卫星降水产品对台风暴雨事件的呈现能力及其综合表现

2022-06-22廖庆龙

水力发电 2022年5期

廖庆龙

(广西桂禹工程咨询有限公司，广西南宁 530023)

0 引言

台风运动通常带来暴雨和洪灾，导致经济损失和人员伤亡[1-2]。对台风进行监测和分析，有助于人们了解台风结构、及时掌握台风位置和强度的变化，减少损失[3]。21世纪以来，遥感成为降水观测的新方式，卫星降水产品可用于台风运动带来的暴雨过程的准实时监测与分析。

由NASA和JAXA共同开发的全球降水测量计划GPM(Global Precipitation Measurement)作为最新的准全球卫星降水产品(覆盖范围为65°N至65°S)，搭载了双频降水雷达DPR和先进的微波成像仪GMI，可提供时间分辨率最高为30 min、空间分辨率为0.1°×0.1°的网格降雨估计。GPM提供2种近实时产品，分别称为IMERG_E和IMERG_L，其对应的数据发布延迟时间分别为4 h和14 h[4-9]。

目前，已有一些研究采用GPM对台风运动带来的降雨过程进行分析评价。李芳等[10]利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。李晓俞等[11]采用7种统计指数对比分析了第6版本IMERG多种产品基于2018年第22号台风“山竹”期间在中国大陆华南和华东雨区的降水情况。翁之梅等[12]利用GPM卫星IMERG产品对2019年9号台风“利奇马”登陆浙江沿海前后降水结构特征及雨带强度变化成因展开分析。唐飞等[13]利用卫星遥感资料对2021年6号台风“烟花”影响华东、华北及东北地区的过程进行分析。在海南岛地区，除方勉等[14]基于2016年1至12月三亚市地面雨量数据对GPM月尺度降水数据进行了适用性分析，鲜有GPM在海南岛的表现及精度情况的相关研究。在卫星降雨产品的综合表现评价上，Gan等[15]于2021年提出了采用综合表现指数CPI(Comprehensive Performance Index)对卫星降雨产品的综合表现进行量化，但CPI仅在广西南流江流域进行了计算，国内外尚还缺乏探讨台风运动期间IMERG卫星降雨产品综合表现的相关研究。

本文选择2021年17号台风“狮子山”作为研究对象，其于10月6日0时(世界时，下同)在西沙群岛附近生成并于10月8日14时在海南琼海市登陆，其台风中心在10月9日8时左右离开海南(见图1)，于10月10日在越南沿海地区消亡。“狮子山”作为2021年第一个从台风中心登陆到离开海南岛时均保持热带风暴级别的热带气旋，其运动对海南岛产生深度影响并导致明显的暴雨过程。通过分析GPM准实时产品在台风“狮子山”过境海南岛期间的呈现能力及综合表现，可以深入了解IMERG在台风暴雨事件中的性能。

1 研究区及数据概况

1.1 研究区域及地面数据

海南岛位于我国华南地区，西岸临北部湾，东岸临南海，是我国第二大岛屿。海南岛全境位于热带地区，气候为典型的热带季风气候，年平均气温在22 ℃以上。海南雨量充沛，年降水量介于1 000 ～2 600 mm，有明显的雨季和干季，是我国最容易遭受台风的地区之一。

本文选择了海南岛15个国家级地面气象站(见图1)的实测雨量数据作为依据，数据来源为中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)。时间序列为台风生成至台风消亡的周期，即2021年10月6日至10月10日(世界时，下同)共计5 d(120 h)。

1.2 GPM卫星降水数据

本文选择GPM卫星降水产品中2个准实时产品的半小时降雨数据进行分析，为了与地面数据的时间尺度统一，每两个半小时卫星降水估计值累加成一小时卫星降水数据。数据来源网址为https:∥gpm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm。卫星数据的时间序列同地面数据相同，均为5 d内的120 h。

2 评估方法

GPM提供网格数据而地面实测降雨属于点数据。为了了解台风运动过程中卫星降水产品呈现的地面降雨分布情况，本文采用普通克里金法对地面站点雨量数据进行了空间插值，以便直观、清晰地对比地面降雨分布与卫星网格降雨分布之间的差异，衡量GPM对台风降雨的呈现能力。

除此之外，本文采用6个统计指标，分别基于区域尺度和站点尺度分析IMERG近实时产品降雨估计值与地面数据的相关性、误差情况以及对台风降雨的探测能力。其中相关性由相关系数(CC)表示，误差情况由相对偏差(RB)和均方根误差(RMSE)表示，而探测能力的评估基于探测率(POD)、报错率(FAR)和关键成功系数(CSI)。各个统计指标具体计算公式、理想值和单位如表1所示。

表1 统计指标表达式、理想值及单位

表2 卫星降水产品探测能力分析中降雨事件分类

综合表现指数CPI的公式基于站点尺度，将统计指标分成2类，可以计算多种卫星降雨产品在同一地面站点各自的综合表现，从而得到在该站点表现最好的卫星降雨产品。其公式为

(1)

式中，A为理想值为1的统计指标，分别为CC、POD和CSI；B为理想值为0的统计指标，分别为RB、RMSE和FAR；Ai，max为某站点所有卫星降雨产品在第i个A类指标上的最大值；Bj，min为某站点所有卫星降雨产品在第j个B类指标上的最小值。对于每个地面站点，某种卫星降雨产品在该站点的CPI最大值为600。

3 结果与讨论

3.1 台风过程的降水时空分布分析

图2为台风“狮子山”活动期间海南岛的降雨分布情况。由图2可看出，10月6日至10月7日(台风登陆海南岛前)，2种卫星降水产品所呈现的降水分布与地面数据吻合良好。10月8日0时至11时，台风“狮子山”登陆海南岛东海岸，2种卫星降水产品在海南岛东北部明显高估地面降雨量，说明遭遇台风登陆引起的暴雨事件时IMERG易出现降水高估现象。10月8日12时至23时，在海南岛西海岸，2种卫星降水产品与地面雨量分布的吻合情况与前12个小时相比有所提升。10月9日台风移动至海南岛西北部的北部湾海域，该日IMERG观测到的日降雨量大于100 mm/d的区域明显小于地面。10月10日，海南岛中北部地区存在卫星降水产品高估地面降水量的情况。

图2 台风“狮子山”活动期间海南岛降雨分布

3.2 区域尺度统计指标结果分析

由表3可以看出，IMERG_E和IMERG_L的相关系数分别为0.475和0.527，相对偏差分别为-0.31和-0.55，均方根误差分别为4.67 mm和4.44 mm。除相对误差外，IMERG_L在区域尺度上的表现优于IMERG_E。

表3 区域尺度2种卫星降水产品统计指标计算结果

图3为区域尺度下2种卫星降水产品探测能力在不同阈值下的变化情况。由图3可知，降水强度较低时，2种卫星降水产品的POD和CSI都处于最高值，FAR处于最低值，这可能是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，更有利于捕捉小雨[16]。随着阈值的逐渐增大，POD、FAR和CSI在2～5 mm/h之间相对稳定，说明在降雨强度处于该区间内，卫星降水产品的观测能力可以保持稳定的水准。在降水强度超过5 mm/h后，POD和CSI出现显著下降的趋势，FAR出现显著上升的趋势。这说明高降水强度下，卫星降水产品的探测能力有待提升。

图3 区域尺度2种卫星降水产品探测能力在不同阈值下的变化情况

3.3 站点尺度统计指标结果分析

图4为站点尺度下2种卫星降水产品统计指标结果分布。由图4可看以出，2种卫星降水产品的CC分布情况在站点尺度基本一致，其在大多数站点的值高于0.5。这说明IMERG准实时产品与实测值之间的相关性较高，最低值出现在南部的地面站点上。2种产品的RB绝对值在绝大多数站点上基本保持在0.5以内，IMERG_E相比IMERG_L在更多的站点上偏差程度较低。2种卫星降水产品在绝大多数站点的RMSE均在8以内。

图4 站点尺度2种卫星降水产品统计指标结果分布

图5 站点尺度2种卫星降水产品探测能力指标分布

图5为站点尺度下2种卫星降水产品探测能力指标分布。由图5可看出，当阈值为0.05 mm/h时，IMERG_E和IMERG_L在所有站点的POD均高于0.6，FAR均小于0.4，CSI均高于0.6，反映了低降雨强度下2种卫星降水产品均有较为优秀的探测能力。当阈值为0.5 mm/h时，部分站点的POD出现减小，但2种产品在所有站点的POD依然高于0.6。IMERG_E的FAR值在许多站点小于IMERG_L。CSI在绝大部分站点仍保持在0.4以上。当阈值为5 mm/h时，2种卫星降水产品的POD和CSI均明显降低，FAR大幅增加，其中位于海南岛南部五指山站的POD低于0.2，FAR达到0.8以上。该阈值下IMERG_E在部分站点上的POD和CSI比IMERG_L要高。在高降雨强度下，台风登陆的东岸地区站点的CSI要低于西海岸站点的CSI，说明GPM需要提升台风登陆时对暴雨的监测能力。

3.4 卫星降雨产品综合表现评价

2种卫星降水产品在每个站点的综合表现指数计算结果见表4。由表4可知，绝大部分站点IMERG_L的综合表现要优于IMERG_E，但在海南岛西部及西北部的站点(东方、临高、儋州、白沙)，IMERG_E的CPI要比IMERG_L的高。从而说明，尽管IMERG_L在部分结果中表现不如IMERG_E，但作为发布时间更晚的GPM准实时产品，IMERG_L应该具有更好的综合表现。而综合表现最差的站点出现在海口市附近的站点，说明城市环境通常具有复杂的降雨时空变化，卫星降雨产品的性能会受到影响。