TRMM和GPM衛星遙感降水產品在廣西地區的適用性評價

顏景順，韋海寧，白昌彬，肖 瑤

(1.廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.中國科學院大學，北京 100049；3.南京大學，江蘇 南京 210000)

0 引 言

降水是地球氣候系統的關鍵部分，其通過潛熱釋放對大氣環流系統產生很大影響[1]，同時降水在時空上的分布不均和變化不穩定又是引起水旱災害的直接原因。通過地面站雨量計觀測可以獲取準確的降水量，但受限于地面站點數量較少和站點分布不均等問題，難以獲取準確的區域和全球尺度降水量。隨著遙感技術的興起與發展，衛星遙感反演逐漸成為一種高效且具有潛力的降水量估算方式。TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)是近年來應用最為廣泛的降水遙感衛星之一，其降水產品在水資源管理、水文氣象和大氣模擬中應用廣泛[2-3]，國內外學者在對TRMM降水產品的檢驗中發現其在不同地區的適用性差異較大[4-7]。2015年TRMM任務結束，TMPA[8]產品仍在使用TRMM星座中其他衛星的輸入數據生產，TMPA不僅提供了大量的準全球覆蓋降水數據，而且為下一代遙感降水產品積累了足夠的經驗和技術。GPM(Global Precipitation Measurement)衛星作為TRMM的繼承和替代衛星，其核心觀測平臺于2014年2月28日發射，旨在提供比TMPA系列更精細、更準確的全球降水產品。針對廣西地區TRMM和GPM降水產品的評估研究較少，且研究所用的檢驗站點數據較少，檢驗的產品比較單一，且檢驗的時間范圍較短，不足以全面反映TRMM和GPM降水產品在廣西地區的精度和適用性[9-10]。廣西作為全國水旱災害較為嚴重的地區之一，評估和應用高精度降水產品對防御廣西地區水旱災害有重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

廣西地處華南沿海地區，地勢總體上西北高、東南低，呈西北向東南傾斜狀。四周多被山地、高原環繞，桂中和桂南多丘陵平地，呈盆地狀。年均降水量在1 000～2 700 mm之間，廣西三大降水中心分別在十萬大山迎風坡東興至欽州一帶、大瑤山迎風坡一側的昭平至金秀一帶、越城嶺至元寶山東南側永福至興安一帶，降水主要集中在每年的4月～9月，占全年降水量的70%～85%。廣西季風氣候顯著，降水時空分布不均，一方面由于降水量大且集中，廣西地區洪澇災害頻發，而另一方面巖溶地貌在廣西大面積發育分布，使得地表蓄水能力弱，容易造成地表干旱，相比周邊地區更容易形成干旱災害。

1.2 數據

1.2.1 氣象數據

本文氣象數據來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，全部站點數據已經過質量控制，選取了廣西89個國家地面觀測站2001年～2017年實測日降水數據，將日尺度數據聚合為月降水量數據檢驗衛星遙感降水產品。用于檢驗遙感降水產品的觀測站站點分布如圖1所示。

圖1 研究區DEM、年均降水量(1980年～2010年)空間分布以及氣象站點分布

1.2.2 遙感數據

TRMM衛星攜帶多種降水探測傳感器，包括可見紅外輻射計(VIRS)、TRMM微波成像儀(TMI)、云和地球輻射能量傳感器(CERES)、閃電成像傳感器(LIS)和首個星載降水雷達(PR)。基于TRMM衛星上的傳感器觀測數據，已經開發了幾種降水反演算法。TMPA算法結合了衛星微波和紅外傳感器的觀測和地面雨量計觀測資料，并生成了準全球覆蓋(50°N～50°S)的0.25°×0.25°空間分辨率降水產品。

GPM計劃由一顆核心觀測衛星和其他十余顆衛星星座組成，GPM衛星主要改進了以下幾點：①衛星軌道傾角從35°增加到了65°，擴大了探測覆蓋面積的同時也提高了產品時空分辨率；②降水雷達升級為雙頻雷達(Ku和Ka波段)，對微弱降水更敏感；③GPM微波成像儀新增165.5 GHz和183.3 GHz兩個通道，增強了微弱降水和固態降水的探測能力。GPM降水產品在第六版產品中首次將多衛星降水聯合反演IMERG(Integrated Multi-Satellite Retrievals for GPM)算法應用于TRMM時代的衛星數據，旨在生成長時間序列的連續的降水產品。GPM提供的降水產品在空間分辨率上提高到了0.1°×0.1°。

為了對應地面驗證氣象資料覆蓋的時間范圍，選擇了2001年1月至2017年12月的TRMM 3B43(V7)月度降水數據和GPM IMERG(V6)月度降水數據進行驗證分析。上述兩種衛星產品均由NASA戈達德地球科學資料和信息服務中心制作(GES DISC，https:∥disc.gsfc.nasa.gov)。

1.3 方法

衛星降水遙感反演結果評價采用相關系數R、均方根誤差RMSE、相對誤差BIAS等參數，衛星降水產品與地面降水實測值的R、RMSE和BIAS公式可分別表示為

(1)

(2)

(3)

式中，G和S分別為地面站點實測降水量和衛星降水反演降水量；n為樣本總數；i為各樣本號。為了研究和評價不同時間尺度衛星降水產品的精度，將匹配的實測降水量和衛星反演降水量按觀測時間的年份、季節、月份、分別計算出評價指標結果。

在數據提取和匹配上，將地面驗證氣象站點位置所在的遙感數據柵格格網值代表衛星遙感反演降水值，基于GEE(Google Earth Engine)遙感大數據平臺編程實現2001年～2017年逐月TRMM和GPM降水產品的批量提取和匹配。

2 結 果

2.1 總體精度評價

基于89個站點月降水量數據對TRMM和GPM遙感降水產品進行總體檢驗，TRMM、GPM與所有站點逐月降水量散點圖，一共匹配了18 245對數據(見圖2)。

從圖2中可見，TRMM和GPM總體精度相差不大，各站點月降水量值分布在0～800 mm之間，且月降水量主要集中在0～200 mm區間。從精度評價指標對比來看，GPM降水產品在相關系數R、均方根誤差RMSE以及相對偏差BIAS等指標中均略優于TRMM降水產品。

圖2 TRMM和GPM降水產品總體精度評價

2.2 逐年尺度評價

圖3為TRMM和GPM逐年精度指標對比。從相關系數R和均方根誤差RMSE指標來看，除2011年～2013年TRMM相較于GPM有較明顯差異，其他年份2種降水產品相差不大，總體上GPM降水產品精度略占優勢。從相對偏差角度對比兩種降水產品發現GPM相比于TRMM在大部分年份表現都較好，TRMM對于降雨量的高估更為明顯。在2014年GPM新的觀測平臺加入后，相較于之前的TRMM降水產品，GPM降水產品的精度在廣西地區并沒有很明顯的改善。

圖3 TRMM和GPM降水產品年尺度精度對比(2001年～2017年)

2.3 季節尺度評價

為了解不同季節遙感降水產品的適用性，將遙感降水產品數據和實測降水數據按春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)、冬季(12月～2月)進行匹配和驗證。從季節尺度評價結果來看(見圖4)，兩種降水產品在各個季節的精度表現差異不大，GPM整體表現略優。具體來看，兩種降水產品與實測值的相關系數R最大值均出現在冬季(RTRMM=0.91，RGPM=0.93)，R最小值均出現在夏季(RTRMM=0.84，RGPM=0.83)。從RMSE來看，兩種降水產品在夏季的均方根誤差均最大，在冬季的均方根誤差最小。從相對誤差來看，TRMM偏差最大的季節出現在夏季(6.81%)，GPM偏差最大的季節出現在冬季(5.33%)，這可能與GPM傳感器對冬季弱降水探測更為敏感有關，GPM對冬季弱降水有部分高估。

圖4 TRMM和GPM降水產品季節尺度精度評價

2.4 月尺度評價

為了更好的從月尺度角度了解兩種降水產品的精度，統計了廣西89個站點的月尺度驗證精度指標(見表1)。從均方根誤差指標來看，兩種降水產品的均方根誤差與降水量呈線性增長趨勢，6月、7月份誤差較大，12月、2月誤差較小。除7月份外GPM在其他月份的均方根誤差均比TRMM小。從相對誤差指標來看，兩種降水產品在各月均表現為高估。TRMM在6月相對誤差最大(11.7%)，12月相對誤差最小(3.52%)；GPM在10月相對誤差最大(11.94%)，11月相對誤差最小(2.73%)。

表1 TRMM和GPM降水產品月尺度精度評價

從兩種降水產品與實測值的逐月相關系數R箱線圖(見圖5)可以看出，處于華南前汛期的5月和6月，各站點的相關系數R離散較大，表明TRMM和GPM在前汛期的遙感反演精度穩定性不佳；而在1月和12月各站點的相關系數R離散較小，且相關系數R較高，表明TRMM和GPM在降水量較小的月份反演精度和穩定性較高。

圖5 TRMM和GPM降水產品月尺度相關系數箱線

2.5 精度評價指標空間分布

為了解TRMM和GPM衛星降水產品驗證精度的空間分布特征，將各站點的驗證精度指標數據進行空間插值。從圖6可見，89個站點的TRMM和GPM與實測值的相關系數R分別在0.841～0.981和0.848～0.978之間，其中桂林的相關系數R最高，R值最低的是上思。TRMM和GPM的與實測值的相關系數R在空間分布上基本一致，GPM整體精度優于TRMM，尤其是在桂東南以及桂北一帶GPM表現出更高的精度。兩種產品R低值區均主要分布在桂中和桂西南一帶，桂東北R相對較高。

圖6 TRMM和GPM降水產品與實測值相關系數R空間分布

圖7為兩種降水產品對實測值的相對誤差空間分布圖。兩種降水產品的相對誤差空間分布特征依然表現得較為一致。TRMM和GPM相對誤差在-5%

圖7 TRMM和GPM降水產品與實測值相對誤差空間分布

2.6 廣西降水量空間分布特征

為了對比兩種降水產品與實測值的降水空間分布特征差異，本分析首先基于89個站點的年均降水量數據進行空間插值得到圖8a，將TRMM和GPM柵格數據進行年均值合成得到圖8b、8c。從三者的空間分布對比可以看出，降水量高值區(沿海、桂東北)位置能基本對應；但TRMM在桂東北的高值區與實測高值區范圍相比有所擴大，GPM在桂東北的高值區與實測高值區范圍較為一致。在降水量低值區域(左江河谷、右江河谷)，TRMM和GPM在右江河谷與實測低值區對應較好；但在左江河谷地區均有所高估，與實測值相差較大。從空間分辨率角度來看，GPM較高的空間分辨率優勢對于刻畫地區降水量分布的細節有較大優勢。

圖8 地面站點、TRMM和GPM年均降水量分布(2001年～2017年)

3 結 論

(1)TRMM和GPM降水產品精度在廣西地區整體上相差不大，GPM新觀測平臺加入后，GPM產品相對于TRMM的精度在廣西地區并沒有明顯的提升；但GPM更高的空間分辨率使得其在區域尺度降水模擬中更具優勢。

(2)TRMM和GPM降水產品的精度指標在空間分布上有較大差異，兩者在桂東北的表現較好，而在桂西南和桂中地區表現較差，兩者在桂西南地區均存在明顯高估，而在沿海地區存在明顯低估。

(3)本研究為TRMM和GPM衛星遙感降水產品在廣西地區的適用性提供了詳細的檢驗和對比數據。為下一步研究區域降水時空變化規律、水文模擬等提供了新的數據參考。