TRMM卫星降水数据在珠江流域的适用性评价*

刘晓林，刘超群，杨胜天，李树波

（1. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州510611；2. 北京师范大学水科学研究院，北京100875）

降水作为水循环过程中的关键要素，准确的空间化降水信息对于水资源管理、旱涝灾害管理、生态环境治理具有重要意义［1-2］。目前对于降水资料的获取最直接、最有效的手段依然是地面观测站点，然而由于降水的空间差异性，使得地面有限的观测站点难以准确反应空间化的降水，尤其在一些站点稀疏、地形起伏较大的地区［3］。遥感与卫星技术的发展为空间化降水的获取提供了新的方法和途径［4］，由于卫星遥感降水数据的时空分辨率较高、覆盖范围广以及不受地形地貌条件限制，已作为地面观测站点的替代资料被广泛应用［5］。

TRMM （Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星由美国和日本共同研发并于1997年发射成功，其遥感传感器能够覆盖全球50°S～50°N 的范围，至今已经积累了大量的高时空分辨率的遥感降水数据［6］。为了更好的将其进行应用，国内外在TRMM卫星降水数据精度评价方面做了大量的研究［7-10］，结果表明：TRMM降水数据与地面观测站点具有很好的一致性，并且随着时间尺度的增大，其精度逐步提高［7］，雨季（夏季和秋季）降水精度明显高于枯季（冬季和春季）［11］，不同气候类型及降水类型下其精度也有所不同［12］。珠江流域地处水循环最为活跃的中国南方沿海地区，流域降水受东南季风和西南季风的影响，时空分布不均［13］。在全球气候变暖的背景下，流域上游的干旱、下游的洪涝等气象灾害逐渐频发［14］。将TRMM 卫星降水应用到珠江流域与降水的相关研究中，可弥补地面观测站点的不足。为了将TRMM 卫星更好的进行应用，其精度评价显得尤为重要，目前已有部分与珠江流域相关的TRMM 卫星降水的适用性研究。如刘少华等［3］基于气象站点对中国大陆流域分区TRMM 降水质量进行评价中有涉及到珠江流域的精度评价，并与全国其他流域进行了对比，发现珠江流域精度相对其他流域较高；李麒崙等［15］对中国大陆的GPM 与TRMM 降水的精度进行了评估与对比，其中涉及珠江流域的TRMM 日和月尺度降水精度相对内陆河片的较高；王兆礼等［16］以珠江流域的东江和北江为例进行TRMM 降水的适用性研究，作为VIC 水文模型的输入，TRMM 降水模拟精度相对站点较高，显示了TRMM降水在网格尺度应用中相对实测站点的优势。然而TRMM 降水的精度验证大部分在全国及流域尺度进行，只注重珠江流域与其他流域的精度对比，对于整个流域及内部更为精细和全面的精度验证相对匮乏，同时对于TRMM 降水的时空分布特征分析较为薄弱，因此亟需开展该方面的研究。

本文采用珠江流域内74 个气象站点的实测降水量，从年、月及日尺度上对该区域的TRMM 卫星降水数据进行全面精度验证，并着重分析TRMM月尺度降水站点及流域内部精度，对比通过TRMM卫星和气象站点获取的空间化降水的差异，然后基于1998～2015年的TRMM 月降水数据统计分析了流域内年均降水量和各月平均降水量的时空分布特征，为TRMM 卫星数据在珠江流域的可靠性与进一步应用提供科学依据。

1 研究区概况

珠江流域片（本文简称“珠江流域”）地处中国南部沿海，位于东经100°05′～117°18′、北纬5°51′～26°52′之间，总面积约65 万km2，多年平均水资源总量为5 201 亿m3（图1）。流域包括珠江流域（狭义）、韩江流域、红河流域（国内部分）、粤桂沿海诸河和海南诸河，其中珠江流域（狭义）又分为南北盘江、红柳江、西江、北江、东江、珠江三角洲诸河，地跨滇、黔、桂、粤、琼、湘、赣、闽等8个省区及港澳地区［17］。

珠江流域属热带、亚热带气候区，气候温和，雨量丰沛，流域多年平均气温14～22 ℃，多年平均降水量1 200～2 000 mm，降水量分布总趋势由东向西递减。降水量、径流年内分配不均匀，每年4～9月为丰水期，降水量与径流量约占全年的80%［18］。流域地势北高南低，西高东低，总趋势由西北向东南倾斜，地貌以山地、丘陵为主，平原盆地较少。自然土壤主要以红壤、砖红壤、砖红壤性红壤、黄壤为主，一般按地带规律分布。植物种类繁多，以绿阔叶林为主，其次为针阔叶混交林，森林覆盖率为28%。

图1 珠江流域的地理位置及气象站点的分布Fig.1 The geographical location of the Pearl River Basin in China and its rain gauges

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究数据包括3 类：①气象站点实测降水数据；②TRMM3B43-V7 月降水数据；③TRMM3B4 2-V7 日降水数据。其中，实测降水数据来源于中国气象局国家气象数据中心（http：//data. cma.cn），考虑到气象站数据的时间连续性，选取了1998～2015年珠江流域范围的74个国家基准与基本站观测降水数据，作为“真值”对卫星降水数据进行检验。TRMM3B43 及3B42 降水数据源于NASA 网 站(http://trmm. gsfc. nasa. gov/)，空 间 分 辨率为0.25°（约25 km），时间分辨率TRMM3B43 为月，TRMM3B42 为日，选取时段与降水实测数据相同。

2.2 检验及分析方法

首先整理74 个气象站点的实测降水数据，提取其所在TRMM 卫星网格降水数据，采用散点斜率法、相关系数（R）和相对误差（BIAS）指标，从年、月及日尺度对TRMM 卫星降水数据进行精度检验。然后将气象站点的数据采用反距离方法插值到TRMM 卫星分辨率的网格数据，进行面尺度对比分析。

1） 散点斜率法：以气象站点观测降水为自变量，站点所在网格内TRMM 卫星降水为应变量，作一元线性回归，线性函数的斜率K 越接近1，代表两个数据偏差越小。若散点位于1∶1 线左侧，说明降水实测数据小于TRMM 卫星数据，若散点位于1∶1 线右侧，说明降水实测数据大于TRMM卫星数据。

2） 相关系数和相对误差计算公式

3 结果分析

3.1 数据整体精度检验

3.1.1 年降水精度分析 采用TRMM3B43 的月降水数据加和得到1998～2015年珠江流域TRMM 年降水数据，进行研究区TRMM 卫星年降水精度评价。结果表明：TRMM年降水数据与站点实测年降水量的总体决定系数R2=0.843，斜率K=0.768 7；相关系数R=0.918，并通过了α=0.001 的显著性检验；74 个站平均相对误差BIAS=10.87%，两者拟合度较高，存在很好的一致性。相比其他区域已有的TRMM 降水数据精度检验结果，精度略高。从图2可以看出，在降水低值区，多数散点分布在线左侧，即在年尺度上TRMM 卫星高估了研究区的实际降水；在降水高值区，多数散点分布在1∶1 线右侧，即在年尺度上TRMM 卫星低估研究区的实际降水。总体而言，在研究区内TRMM3B43 估计的年降水数据精度较高，能够满足在年尺度上应用的需要。

图2 1998～2015年珠江流域内TRMM年降水与地面观测站年降水量散点图Fig.2 Annual precipitation scatter diagram between TRMM and rain gauges in the Pearl River Basin during 1998-2015

3.1.2 月降水精度分析 基于1998～2015 年珠江流域TRMM3B43 的月降水数据，进行研究区TRMM 月降水精度评价。结果表明（图3） ：TRMM月降水数据与站点实测月降水量的总体决定系数R2=0.883，斜率K=0.869 5；相关系数R=0.940，通过了α=0.001 的显著性检验；74 个站平均相对误差BIAS=22.01%，相比较年尺度TRMM降水，其相关系数更高，但相对误差有所增大。TRMM月降水低值区高估实际降水，高值区低估实际降水，与年尺度规律相似。总体而言，在研究区内TRMM3B43 的月降水数据与站点实测降水具有明显的相关性与一致性，可作为与降水相关研究的数据来源。

图3 1998～2015年珠江流域内TRMM月降水与地面观测站月降水量散点图Fig.3 Monthly precipitation scatter diagram between TRMM and rain gauges in the Pearl River Basin during 1998-2015

图4 1998～2015年珠江流域内TRMM日降水与地面观测站日降水量散点图Fig.4 Daily precipitation scatter diagram between TRMM and rain gauges in the Pearl River Basin during 1998-2015

3.1.3 日降水精度分析 基于1998～2015 年珠江流域TRMM3B42 的日降水数据，进行研究区TRMM 日降水精度评价。结果表明（图4），TRMM日降水数据与站点实测日降水量的总体决定系数R2=0.209，斜率K=0.453 1；相关系数R 仅为0.457；74 个站平均相对误差BIAS 达到113.62%，两者的一致性较差。总体而言，TRMM日降水数据在研究区内的精度较差，这可能是由于遥感本身的特点导致的，由于卫星主要通过微波传感器等设备探测云内降水粒子和云粒子与微波的相互作用达到测量降水的目的［19］，而珠江流域属热带、亚热带气候区，水循环剧烈、云层移动速度快，使得卫星探测日降水结果时效性较差。所以在珠江流域内使用TRMM3B42 的日降水数据进行相关研究之前需对该数据进行精度影响分析和相应的校正。

3.2 数据个体精度检验

从年、月及日尺度TRMM 降水的检验结果可知，基于1998～2015年TRMM3B43的年和月降水数据在研究区内整体上精度较高，但整体检验难免掩盖少数站点数据与对应TRMM 降水数据之间的差异性，无法全面客观地反映出TRMM 降水数据在各站点间验证精度的不均一性。尤其降水作为所有气象要素中最活跃的变量，其分布受到地形、气候、经纬度、海拔和海陆位置等诸多因素的影响［6］，具有时间和空间上的高度不连续性与非线性特征。因此，仅仅对数据进行整体精度检验是不全面的，还需要对单个站点的精度进行检验。由于TRMM 年降水数据是由月降水数据加和所得，日降水数据总体精度较差，所以着重在月尺度上进行单个站点精度分析。

以珠江流域内各气象观测站点的月降水量为自变量，相应时间上站点所在网格内的TRMM 月降水数据为因变量进行一元线性回归分析，得到TRMM月降水数据与各站点实测降水量之间的相关系数R，并计算各站点两组数据的相对误差BIAS（表1）；同时统计流域内各个子流域内气象站点相关系数R和相对误差BIAS的平均值（表2）。

从相关系数来看（表1 和表2），全流域74 个气象站点的月降水实测数据与TRMM 月降水数据的相关系数平均值为0.946，其中最大的为汕尾和江城站，R 达到0.984，最小的为罗定站，R 为0.865；在各个子流域中，韩江流域的相关系数平均值最大，R 为0.961，海南诸河的相关系数平均值最小，R 为0.923。全流域中绝大部分站的相关系数在0.9 以上，只有4 个站（罗定、琼中、电白、陵水）的相关系数小于0.9，进一步说明了TRMM 月降水数据与站点实测降水量存在明显的线性关系，遥感数据精度较高，在整个珠江流域具有普遍的适用性。

从相对误差来看（表1 和表2）：①全流域74个气象站中，惠来、琼中、汕尾、桂平等20 个站点的相对误差小于0，说明这些站点的TRMM 月降水数据小于实测站点降水，卫星降水数据存在一定的低估。罗甸、平果、儋县、蒙山等54 个实测气象站点的相对误差大于0，表示这些站点的TRMM月降水数据比实测站点降水要高，卫星数据存在一定程度的高估。②在74 个气象站中，有61个气象站点相对误差在15%以内，其中48 个气象站点相对误差在10%以内，说明大多数气象站点的TRMM 月降水数据与实测站点降水差异不大，一定程度上能够反映出TRMM 月降水数据的准确性。③各气象站点之间的相对误差具有不均匀性，差异性明显。其中深圳、凤山、融安、台山、增城这5 个气象站点的相对误差＜±1%，说明TRMM月降水数据和气象站点实测降水之间有非常好的一致性。而元江、南宁、白色、罗定以及龙州的相对误差分别为31.63%、24.16%、23.07%、21.98%和20.98%，说明这5 个气象站点的TRMM月降水数据和气象站点实测降水之间相对误差明显，而对应的相关系数却分别为0.926、0.922、0.956、0.865 及0.947，可见，单从相关系数来考虑TRMM 月降水数据和站点实测降水之间的相关性，容易忽略相关系数高的降水数据之间可能存在较大误差的现象，因而需要考虑两者之间的相对误差。④各个子流域中，郁江的平均相对误差最大，达到12.16%，其它流域平均相对误差在10%以内，其中海南诸河、珠江三角洲诸河、粤桂沿海诸河及韩江4 个流域的平均相对误差在5%以内，TRMM 月降水精度较高。11 个子流域中只有粤桂沿海诸河的平均相对误差小于0，TRMM 卫星低估降水；其它流域的平均相对误差都大于0，TRMM卫星高估降水。

从精度检验结果可知，总体上，珠江流域内TRMM月降水数据和气象站点实测降水之间有良好的一致性，研究区范围内的相关系数基本在0.9以上，最小的也达到了0.865，11个子流域相关系数平均值界于0.923～0.961，气象站点实测降水要比TRMM月降水数据整体上略微偏低。就个体比较而言，大多数站点的TRMM 月降水数据和气象站点实测降水差异不明显，有61 个气象站点相对误差都在15%以内，11 个子流域平均相对误差小于13%，但也存在误差较大的站点，尤其元江、南宁、白色、罗定以及龙州这5个站点，相对误差达到了20%以上。

表1 1998～2015年珠江流域内TRMM月降水与观测站月降水量的相关系数和相对误差Table 1 Correlation coefficient and relative error on monthly precipitation between TRMM and rain gauges in the Pearl River Basin during 1998-2015

表2 1998～2015年珠江流域内各子流域TRMM月降水与观测站月降水量的平均相关系数和相对误差Table 2 Average correlation coefficient and relative error on monthly precipitation between TRMM and rain gauges in the Pearl River various sub basins during 1998-2015

3.3 降水空间分布对比

通过TRMM 卫星气象站点的整体及个体精度检验，可得卫星降水在站点所在位置的精度，然而空间化的降水对于流域水资源相关的研究有重要意义，因此还需对比分析卫星获取的空间化降水和气象站点获取的空间化降水之间的差异。统计1998～2015年TRMM 年平均降水与珠江流域内气象站点插值获取的年平均降水，用站点的降水减去TRMM降水，对比分析两者的差异。

结果显示（图5），TRMM 和气象站点获取的年均降水空间分布总体特征及趋势一致，但局部区域存在一定的差异。流域内TRMM 年均降雨量最高为2 306 mm，最低为780 mm，年均降雨极差值为为1 526 mm。气象站点年均降雨量最高为2 503 mm，最低为827 mm，年均降雨极差值为1 676 mm。气象站点的降水在最高、最低、极差和均值上都要大于TRMM 降水，但是不同区域差异不同，尤其海南诸河、红河下游等降雨中心有所差异。差异最大的为流域南部区域，特别是西南区红河下游，差异值达到-769 mm，TRMM 数据远高于站点数据；海南岛南部差异值为462 mm，气象站数据高于TRMM 数据，其它区域差异界于这两个数据区间。总体而言两个数据的差异区域主要为珠江流域地形较为复杂的上游和沿海区域，而其产生的原因可能与地形及站点数据的插值方法有关。

图5 1998～2015年珠江流域内TRMM年均降水与气象站点年均降水差异分布图Fig.5 Distribution difference of average annual precipitation between TRMM 3B43 and meteorological stations in the Pearl River Basin during 1998-2015

3.4 基于TRMM降水数据的降水时空分布特征

珠江流域TRMM 降水整体和个体精度验证及空间分布对比结果表明：TRMM3B43 的月降水数据与站点实测降水的一致性较好，虽然个别站点数值上差异较大，在定量测量流域降水方面具有一定欠缺，但大部分站点TRMM 月降水数据与站点实测降水量的偏差较小，因此TRMM 月降水数据可以定量地反映珠江流域降水的时空分布规律和空间异质性。

3.4.1 降水的空间分布特征 利用1998～2015 年的TRMM 月降水数据计算得到珠江流域的多年平均降水分布。如图5a 所示，珠江流域内年均降水量整体上呈现由西北向东南逐渐递增的趋势，不同区域间降水量差异明显。流域内年均降水量最小的区域位于流域西北部红河和南北盘江上游，仅为780 mm，向东逐渐递增到红柳江、郁江区域的1 300～1 500 mm。在西江、粤桂沿海诸河区域的年均降水量为1 600～1 700 mm，流域内年均降水量最大的区域位于北江、东江、珠江三角洲诸河及海南诸河，年均降水量达到1 800～2 000 mm。流域最东边的韩江地区年均降水量反而比珠三角地区有所降低。造成上述降水分布特征的原因是红河、南北盘江的海拔相比珠三角地区较高，同时该区域距离海洋远；韩江地区处在海拔相对较高的岭南山脉，使得来自太平洋的水汽在海拔较低的珠三角地带产生大量降水。

3.4.2 降水的时间分布特征 利用1998～2015 年的TRMM 月降水数据计算得到珠江流域1～12 月的每月平均降水分布。由图6 可见：①流域内1～12月的月平均降水分布规律与年均降水分布规律相似，整体上均呈现出由西北向东南逐渐递增的趋势，其中个别月份出现异常。②各月流域内最低降水量和最高降水量分布位置不同。1～6 月、11～12 月流域内最低降水量区域均分布在红河和南北盘江上游，7 月流域内最低降水量区域分布在北江和韩江上游，8 月流域内最低降水量区域分布在红柳江上游，9 月流域内最低降水量区域分布在红柳江和西江上游，10 月流域最低降水量区域分布在韩江流域；1～4月、12月流域内最大降水量区域分布在北江、西江一带，5～6 月流域内最大降水量区域分布在珠江三角洲，7 月流域最大降水量区域分布在红河和郁江下游及粤桂沿海诸河，8 月流域内最大降水量区域分布在红河和粤桂沿海诸河下游，9～10 月流域内最大降水量区域分布在海南诸河，11 月流域内最大降水量区域分布在海南诸河及西江上游。③流域内降水在各月份的分布极不均匀，12 月份降水最少，流域内最大月降水量仅为84 mm；7 月份降水量最大，流域内最大月降水量为583 mm。大部分降水集中在每年4～10 月，流域下游区域极易发生洪涝灾害；11月至次年2月，流域内很少有降水发生，上游容易发生干旱灾害。

图6 1998～2015年珠江流域内TRMM月平均降水分布图Fig.6 Distribution of average monthly precipitation from TRMM 3B43 in the Pearl River Basin during 1998-2015

4 结 论

利用珠江流域内74 个气象站点实测降水数据对TRMM 卫星降水数据从年、月及日尺度上进行了精度检验和年均降水空间分布对比，并通过计算1998～2015年的TRMM 年均降水量和各月平均降水量对珠江流域TRMM 卫星降水的空间和时间分布特征进行了分析，得到如下结论：

1）1998～2015 年珠江流域内TRMM 卫星降水数据与站点实测降水量在年、月及日尺度上的相关系数分别为0.918、0.940和0.457；平均相对误差分别为10.87%、22.01%和113.62%。表明在年和月尺度上TRMM 卫星降水数据在研究区内精度较高，具有良好的适用性；在日尺度上TRMM 卫星降水数据在研究区内精度较差，在应用之前需对该数据进行相应的校正。

2）对74个气象站点的TRMM 月降水数据逐一进行精度检验，站点实测月降水数据与TRMM 月降水数据之间的相关系数界于0.865～0.984，大部分站点相关系数均在0.9 以上，只有4 个站相关系数小于0.9；各站点相对误差与相关系数的趋势类似，大部分站点误差较小，有61 个气象站点相对误差在15%以内，11 个子流域平均相对误差小于13%，但元江、南宁、白色、罗定以及龙州站点误差较大，相对误差达到了20%以上。

3）通过TRMM 卫星和气象站点获取的年均降水空间分布总体特征及趋势一致，但局部区域存在一定的差异，气象站点的降水在最高、最低、极差和均值上都要大于TRMM 卫星降水，两个数据的差异主要分布在珠江流域地形较为复杂的上游和沿海区域。

4）珠江流域内年均降水整体上呈现由西北向东南逐渐递增的趋势，不同区域间降水量差异明显，年均降水量最小的区域位于红河和南北盘江上游，最大的区域位于北江、东江、珠江三角洲及海南诸河；流域内1～12 月的月平均降水分布规律与年均降水分布规律相似，由西北向东南逐渐递增，个别月份出现异常。流域内12 月降水量最小，7 月降水量最大，且降水在各月份的分布很不均匀，流域内大部分降水发生在汛期4～10 月，11月至次年2月很少有降水发生。