黃河流域TRMM 3B43精度檢驗

李 陽 任世鑫 謝志祥 張傳才 樊晏利

（河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封475004）

降雨在時間和空間上有很大的異質(zhì)性，精確的降水監(jiān)測是洪澇和干旱災(zāi)情監(jiān)控預(yù)報的重要支撐［1］，衛(wèi)星的降水監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時間和空間分辨率高、覆蓋范圍廣等特點，并且已逐漸成為降水?dāng)?shù)據(jù)的重要獲取手段［2］。因此對TRMM降水資料精度的檢驗就顯得尤為重要。國外對TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗做了很多的工作。Saber Moazami等［3］利用地面站點實測數(shù)據(jù)對比伊朗境內(nèi)的PERSIANN，3B42V7和3B42RT降水?dāng)?shù)據(jù)的精度，得出TRMM 3B42V7降水?dāng)?shù)據(jù)的精度在日降水?dāng)?shù)據(jù)上優(yōu)于PERSIANN和3B42RT。Marcelo PedrosoCurtarelli等［4］對巴西內(nèi)陸地區(qū)的TRMM 3B43月均降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗，得出TRMM可以提供可靠的月均降水?dāng)?shù)據(jù)。TianbaoZhao等［5］對中國范圍內(nèi)的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中國大部分的濕潤季節(jié)能夠很好地描述降水的季節(jié)性變化，觀察其精度也顯示東部地區(qū)也大于西部地區(qū)。國內(nèi)近幾年對TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的研究迅速增加［6-10］。大量的研究表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測數(shù)據(jù)存在著較好的線性相關(guān)特性，降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量較高。TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)伴隨著時空尺度的增大，精度越高［11］。李相虎［12］、Yong等［13］也分別對鄱陽湖流域和中國東北老哈河地區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究并得出了類似結(jié)論。目前學(xué)者對于TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究多是大范圍的精度研究，對于單個河流流域的研究案例較少，而黃河歷來水旱災(zāi)害頻發(fā)，對流域內(nèi)的生產(chǎn)生活與發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，對該地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)精度的檢驗就顯得尤為緊迫。

熱帶降水測量計劃（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）衛(wèi)星，由美國國家宇航局（National Aeronautics and Space Administration）和日本國家空間發(fā)展局（National Space Development Agency）聯(lián)合研制并于1997年11月28日在日本的種子島空間中心成功發(fā)射。TRMM為近赤道非太陽同步軌道衛(wèi)星，設(shè)計使用壽命為三年。衛(wèi)星運行軌道高度為350km，傾角35°，覆蓋范圍為38°N～38°S，180°W～180°E之間。TRMM衛(wèi)星在2001年8月到達(dá)設(shè)計壽命時為了延長其使用壽命，將軌道高度由設(shè)計初期的350km提升至402.5km。伴隨著軌道高度的提升，覆蓋范圍也達(dá)到了50°N～50°S，180°W～180°E之間。TRMM是一顆用于監(jiān)測全球熱帶、亞熱帶地區(qū)降水的衛(wèi)星［14］。

1 研究資料與區(qū)域

1.1 衛(wèi)星資料

采用1998-2013年TRMM 3B43 V7降水?dāng)?shù)據(jù)集，時間分辨率為月，空間分辨率為0.25°×0.25°。該數(shù)據(jù)是TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的結(jié)果，3B43數(shù)據(jù)是用3B42數(shù)據(jù)產(chǎn)品、NOOA氣候預(yù)測中心氣候異常監(jiān)測系統(tǒng)的全球格點雨量測量資料以及全球降水氣候中心（CAMS）的全球降水資料合成的全球格點數(shù)據(jù)集，降水?dāng)?shù)據(jù)來源于NASA官方網(wǎng)站：http：//mirador.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/mirador/collectionlist.plkeyword=TRMM_3B43。

1.2 地面氣象站點數(shù)據(jù)

地面實測降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)中心，選取黃河流域及其周邊地區(qū)的122個國家基準(zhǔn)與基本站的月降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。由于氣象站觀測、衛(wèi)星遙感和對大氣模擬是獲取降水?dāng)?shù)據(jù)的主要來源［15］，因此盡管研究區(qū)域內(nèi)氣象觀測站點的監(jiān)測范圍有限，但是其仍是降水的最準(zhǔn)確測量［16］。因此對該地區(qū)的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的研究就顯得尤為重要。

圖1 黃河流域的位置（a）以及流域內(nèi)122個氣象站點分布（b）

1.3 研究區(qū)域

黃河流域位于95°53'～119°05'E，32°10'～41°50'N，流域面積為7.93×105km2,全長5 464km。黃河流域多年以來的平均降水量456mm，以其占全國河川徑2%的徑流量向黃河周邊地區(qū)的占全國15%的耕地和12%的人口供水。當(dāng)前，黃河河川徑流的開采利用程度達(dá)到了70%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國際公認(rèn)40%的合理范圍。目前，黃河流域水資源短缺問題嚴(yán)重［17］。因此對該地區(qū)的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的研究就顯得尤為重要和迫切。

2 研究方法

通過對所選取的研究區(qū)域內(nèi)的122個地面氣象站在1998—2013年間的降水?dāng)?shù)據(jù)與站點對應(yīng)的TRMM 3B43格點數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R、相對誤差Bias以及均方根誤差RMSE進(jìn)行計算，利用這些指標(biāo)來檢驗研究區(qū)域的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的精度。

相關(guān)系數(shù)、相對誤差、均方根誤差

其中：n為樣本容量，xi為TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，yi為地面氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，值反映氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)之間的一致性，其取值范圍為［0，1］，值越大，二者的相關(guān)性越好。Bias（取絕對值即得到絕對誤差｜Bias｜）反映氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)之間的偏離程度，Bias值越接近0，則TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)越精確。均方根誤差（RMSE）對測量數(shù)據(jù)組中特大或者特小的誤差十分敏感，能夠很好地反映測量數(shù)據(jù)的精度。

3 TRMM 3B43時間精度檢驗

3.1 年降水量檢驗

圖2 1998～2013年TRMM3B43與氣象站年降水量散點圖

對研究區(qū)域內(nèi)的122個氣象站點年降水?dāng)?shù)據(jù)作為自變量、TRMM 3B43數(shù)據(jù)作為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，TRMM 3B43與研究區(qū)內(nèi)的122個氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)擬合優(yōu)度較高，R2達(dá)到0.876，相關(guān)系數(shù)R=0.9359，說明二者之間有著明顯的線性相關(guān)特征，這與曾宏偉等對于瀾滄江及周邊流域的TRMM 3B43數(shù)據(jù)的年降水量精度的分析具有較好的一致性［18］。兩組數(shù)據(jù)間的RMSE=78.47，且對比1：1線，可知影像數(shù)據(jù)對降水量存在高估、低估的現(xiàn)象。即在降水多的地區(qū)出現(xiàn)低估、在降水少的地區(qū)出現(xiàn)高估的情況，但整體而言，K值為0.9356，說明TRMM 3B43數(shù)據(jù)估計的降水量相較于站點數(shù)據(jù)在年降水尺度上略微偏低。

圖3 1998～2013年TRMM3B43與地面觀測站各季降水量散點圖

3.2 季節(jié)降水量對比

將研究區(qū)域內(nèi)的122個氣象站點1998-2013年的降水?dāng)?shù)據(jù)分為四季，即春季：3-5月；夏季：6-8月；秋季：9-11月；冬季：12-2月。將氣象站點不同季節(jié)的降水?dāng)?shù)據(jù)與相對應(yīng)的影像像元值進(jìn)行擬合分析，得到圖3。結(jié)果表明：四季的擬合優(yōu)度都很高（R2均高于0.8），說明TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)能夠較好地反映地區(qū)的降水情況。其中秋季擬合優(yōu)度最高（R2=0.8816），其次是春季、冬季，夏季的擬合優(yōu)度最低（R2=0.8223）。考慮到夏季黃河流域降水量差異最大，暴雨、干旱等極端氣候頻發(fā)，造成在夏季相對于其他降水量變化量較小的季節(jié)其擬合優(yōu)度較低。春冬季節(jié)降水較少，RMSE值相對較低，尤其是冬季RMSE最低達(dá)到7.008。而夏秋季節(jié)的RMSE值較高，夏季更是達(dá)到了56.91。

3.3 月降水量檢測

將研究區(qū)域內(nèi)的122個氣象站點的月實測降水量作為自變量，對應(yīng)月份的各個氣象站點所對應(yīng)的TRMM 3B43影像的像元值為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析（圖4）。經(jīng)檢驗，氣象站實測月降水量與對應(yīng)的TRMM降水之間的相關(guān)系數(shù)R=0.940，擬合優(yōu)度R2=0.883，斜K=0.947，表明這兩組數(shù)據(jù)之間存在著很好的一致性。就整體而言由于其斜率K＜1，TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)的降水量較之氣象站觀測的“真值”略微偏低。這點是遙感方法本身特點所致，即衛(wèi)星主要通過微波傳感器等設(shè)備探測云內(nèi)降水粒子和云粒子與微波的相互作用，從而達(dá)到測量降水的目的，這種方式在估計歷時較短、降水較小的過程方面存在著缺陷，可能導(dǎo)致TRMM數(shù)據(jù)在數(shù)值上偏?。?9］。

圖4 1998～2013年地面觀測站與TRMM 3B43月降水量散點圖

3.4 站點數(shù)據(jù)精度評估

黃河流域及周邊地區(qū)的地面監(jiān)測站數(shù)據(jù)與TRMM 3B43降水量年、季尺度上TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)整體上精度較高，但是整體上精度的優(yōu)異也可能會掩蓋少數(shù)站點數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的影像像元值間的差異，尤其降雨作為一種復(fù)雜的天氣現(xiàn)象，自身受地理位置、海拔、坡度、坡向、大氣環(huán)流等諸多因素的影響，對降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行總體精度評估的同時，需要對單個的站點數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證。

1998-2013年研究區(qū)域內(nèi)的122個地面監(jiān)測站點及其各自相對應(yīng)的TRMM 3B43影像像元值進(jìn)行一元線性回歸分析，獲得兩組降水量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)和斜率K（表1），回歸分析是以地面監(jiān)測站點降水量為自變量，TRMM 3B43降水量為因變量而進(jìn)行的。由表1相關(guān)系數(shù)可知：①絕大多數(shù)的氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM 3B43估計的數(shù)據(jù)存在著極高的相關(guān)性，多數(shù)氣象站點的相關(guān)系數(shù)R＞0.9；②少數(shù)氣象站點相關(guān)系數(shù)相較于本研究區(qū)域內(nèi)的其他站點相對較低，R＜0.85的氣象站點：惠農(nóng)、阿拉善左旗、景泰、武威、陶樂和吉蘭太，其R值分別是0.847、0.841、0.826、0.818、0.801、0.706，說明這些站點的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)與TRMM估計的降水量之間的線性關(guān)系相對較弱，尤其是陶樂和吉蘭太兩個站點。

所得大多數(shù)氣象站點的回歸方程斜率K＜1，有公式（2）可知，Bias=K-1，Bias的值為正則表示TRMM估計降水量的“高估”，相反，值為負(fù)則代表對降水量的“低估”。由回歸方程的斜率K值可知：①TRMM對研究區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)氣象站降水量估計存在“低估”現(xiàn)象，這點與前文對月降水的分析中所得到的結(jié)論一致。②站點的TRMM降水量估計存在著“高估”的情況：祁連、松潘、河南、曲麻萊四站點將近高估10%～20%，貴州高估了31%，此站點TRMM的降水量估計相對地面氣象站的“真值”明顯偏高。③站點的TRMM降水量估計存在著“低估”的情況：站點貴州和都蘭的TRMM估計的降水量較于“真值”30%～40%，海源、欒川、托勒、阿拉善左旗、佛坪、清水河、定邊和泰山低估20%～30%。④其他站點的TRMM降水量預(yù)測精度較高，但也或多或少地都存在著0%～10%的估計誤差。通過對比都蘭（R=0.927，K=0.678）泰山（R=0.956，K=0.709）等地面氣象站點不難發(fā)現(xiàn)，僅從相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估，容易掩蓋高相關(guān)性下的數(shù)據(jù)之間的偏差，這再次驗證研究斜率K的重要性。

表1 黃河及其周邊地區(qū)1998-2013年TRMM 3B43與地面觀測站降水量相關(guān)系數(shù)和偏離程度

4 結(jié)論

通過研究區(qū)域內(nèi)的122個氣象站實測降水?dāng)?shù)據(jù)，在年、季、月不同尺度上對TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了精度驗證，并在此基礎(chǔ)上對地形因子中的高程和坡度對數(shù)據(jù)精度的影響進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

4.1 TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)在年、季、月尺度上均具有較高的精度，相關(guān)系數(shù)R值均達(dá)到了0.8以上，而且絕對誤差額控制得較好，年尺度RMSE最高也僅78.47，因此誤差值較低。TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)在黃河流域顯示出了很好的適用性。

4.2 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在年尺度上，相關(guān)系數(shù)R=0.9359，K值為0.9356，TRMM數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，數(shù)值上較實測數(shù)據(jù)略微偏低；在季尺度上，四季的擬合優(yōu)度都很高（R2均高于0.8），其中秋季擬合優(yōu)度最高（R2=0.8816），其次是春季、冬季，夏季的擬合優(yōu)度最低（R2=0.8223）；在月尺度上，擬合優(yōu)度R2=0.883，說明二者之間相關(guān)性顯著。RMSE=18.51，月降水?dāng)?shù)據(jù)具有較好的精度。

4.3通過對各個站點數(shù)據(jù)的精度評估，發(fā)現(xiàn)絕大部分的站點實測降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM影響數(shù)據(jù)之間存在著顯著的相關(guān)性（R＞0.8），只有吉蘭太、陶樂和武威3個站點相關(guān)系數(shù)較低。整體上看站點的絕對誤差相對較低，但都蘭、貴州河泰山等站點的絕對偏差較大，偏差約30%。

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致謝：感謝河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺為本文研究提供數(shù)據(jù)支持。