TRMM降雨數(shù)據(jù)在湖南省長株潭地區(qū)的適用性

謝紅霞, 劉旭星, 隋 兵, 賀紅士, 鄧逸塵, 覃 超

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院, 湖南 長沙 410128,2.湖南省氣象研究所, 湖南 長沙 410007; 3.美國密蘇里大學 自然資源學院, 密蘇里州 哥倫比亞 65211)

TRMM降雨數(shù)據(jù)在湖南省長株潭地區(qū)的適用性

謝紅霞1, 劉旭星1, 隋 兵2, 賀紅士3, 鄧逸塵1, 覃 超1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院, 湖南 長沙 410128,2.湖南省氣象研究所, 湖南 長沙 410007; 3.美國密蘇里大學 自然資源學院, 密蘇里州 哥倫比亞 65211)

[目的] 基于現(xiàn)有實測降雨數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)，探討利用TRMM數(shù)據(jù)估測實際降雨的方法。[方法] 利用湖南省長株潭地區(qū)12個氣象站點觀測的降雨數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)法、誤差分析、相對偏差分析等方法，分析長株潭地區(qū)2002—2011年TRMM降雨數(shù)據(jù)的精度。[結(jié)果] 長株潭地區(qū)的TRMM數(shù)據(jù)和站點數(shù)據(jù)的擬合程度較好，年降雨量的擬合優(yōu)度為0.69，春、夏、秋、冬4季降雨量的擬合優(yōu)度依次為0.68，0.52，0.66，0.34，月降雨量的擬合優(yōu)度達0.73，各站點月降雨量的擬合優(yōu)度更好。相對偏差分析與誤差分析結(jié)果表明TRMM降雨數(shù)據(jù)普遍低于實測降雨數(shù)據(jù)，這種偏差主要是因為單個觀測站點實際代表面積遠小于TRMM單個柵格的代表面積，而相對偏差均為負值則可能是城市的降雨量和雨強大于農(nóng)村所致。此外偏差和地形起伏存在一定的聯(lián)系，地形起伏越大的地區(qū)偏差越大。[結(jié)論] TRMM降雨數(shù)據(jù)在長株潭地區(qū)有一定的適用性，但在使用時需要用觀測數(shù)據(jù)進行必要的修正，TRMM數(shù)據(jù)也可作為歷史降雨觀測數(shù)據(jù)分析的一個參考以提高其空間精度。

適用性; TRMM; 降雨觀測數(shù)據(jù); 長株潭地區(qū)

文獻參數(shù)： 謝紅霞, 劉旭星, 隋兵, 等.TRMM降雨數(shù)據(jù)在湖南省長株潭地區(qū)的適用性[J].水土保持通報，2017,37(3)：295-301.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.051； Xie Hongxia, Liu Xuxing, Sui Bing, et al. Applicability of precipitation data from TRMM in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Region, Hunan Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：295-301.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.051

高質(zhì)量的降雨數(shù)據(jù)在土壤侵蝕、災害預報，以及生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的應用價值[1]。傳統(tǒng)的雨量數(shù)據(jù)主要依賴雨量站，而獲取精確的降雨空間分布需要建立高密度的雨量站網(wǎng)。盡管中國已建立了相當多的遙測雨量站和氣象站，其密度遠不能滿足現(xiàn)實的需求[2]。衛(wèi)星觀測由于其具時間和空間連續(xù)的觀測能力，近年來已成為監(jiān)測全球降雨的重要手段。其中，熱帶降雨計劃衛(wèi)星(tropical rainfall measurement mission，TRMM)，因為其具有觀測三維降雨信息的能力，在各種星載傳感器中成為獲取降雨數(shù)據(jù)的首選[3]。由于受地形、地理位置、反演算法、數(shù)據(jù)來源等因子的影響，TRMM 數(shù)據(jù)反演降雨的精度仍存在一定的系統(tǒng)偏差，而且數(shù)據(jù)精度存在明顯的空間變異特性。

至今已有很多學者進行了TRMM降雨數(shù)據(jù)的精度驗證及基于TRMM的區(qū)域降雨、干旱、洪澇等特征分析。國外，Adler等[4]，Chiu等[5-6]，Nicholson等[7-8]，Brown[9]，Islam等[10]在TRMM衛(wèi)星測雨產(chǎn)品檢驗與評估方面做了很多研究，IPWG(the international precipitation working group)從逐日尺度對TRMM測雨產(chǎn)品在美國、歐洲、澳大利亞地區(qū)進行檢驗評估[11-13]。國內(nèi)，朱國鋒等[14]利用相關(guān)系數(shù)法和散點斜率法在橫斷山區(qū)對TRMM數(shù)據(jù)的精度進行了檢驗，發(fā)現(xiàn)TRMM 3B43降雨數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相關(guān)性很強，但是比實測降雨量大33.9%。季漩等[15]分析了中天山區(qū)域的TRMM降雨數(shù)據(jù)的精度，發(fā)現(xiàn)該降雨產(chǎn)品的質(zhì)量總體上不高，但是其偏差在時間和空間上具有一定的規(guī)律性，該數(shù)據(jù)在干旱區(qū)的應用需要進一步校準處理。曲偉等[16]在伊洛瓦底江流域?qū)RMM日降雨數(shù)據(jù)進行了精度檢驗，提出了一種基于水量平衡的TRMM數(shù)據(jù)校正方法。校正前TRMM年降雨量和月降雨量與實測值有較高相關(guān)性，但偏差較大；校正后年降雨量與實測值基本一致；月降雨量與實測曲線吻合較好；日降雨量的預報等級從中等提高到了良好。

湖南省長株潭地區(qū)地處湖南省中東部，土地總面積為28 088.12 km2，占全省的13.26%[17]。2007年12月該區(qū)被國務院批準為全國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)。政府和學者都加強了對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關(guān)注。但長株潭地區(qū)內(nèi)氣象站不多，難以獲得該地準確的降雨數(shù)據(jù)，因此充分利用TRMM降雨數(shù)據(jù)將彌補氣象站少的不足。本文擬基于長株潭地區(qū)2002—2011年12個氣象站10 a的日實測降雨數(shù)據(jù)和TRMM日降雨數(shù)據(jù)，通過相關(guān)系數(shù)法、誤差分析、相對偏差分析等方法來估算TRMM數(shù)據(jù)在長株潭地區(qū)的精度，探討使用TRMM數(shù)據(jù)估測實際降雨的方法。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

長株潭地區(qū)位于湖南省東北部，包括長沙、株洲、湘潭3市，是湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心增長極，并呈品字形分布于湘江下游，3市中心之間相距49 km(長沙市—株洲市)、37 km(湘潭市—株洲市)和51 km(長沙市—湘潭市)，結(jié)構(gòu)緊湊。長株潭地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣，有山地、崗地、丘陵和平原，以崗地和平原地貌為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中采用的TRMM降雨數(shù)據(jù)來自NASA(http:∥www.nasa.gov/topics/earth)，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為3 h，日降雨量數(shù)據(jù)累加得到月降雨量，月降雨量累加得到年降雨量，時段為2002—2011年。與TRMM降雨數(shù)據(jù)進行對比分析的長株潭地區(qū)12個地面氣象站實測降雨資料來自于湖南省氣象科學研究所。

1.3 研究方法

利用相關(guān)系數(shù)法、誤差分析、相對偏差分析對長株潭地區(qū)的TRMM數(shù)據(jù)精度進行分析驗證，基于長株潭地區(qū)12個氣象站點及其站點所在的TRMM柵格進行對比(如果一個TRMM柵格中有2個或2個以上氣象觀測值，則取各站點均值與TRMM數(shù)據(jù)進行對比)，分析TRMM數(shù)據(jù)與站點觀測數(shù)據(jù)之間的差異，各方法計算過程如下：

(1)

(2) 誤差分析：B=(K-1)×100%

(2)式中：B——實際誤差，正值表示高估，負值表示低估(%)； K——線性回歸方程的斜率。而絕對誤差|B|——實際誤差的絕對值。本文采用誤差指標來描述TRMM與站點降雨間的差異。

(3)

式中：n——樣本容量； xi，yi——氣象站點實測數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 年均降雨量對比分析及偏差分析

TRMM與長株潭地區(qū)12個站點10a的年降雨量的擬合程度較高，R2達到0.69(圖1)，年降雨量相對偏差(Bias)為-4.42%，TRMM的平均年降雨量普遍低于氣象站點的實測結(jié)果，且相對偏差均為負值(表1)。這種偏差主要是由于長株潭地區(qū)降雨空間分異性大，單個觀測站點代表面積遠小于TRMM單個柵格的面積。而觀測降雨較高、相對偏差均為負值

則與城區(qū)溫度高、局地氣流輻合上升及對降雨系統(tǒng)的阻障效應，城市的降雨量和降雨強度大于農(nóng)村有關(guān)[18]，因為文中使用的降雨的氣象觀測站點都位于城市邊緣。相對偏差的大小與研究區(qū)站點的空間位置沒有顯著的聯(lián)系，而在地形起伏較大的地區(qū)降雨變化大，不確定性高，在研究區(qū)內(nèi)地形起伏最大的南部山區(qū)的炎陵，年降雨量相對偏差最大，達到-12.04%，而起伏較小的韶山相對偏差最小，只有-0.87%。TRMM估計的年降雨量數(shù)據(jù)精度較高，能夠滿足在年的尺度上應用的需要。

圖1 長株潭地區(qū)2002-2011年TRMM與地面氣象站年降雨量關(guān)系表1 2002-2011年12個氣象站點年均降雨量與TRMM對應像元年平均降雨量對比

氣象站氣象站年降雨量/mmTRMM年降雨量/mmBias/%氣象站氣象站年降雨量/mmTRMM年降雨量/mmBias/%寧鄉(xiāng)1367.51338.2-2.14株洲1385.11335.9-3.55長沙站1313.01279.4-2.56攸縣1410.41353.7-4.02馬坡嶺1369.01310.7-4.26醴陵1482.51373.3-7.37瀏陽1430.91390.7-2.81湘潭1384.21324.7-4.30茶陵1362.81338.8-1.77韶山1336.31324.7-0.87炎陵1565.41377.0-12.04湘鄉(xiāng)1420.01316.6-7.29

注：Bias為降雨量相對偏差。下同。

為了更進一步分析對TRMM數(shù)據(jù)與站點數(shù)據(jù)存在一定偏差的原因，將12個站點的絕對偏差和TRMM柵格高差、TRMM柵格平均高程與站點高程差進行分析，通過散點圖(圖2)可以看出，TRMM柵格內(nèi)高差、TRMM柵格平均高程與站點高程差和降雨絕對偏差的擬合優(yōu)度較好，前者的擬合優(yōu)度為R2=0.48，后者的擬合優(yōu)度為R2=0.57。這說明偏差的產(chǎn)生和高程的變化有一定的聯(lián)系，而長株潭地區(qū)地貌類型多樣，有山地、崗地、丘陵和平原，使得TRMM數(shù)據(jù)與站點數(shù)據(jù)存在一定偏差。

2.2 季節(jié)降雨量對比分析

長株潭地區(qū)季節(jié)降雨差異大，春季、夏季降雨量

高于秋季和冬季，而春季和夏季之間，秋季和冬季之間降雨量差異相對較小。對長株潭地區(qū)12個氣象站點2002—2011年的降雨量按4個季節(jié)(春季：3—5月；夏季：6—8月；秋季：9—11月；冬季：12月至翌年2月)計算季節(jié)降雨量并與TRMM相應時期的降雨數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析(圖3)。結(jié)果表明春、夏、秋3季的擬合優(yōu)度都大于0.5，其中春季的擬合優(yōu)度最高(R2=0.68)，而冬季的擬合優(yōu)度最低(R2=0.34)。這主要是因為長株潭地區(qū)冬季降雨較少，且時而出現(xiàn)冰雪，這就導致衛(wèi)星在冬季估算時容易出現(xiàn)較大誤差，從而造成冬季降雨量檢驗精度不高。總體而言，TRMM降雨數(shù)據(jù)能較好地反映長株潭地區(qū)的季節(jié)降雨特點。

圖2 長株潭地區(qū)降雨絕對偏差與地形起伏的關(guān)系

圖3 長株潭地區(qū)2002-2011年TRMM與地面氣象站四季降雨量關(guān)系

2.3 月降雨量對比分析

將2002—2011年研究區(qū)內(nèi)12個氣象站的月降雨量實測數(shù)據(jù)與對應時期的TRMM月降雨量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析(圖4)。

圖4 長株潭地區(qū)2002-2011年TRMM 與地面氣象站逐月降雨量關(guān)系

結(jié)果顯示，TRMM與氣象站實測數(shù)據(jù)的擬合度為R2=0.73，相關(guān)系數(shù)為R=0.86，這表明TRMM降雨數(shù)據(jù)與地面氣象站實測數(shù)據(jù)之間具有顯著的線性相關(guān)性。對各個站點進行驗證分析，尤其是在月尺度上。

對12個氣象站點2002—2011年實測月降雨數(shù)據(jù)與相對應的TRMM降雨數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析(表2)。

表2 2002-2011年長株潭地區(qū)基于月降雨量的 TRMM數(shù)據(jù)與氣象站點實測值的相關(guān)系數(shù)

由表2可知：11個站點月降雨實測數(shù)據(jù)與TRMM月降雨數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R>0.8，這11個站點的平均相關(guān)系數(shù)達0.87，僅寧鄉(xiāng)站的相關(guān)系數(shù)R<0.8，為0.74，這也進一步論證了TRMM月降雨數(shù)據(jù)的精度較高，在整個長株潭地區(qū)具有普遍適用性。

2.4 年度降雨量變化對比分析

通過對長株潭各地區(qū)年降雨量變化的分析(圖5)，可以看出其中茶陵、湘鄉(xiāng)、醴陵、湘潭的吻合情況相對較好，各站點的實際降雨量與TRMM的值的變化趨勢基本一致。其中，整個長株潭地區(qū)2002—2011年的年降雨量介于1 000～2 000 mm。

圖5 長株潭地區(qū)TRMM與站點觀測年降雨量變化趨勢

2.5 TRMM與站點降雨差異分析

對研究區(qū)內(nèi)12個站點的平均年、季節(jié)降雨量進行差異分析(詳見表3)，可以得出春季、夏季、秋季、冬季、年平均絕對誤差(|B|)依次為17.12%，12.93%，24.34%，54.75%，15.28%，TRMM數(shù)據(jù)與站點數(shù)據(jù)在夏季范圍內(nèi)誤差最小，在春季、夏季、秋季和年范圍內(nèi)誤差相差不大，在冬季范圍內(nèi)誤差最大。從整體上來看，TRMM數(shù)據(jù)相比站點數(shù)據(jù)偏小，這與年降雨量對比分析和月降雨量對比分析的結(jié)果一致。

表3 TRMM與站點降雨的差異 %

3 討論與結(jié)論

本文通過相關(guān)系數(shù)法、誤差分析、相對偏差分析等方法對長株潭地區(qū)12個雨量站點觀測的降雨數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)進行精度驗證，并對長株潭3市進行了日面平均降雨量的分析，更深一步驗證TRMM數(shù)據(jù)在長株潭地區(qū)的適用性。結(jié)果表明：

(1) 長株潭地區(qū)的TRMM數(shù)據(jù)和站點數(shù)據(jù)在年、季節(jié)及月尺度上的擬合程度均較好，兩者具有良好的相關(guān)性。其中，冬季擬合程度稍差，主要是因為長株潭地區(qū)冬季降雨較少，且時而出現(xiàn)冰雪，使得降雨不穩(wěn)定，這就導致衛(wèi)星在冬季估算時容易出現(xiàn)較大誤差，從而造成冬季降雨量檢驗精度不高。

(2) 長株潭地區(qū)12個站點10 a的年降雨量相對偏差為-4.42%，各站點年降雨量的相對偏差均為負值，說明TRMM數(shù)據(jù)普遍低于氣象站點的實測結(jié)果，差異分析也表明TRMM數(shù)據(jù)相比站點數(shù)據(jù)偏小，這主要是因為單個觀測站點代表面積遠小于TRMM單個柵格的代表面積，且偏差和地形起伏有一定的聯(lián)系，而長株潭地區(qū)地貌類型多樣，地形起伏較大的地區(qū)降雨變化大，不確定性高，此外還與降雨具有空間分異性有關(guān)，長株潭地區(qū)“河東日出河西雨”的現(xiàn)象時有發(fā)生(河在此指的湘江)，而南方城市化使得城市的降雨量和雨強大于農(nóng)村，文中使用的降雨的氣象觀測站點都位于城市邊緣，因此TRMM數(shù)據(jù)小于站點觀測數(shù)據(jù)。

在長株潭地區(qū)，TRMM降雨數(shù)據(jù)有一定的適用性，但和位于城市邊緣的氣象站點的觀測值相比仍有一定的偏差，普遍低估了降雨量，因此，使用TRMM數(shù)據(jù)估測降雨量時需要參考現(xiàn)有觀測資料，使用合理的方法讓其與實際降雨情況更為接近，TRMM數(shù)據(jù)也可作為歷史降雨觀測數(shù)據(jù)分析的一個參考以彌補觀測數(shù)據(jù)空間精度不足。

致謝：浙江大學史舟教授、馬自強博士為本研究提供了經(jīng)編程處理好的TRMM數(shù)據(jù)，在此表示衷心的感謝！

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Applicability of Precipitation Data from TRMM in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Region, Hunan Province

XIE Hongxia1, LIU Xuxing1, SUI Bing2, HE Hongshi3, DENG Yichen1, QIN Chao1

(1.CollegeofResourceandEnvironment,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China; 2.HunanMeteorologicalInstitute,Changsha,Hunan410007,China; 3.SchoolofNaturalResources,UniversityofMissouri-Columbia,ColumbiaMO65211,USA)

[Objective] This study aimed to testify the method of estimating the real precipitation with TRMM data with the aid of the observed precipitation and TRMM precipitation from 2002 to 2011. [Methods] The applicability of TRMM precipitation data in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region of Hunan Province from 2002 to 2011 was analyzed based on the precipitation data from 12 rainfall observation stations with the methods of correlation coefficient, error analysis, relative deviation analysis and statistical analysis. [Results] The fitting degree of TRMM data and observation station data in these regions were good. The goodness-of-fit of yearly rainfall was 0.69 and the ones of the spring, summer, fall and winter respectively were 0.68, 0.52, 0.66 and 0.34. The goodness-of-fit of monthly rainfall reached to 0.73 and that of the every station was good too. Methods of relative deviation analysis and error analysis indicated that the TRMM rainfall data was generally lower than the observed precipitation, which was mainly for that the area representativeness of the signal observational station was far smaller than that of the TRMM. This was because of that the cities’ rainfall extensity was stronger than rural area caused by urbanization and that the rainfall observation stations are all located in the edge of cities. The deviation has some definite relations with typographic relief. The more the topographic relief is, the greater the deviation will be. [Conclusion] The TRMM rainfall data has some definite applicability in the region of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region. We can adopt it for different uses but we should have some indispensible correction with observational data. The TRMM data can also be a reference for the use of the limited previously rainfall observation data in order to improve the spatial accuracy.

applicability; TRMM; rainfall observation data; Changsha-Zhuzhou-Xiangtan region

2016-10-25

2016-11-10

國家自然科學基金項目“基于高分遙感與GIS 的我國南方農(nóng)村空心化演進機制及調(diào)控研究”(41371184)； 湖南省教育廳科研項目((13C386)； 湖南農(nóng)業(yè)大學大學生研究性學習和創(chuàng)新性試驗計劃項目及科技創(chuàng)新資助項目

謝紅霞(1973—),女(漢族)，湖南省岳陽縣人，博士,副教授,主要從事區(qū)域水土保持、環(huán)境遙感與GIS研究。E-mail:xiehongxia136@sina.com。

B

1000-288X(2017)03-0295-07

P468.0， P468.0+24