五种卫星降水产品在沿海流域多时空尺度的综合精度评估

甘富万，李彦婕，倪 倩，高 扬

（1.广西大学土木建筑工程学院，南宁540004；2.广西珠江委员会南宁勘测设计院，南宁540000）

0 引言

降水的时空分布关乎生态系统的稳定，卫星降水反演的出现弥补了传统观测方式的缺陷［1］。其中，热带降雨观测任务（TRMM）的TMPA 产品和全球降水观测（GPM）的IMERG 产品是目前应用最广的降水反演产品，其中，TRMM 的时空分辨率分别是0.25°和3 h，而GPM则为0.1°和0.5 h［2］。

自TRMM 发射后，TMPA3B42 各版本的产品在很多地区被证实与雨量站有较好的一致性［3，4］。作为最新一代的卫星，GPM的降水产品IMERG 的新版本一般有更好的表现［5］，但也有特殊情况［6］。在IMERG 子产品的评估中，IMERG-F 与雨量站有更高的相关性，但近实时产品在水文预报中有巨大潜力［7］。

很多研究表明IMERG 是TMPA 的可靠替代品［8，9］，而且在二者众多降水子产品中，IMERG-F 往往表现最好［10］。但是，在一些地区GPM 的性能并没有明显比TRMM 提升［11，12］。因此，为比较这两个产品的适用性，仍有必要在更多的地区进行验证。此外，虽至今已有包含多种子产品的讨论，但同时涵括最新版本（IMERGV06-E，IMERGV06-L，IMERGV06-F，TMPA3B42-V7，TMPA3B42-RT）的研究还很少。所以，仍然很有必要更细致地综合分析这五种产品，以量化IMERG 和TMPA 的性能并反映出近实时和后实时产品的差异。

本文选择地形地貌复杂的亚热带沿海南流江流域，基于长达九年的降雨资料，从两个空间尺度（站点和流域）和三个时间尺度（日、月、季）来比较最新版本的IMERG 和TMPA 产品与实测降雨数据的一致性，评估卫星数据在南流江流域对雨量站数据的适用性，为卫星数据广泛应用于该流域的水文和气象研究提供依据，并且为类似亚热带沿海中小流域地区的相关研究提供借鉴。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域

南流江流域位于中国广西南部沿海地区，南流江则是广西南部独流入海的河流中流程最长、流域面积最广、水量最丰富的河流。该流域面积为6 843.95 km2，地形地貌复杂，属于亚热带季风气候，多年平均降水量为1 400～1 760 mm，雨量丰富，是广西的暴雨中心区之一，具有重要的研究意义。

1.2 降雨数据

本研究使用的是IMERGV06 产品（IMERG-E，IMERG-L，IMERG-F）和TMPA3B42V7的产品（TMPA-V7，TMPA-RT）的日数据，在月和季尺度上的时间序列则由日数据累加得到。卫星数据从美国国家航空航天局网站下载（http：//pmm.nasa.gov/data-access/downloads）。广西气象局提供了南流江流域逐小时的雨量观测数据，各站点在日、月和季尺度的降水数据由实测数据累加得到。站点数据经检查筛选出15 个降雨数据完整的站点，以此作为标准来评价卫星数据。在站点尺度上，每个雨量站按时间序列逐个进行分析，而在流域尺度上站点不再有所区分，所有站点数据按时间尺度分别整理成3个序列（日、月和季）来对流域进行整体评价。此外雨量站数据经过了时差转换，以与卫星数据的时间尺度保持一致。本文将15 个雨量站按从北到南，从西到东的顺序用字母代替，以便读者阅读。基于南流江流域属于中小流域，15 个站点在空间分布上较为密集，因此能够反映该流域降水的时空分布特征，图1 展示了研究区雨量站的空间分布。

图1 南流江流域及其气象站点的分布Fig.1 The map of the Nanliujiang River basin

1.3 研究方法

本研究基于两种空间尺度（站和流域）和3种时间尺度（日、月、季）对南流江流域进行综合分析。在季尺度上，依据中国传统的候平均气温法划分季节，即在该流域一年分为4个季节：2-4月，5-7月，8-11月，12-2月。

卫星降水产品的评估主要基于两类传统评价指标。统计指标包括CC、RMSE、RB，评价的是卫星降雨产品的精度性能。CC和RMSE分别反映线性相关程度和误差的整体水平，RB反映卫星数据对实测数据高估或低估的程度。分类指标包括POD、FAR、CSI，用来评价降雨产品检测降雨的能力。3 个指标的范围都是从0 到1，FAR越小说明表现越好，POD和CSI则是越高越好。为研究降雨强度变化对卫星探测能力的影响规律，本文选取了多个阈值对3个分类指标进行细致分析。在站点尺度下，依据我国降雨等级划分的原则，0.1、10、25 和50 mm/d 分别是小雨、中雨、大雨和暴雨的分类值，因此选取这4 个具有代表性的阈值。在流域尺度下，考虑到流域较长的数据序列，所以选择了跨度从0.1～100 mm/d 的15 个阈值来细分区间以综合评价卫星产品的探测性能。

2 结果和讨论

2.1 站点尺度上的精度评估

2.1.1 基于统计指标的比较

图2 展示了南流江流域15 个站点的CC的空间分布，五个产品在空间上没有明显差异，都反映了靠近东南的N（新田）和H 站（亚山）相关性较弱。在日尺度下，IMERG-E 有10 个站点的CC介于0.66～0.70。IMERG-L 和IMERG-E 分布相似，但IMERG-L 没有低于0.60 的CC。IMERG-F 有8 个站点的CC都大于0.7，最大值达0.74，最小值仅为0.63。除了H 站较低的CC（0.62），IMERG-F 与其他站点一致性较高，这可能是因为H 站有部分时间缺失实测降雨数据，对其进行数据插补之后产生了一定误差，其次该站与流域的暴雨中心博白县距离最近，暴雨快速的时空变化会影响卫星的信号。至于TMPA-V7和TMPART，CC主要在0.60-0.70 之间。因此，IMERG 产品表现明显优于TMPA 产品。IMERG 产品中，IMERG-F 表现最好，其次是IMERG-L、IMERG-E，这可能是因为IMERG-E只采用了云移动矢量传播算法中的前向传播算法，而IMERG-L 和IMERG-F 在此基础上还加入了后向传播算法。

图2 CC在3种时间尺度上的空间分布Fig.2 The spatial distribution of CC on the three scales

表1 评价指标及其公式Tab.1 Evaluation indicators applied to IMERG and TMPA

随时间尺度增大，CC明显变大。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，表明后实时产品比近实时产品表现好。在季尺度下，CC主要集中在0.86～0.95 之间，可认为5 个产品的差异很小。5 个产品的最大值都出现在A 站（龙安），IMERG-E（0.95），IMERG-L（0.96），IMERG-F（0.95），TMPA-RT（0.94），TMPA-V7（0.92），这可能由于数据的抵消，从而在季尺度显现出更高的相关性。

根据图3，在日尺度下，卫星产品的RMSE范围在10～16 mm之间，没有明显的差异。在月尺度下，五个产品分布的值域增大，介于在50～140 mm。IMERG-F 和TMPA-V7 的值主要分布在50～75 mm，相比于近实时产品更为集中。在季尺度下，RMSE值剧烈增加，超过了100 mm，表明数据不够可信。从空间尺度来看，位于南部的N 和O 站（常乐）相比其他站点RMSE相当高，而靠北的A 站的RMSE相对较低。结合上文提到A 站的高CC，发现卫星在这个站点表现最好。从3种时间尺度综合来看，IMERG-F 的RMSE最小，相比于其他产品更加稳定，而TMPA-RT在五种产品中RMSE较高，表现最差。

图3 RMSE在3种时间尺度上的表现Fig.3 RMSE of each station on the three scales

从图4（a）可看出，有接近一半站点的最大RB值由TMPART 产生，误差最高。IMERG-E 和IMERG-L 的15 个站的平均RB值分别为0.055 和0.061，可被视为稳定水平。IMERG-F 和TMPA-V7 的RB的绝对值基本相似，平均值保持在0.07。图4（b）中，橙色表示高估，红色表示低估，数据条的长度表示偏差的程度。针对同一个站点，卫星产品的最大值与最小值的差值在0.04～0.34，其中80%的站点的差值都低于0.18，表明五个卫星产品在同一个站点的表现差异很小。但是对于同一个卫星降水产品，其在不同雨量站下的差异较大，最大值与最小值的差值都高于0.29。总体来说，C（新桥），L（张黄）和M 站（菱角）的绝对误差几乎没超过0.05，但是N 和H 站的RB很高，造成站点之间这种差异的原因可能是地面测量本身存在一定缺陷，存在不确定的测量误差。其次，蒸发损失会给雨量站带来影响。此外，博白县是南流江流域的暴雨中心之一，暴雨快速的时空变化会导致临近的H 站的不确定性。最后，由于东南位置靠近北部湾，受亚热带季风气候影响较大导致了测量的不准确性。

图4 15个站点的RB的比较Fig.4 Comparison of RB for 15 stations

2.1.2 基于分类指标的比较

由图（5）可知，当阈值为0.1 mm/d 时，TMPA 和IMERG 有很大差异，IMERG 产品的POD都高于0.65，而TMPA 都低于0.55。当阈值为10 mm/d 时，IMERG-F 的表现最好，87%的POD都高于0.6。TMPA 产品的POD比IMERG-E 和IMERG-L 的大，可看出相比小雨，对中雨的探测性能提高了很多。当阈值为25 mm/d 时，最大POD值出现在IMERG-F，但是五种产品的差异明显缩小。当阈值为50 mm/d 时，产品的POD都低于0.5，并且站点的POD的值域跨度变大，这可能是由于网格降尺度均匀化数据，卫星产品不能够反映局部区域的暴雨特性。有学者曾经指出，卫星的红外线算法会导致在风暴周期的早期，暴雨被低估［13］。

图5 在4个阈值下的POD的空间分布Fig.5 The spatial distribution of POD at four precipitation thresholds

根据图6，当阈值为0.1 mm/d 时，TMPA 和IMERG 产品的FAR分别在0.14～0.24 和0.23～0.33，很明显TMPA 误报率相对低。随阈值增大，卫星产品的误报率都上升，并且产品之间的差异逐渐增大。当阈值为50 mm/d 时，5 个产品误报很严重，最大值出现在TMPA-V7（0.72），最低值出现在IMERG-F（0.41），进一步反应出五个产品在强降雨方面的缺陷。因此，在强降雨事件中，卫星产品的精度仍需改进。分析FAR随阈值变化的整体趋势，发现TMPA 产品急剧上升（0.41，0.44），而IMERG 产品的稳定性更好（0.26，0.25，0.23）。

图6 在4个阈值下的FAR的空间分布Fig.6 The spatial distribution of FAR at four precipitation thresholds

在图7 中，当阈值为0.1 mm/d 时，IMERG 产品的CSI都高于0.50，而TMPA 产品都低于0.50，探测能力明显不在同一个水平。随阈值增大到10 mm/d，卫星产品之间的差异缩小，都在0.30～0.50 之间。当阈值为50 mm/d 时，CSI普遍低于0.40，同时IMERG 和TMPA 出现了显著的差距，这可能因为统计样本不够充足，而且暴雨会影响卫星传感器接受信号。总体来说，IMERG 产品的成功系数比TMPA 的高，具体而言，IMERG-L 优于IMERG-E 但次于IMERG-F，TMPA-RT 与TMPA-V7 水平相似。

图7 在4个阈值下的CSI的空间分布Fig.7 The spatial distribution of CSI at four precipitation thresholds

2.2 流域尺度上的精度评估

2.2.1 基于统计指标的比较

根据图8，日尺度下，5 个产品的CC分别为0.66、0.68、0.70、0.63、0.62，IMERG 的相关性整体比TMPA 好。TRMM 的传感器受到发射波长的限制，最小可观测降雨量为0.7 mm/h，因此CC相对低。月尺度下，卫星产品的相关性都大幅度提高，尤其是TMPA-V7 提高了0.21。TMPA-V7（0.84）的表现仅次于IMERG-F（0.85），表明IMERG 和TMPA 产品的差距缩小，这和在站点尺度下得出的结论是一致的。季尺度下，5 个产品的精度都相当高，CC都达到了0.85，最大值与最小值仅相差0.03，可认为几乎没有差异。在3 种时间尺度下，IMERG-F 的CC都最大，与实测数据有很强的相关性。

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

产品在日尺度下的RMSE接近，基本在12 mm。在月和季尺度下，卫星产品的RMSE的范围分别在71～96 mm 和145～200 mm，误差的累积导致了较大的值。根据RB，IMERG-E、IMERG-L 和TMPA-V7 对降雨有不同程度的低估，而IMERG-F和TMPA-RT 则是高估。IMERG-L 数据整合了IMERG-E 的数据，因此结果有一致性，展现了相近的低估（3.4%、3.3%）。IMERG-F 对降雨轻微高估，RB仅为0.001，可能是由于联合地面月平均数据进行了校正［14］。根据以上结果，IMERG 的近实时产品有低估降水的倾向，后实时产品有高估降水的倾向，这与其他研究发现一致［10，14］。可看到，与TMPA-RT 相比，TMPA-V7与站点之间的偏差减小了近2 倍。因此，总体来说后实时产品比近实时产品有更强的相关性和更小的偏差。

2.2.2 基于分类指标的比较

从图9 知，在阈值为0.1 mm/d 时，TMPA 的POD比IMERG产品低了接近0.15，表明了TMPA 对小雨探测能力相当不好，但IMERG 在其基础上提高了对轻降雨的探测能力，这可能由于GPM 搭载的更为先进的雷达有更高的时空分辨率，进一步下降了降水探测的最小阈值，更有利于有效捕捉小雨。IMERG 和TMPA 在阈值为1～50 mm/d 之间时，探测能力较为相似，但是当降雨为超过50 mm/d的暴雨时，5个产品的差异剧烈变大。总体来说，IMERG-F 的POD随阈值的变化最为平稳，尤其在阈值小于60 mm/d 时反映出相对优异的探测能力，POD总是高于其他产品。五种产品的FAR和CSI变化趋势正好相反。随阈值增大，FAR呈现上升趋势，而CSI恰恰相反。当阈值为50 mm/d时，卫星产品的成功系数低（低于0.32）而误报率高（超过0.50），与站点尺度的结果相吻合，强降雨导致流域的样本数量减少，可能对探测统计结果产生一定影响。

图9 在15个降雨阈值下卫星产品探测能力的表现Fig.9 Three categorical indicators at basin scale under 15 precipitation thresholds

总体来说，通过比较近实时产品和后实时产品，雨量站月数据校正没有能明显帮助提高探测成功率。IMERG 产品表现优于TMPA 产品，可能有以下几点原因。首先，GPM 核心观测群能接收包括微波、红外、地面观测数据的更多数据来源。其次，GPMCO搭载的全球首个星载双频卫星雷达（DPR）和多波段锥扫微波成像仪（GMI）使GPM 对瞬时降水估计更加敏感。此外，GPM 算法有助于融合卫星群内所有卫星的传感器。最后，GPM有更复杂全面的地面验证系统。

3 结论

在本研究中，5 种卫星产品从2008年8月到2017年7月对南流江流域进行了综合的评价。主要结论如下：

（1）在日尺度上，从流域和站点来说，IMERG 产品的相关性都优于TMPA，相关性从高到低的顺序依次是IMERG-F、IMERG-L、IMERG-E、TMPA-V7 和TMPA-RT。随时间尺度增大，IMERG 和TMPA 之间精度的差异缩小，TMPA-V7 超过了IMERG的后实时产品。

（2）在日尺度上，IMERG 的稳定性在站点上略优于TRMM，但从流域整体来看基本没差异。在月和季尺度上，后实时产品比近实时产品稳定。从空间来看，最北的A 站稳定性最好，南部的N和O站稳定性最差。

（3）对于15 个站点，IMERG 在相对误差上没有展示出优势，但不同站点RB的差距比较大，新桥、张黄和菱角的相对偏差明显低于新田和亚山站。在流域上，IMERG-F倾向于轻微高估降雨，与IMERG-E 和IMERG-L 相反。TMPA-V7 与TMPART 相比，偏差减小了近2 倍。因此，总体来说后实时产品比近实时产品有更小的偏差。

（4）3 个分类指标随降水阈值的趋势在站点和流域尺度上相似，POD和CSI与阈值成反比，而FAR呈现正比。探测小雨时，TMPA 的能力相对较弱，而IMERG 作为其后继者有了明显的提升。当强降雨时，5 个产品的探测效果都不理想且站点值的分布更加分散，表明雨强对卫星探测影响很大。□