ＧＰＭ與ＴＲＭＭ降水?dāng)?shù)據(jù)在柴達(dá)木盆地的精度評(píng)估

曾琪鋮　金鑫

關(guān)鍵詞：TRMM;GPM;降水;精度評(píng)估;柴達(dá)木盆地

中圖分類號(hào)：P412.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.004

引用格式：曾琪鋮，金鑫.GPM與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在柴達(dá)木盆地的精度評(píng)估[J].人民黃河，2022，44（3）：16-20.

降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)空分辨率是準(zhǔn)確模擬和刻畫局地、區(qū)域和全球尺度水循環(huán)及其他相關(guān)過(guò)程的關(guān)鍵[1-2]。

降水受地理位置、海拔、地形等的影響，具有一定的時(shí)空異質(zhì)性特點(diǎn)[3-4]。在一些范圍較廣、地形復(fù)雜、觀測(cè)站點(diǎn)稀疏且分布不均勻的地區(qū)，基于站點(diǎn)觀測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)無(wú)法表達(dá)區(qū)域降水特征[4]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)因其時(shí)空連續(xù)性，可以彌補(bǔ)站點(diǎn)數(shù)據(jù)難以體現(xiàn)降水空間異質(zhì)性的缺點(diǎn)，為區(qū)域及全球尺度的水熱循環(huán)研究提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐[5-7]。

目前，高時(shí)空分辨率的遙感降水反演產(chǎn)品較多，如TRMM[8]、MSWEP[9]、GPM[10]、CMORPH[11]、GSMaP[12]等，這些降水產(chǎn)品具有不同的時(shí)空分辨率，在不同區(qū)域的精度和適用性也不盡相同。如Dinku等分別在非洲和南美的山區(qū)利用站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)TRMM和CMORPH兩種降水產(chǎn)品進(jìn)行了校正，并比較了兩者的精度，結(jié)果表明CMORPH的精度高于TRMM的[13]。Alijanian等[14]在伊朗比較了CMORPH、TRMM、MSWEP等5種降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品的精度，結(jié)果表明MSWEP和TRMM的精度最高。

本研究擬評(píng)估的TRMM和GPM數(shù)據(jù)來(lái)自“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS），由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）聯(lián)合研制[8，10]。其中：TRMM數(shù)據(jù)的空間范圍為南緯50°—北緯50°，時(shí)間范圍為1998年1月1日—2019年2月27日[8];GPM作為繼TRMM之后新一代的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，其降水觀測(cè)系統(tǒng)及反演算法都有了更新和提高，GPM數(shù)據(jù)的空間范圍為南緯60°—北緯60°，時(shí)間范圍為2014年3月12日—2019年4月30日[10]。

目前已有學(xué)者在海河流域[15]、黃河流域[16]、新疆地區(qū)[17]甚至整個(gè)中國(guó)大陸[18]對(duì)TRMM和GPM數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了對(duì)比研究，且得出了兩種數(shù)據(jù)集在我國(guó)西北地區(qū)的精度相對(duì)較低、GPM數(shù)據(jù)精度普遍高于TRMM等結(jié)論。由于GPM數(shù)據(jù)集較新（最早到2014年3月12日），之前研究時(shí)段普遍較短（少于2a），這可能對(duì)GPM數(shù)據(jù)集的精度評(píng)價(jià)結(jié)果有一定影響。此外，之前研究將新疆、甘肅北部、內(nèi)蒙古西部等區(qū)域連同柴達(dá)木盆地作為整體進(jìn)行評(píng)價(jià)，而柴達(dá)木盆地除深居內(nèi)陸外，亦有高寒的特點(diǎn)。柴達(dá)木盆地的水熱條件、生態(tài)環(huán)境等都有其獨(dú)特性[7]，有必要將其作為獨(dú)立單元評(píng)價(jià)TRMM及GPM數(shù)據(jù)的精度。筆者基于柴達(dá)木盆地內(nèi)的10個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比和評(píng)估近5a來(lái)TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水?dāng)?shù)據(jù)的精度及適用性。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北部，海拔介于2651～6151m之間，屬高原大陸荒漠性氣候區(qū)，具有蒸散發(fā)強(qiáng)烈、干旱、少雨等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，柴達(dá)木盆地年平均氣溫為1.5～4℃，年降水量為15～200mm。盆地內(nèi)主要土地覆被類型為荒漠，主要土壤類型為鹽化荒漠土和石膏荒漠土[7，19]。柴達(dá)木盆地幅員遼闊，面積近26萬(wàn)km2，但盆地內(nèi)氣象站點(diǎn)稀少，其地表過(guò)程模擬、水文建模等具有一定難度。

1.2數(shù)據(jù)

1.2.1TRMM及GPM數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

本研究采用的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F數(shù)據(jù)均從NASA降水測(cè)量計(jì)劃網(wǎng)站（www.pmm.nasa.gov）獲得。TRMM降水試驗(yàn)衛(wèi)星源于“地球觀測(cè)系統(tǒng)”（EOS），是世界上第一顆搭載測(cè)雨雷達(dá)的衛(wèi)星，攜帶的測(cè)雨雷達(dá)與微波成像儀相結(jié)合，極大改善了降水反演精度[8]。TRMM3B42v7數(shù)據(jù)集被廣泛應(yīng)用于氣象、水文等領(lǐng)域，具有良好的效果。GPMIMERGv5-F數(shù)據(jù)集空間分辨率為0.1°，時(shí)間分辨率為0.5h[10]。

選用上述兩種數(shù)據(jù)集重疊時(shí)段（2014年3月12日—2019年2月27日）的日降水量反演數(shù)據(jù)，結(jié)合柴達(dá)木盆地內(nèi)10個(gè)氣象站（茫崖、都蘭、格爾木、小灶火、冷湖、茶卡、德令哈、大柴旦、烏蘭、諾木洪）的日降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分不同時(shí)空尺度對(duì)TRMM和GPM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比。站點(diǎn)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省氣象局。

2結(jié)果與分析

2.1年尺度衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度評(píng)估

圖1顯示了柴達(dá)木盆地TRMM、GPM以及實(shí)測(cè)年降水量的變化，可見三者的變化趨勢(shì)基本一致。表2顯示了年尺度TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)結(jié)果，從相關(guān)性系數(shù)cc上看，TRMM的cc值超過(guò)了0.5，而GPM的僅為0.10，反映出TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)程度較高，而GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)程度低。此外，表2中TRMM與GPM降水?dāng)?shù)據(jù)的B值均為正，兩者對(duì)于年降水量的模擬存在一定程度的偏離且GPM降水?dāng)?shù)據(jù)的偏離程度較TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的小。比較表2中兩種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品的R值，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的R值小于GPM的，反映了研究區(qū)年尺度上TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性高于GPM數(shù)據(jù)。整體上看，TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)柴達(dá)木盆地的實(shí)際降水量有一定程度的高估，而TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)精度較GPM約高出60%。

圖2反映了TRMM與GPM數(shù)據(jù)刻畫的柴達(dá)木盆地多年平均降水量的空間分布情況。兩種降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品均展現(xiàn)出柴達(dá)木盆地降水西北部少、東南部多的分布規(guī)律。此外，TRMM數(shù)據(jù)更好地反映出柴達(dá)木盆地周圍山區(qū)降水較平原多的特征[7]，而GPM數(shù)據(jù)并未反映出盆地東北部山區(qū)降水較平原多的特征。TRMM數(shù)據(jù)反映出盆地內(nèi)最大多年平均降水量為876mm，與GPM反映出的321mm差異較大。這在一定程度上可以反映出TRMM對(duì)柴達(dá)木盆地降水存在高估現(xiàn)象。

2.2月尺度衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度評(píng)估

鑒于柴達(dá)木盆地年內(nèi)降水少且各月份降水量差異明顯，本研究進(jìn)一步分析了TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)在月尺度上的精度。由圖3可見，柴達(dá)木盆地的降水呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與研究區(qū)地面實(shí)測(cè)月降水?dāng)?shù)據(jù)的整體變化趨勢(shì)除個(gè)別月份（2月、7月、11月）外基本一致。可見兩代衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)集對(duì)柴達(dá)木盆地降水季節(jié)性變化的描述較為準(zhǔn)確。

圖4顯示了TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)各個(gè)月份降水量的模擬精度。從相關(guān)系數(shù)看，5—8月TRMM數(shù)據(jù)的cc值明顯大于GPM數(shù)據(jù)的且均大于0.5，其他月份TRMM數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的cc值較小。GPM數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的cc值在各個(gè)月份均偏小，但在12月、1月、2月、3月等降水以固態(tài)形式出現(xiàn)的月份，其cc值均大于TRMM數(shù)據(jù)的。此外，TRMM與GPM降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差B在降水為固態(tài)形式的月份均明顯較高，且這些月份GPM對(duì)應(yīng)的Bias值明顯高于TRMM的。TRMM數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的均方根誤差R值除個(gè)別月份（1月、4月、10月）稍高于GPM外，其他月份都明顯低于GPM。此外，降水量較多的6月、7月、8月，兩種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的R值也較大，說(shuō)明相對(duì)多且集中的降水給衛(wèi)星精準(zhǔn)觀測(cè)研究區(qū)內(nèi)降水帶來(lái)了一定的難度。總體而言，在月尺度上，TRMM數(shù)據(jù)因在多數(shù)月份對(duì)應(yīng)更大的cc值、更小的B和R值而使其對(duì)柴達(dá)木盆地月降水的模擬精度更高，較GPM數(shù)據(jù)的精度約高出30%。

2.3衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)不同站點(diǎn)降水量的探測(cè)效果評(píng)估

大尺度下存在較大的時(shí)間差異及空間異質(zhì)性，不能全面客觀地反映出數(shù)據(jù)在空間上的精確性。因此，本研究還計(jì)算了兩代衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品基于站點(diǎn)的日尺度上的相關(guān)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

以研究區(qū)內(nèi)茫崖、都蘭、茶卡這3個(gè)地面站點(diǎn)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為自變量，分別以TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析（見圖5）。結(jié)果表明兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際日降水量的刻畫均不準(zhǔn)確。除茶卡站外，TRMM數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在其他各個(gè)站點(diǎn)均高于GPM數(shù)據(jù)的，這在一定程度上說(shuō)明TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)更趨近地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)值。

分析圖6可知，兩種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品相比，TRMM數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的cc值在多數(shù)站點(diǎn)較GPM數(shù)據(jù)的稍高。比較兩代衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的Bias值，除個(gè)別站點(diǎn)（都蘭站）外，GPM對(duì)應(yīng)的Bias值均高于TRMM的。TRMM對(duì)應(yīng)的Rmse值在盆地東部的茶卡、烏蘭、都蘭站高于GPM的，在其他站點(diǎn)，二者對(duì)應(yīng)的Rmse值大小相當(dāng)。

本研究在站點(diǎn)逐日數(shù)據(jù)精度評(píng)估中還采用探測(cè)率P、空?qǐng)?bào)率F、成功指數(shù)C反映衛(wèi)星降水產(chǎn)品對(duì)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬精度，以站點(diǎn)逐日數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)降水量0.01mm（若日降水量大于此值則為有雨，反之則為無(wú)雨）下對(duì)降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果。圖7顯示了在低閾值（0.01mm）降水強(qiáng)度下，兩代衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的P、F、C值空間分布情況。在盆地中南部的小灶火、格爾木以及盆地西北部的茫崖站，GPM的探測(cè)率高于TRMM的，而在冷湖站，TRMM的探測(cè)率高于GPM的。從空?qǐng)?bào)率上看，兩種數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的F值在盆地內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)相當(dāng)，計(jì)算得到TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)的實(shí)際降水量存在7%～12%的高估，反映了兩代衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)集對(duì)盆地內(nèi)日降水事件的空?qǐng)?bào)率均較高。兩種數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的C值在盆地東部相對(duì)較高，在盆地中部及西部較低。在盆地不同站點(diǎn)，兩種數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的C相對(duì)大小不盡相同。整體上，研究區(qū)內(nèi)兩種衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的P、F、Ci指標(biāo)均體現(xiàn)出兩種數(shù)據(jù)集對(duì)日降水量的模擬精度較低，原因可能在于這些地面站點(diǎn)處于高寒內(nèi)陸地區(qū)，地形復(fù)雜，降水量偏小，氣候變化復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)誤差較大。

3結(jié)論

在地形復(fù)雜、降水時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng)且氣象站點(diǎn)稀少的柴達(dá)木盆地，基于盆地內(nèi)的10個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比和評(píng)估近5a的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水?dāng)?shù)據(jù)精度及適用性，主要得出以下結(jié)論。

（1）TRMM、GPM降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)柴達(dá)木盆地的實(shí)際降水量有7%～12%的高估。

（2）在月、年尺度上，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)較GPM精度高，約分別高出30%和60%。并且，TRMM數(shù)據(jù)更好地反映出了柴達(dá)木盆地周圍山區(qū)降水較平原多的特征。

（3）TRMM與GPM數(shù)據(jù)在盆地內(nèi)不同站點(diǎn)的降水模擬精度不同，總體上來(lái)說(shuō)，兩種數(shù)據(jù)集對(duì)于日降水量的模擬精度均較低。

【責(zé)任編輯 張帥】