ＧＰＭ与ＴＲＭＭ降水数据在柴达木盆地的精度评估

曾琪铖　金鑫

关键词：TRMM;GPM;降水;精度评估;柴达木盆地

中图分类号：P412.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.004

引用格式：曾琪铖，金鑫.GPM与TRMM降水数据在柴达木盆地的精度评估[J].人民黄河，2022，44（3）：16-20.

降水数据的时空分辨率是准确模拟和刻画局地、区域和全球尺度水循环及其他相关过程的关键[1-2]。

降水受地理位置、海拔、地形等的影响，具有一定的时空异质性特点[3-4]。在一些范围较广、地形复杂、观测站点稀疏且分布不均匀的地区，基于站点观测的降水数据无法表达区域降水特征[4]。卫星遥感数据因其时空连续性，可以弥补站点数据难以体现降水空间异质性的缺点，为区域及全球尺度的水热循环研究提供了强大的数据支撑[5-7]。

目前，高时空分辨率的遥感降水反演产品较多，如TRMM[8]、MSWEP[9]、GPM[10]、CMORPH[11]、GSMaP[12]等，这些降水产品具有不同的时空分辨率，在不同区域的精度和适用性也不尽相同。如Dinku等分别在非洲和南美的山区利用站点观测数据对TRMM和CMORPH两种降水产品进行了校正，并比较了两者的精度，结果表明CMORPH的精度高于TRMM的[13]。Alijanian等[14]在伊朗比较了CMORPH、TRMM、MSWEP等5种降水数据产品的精度，结果表明MSWEP和TRMM的精度最高。

本研究拟评估的TRMM和GPM数据来自“地球观测系统”（EOS），由美國国家航空航天局（NASA）、日本宇宙开发事业团（NASDA）联合研制[8，10]。其中：TRMM数据的空间范围为南纬50°—北纬50°，时间范围为1998年1月1日—2019年2月27日[8];GPM作为继TRMM之后新一代的降水数据产品，其降水观测系统及反演算法都有了更新和提高，GPM数据的空间范围为南纬60°—北纬60°，时间范围为2014年3月12日—2019年4月30日[10]。

目前已有学者在海河流域[15]、黄河流域[16]、新疆地区[17]甚至整个中国大陆[18]对TRMM和GPM数据精度进行了对比研究，且得出了两种数据集在我国西北地区的精度相对较低、GPM数据精度普遍高于TRMM等结论。由于GPM数据集较新（最早到2014年3月12日），之前研究时段普遍较短（少于2a），这可能对GPM数据集的精度评价结果有一定影响。此外，之前研究将新疆、甘肃北部、内蒙古西部等区域连同柴达木盆地作为整体进行评价，而柴达木盆地除深居内陆外，亦有高寒的特点。柴达木盆地的水热条件、生态环境等都有其独特性[7]，有必要将其作为独立单元评价TRMM及GPM数据的精度。笔者基于柴达木盆地内的10个气象站点实测数据，对比和评估近5a来TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水数据的精度及适用性。

1数据与方法

1.1研究区概况

柴达木盆地位于青藏高原东北部，海拔介于2651～6151m之间，属高原大陆荒漠性气候区，具有蒸散发强烈、干旱、少雨等特点。据统计，柴达木盆地年平均气温为1.5～4℃，年降水量为15～200mm。盆地内主要土地覆被类型为荒漠，主要土壤类型为盐化荒漠土和石膏荒漠土[7，19]。柴达木盆地幅员辽阔，面积近26万km2，但盆地内气象站点稀少，其地表过程模拟、水文建模等具有一定难度。

1.2数据

1.2.1TRMM及GPM数据简介

本研究采用的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F数据均从NASA降水测量计划网站（www.pmm.nasa.gov）获得。TRMM降水试验卫星源于“地球观测系统”（EOS），是世界上第一颗搭载测雨雷达的卫星，携带的测雨雷达与微波成像仪相结合，极大改善了降水反演精度[8]。TRMM3B42v7数据集被广泛应用于气象、水文等领域，具有良好的效果。GPMIMERGv5-F数据集空间分辨率为0.1°，时间分辨率为0.5h[10]。

选用上述两种数据集重叠时段（2014年3月12日—2019年2月27日）的日降水量反演数据，结合柴达木盆地内10个气象站（茫崖、都兰、格尔木、小灶火、冷湖、茶卡、德令哈、大柴旦、乌兰、诺木洪）的日降水量观测数据，分不同时空尺度对TRMM和GPM数据进行精度对比。站点降水观测数据来源于青海省气象局。

2结果与分析

2.1年尺度卫星降水数据精度评估

图1显示了柴达木盆地TRMM、GPM以及实测年降水量的变化，可见三者的变化趋势基本一致。表2显示了年尺度TRMM、GPM降水数据的精度评价结果，从相关性系数cc上看，TRMM的cc值超过了0.5，而GPM的仅为0.10，反映出TRMM降水数据与地面实测降水数据的相关程度较高，而GPM降水数据与地面实测降水数据的相关程度低。此外，表2中TRMM与GPM降水数据的B值均为正，两者对于年降水量的模拟存在一定程度的偏离且GPM降水数据的偏离程度较TRMM降水数据的小。比较表2中两种卫星降水数据产品的R值，TRMM降水数据的R值小于GPM的，反映了研究区年尺度上TRMM降水数据准确性高于GPM数据。整体上看，TRMM、GPM降水数据对柴达木盆地的实际降水量有一定程度的高估，而TRMM降水数据精度较GPM约高出60%。

图2反映了TRMM与GPM数据刻画的柴达木盆地多年平均降水量的空间分布情况。两种降水数据产品均展现出柴达木盆地降水西北部少、东南部多的分布规律。此外，TRMM数据更好地反映出柴达木盆地周围山区降水较平原多的特征[7]，而GPM数据并未反映出盆地东北部山区降水较平原多的特征。TRMM数据反映出盆地内最大多年平均降水量为876mm，与GPM反映出的321mm差异较大。这在一定程度上可以反映出TRMM对柴达木盆地降水存在高估现象。

2.2月尺度卫星降水数据精度评估

鉴于柴达木盆地年内降水少且各月份降水量差异明显，本研究进一步分析了TRMM、GPM降水数据在月尺度上的精度。由图3可见，柴达木盆地的降水呈现出明显的季节特征，TRMM、GPM降水数据与研究区地面实测月降水数据的整体变化趋势除个别月份（2月、7月、11月）外基本一致。可见两代卫星降水数据集对柴达木盆地降水季节性变化的描述较为准确。

图4显示了TRMM、GPM降水数据对研究区各个月份降水量的模拟精度。从相关系数看，5—8月TRMM数据的cc值明显大于GPM数据的且均大于0.5，其他月份TRMM数据对应的cc值较小。GPM数据对应的cc值在各个月份均偏小，但在12月、1月、2月、3月等降水以固态形式出现的月份，其cc值均大于TRMM数据的。此外，TRMM与GPM降水数据对应的相对误差B在降水为固态形式的月份均明显较高，且这些月份GPM对应的Bias值明显高于TRMM的。TRMM数据对应的均方根误差R值除个别月份（1月、4月、10月）稍高于GPM外，其他月份都明显低于GPM。此外，降水量较多的6月、7月、8月，两种数据对应的R值也较大，说明相对多且集中的降水给卫星精准观測研究区内降水带来了一定的难度。总体而言，在月尺度上，TRMM数据因在多数月份对应更大的cc值、更小的B和R值而使其对柴达木盆地月降水的模拟精度更高，较GPM数据的精度约高出30%。

2.3卫星降水数据对不同站点降水量的探测效果评估

大尺度下存在较大的时间差异及空间异质性，不能全面客观地反映出数据在空间上的精确性。因此，本研究还计算了两代卫星数据产品基于站点的日尺度上的相关精准评价指标。

以研究区内茫崖、都兰、茶卡这3个地面站点观测降水数据为自变量，分别以TRMM、GPM降水数据为因变量进行一元线性回归分析（见图5）。结果表明两种卫星数据对实际日降水量的刻画均不准确。除茶卡站外，TRMM数据的相关系数在其他各个站点均高于GPM数据的，这在一定程度上说明TRMM降水数据更趋近地面站点实测值。

分析图6可知，两种卫星降水数据产品相比，TRMM数据对应的cc值在多数站点较GPM数据的稍高。比较两代卫星降水数据产品对应的Bias值，除个别站点（都兰站）外，GPM对应的Bias值均高于TRMM的。TRMM对应的Rmse值在盆地东部的茶卡、乌兰、都兰站高于GPM的，在其他站点，二者对应的Rmse值大小相当。

本研究在站点逐日数据精度评估中还采用探测率P、空报率F、成功指数C反映卫星降水产品对地面实测数据的模拟精度，以站点逐日数据为基础，统计降水量0.01mm（若日降水量大于此值则为有雨，反之则为无雨）下对降水实测数据模拟结果。图7显示了在低阈值（0.01mm）降水强度下，两代卫星降水数据的P、F、C值空间分布情况。在盆地中南部的小灶火、格尔木以及盆地西北部的茫崖站，GPM的探测率高于TRMM的，而在冷湖站，TRMM的探测率高于GPM的。从空报率上看，两种数据集对应的F值在盆地内各个站点相当，计算得到TRMM、GPM降水数据对研究区的实际降水量存在7%～12%的高估，反映了两代卫星降水数据集对盆地内日降水事件的空报率均较高。两种数据集对应的C值在盆地东部相对较高，在盆地中部及西部较低。在盆地不同站点，两种数据集对应的C相对大小不尽相同。整体上，研究区内两种卫星降水数据对应的P、F、Ci指标均体现出两种数据集对日降水量的模拟精度较低，原因可能在于这些地面站点处于高寒内陆地区，地形复杂，降水量偏小，气候变化复杂，进而导致卫星观测降水数据误差较大。

3结论

在地形复杂、降水时空异质性强且气象站点稀少的柴达木盆地，基于盆地内的10个气象站点实测数据，对比和评估近5a的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水数据精度及适用性，主要得出以下结论。

（1）TRMM、GPM降水数据对柴达木盆地的实际降水量有7%～12%的高估。

（2）在月、年尺度上，TRMM降水数据较GPM精度高，约分别高出30%和60%。并且，TRMM数据更好地反映出了柴达木盆地周围山区降水较平原多的特征。

（3）TRMM与GPM数据在盆地内不同站点的降水模拟精度不同，总体上来说，两种数据集对于日降水量的模拟精度均较低。

【责任编辑 张帅】