CMORPH對青藏高原地區(qū)夏季降水的模擬精度研究與修正

CMORPH對青藏高原地區(qū)夏季降水的模擬精度研究與修正

許時光1，牛錚1，沈艷2，曠達(dá)3

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101；2.國家氣象信息中心，北京 100081；3.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 850000)

摘要：利用青藏高原77個地面臺站的2003年～2009年夏季(6月～9月)的降水資料，對月尺度和年尺度上CMORPH(Climate Prediction Center morphing)多衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度進(jìn)行研究，并引入Sokol模型對年尺度上的CMORPH數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，旨在為基于衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的青藏高原地區(qū)氣候、水文等方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明：①CMORPH數(shù)據(jù)對青藏高原降水的時間變化趨勢和空間變化趨勢的模擬精度較低，且存在明顯的時空不穩(wěn)定性。②不同時間尺度的CMORPH數(shù)據(jù)在青藏高原東南部的模擬精度要高于其他地區(qū)，而喜馬拉雅山脈北麓以及青藏高原東北部的模擬精度最低。③CMORPH年數(shù)據(jù)存在明顯的高值高估、低值低估的現(xiàn)象，其模擬值與誤差之間的相關(guān)系數(shù)均在0.53以上。④經(jīng)過Sokol模型修正后，CMORPH年數(shù)據(jù)均方根誤差明顯降低，而相關(guān)系數(shù)均有不同程度的提高，表明該模型能夠提高CMORPH數(shù)據(jù)對青藏高原地區(qū)降水的模擬精度。

關(guān)鍵詞：CMORPH；精度評價；Sokol模型；數(shù)據(jù)修正；青藏高原

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.012

中圖分類號：P412.27文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2014-02-26修訂日期：2014-04-15

基金項目：中國科學(xué)院國際合作重點項目(241311KYSB20130001)；中科院百人計劃專項(09ZZ06101B)；吳哥遺產(chǎn)地環(huán)境遙感(241311KYSB20130001)。

作者簡介：廖凱濤(1990～)，男，碩士研究生，主要從事遙感圖像處理與應(yīng)用研究。

通訊作者：王成(1975～)，男，研究員，主要從事激光雷達(dá)遙感研究。

收稿日期：2014-03-17修訂日期：2014-04-04

作者簡介：楊冀紅(1971～)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為遙感土地調(diào)查與監(jiān)測。

Evaluation and Modification of CMORPH Multi-satellite Precipitation

Estimates in Summer over Tibetan Plateau

XU Shi-guang1，NIU Zheng1，SHEN Yan2，KUANG Da3

(1.TheStateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience，InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，

ChineseAcademyofSciences，Beijing100101；

2.NationalMeteorologicalInformationCenter，Beijing100081；

3.InstituteofTibetanPlateauAtmospheric&EnvironmentalScience，Lhasa85000)

Abstract：The performance of CMORPH (Climate Prediction Center morphing) satellite precipitation estimates on Tibetan Plateau in month scale and year scale was assessed by compared it with ground observations from 77 meteorological stations in the summer (June，July and August) between 2003 and 2009，and a model called Sokol was introduced to modify the year-estimates of CMORPH.The result showed that：(1)The CMORPH could not precisely simulate the spatial pattern and the temporal variability，and the precision of CMOPRH presented obvious spatial and temporal instability.(2) The performance of CMOPRH in southeast part of Tibetan Plateau is much better than other parts，while along the north of Himalayas and the northeast part of this area the performance of CMORPH is much poorer.(3)The CMORPH yearly estimates presented over-estimate with high value and under-estimate low value，the correlation coefficients between the CMORPH yearly estimates and the errors of it are all above 0.53 between 2003 and 2009.(4) After corrected by Sokol model，the RMSE (Root Mean Square Error) of CMORPH yearly estimates show obviously decrease，while the correlation coefficients increased in different extent.It means that Sokol model is suitable to correct the CMORPH yearly estimates.This research aims to provide scientific basis to the correction and use of CMORPH to study the precipitation，climate and other subjects over Tibetan Plateau.

Key words：CMORPH；precision evaluation；Sokol model；data correction；Tibetan Plateau

1引言

青藏高原是長江、黃河、瀾滄江等多條重要河流的發(fā)源地，該地區(qū)的降水對中下游地區(qū)的氣候、水文以及農(nóng)業(yè)的研究具有重要意義[1]。目前雨量計測量降水的精度最高，但是由于雨量計測量數(shù)據(jù)的有效范圍非常有限，在對大范圍內(nèi)的降水進(jìn)行觀測時需要布置高密度的雨量計網(wǎng)絡(luò)[2]。青藏高原地形條件復(fù)雜、氣候十分惡劣，導(dǎo)致該地區(qū)的雨量計分布至今仍然非常稀疏，無法對該地區(qū)的降水進(jìn)行全面觀測。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的降水反演技術(shù)已經(jīng)成為監(jiān)測降水時空分布的重要手段之一。國內(nèi)外多位學(xué)者利用紅外和微波衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算云頂亮溫、云后向散射等云物理特征以反應(yīng)云團(tuán)中降水粒子種類和分布，并在此基礎(chǔ)上建立上述特征與降水率之間的物理或者數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)對降水的反演[3-5]。與傳統(tǒng)的雨量計相比，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、時空分辨率高的優(yōu)點，非常適合對雨量計分布稀疏地區(qū)的降水進(jìn)行觀測，所以有學(xué)者利用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對青藏高原地區(qū)的降水日循環(huán)、氣候變化等課題進(jìn)行了研究。如白愛娟等利用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對青藏高原地區(qū)降水的日循環(huán)進(jìn)行了研究[6]；江志紅等利用CMORPH數(shù)據(jù)分析了長江三角洲地區(qū)的城市化對降水的影響[7]。

隨著衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛，精度問題已經(jīng)成為眾多研究關(guān)心的問題。Ferraro等將衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與地面實測降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)能夠反應(yīng)全球大部分地區(qū)降水的空間分布特征以及降水隨時間的變化規(guī)律，但是也包含區(qū)域性、季節(jié)性的系統(tǒng)偏差以及大量的隨機誤差[8]。劉俊峰等對日、月、年3種時間尺度的TRMM 3B42多衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在我國的精度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)在降水充沛地區(qū)的精度要高于降水稀少地區(qū)，且存在一定的時空不穩(wěn)定性[9]；Ward等對多種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在山區(qū)的誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)在地形復(fù)雜地區(qū)與地面實測降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性較差[10]。

從以上研究可以看出，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在干旱地區(qū)和高原山地地區(qū)的精度相對較差，而青藏高原是世界上海拔最高的地方，存在喜馬拉雅山脈、橫斷山脈等多個高大山系，地形條件十分復(fù)雜，而且該地區(qū)距離海洋較遠(yuǎn)，屬于干旱和半干旱的內(nèi)陸氣候，降水量相對稀少。綜上所述，在利用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對該地區(qū)的大氣、水文等課題進(jìn)行研究之前，有必要對衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在該地區(qū)的精度進(jìn)行全面評價。由于青藏高原地區(qū)的降水主要集中在夏季，所以本文主要對2003年～2009年的6月～8月的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度進(jìn)行研究。本文選取空間分辨率為0.25°×0.25°的CMORPH多衛(wèi)星降水融合數(shù)據(jù)作為研究對象，利用青藏高原地區(qū)79個地面臺站的實測降水?dāng)?shù)據(jù)對CMORPH的月和年尺度上的精度進(jìn)行全面評價，并在CMORPH誤差特征分析的基礎(chǔ)上對該數(shù)據(jù)進(jìn)行初步修正。

2資料說明

CMORPH是美國CPC將多顆衛(wèi)星的紅外和微波降水?dāng)?shù)據(jù)融合后生成的具有較高時空分辨率的全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品[11]。紅外波段具有穿透性較差、反演降水精度低的缺陷，但是由于紅外傳感器多安裝在地球同步軌道衛(wèi)星上，所以具有很高的時間分辨率。與紅外波段相比，微波穿透性很強，能夠反應(yīng)云團(tuán)內(nèi)部降水粒子以及下墊面的信息，其反演降水的精度要遠(yuǎn)高于紅外波段。但是微波傳感器多安裝在極軌衛(wèi)星上，時間分辨率較差，不能實現(xiàn)對全球大部分地區(qū)的實時覆蓋。CMORPH數(shù)據(jù)綜合了紅外數(shù)據(jù)時間分辨高，微波數(shù)據(jù)反演效果好的優(yōu)勢，在對多顆衛(wèi)星的紅外和微波觀測數(shù)據(jù)拼接的基礎(chǔ)上對二者進(jìn)行融合，得到具有較高時空分辨率的高精度全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品。Shen通過將多種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在中國區(qū)域的精度對比后發(fā)現(xiàn)CMORPH的質(zhì)量要高于其他降水?dāng)?shù)據(jù)[12]。本文選取2003年～2009年青藏高原地區(qū)夏季(6月～8月)空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為3小時的CMORPH，并將其累加到月和年時間尺度。

本文的研究范圍為青藏高原夏季降水較為集中的中西部地區(qū)(27.3°N～36°N，86°E～101°E之間)，使用的地面驗證數(shù)據(jù)來自于青藏高原79個地面臺站。圖1為79個臺站的空間位置及其2003年～2009年的平均降水量分布圖。青藏高原的降水呈現(xiàn)出從東南向西北遞減的趨勢，而且喜馬拉雅山脈北麓受地形的影響降水量相對較小。從地理分布上看，除了西北部臺站分布較為稀疏外，其他地區(qū)的臺站分布較為均勻，這為研究青藏高原降水的空間分布情況創(chuàng)造了有利條件。由于本文的目的是研究COMRPH數(shù)據(jù)對青藏高原夏季的月降水和年降水的模擬精度，所以分別提取各個臺站2003年～2009年夏季的月降水量(6月～8月)，然后將3個月的降水量進(jìn)行累加，獲取年夏季降水量。

圖1　地面臺站空間位置及2003年～2009年 平均降水量分布圖

3CMORPH數(shù)據(jù)精度評價

3.1評價方法

本文對CMORPH數(shù)據(jù)評價包括兩個方面：一是評價CMORPH數(shù)據(jù)對青藏高原地區(qū)降水空間變化趨勢的模擬精度，即計算各月和各年CMORPH數(shù)據(jù)在79個地面臺站的整體誤差以及二者的相關(guān)性；二是檢驗CMORPH數(shù)據(jù)在各個站點的時間變化趨勢是否與地面臺站實測的降水?dāng)?shù)據(jù)一致，即分別計算每個站點長時間序列的觀測數(shù)據(jù)與對應(yīng)時間序列的CMORPH數(shù)據(jù)的相關(guān)性。評價指標(biāo)包括相對平均偏差(Bias)，均方根誤差(RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R2)。

3.2空間變化趨勢模擬精度

圖2中的柱狀圖分別表示CMORPH數(shù)據(jù)在2003年～2009年夏季月降水?dāng)?shù)據(jù)的Bias、RMSE以及R2。從圖2(a)中可以看出，CMORPH數(shù)據(jù)的月Bias值不但年際差異非常大，而且在同一年中各個月的變化也非常劇烈，這表明CMOPRH對青藏高原總降水量的模擬精度非常不穩(wěn)定。其中2003年各月的Bias值差異最大，6月份高估了23%，而8月份則低估了43%。RMSE的年際變化以年內(nèi)各月的差異則比Bias值小的多，最低值為37.6mm(2006年8月)，最高值為86.4mm(2004年7月)。不同時次的CMORPH與地面臺站數(shù)據(jù)之間的R也呈現(xiàn)出非常大的差異，但總體來看的二者的空間相關(guān)性并不強，R2高于0.5的月份只有5個(約25%)，而有10個月在0.3以下(約50%)，其中2008年7月只有0.06。表明CMORPH數(shù)據(jù)對青藏高原月尺度降水的空間變化趨勢模擬精度并不高。

圖2　2003年～2009年月尺度和年尺度CMORPH數(shù)據(jù)

圖2中的曲線圖分別為CMORPH年數(shù)據(jù)在2003年～2009年Bias、RMSE以及R2的變化趨勢。從圖2(a)中可以看出，CMORPH數(shù)據(jù)在2006年～2008年存在明顯的高估(其Bias值均在12%以上)，而在2004表現(xiàn)出明顯的低估，在其他年份CMORPH年數(shù)據(jù)則能夠較為準(zhǔn)確地模擬該地區(qū)的降水量，Bias值均在2%以下。CMORPH年數(shù)據(jù)的RMSE值在94.6mm～156mm之間，而且年際波動也比較明顯。通過將該值與年降水量對比后發(fā)現(xiàn)，二者存在明顯的正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.72。CMORPH數(shù)據(jù)和臺站數(shù)據(jù)年尺度上R2均在0.6以下(圖2(c))，其中2004年和2007年的值甚至低于0.2，說明CMORPH數(shù)據(jù)在年尺度上也不能很好地模擬青藏高原降水的空間變化趨勢。

此外，CMORPH年數(shù)據(jù)存在明顯的高值高估、低值低估的現(xiàn)象。圖3為2003年～2009年CMORPH數(shù)據(jù)的模擬值和誤差值的散點圖，其中CMORPH數(shù)據(jù)的誤差值是用各個地面臺站的年數(shù)據(jù)分別減去對應(yīng)的CMORPH年數(shù)據(jù)計算得到的。從該圖中可以看出，CMORPH的模擬值與誤差呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，當(dāng)CMORPH的值小于200時，其誤差均為正值，隨著CMORPH的值增高其誤差逐漸降低。利用線性回歸的方法對二者進(jìn)行擬合，R2在0.53～0.7之間。

圖3　2003年～2009年CMORPH年數(shù)據(jù)與其誤差散點圖

總體上看，無論是在月尺度上還是在年尺度上，CMORPH對青藏高原地區(qū)降水空間分布的模擬精度均存在很大的不穩(wěn)定性，而且與地面臺站的空間相關(guān)性都不高，如果使用CMORPH數(shù)據(jù)作為研究水文、氣候等課題的輸入數(shù)據(jù)，其誤差會對研究結(jié)果的精度產(chǎn)生不同程度的影響。

3.3時間變化趨勢模擬精度

圖4和圖5分別為月和年尺度上的各個站點長時間序列測量值與對應(yīng)的CMORPH模擬值之間的R值分布圖。從圖4中可以看出，在月尺度上二者在大部分地區(qū)呈現(xiàn)出正相關(guān)性，其中在東南部地區(qū)部分站點二者的R值明顯高于其他地區(qū)。沿喜馬拉雅山脈北部3個站點處的R值為負(fù)值，最高可達(dá)-0.34，表明在這些站點處COMRPH數(shù)據(jù)的模擬值與地面臺站的測量值時間變化趨勢相反。在年尺度上，CMORPH模擬值和地面臺站觀測值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性的站點數(shù)量達(dá)到15個，除了在月尺度上相關(guān)系數(shù)為負(fù)值的3個站點外，其余站點多位于青藏高原中部和東北部。東南部二者呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性，這與月尺度的結(jié)果一致，而其他地區(qū)站點處二者的相關(guān)系數(shù)均在0.5以下。

從該圖可以看出，CMORPH數(shù)據(jù)在月尺度和年尺度上對青藏高原地區(qū)降水隨時間變化趨勢的模擬精度都具有很大的區(qū)域性。在兩種時間尺度上，CMORPH對青藏高原東部地區(qū)降水時間變化趨勢的模擬精度均要明顯高于中部，而研究區(qū)域的西北部、東北部以及喜馬拉雅山脈北麓的模擬精度最差。總體上看，除東南部地區(qū)外，CMORPH數(shù)據(jù)在青藏高原大部分地區(qū)與地面臺站實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性并不高，在很多站點還呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性。所以CMORPH數(shù)據(jù)不能很好地模擬該地區(qū)降水的時間變化趨勢。

圖4　2003年～2009年CMORPH月數(shù)據(jù)與地面臺站相關(guān)系數(shù)(R 2)分布圖

圖5　2003年～2009年CMORPH年數(shù)據(jù)與地面臺站相關(guān)系數(shù)(R 2)分布圖

4CMORPH誤差修正

從圖2中可以看出，CMORPH數(shù)據(jù)無論在年尺度上還是在月尺度上都存在較為顯著的誤差，但是該數(shù)據(jù)與地面臺站數(shù)據(jù)的相關(guān)性并不強且隨時間變化很大，難以建立CMORPH數(shù)據(jù)與地面臺站數(shù)據(jù)之間的線性方程對CMORPH數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。為了提高CMORPH數(shù)據(jù)的精度，本文引入Sokol模型利用地面臺站數(shù)據(jù)對CMORPH年數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。Sokol模型是一種基于空間插值的非線性模型[13]，該模型的優(yōu)點是能夠利用降水?dāng)?shù)據(jù)的空間相關(guān)性對無地面臺站地區(qū)的降水信息進(jìn)行估算，較為適合對臺站分布較為稀疏地區(qū)的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。其計算步驟如下所示：

①按照式(1)計算站點k處的修正系數(shù)Pk。其中Ck為CMORPH在站點k處的模擬值，Ek為其誤差值，M為利用線性回歸的方法對CMORPH模擬值以及誤差值進(jìn)行擬合得到的截距。

Pk=(Ek-M)/Ck

(1)

②對修正系數(shù)Pk進(jìn)行克里金插值，并將插值結(jié)果的空間分辨率重采樣至0.25°×0.25°以與CMORPH數(shù)據(jù)保持一致。

③在沒有站點分布的(i，j)處，按照式(2)計算CMORPH數(shù)據(jù)的誤差E(i，j)。其中C(i，j)為CMORPH在改點的模擬值，P(i，j)為克里金插值結(jié)果在該點的值。

E(i，j)=P(i，j)×C(i，j)+M

(2)

④將E(i，j)與C(i，j)相加，得到該點的修正結(jié)果。

為了Sokol模型的修正效果進(jìn)行評估，本文從77個臺站中隨機提取18個臺站的年降水?dāng)?shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)，其余59個臺站的數(shù)據(jù)用于對CMORPH數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。圖6中(a)和(b)分別為修正前的CMORPH數(shù)據(jù)以及修正后的CMORPH數(shù)據(jù)的RMSE和R值的變化曲線圖。從圖6中可以看出Sokol模型都能夠有效降低CMORPH數(shù)據(jù)的RMSE值，幅度在24%(2006年)～60%(2008年)之間；Sokol模型的R值與修正前相比有不同程度的提高，其中2007年和2008年分別從0.08和-0.02提高至0.51至0.59。上述結(jié)果表明Sokol模型能夠有效降低CMORPH年數(shù)據(jù)的誤差，提高其對青藏高原地區(qū)降水空間分布的模擬精度。

圖6　修正前和修正后CMORPH年數(shù)據(jù)的RMSE和相關(guān)系數(shù)變化曲線

5結(jié)束語

由于青藏高原地區(qū)面積廣大，地形條件復(fù)雜且地面臺站稀疏，所以衛(wèi)星遙感技術(shù)是獲取該地區(qū)降水的重要手段，并已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。本文利用青藏高原中部和東部77個地面2003年～2009年夏季(6月～8月)的地面臺站數(shù)據(jù)，對月尺度和年尺度的CMORPH多衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度進(jìn)行評價。通過計算月尺度和年尺度CMORPH數(shù)據(jù)相對平均偏差、均方根誤差以及CMORPH數(shù)據(jù)與地面臺站數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)CMORPH數(shù)據(jù)對月尺度和年尺度的青藏高原降水的模擬精度存在明顯的時空不連續(xù)性，且無論是對空間分布的模擬精度還是對各個站點降水的時間變化趨勢的模擬精度都不高，甚至出現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，難以直接應(yīng)用于對青藏高原地區(qū)水文、氣候等方面的研究。總體上看，CMORPH數(shù)據(jù)對青藏高原東南部的降水模擬精度要高于其他區(qū)域，喜馬拉雅山脈、青藏高原東北部地區(qū)的精度最低。此外，CMORPH數(shù)據(jù)在年尺度上呈現(xiàn)出明顯的高值高估、低值低估的現(xiàn)象，且CMORPH年數(shù)據(jù)與其誤差之間的相關(guān)系數(shù)均在以上。

由于CMORPH數(shù)據(jù)與地面臺站之間的相關(guān)性不強而且十分不穩(wěn)定，為了提高CMORPH數(shù)據(jù)的精度，本文采用Sokol模型對CMORPH年數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。驗證結(jié)果表明，經(jīng)過修正后的CMORPH年數(shù)據(jù)均方根誤差顯著降低，而相關(guān)系數(shù)則呈現(xiàn)出不同程度的上升，表明Sokol模型能夠有效提高CMORPH年數(shù)據(jù)的精度。

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