星遥感降雨数据。其优点是结合了卫星多个传感器资料和地面雨量计观测资料，经过了资料整合分析后得到的高精度降雨数据。TRMM 3B42 V7 TMPA卫星产品是TMPA第7版本的产品，其空间覆盖范围为50°S-50°N，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率最大达到3 h。

阻碍卫星降雨数据得到全面推广的主要原因是其相对不稳定的时间序列精度和空间刻画能力[8]，国内外学者对TRMM卫星降水数据的精度评价研究做了大量的工作。Yong B等[9]研究了高纬度的青藏高原地区的TRMMV6、V7降雨数据的精度，结果显示TRMMV7产品比V6产品的系统偏差有显著改善；但在冬季未能缓解高纬度的老哈流域TRMMV7产品的严重高估问题。杨云川等[10]在长江上游金沙江流域的典型高山峡谷地区，评估了TRMM3B42V6产品的精度；结果表明随着高程的增加，卫星产品对降雨的探测能力越低。Zeng等[11]在月尺度上，验证了我国干旱的澜沧江地区TMPA 3B43V6降雨产品；结果显示V6产品在干旱监测方面精度较高。Chen等[12]对中国地区TRMMV6、RTV6、V7以及RTV7四种卫星产品的降水资料进行精度评价，从统计相关系数、相对偏差等指标发现， V7版本比V6版本在精度方面有了较大的提升。

因此，在使用前非常有必要对TRMM多卫星降水数据的精度进行定量评估。本文以南流江流域的常乐水文站以上集水区域为研究区域，以其同时间段TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7卫星降雨数据为研究对象，在日、月和季节时间尺度上对两套卫星降雨产品进行精度评估，评估内容涉及相关性分析、卫星数据误差评定和空间分布特征分析，从而给出TRMM卫星降雨产品在南流江流域的精度。

1 研究区域与评估方法

1.1 研究区域概况

南流江流域的常乐水文站以上集水区域位于广西壮族自治区南部，是北部湾经济区重要地区，处于国家“一带一路”重大战略位置，介于东经109°18′12″～110°23′26″，北纬21°45′06″～22°56′21″之间，研究区域面积6 843.95 km2，平均坡降为0.04%，主河道全长285 km。南流江流域降雨量丰富，灾害频繁，但由于濒临海洋，水资源时空分布不均匀，降雨量从流域西南到东北逐渐减小，多年平均降雨量为1 600～1 950 mm，且年际变化大。随着水文学和气象科学地不断发展，人类对降雨数据的要求愈发严格，地面雨量站观测降雨已逐渐不能满足研究者的需要。因此，对南流江流域TRMM 卫星降雨数据精度的研究，不仅为TRMM卫星降水产品用户获取高时空分辨率和高精度的遥感降水数据提供参考价值，而且有助于更深入的了解南流江流域水资源时空分布规律，对该流域水文模拟、水资源管理和洪涝灾害预报等具有现实意义。

1.2 资料及其处理

地面站点降雨观测数据采用收集到的南流江流域16个雨量站2007年6月1日至2016年12月19日逐小时雨量观测数据，数据来源于广西壮族自治区气象部门。TRMM卫星降雨数据采用的是两套3B42 TMPA卫星降水产品：准实时数据3B42RT和过实时分析数据3B42，可在NASA官方网站免费下载。

为了对比卫星降雨产品与地面雨量站点不同类型和时间的数据，需要将其统一到同一类、同时间和空间尺度上；因此，需要对卫星和地面数据进行预处理：首先，本文在空间上利用ENVI 软件按南流江流域的常乐水文站以上集水区域边界提取3B42.NC4数据集格点坐标，然后用MATLAB编程提取数据集在该区域所有格点3 h产品降雨数据；时间上，因为TRMM卫星降雨数据是使用的格林尼治时间，所以将提取得到的格点数据转换为北京时间(UTC+8 h)。日降雨数据由3 h数据累加求和得到；同样地，月尺度和季节尺度的降雨数据也可通过累加获得。

1.3 评估方法

以搜集到的南流江流域16个雨量站的降雨资料为基准值，以该区域同时间段TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7卫星降雨数据为研究对象，选择相关系数CC、相对偏差RB、均方根误差RMSE为统计指标，同时利用反距离加权插值IDW方法插值得到流域内分辨率为0.025°×0.025°的日平均降雨量分布图，分析站点观测降雨与TRMM降水数据的空间分布特征，建立TRMM3B42降水数据的精度评价模型，在日、月和季节时间尺度上对两套卫星降雨产品进行精度评价。为了对TRMM卫星数据的探测能力进行精度评定，采用报错率FAR、探测率POD、成功系数CSI统计指标。各统计指标计算公式如下

CC=(Cov(X，Y))/(σXσY)

(1)

(2)

(3)

其中，X代表站点观测降雨数据或基于站点降雨数据的模拟径流；Y代表TRMM3B42卫星降雨数据或基TRMM3B42降水数据模拟径流值；Cov(X，Y)为X和Y两组数据的协方差；σX、σY为X和Y两组数据的均方差；。CC的取值范围是[0，1]，结果越靠近与1，说明研究数据越接近相对应的参考数据。

为了给出卫星降雨数据在南流江流域的探测能力，本文采用报错率FAR、探测率POD、成功系数CSI统计指标。各雨量观测时段符号见表1。

表1 地面站点观测降雨和TRMM卫星探测降雨列联

探测率POD指卫星与地面站点同步探测有雨的比率，反映的是卫星对降雨的识别能力；报错率FAR指卫星误报有雨的比率；成功系数CSI指卫星成功探测有雨的比率，反映的是TRMM卫星估计有降雨或实测有降雨并且正确做出判断的概率。探测率POD和成功系数CSI的取值范围为(0，1)，值越接近与1，说明卫星探测能力越高；报错率FAR的值越接近于0，说明卫星探测能力越高。计算公式如

POD=H/(H+M)

(4)

FAR=F/(H+F)

(5)

CSI=H/(H+F+M)

(6)

2 结果与讨论

2.1 相关性分析

根据地面雨量站点的经纬度坐标，提取TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7降水数据集中与站点相对应格点数据。首先以南流江流域地面雨量站点日降雨数据为横坐标，提取得到的TRMM3B42V7和TRMM3B42RTV7降雨数据为纵坐标分别绘制散点图，然后将站点和站点所在TRMM卫星所在网格降雨数据按日降雨量统计为月、季度尺度降雨数据，同样绘制散点图(见图1)。

图1 TRMM3B42RTV7日、月和季度尺度上卫星网格降雨数据与对应的站点降雨量数据散点

图2 TRMM3B42V7日、月和季度尺度上卫星网格降雨数据与对应的站点降雨量数据散点

由图1、2和表2可知，在日尺度上站点观测降雨与卫星降雨产品存在精度差异。TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的组合较TRMM3B42RTV7更接近于1∶1的线性趋势线；并且TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的相关系数为0.64，大于TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的相关系数0.62，表现出了与地面站点数据相对较好的密切程度。从相对偏RB来看，TRMM3B42V7高估了地面站点降雨数量4.56%，而TRMM3B42RTV7高估了地面站点降雨量6.52%，表明 TRMM3B42V7在降雨量上与地面站点降雨量相差较小。从均方根误差RMSE来看，TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的RMSE为10.86，而TRMM3B42RTV7与地面站点降雨数据的RMSE为11.32，表明TRMM3B42V7偏离地面站点降雨数据系列的程度较小。

表2 卫星降雨产品不同统计结果对比

从月、季度尺度降雨量散点图可明显看到，随着时间尺度的增大，站点和卫星降雨数据的组合越来越接近于1∶1的线性趋势线，精度差异逐渐缩小。同样地，TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的组合表现出了较TRMM3B42RTV7更接近于1∶1的线性趋势线，并且TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的相关系数都要大于TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的相关系数，表现出了与地面站点数据相对较好的密切程度。

2.2 卫星数据误差评定

将南流江流域16个雨量站的降雨数据和站点所在的卫星产品网格降雨数据划分若干降雨强度区间，统计不同降雨强度的发生频率以及对研究期内总降雨量的贡献率，分析卫星降雨产品在不同降雨强度下的精度。同时为了分析卫星对降雨事件的捕捉能力，本文选择探测率POD、报错率FAR、成功系数CSI统计指标。坐标横轴表示日降雨量强度阀值，坐标纵轴表示降雨探测能力指标，例如，横坐标1 mm/d对应的TRMM3B42V7的探测率POD为65.23%，意思是以1 mm/d为降雨阀值，小于1 mm/d的降雨视为无雨，统计得到的探测率POD为65.23%，结果如图3所示。

由图3a可知，TRMM卫星降雨除了在小于 1 mm 的小降雨事件发生频率上与地面站点数据存在较大偏差外，在其他不同降雨强度上的发生频率与地面站点数据有较大一致性。值得注意的是，卫星降雨产品在小于1 mm的小降雨事件发生天数频率上有严重低估现象，且在大于30 mm的强降雨事件发生天数频率上存在高估的现象。从雨量贡献率折线看，TRMM3B42RTV7降雨产品在1～5 mm量级的小降雨事件雨量贡献率上存在一个低估，在15～20 mm量级的降雨事件和大于30mm的强降雨事件雨量贡献率上存在高估，整体上与站点雨量贡献率折线还是吻合较好；TRMM3B42V7降雨产品在1～5 mm量级的小降雨事件和大于30mm的强降雨事件的雨量贡献率上存在低估，在中等降雨强度的雨量贡献率上与站点雨量贡献率折线还是吻合较好。

由图3可知，在不同降雨阀值下TRMM3B42RTV7和TRMM3B42V7降雨产品表现出了相似的对降雨事件捕捉能力，但整体上TRMM3B42V7的POD、FAR和CSI要优于TRMM3B42RTV7。在以1mm/d为降雨阀值时，TRMM3B42V7探测率POD为65.23%，报错率FAR为27.53%，成功系数CSI为50.96%，而TRMM3B42RTV7探测率POD为63.56%，报错率FAR为29.22%，成功系数CSI为50.32%，TRMM3B42V7有更低的报错率，略高的探测率和成功系数。在1～20 mm/d的的降雨阀值范围内，TRMM3B42RTV7和TRMM3B42V7对降雨能力的捕捉能力几乎一样。值得注意的是，随着阀值的增大，在100～150 mm/d降雨阀值范围内，TRMM3B42V7的探测率和成功系数明显高于TRMM3B42RTV7，同时报错率也明显较低。然而在大于150 mm/d降雨阀值范围内，TRMM3B42RTV7有较低的报错率，较高的探测率和成功系数。

图3 卫星数据误差评定统计

2.3 流域降雨量空间分布特征分析

卫星降雨产品的空间监测降雨的能力是其最大的优势之一，所以评价卫星降雨产品的降雨量空间刻画能力也是精度评价的重点内容。利用反距离空间插值法IDW绘制多年平均日降水量分布图。

地面雨量站点的日均降雨量分布结果表明，南流江流域的降雨量从西南到东北逐渐减小，空间分布特征较为明显，这与上文提到的南流江流域实际降雨空间分配规律一致；要注意的是，在西南部局部区域降雨量较周围降雨量偏少，因为地面站点观测降雨只能反映流域某一点的降雨，最多能代表方圆几千米范围的真实降雨，由于降雨量空间分布图是差值的结果，所以在降雨量空间分布上难免会有偏差的情况。TRMM3B42V7降雨产品能很好地反映出南流江流域东北少西南多的雨量空间分配特征，且降雨量分布中心也大体一致，但在雨量较大的西南和东南区域存在高估25%的现象，这与上面提到的地面站点雨量空间分布有局部偏小的现象有关。而TRMM3B42RTV7降雨产品并没有反映出雨量空间分配的特征，整体上有严重高估的现象，特别是在南流江流域东北部，日降雨量均值都在6 mm以上，从相对偏差RB空间分布图上同样看出有20%左右的高估，这与实际降雨情况不符。

3 结 语

(1)通过对时间序列降雨量精度评价，日尺度上卫星降雨产品与站点观测降雨有较大的精度差异。TRMM3B42V7与地面站点降雨数据的相关系数为0.64，高估了地面站点降雨数量4.56%，RMSE为10.86，TRMM3B42V7降雨产品的精度优于TRMM3B42RTV7。随着时间尺度的增大，卫星降雨产品与站点观测降雨的精度差异逐渐缩小；但整体上，还是TRMM3B42V7降雨产品的精度优于TRMM3B42RTV7。

(2)卫星日降雨产品在不同量级降雨事件发生频率以及对总降水量的贡献率上，与地面站点数据分布整体上有较大一致性；但在小于1 mm的小降雨事件和大于30 mm的强降雨事件精度上有待进一步改善。在对卫星降雨产品的捕捉能力进行分析时发现，TRMM3B42V7对降雨的捕捉能力要比TRMM3B42RTV7强；但在局部降雨强度上，特别是对强降雨的捕捉能力TRMM3B42RTV7要优于TRMM3B42V7。

(3)通过降雨量空间分布特征分析，TRMM3B42V7、TRMM3B42RTV7均存在高估降雨量的趋势。TRMM3B42V7降雨产品能基本上刻画出南流江流域雨量西南多东北少的空间分配特征，且在相关性空间分布方面也表现出了与站点数据较高的相关性；但在东北部和西南部存在10%以上高估，中部局部区域存在10%左右的低估现象。TRMM3B42RTV7卫星降雨产品在南流江流域的空间分布存在巨大差异，不能够描绘出南流江流域降雨量东北部少西南部多的特征，特别是在东北部存在30%左右的高估情况。