TRMM和GPM卫星遥感降水产品在广西地区的适用性评价

2022-10-12颜景顺韦海宁白昌彬

水力发电 2022年8期

颜景顺，韦海宁，白昌彬，肖瑶

(1.广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司，广西南宁 530000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.南京大学，江苏南京 210000)

0 引言

降水是地球气候系统的关键部分，其通过潜热释放对大气环流系统产生很大影响[1]，同时降水在时空上的分布不均和变化不稳定又是引起水旱灾害的直接原因。通过地面站雨量计观测可以获取准确的降水量，但受限于地面站点数量较少和站点分布不均等问题，难以获取准确的区域和全球尺度降水量。随着遥感技术的兴起与发展，卫星遥感反演逐渐成为一种高效且具有潜力的降水量估算方式。TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)是近年来应用最为广泛的降水遥感卫星之一，其降水产品在水资源管理、水文气象和大气模拟中应用广泛[2-3]，国内外学者在对TRMM降水产品的检验中发现其在不同地区的适用性差异较大[4-7]。2015年TRMM任务结束，TMPA[8]产品仍在使用TRMM星座中其他卫星的输入数据生产，TMPA不仅提供了大量的准全球覆盖降水数据，而且为下一代遥感降水产品积累了足够的经验和技术。GPM(Global Precipitation Measurement)卫星作为TRMM的继承和替代卫星，其核心观测平台于2014年2月28日发射，旨在提供比TMPA系列更精细、更准确的全球降水产品。针对广西地区TRMM和GPM降水产品的评估研究较少，且研究所用的检验站点数据较少，检验的产品比较单一，且检验的时间范围较短，不足以全面反映TRMM和GPM降水产品在广西地区的精度和适用性[9-10]。广西作为全国水旱灾害较为严重的地区之一，评估和应用高精度降水产品对防御广西地区水旱灾害有重要意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

广西地处华南沿海地区，地势总体上西北高、东南低，呈西北向东南倾斜状。四周多被山地、高原环绕，桂中和桂南多丘陵平地，呈盆地状。年均降水量在1 000～2 700 mm之间，广西三大降水中心分别在十万大山迎风坡东兴至钦州一带、大瑶山迎风坡一侧的昭平至金秀一带、越城岭至元宝山东南侧永福至兴安一带，降水主要集中在每年的4月～9月，占全年降水量的70%～85%。广西季风气候显著，降水时空分布不均，一方面由于降水量大且集中，广西地区洪涝灾害频发，而另一方面岩溶地貌在广西大面积发育分布，使得地表蓄水能力弱，容易造成地表干旱，相比周边地区更容易形成干旱灾害。

1.2 数据

1.2.1 气象数据

本文气象数据来自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)，全部站点数据已经过质量控制，选取了广西89个国家地面观测站2001年～2017年实测日降水数据，将日尺度数据聚合为月降水量数据检验卫星遥感降水产品。用于检验遥感降水产品的观测站站点分布如图1所示。

图1 研究区DEM、年均降水量(1980年～2010年)空间分布以及气象站点分布

1.2.2 遥感数据

TRMM卫星携带多种降水探测传感器，包括可见红外辐射计(VIRS)、TRMM微波成像仪(TMI)、云和地球辐射能量传感器(CERES)、闪电成像传感器(LIS)和首个星载降水雷达(PR)。基于TRMM卫星上的传感器观测数据，已经开发了几种降水反演算法。TMPA算法结合了卫星微波和红外传感器的观测和地面雨量计观测资料，并生成了准全球覆盖(50°N～50°S)的0.25°×0.25°空间分辨率降水产品。

GPM计划由一颗核心观测卫星和其他十余颗卫星星座组成，GPM卫星主要改进了以下几点：①卫星轨道倾角从35°增加到了65°，扩大了探测覆盖面积的同时也提高了产品时空分辨率；②降水雷达升级为双频雷达(Ku和Ka波段)，对微弱降水更敏感；③GPM微波成像仪新增165.5 GHz和183.3 GHz两个通道，增强了微弱降水和固态降水的探测能力。GPM降水产品在第六版产品中首次将多卫星降水联合反演IMERG(Integrated Multi-Satellite Retrievals for GPM)算法应用于TRMM时代的卫星数据，旨在生成长时间序列的连续的降水产品。GPM提供的降水产品在空间分辨率上提高到了0.1°×0.1°。

为了对应地面验证气象资料覆盖的时间范围，选择了2001年1月至2017年12月的TRMM 3B43(V7)月度降水数据和GPM IMERG(V6)月度降水数据进行验证分析。上述两种卫星产品均由NASA戈达德地球科学资料和信息服务中心制作(GES DISC，https:∥disc.gsfc.nasa.gov)。

1.3 方法

卫星降水遥感反演结果评价采用相关系数R、均方根误差RMSE、相对误差BIAS等参数，卫星降水产品与地面降水实测值的R、RMSE和BIAS公式可分别表示为

(1)

(2)

(3)

式中，G和S分别为地面站点实测降水量和卫星降水反演降水量；n为样本总数；i为各样本号。为了研究和评价不同时间尺度卫星降水产品的精度，将匹配的实测降水量和卫星反演降水量按观测时间的年份、季节、月份、分别计算出评价指标结果。

在数据提取和匹配上，将地面验证气象站点位置所在的遥感数据栅格格网值代表卫星遥感反演降水值，基于GEE(Google Earth Engine)遥感大数据平台编程实现2001年～2017年逐月TRMM和GPM降水产品的批量提取和匹配。

2 结果

2.1 总体精度评价

基于89个站点月降水量数据对TRMM和GPM遥感降水产品进行总体检验，TRMM、GPM与所有站点逐月降水量散点图，一共匹配了18 245对数据(见图2)。

从图2中可见，TRMM和GPM总体精度相差不大，各站点月降水量值分布在0～800 mm之间，且月降水量主要集中在0～200 mm区间。从精度评价指标对比来看，GPM降水产品在相关系数R、均方根误差RMSE以及相对偏差BIAS等指标中均略优于TRMM降水产品。

图2 TRMM和GPM降水产品总体精度评价

2.2 逐年尺度评价

图3为TRMM和GPM逐年精度指标对比。从相关系数R和均方根误差RMSE指标来看，除2011年～2013年TRMM相较于GPM有较明显差异，其他年份2种降水产品相差不大，总体上GPM降水产品精度略占优势。从相对偏差角度对比两种降水产品发现GPM相比于TRMM在大部分年份表现都较好，TRMM对于降雨量的高估更为明显。在2014年GPM新的观测平台加入后，相较于之前的TRMM降水产品，GPM降水产品的精度在广西地区并没有很明显的改善。

图3 TRMM和GPM降水产品年尺度精度对比(2001年～2017年)

2.3 季节尺度评价

为了解不同季节遥感降水产品的适用性，将遥感降水产品数据和实测降水数据按春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)、冬季(12月～2月)进行匹配和验证。从季节尺度评价结果来看(见图4)，两种降水产品在各个季节的精度表现差异不大，GPM整体表现略优。具体来看，两种降水产品与实测值的相关系数R最大值均出现在冬季(RTRMM=0.91，RGPM=0.93)，R最小值均出现在夏季(RTRMM=0.84，RGPM=0.83)。从RMSE来看，两种降水产品在夏季的均方根误差均最大，在冬季的均方根误差最小。从相对误差来看，TRMM偏差最大的季节出现在夏季(6.81%)，GPM偏差最大的季节出现在冬季(5.33%)，这可能与GPM传感器对冬季弱降水探测更为敏感有关，GPM对冬季弱降水有部分高估。

图4 TRMM和GPM降水产品季节尺度精度评价

2.4 月尺度评价

为了更好的从月尺度角度了解两种降水产品的精度，统计了广西89个站点的月尺度验证精度指标(见表1)。从均方根误差指标来看，两种降水产品的均方根误差与降水量呈线性增长趋势，6月、7月份误差较大，12月、2月误差较小。除7月份外GPM在其他月份的均方根误差均比TRMM小。从相对误差指标来看，两种降水产品在各月均表现为高估。TRMM在6月相对误差最大(11.7%)，12月相对误差最小(3.52%)；GPM在10月相对误差最大(11.94%)，11月相对误差最小(2.73%)。

表1 TRMM和GPM降水产品月尺度精度评价

从两种降水产品与实测值的逐月相关系数R箱线图(见图5)可以看出，处于华南前汛期的5月和6月，各站点的相关系数R离散较大，表明TRMM和GPM在前汛期的遥感反演精度稳定性不佳；而在1月和12月各站点的相关系数R离散较小，且相关系数R较高，表明TRMM和GPM在降水量较小的月份反演精度和稳定性较高。

图5 TRMM和GPM降水产品月尺度相关系数箱线

2.5 精度评价指标空间分布

为了解TRMM和GPM卫星降水产品验证精度的空间分布特征，将各站点的验证精度指标数据进行空间插值。从图6可见，89个站点的TRMM和GPM与实测值的相关系数R分别在0.841～0.981和0.848～0.978之间，其中桂林的相关系数R最高，R值最低的是上思。TRMM和GPM的与实测值的相关系数R在空间分布上基本一致，GPM整体精度优于TRMM，尤其是在桂东南以及桂北一带GPM表现出更高的精度。两种产品R低值区均主要分布在桂中和桂西南一带，桂东北R相对较高。

图6 TRMM和GPM降水产品与实测值相关系数R空间分布

图7为两种降水产品对实测值的相对误差空间分布图。两种降水产品的相对误差空间分布特征依然表现得较为一致。TRMM和GPM相对误差在-5%

图7 TRMM和GPM降水产品与实测值相对误差空间分布

2.6 广西降水量空间分布特征

为了对比两种降水产品与实测值的降水空间分布特征差异，本分析首先基于89个站点的年均降水量数据进行空间插值得到图8a，将TRMM和GPM栅格数据进行年均值合成得到图8b、8c。从三者的空间分布对比可以看出，降水量高值区(沿海、桂东北)位置能基本对应；但TRMM在桂东北的高值区与实测高值区范围相比有所扩大，GPM在桂东北的高值区与实测高值区范围较为一致。在降水量低值区域(左江河谷、右江河谷)，TRMM和GPM在右江河谷与实测低值区对应较好；但在左江河谷地区均有所高估，与实测值相差较大。从空间分辨率角度来看，GPM较高的空间分辨率优势对于刻画地区降水量分布的细节有较大优势。