TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品和SPDI在河南省干旱監(jiān)測中的適用性

陳昊杰 馬明衛(wèi) 林 遠(yuǎn)

(華北水利水電大學(xué)水資源學(xué)院，河南 鄭州 450046)

河南省地處半濕潤-濕潤氣候過渡帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，是全國主要糧食產(chǎn)區(qū)，但由于水資源利用率低，且降水的時空分布不均，極易遭受干旱的侵襲。利用高時空分辨率遙感衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)與產(chǎn)品，研發(fā)干旱指數(shù)，構(gòu)建適合河南省的干旱監(jiān)測及預(yù)警平臺，對于提高防災(zāi)減災(zāi)能力和旱災(zāi)綜合應(yīng)對水平、服務(wù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文評估了TRMM 3B43V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品在河南省的適用性；采用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)代替地面降水資料計算SPDI，并尋求最優(yōu)時間尺度；結(jié)合歷史干旱事件記載，評估SPDI在河南省干旱監(jiān)測中的適用性。研究旨在驗(yàn)證基于TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品和SPDI構(gòu)建河南省干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的合理性與可行性，以期為區(qū)域防旱、抗旱提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區(qū)。地理坐標(biāo)范圍為：西起東經(jīng)110°21′，東至東經(jīng)116°39′，跨經(jīng)度6°18′，直線距離約580km；南自北緯31°23′，北到北緯36°22′，跨緯度4°59′，直線距離約550km。河南省大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。全省由南向北年平均氣溫為10.5～16.7℃，年均降水量407.7～1295.8mm，降雨以6—8月最多。

河南省天然河川徑流量的主要補(bǔ)給來源是大氣降水，地形、地貌和氣候等因素對其也有很大影響。全省多年平均降水量776.3mm，汛期(6—9月)降水量占全年總降水量的60%～70%；多年平均天然河川徑流量為313億m3，折合徑流深為187.4mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文收集了中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的河南省1998—2019年間15個氣象站點(diǎn)(見圖1)的逐月氣象觀測資料，包括月降水量和月平均氣溫。選取TRMM 3B43V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品(0.25°網(wǎng)格上1998—2019年的月降水量序列)開展精度評價研究并據(jù)此計算SPDI干旱指數(shù)。參考文獻(xiàn)[3][4]成果，各站點(diǎn)土壤有效持水量分別取230mm(安陽、新鄉(xiāng)、三門峽)、240mm(鄭州、孟津、開封)、250mm(西華、商丘、寶豐、許昌)、260mm(西峽、南陽)、270mm(駐馬店)、280mm(信陽、固始)，根據(jù)桑斯威特法估算潛在蒸散發(fā)PET時還要用到以上各站點(diǎn)的地理緯度,見表1。此外，重點(diǎn)摘錄了《中國水旱災(zāi)害公報》中河南省1998—2019年期間的主要?dú)v史干旱事件，用于驗(yàn)證SPDI在河南省歷史干旱評估中的表現(xiàn)。

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布

表1 各站點(diǎn)地理經(jīng)緯度

2 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度評估

2.1 評估指標(biāo)

通過對比衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與地面實(shí)測多年平均降水量(見圖2)，可以看出各站點(diǎn)衛(wèi)星反演與地面實(shí)測多年平均降水量較為接近。為了更全面、準(zhǔn)確地評估TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的精度和可用性，本文采用多種統(tǒng)計指標(biāo)定量分析15個站點(diǎn)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面降水資料的一致程度。具體包括：?相關(guān)系數(shù)(CC)，用于反映遙感降水與地面降水的線性相關(guān)程度；?平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(Rmse)，用于反映遙感降水與地面降水平均誤差的大小；?相對偏差(Bias)，用于反映衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差程度[5-12]。各評估指標(biāo)計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖2 各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測多年平均降水量的對比

2.2 結(jié)果分析

各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測月降水量序列的相關(guān)系數(shù)及其空間分布規(guī)律分別見圖3和圖4。可以看出：TRMM衛(wèi)星反演和地面實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，大部分站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)均大于0.800，且均值為0.880，其中孟津站相關(guān)系數(shù)(CC)最高(0.966)，許昌站相關(guān)系數(shù)最低(0.697)。各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測多年平均降水量的平均絕對誤差(MAE)見圖5，其中最大值為三門峽的84.71mm，最小值為駐馬店的2.57mm；所有站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測降水量的均方根誤差(Rmse)為50.06mm，相對偏差(Bias)為-0.05，且在各站點(diǎn)表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。通過以上分析可以認(rèn)為TRMM 3B43V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品在研究區(qū)域內(nèi)具有較高的可信度，采用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)代替地面觀測降水量進(jìn)行干旱指數(shù)計算能夠滿足后續(xù)研究需要。

圖3 各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測年降水量的相關(guān)系數(shù)

圖4 各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測多年平均降水量相關(guān)系數(shù)的空間分布

圖5 各站點(diǎn)TRMM衛(wèi)星反演與地面實(shí)測多年平均降水量的平均絕對誤差

3 SPDI干旱指數(shù)與應(yīng)用

3.1 SPDI模型構(gòu)建

SPDI[13]采用的土壤水平衡為

(5)

(6)

ISPDI=Φ-1[F(x)]

(7)

圖6 GEV分布對鄭州站12個月時間尺度各季水分偏離序列的擬合效果注 12個圖幅分別代表不同結(jié)束月份相應(yīng)的時段滑動累積序列

3.2 SPDI與PDSI結(jié)果比較

首先通過與PDSI比較檢驗(yàn)SPDI結(jié)果的可靠性。本文同時計算了15個氣象站點(diǎn)的逐月PDSI干旱指數(shù)序列。圖7為各個站點(diǎn)SPDI與PDSI的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。從圖7可以看出，15個氣象站點(diǎn)均在12個月時間尺度附近有較好的相關(guān)性，計算得到的SPDI與PDSI具有較好的相關(guān)性，其最大相關(guān)系數(shù)接近0.9；寶豐、信陽、商丘等地SPDI與PDSI相關(guān)性略低，介于0.78～0.79。究其原因，一方面，這可能與PDSI本身的適用性有關(guān)，即不大適用于這些降水量較高的地區(qū)，這種影響也會同時傳遞給SPDI，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)略低；另一方面，地形起伏會影響TRMM 3B43V7產(chǎn)品的精度，部分山區(qū)和平原可能有所高估。總體而言，SPDI與PDSI的相關(guān)性較好，SPDI指數(shù)可滿足替代PDSI的功能。

SPDI與PDSI的一致性也可以通過歷史逐月干旱指數(shù)演變情況[14]反映出來。以開封站、安陽站為例(見圖8)，21世紀(jì)初的前10年，開封站基本偏濕，多洪澇現(xiàn)象；而在2012年之后持續(xù)干旱至2019年，其中安陽站逐月干旱指數(shù)波動明顯，旱澇轉(zhuǎn)換頻繁。該站除了2003—2005年持續(xù)偏濕，2001—2002年、2013—2015年干旱最為嚴(yán)重。由年尺度SPDI(SPDI12)和PDSI反映出的上述歷史旱澇交替非常一致。相比而言，2018—2019年嚴(yán)重干旱，其余基本呈現(xiàn)旱澇交替現(xiàn)象。其余站點(diǎn)的歷史逐月干旱指數(shù)演變情況也有類似結(jié)果。總體來看，SPDI12與PDSI對旱澇時段的反映一致，不存在明顯差異。

圖7 各站點(diǎn)不同時間尺度SPDI與PDSI的相關(guān)性

圖8 開封站和安陽站歷史逐月SPDI12和PDSI干旱指數(shù)波動情況

3.3 SPDI和PDSI干旱統(tǒng)計特征比較

表2 SPDI和PDSI的旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 SPDI和PDSI均值、方差及不同等級旱澇頻率

續(xù)表

3.4 SPDI與歷史干旱事件對比分析

選取1999年和2014年兩個干旱較嚴(yán)重的年份作為典型年份，結(jié)合年鑒記載的干旱事件，將基于SPDI識別的干旱過程與歷史記載的干旱事件進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析SPDI在河南省歷史干旱評估中的表現(xiàn)。1999年6—9月，我國北方發(fā)生特大旱，旱區(qū)主要位于華北、黃淮、西北東部及東北部分地區(qū)，河南省受旱面積達(dá)273.3萬hm2，枯死約18.7萬hm2。2014年汛期以后，由于高溫少雨天氣持續(xù)發(fā)展等原因，造成河南省中西部和北部部分地區(qū)(以寶豐站、駐馬店站和許昌站為例)發(fā)生較為嚴(yán)重的旱情。2014年6月，河南旱情迅速發(fā)展；7月，河南遭遇60多年來最嚴(yán)重的“夏旱”，多地供水告急；8月下旬，夏伏旱達(dá)到峰值；直至9月初，旱區(qū)出現(xiàn)降水過程，旱情才得到緩解。圖9展示了寶豐、駐馬店和許昌站的SPDI12逐月干旱指數(shù)演變過程。可以明顯看出，這3個站點(diǎn)所在地區(qū)1999年6月旱情發(fā)生且持續(xù)發(fā)展，直至2000年夏季，旱情才得以緩解；2014年6月，這些地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重夏旱，且旱情在7月、8月持續(xù)發(fā)展，最終在9月開始緩解。結(jié)合年鑒記載的歷史干旱事件，SPDI12識別的干旱過程與之接近，其中2014年旱情最為嚴(yán)重，與年鑒記載的特大旱相符，表明SPDI12指數(shù)用于評估河南省歷史干旱時表現(xiàn)良好。

圖9 寶豐站、駐馬店站和許昌站SPDI12逐月干旱指數(shù)波動情況

4 結(jié) 論

本文根據(jù)河南省15個氣象站點(diǎn)1998—2019年的逐月氣象觀測資料和TRMM 3B43V7逐月衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用多種統(tǒng)計指標(biāo)評估了TRMM 3B43V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品在河南省的適用性；采用衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)代替地面降水資料計算了SPDI，并尋求其最優(yōu)時間尺度。通過結(jié)合歷史干旱事件，評估了SPDI指數(shù)在河南省干旱監(jiān)測中的適用性。主要結(jié)論如下：

a.TRMM 3B43V7衛(wèi)星反演與地面觀測降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性很高，相應(yīng)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)能代替地面觀測降水量用于計算SPDI干旱指數(shù)，特別是在平原地區(qū)；衛(wèi)星反演與地面觀測降水?dāng)?shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差較低，相對偏差僅為-0.05。

b.SPDI指數(shù)在不同站點(diǎn)具有非常一致的均值與方差，它們分別接近于0和1，符合其標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化的特性；在各站點(diǎn)上，SPDI12與PDSI的相關(guān)性都較強(qiáng)，且對旱澇狀況描述較為一致。

c.基于衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)計算的SPDI12識別的干旱過程與年鑒記載的歷史干旱事件基本相符，可以采用TRMM 3B43V7衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)計算SPDI指數(shù)并用于河南省干旱監(jiān)測，且SPDI12適用性最好。