GSM aP_Gauge衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在流域尺度的精度評估
——以白龍江流域?yàn)槔?/h1>
2018-05-04 08:55:04馬金輝
沙漠與綠洲氣象 2018年1期
楊 環(huán)，馬金輝
（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）
降水是水文模型中的一個關(guān)鍵動力變量，因而在一個合宜的時間和空間尺度上獲得精確的降水量對于模擬地表水文過程，預(yù)測干旱洪水和監(jiān)測水資源具有重要意義[1]。然而，由于基于地表的降水觀測網(wǎng)很有限，加上降水場本身固有的多變性，對降水的時空分布難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量?？上驳氖牵l(wèi)星觀測模擬降水量在傳感器設(shè)備和算法等方面已經(jīng)取得了長足進(jìn)展，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星降水產(chǎn)品以其長期性和連續(xù)性等優(yōu)勢定會在氣候?yàn)?zāi)害監(jiān)測和水文研究方面作出貢獻(xiàn)。到目前為止，已開發(fā)出的一系列衛(wèi)星降水反演產(chǎn)品當(dāng)中，比較著名的有TRMM（TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis），CMORPH（CPC MORPHing technique），GSMaP （Global Satellite Mapping of Precipitation）等，這些產(chǎn)品共同的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣，時效性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)地面雨量計(jì)和地基雷達(dá)的不足[2]。盡管衛(wèi)星降水反演產(chǎn)品有其明顯的優(yōu)勢，但是這些產(chǎn)品能否滿足水文工作研究者或其他數(shù)據(jù)使用者的需要，則有必要開展精度評估工作。受國際降水工作組（International Precipitation Working Group，IPWG）的邀請，中國在2012年10月IPWG第六次工作組會議中被確定加入PEHRPP（Program to Evaluate High Resolution Precipitation Products）計(jì)劃，并由此展開對多種衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品在中國地區(qū)的驗(yàn)證評估工作[2]。
國外對GSMaP數(shù)據(jù)集相關(guān)產(chǎn)品的精度評估起步較早，在參與評估的產(chǎn)品當(dāng)中，GSMaP_Gauge產(chǎn)品于2013年公開發(fā)布，是繼承GSMaP_MVK產(chǎn)品并在其基礎(chǔ)上經(jīng)過CPC雨量站點(diǎn)（日降水?dāng)?shù)據(jù)集，源自全球3萬多個測站，0.5°×0.5°網(wǎng)格數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)校正后以期獲得1 h尺度的高精度產(chǎn)品[3]。Fu等[4]在2011年對GSMaP_MVK產(chǎn)品早期版本GSMaP_MVK+4.8.4在中國鄱陽湖流域的降水反演精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該產(chǎn)品在濕季體現(xiàn)更好的性能。Yamamoto等[5]在2011年比較了多種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在Himalayas的反演精度，發(fā)現(xiàn)GSMaP_MVK產(chǎn)品相比于其他產(chǎn)品的探測性能略微高些。Veerakachen等[6]在2014年對比了GSMaP_MVK產(chǎn)品和GSMaP_NRT（GSMaP Near Real Time）產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)GSMaP_MVK產(chǎn)品對多變的季節(jié)性降水有更好的探測性能。近年來，Kentaro等[3]在2015年驗(yàn)證了GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本5.222.1）在日本Tone River流域尺度的精度，并與GSMaP_MVK產(chǎn)品進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)GSMaP_Gauge產(chǎn)品在不同的時間尺度下和降水強(qiáng)度下均有較好的探測性能，低估高海拔降水，略微高估低海拔降水。然而，當(dāng)前最新版本的GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本6）尚未在不同的區(qū)域尺度得到驗(yàn)證。
降雨相比于氣溫氣壓等其他氣象要素，受地形和氣候系統(tǒng)影響更為顯著，具有更大的時空變率。且以往對衛(wèi)星降水產(chǎn)品的精度研究發(fā)現(xiàn)：在任何時間和空間尺度下評價衛(wèi)星降水產(chǎn)品的反演精度時，都應(yīng)該考慮季節(jié)變化和地形效應(yīng)[3]。基于此，本文以海拔較高、地形復(fù)雜的白龍江流域?yàn)槔?，對GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本6）降水?dāng)?shù)據(jù)展開精度驗(yàn)證，有助于理解GSMaP_Gauge產(chǎn)品精度在該流域的時空變化特征，初步探究其能否克服高海拔流域站點(diǎn)稀缺且分布不均的不足，成為未來在該流域乃至中國西北地區(qū)展開地質(zhì)災(zāi)害和水文研究的替代降水?dāng)?shù)據(jù)源，繼而為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者提供一定借鑒。
1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)方法
1.1 研究區(qū)概況
白龍江流域 （103°0′E～105°30′E ，32°36′N～34°24′N）位于甘肅省南部，干流主要流經(jīng)迭部縣、宕昌縣、武都縣、舟曲縣和文縣，流域面積約為18 437 km2。白龍江流域夾在迭山山系和岷山山系之間，俗稱“隴南山地”[8]。地處青藏高原東緣的秦嶺山脈西段，以構(gòu)造山地-河流為主要地貌特征[7]，地勢西北高東南低，高程（ASTER.GDEM.V2）范圍在769～5393 m，相對高差較大，地表起伏強(qiáng)烈，易形成地形降水（圖1）。流域內(nèi)氣候類型多樣，從東南的亞熱帶濕潤氣候向西北過渡到高寒濕潤氣候區(qū)，氣候垂直變化非常明顯。流域全年降水主要集中在5—9月，年內(nèi)分布不均，干濕季分明[8]。多年平均降水量高值區(qū)在下游文縣碧口一帶，達(dá)836.6mm，低值區(qū)在中游的武都一帶，464.1mm，上游的舟曲一帶多年平均降水量為512.6mm[8]，隨海拔變化明顯，降水梯度大。
圖1 白龍江流域地形高程和雨量測站點(diǎn)及待驗(yàn)證降水柵格分布
1.2 研究資料
1.2.1 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)
本研究采用全球降水衛(wèi)星制圖（GSMaP）數(shù)據(jù)集（ftp：//hokusai.eorc.jaxa.jp/）中的GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可獲取日期是從2014年3月1日開始至今，在觀測后大約3天后得到更新。本研究采用的原始數(shù)據(jù)是以世界標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC）為基準(zhǔn)的日（00：00—23：00）逐小時降雨強(qiáng)度的平均值，降水柵格空間分辨率為0.1°×0.1°。將原始數(shù)據(jù)乘以24 h得到本地時間的當(dāng)日8時至次日8時的逐日降水觀測數(shù)據(jù)。GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)是通過采用CPC雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)校正GSMaP_MVK產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到，GSMaP_MVK產(chǎn)品數(shù)據(jù)則是由基于卡爾曼濾波移動矢量方法的被動微波與紅外聯(lián)合反演算法獲取[3]。
1.2.2 基準(zhǔn)降水?dāng)?shù)據(jù)
本文收集整理白龍江流域27個站點(diǎn)2015年逐日（當(dāng)天08：00至次日08：00）降水量（來源于甘肅省水文局），并以之作為驗(yàn)證衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，文中選取站點(diǎn)所在的待驗(yàn)證衛(wèi)星降水柵格共27個（圖1）。
1.3 研究方法
本文既評價了衛(wèi)星反演降水?dāng)?shù)據(jù)在量上能否準(zhǔn)確反映基準(zhǔn)值的大小，也驗(yàn)證了其對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力。
為定量評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品降水量與基準(zhǔn)值在數(shù)值上的一致性，研究主要選取偏差（Relative Bias，BIAS）、相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient，CC）、均方根誤差（RootMean Square Error，RMSE）3個指標(biāo)；為評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力，研究選取探測率（Probability of Detection，POD）、 空 報(bào) 率 （False Alarm Ratio，F(xiàn)AR）、ETS（Equitable Threat Score）評分3個指標(biāo)（表1）。
表1 GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度評價統(tǒng)計(jì)指標(biāo)列表
本文首先對參加驗(yàn)證的降水柵格的平均高程進(jìn)行排序，將高程值低于2 km的柵格作為低海拔柵格，將高程值高于2 km的柵格作為高海拔柵格，分別展開衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品的精度對比驗(yàn)證（圖1）。同時，為便于分析衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品精度的季節(jié)特征，本文將站點(diǎn)月平均降水量超過50mm的月份稱為濕月，低于50 mm的月份稱為干月，統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出濕月包括4—9月共6個月，文中統(tǒng)稱為濕半年，干月包括10月到次年3月共6個月，文中統(tǒng)稱為干半年，進(jìn)而展開精度驗(yàn)證。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 精度評估
為了驗(yàn)證GSMaP_Gauge產(chǎn)品降水?dāng)?shù)據(jù)的適用性，在考慮到地形效應(yīng)和降水年內(nèi)差異的基礎(chǔ)上，從日尺度和月尺度兩個時間尺度分別展開定量評估。2.1.1 日尺度數(shù)據(jù)精度評估
以站點(diǎn)實(shí)測日降水為自變量，以站點(diǎn)所在柵格GSMaP_Gauge日降水為因變量制作散點(diǎn)圖，并進(jìn)行一元線性回歸分析（圖2）。
對比全年（a*）、濕半年（b*）和干半年（c*）在全流域（*1）、低海拔（*2）、高海拔（*3）降水產(chǎn)品日降水與實(shí)測降水的一致性（圖2相關(guān)性的顯著性水平均表現(xiàn)為P<0.001），可以看出整體上均表現(xiàn)為低估日降水。全流域全年的回歸系數(shù)K為0.509，相關(guān)系數(shù)為0.551（P<0.001），精度良好。在低海拔，濕半年GSMaP_Gauge日降水與實(shí)測降水的一致性要高于干半年；在高海拔，干半年的反演精度反而略優(yōu)于濕半年。
2.1.2 月尺度數(shù)據(jù)精度評估
以站點(diǎn)實(shí)測月降水為自變量，以站點(diǎn)所在柵格GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水為因變量制作散點(diǎn)圖，并進(jìn)行一元線性回歸分析（圖3）。
從全年來看，低海拔月降水量與實(shí)測月降水的一致性水平高，但整體上高估月降水，線性回歸系數(shù)為1.122 2，相關(guān)系數(shù)為0.902（圖3（a2），P<0.001）。從濕半年來看，除了在低海拔GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水與實(shí)測月降水具有較明顯的線性相關(guān)（圖3（b2）），相關(guān)系數(shù)為0.698，P<0.001）外，其他散點(diǎn)圖的線性相關(guān)性都很差，相關(guān)系數(shù)接近0（圖3（b1）和圖3（b3））。相比濕半年，干半年月降水量與實(shí)測月降水的一致性水平明顯提高（c*），干半年低海拔月降水量與實(shí)測月降水量的回歸系數(shù)為0.825 3，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.74（圖3（c2），P<0.001）。月降水相關(guān)性的顯著性水平除了在濕半年高海拔P=0.345（圖3（b3）），其他均達(dá)到P<0.001。
綜上所述，從散點(diǎn)圖和相關(guān)性分析得出：降水產(chǎn)品的月降水量和實(shí)測月降水量在干半年具有良好的一致性，濕半年普遍高估月降水；在低海拔的一致性要高于高海拔。
圖2 GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水量與站點(diǎn)實(shí)測降水量散點(diǎn)圖
為明確不同月份GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水的精度特征和差異，本文分別針對全流域、低海拔和高海拔，制作了逐月站點(diǎn)月平均實(shí)測降水量折線圖和降水產(chǎn)品月平均降水量柱狀圖（圖4），同時刻畫了GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水逐月偏差變化（圖5a），并呈現(xiàn)了GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水逐月均方根誤差變化（圖5b）。對比分析得出：
（1）圖4和圖5a的分析結(jié)果相似，表現(xiàn)為：除了個別月份，高海拔降水產(chǎn)品月平均降水值偏離站點(diǎn)實(shí)測月平均降水值程度較低海拔小；低海拔普遍表現(xiàn)為正偏差，高海拔在4月和8月呈現(xiàn)明顯的負(fù)偏差，偏差值主要波動在-0.5～+0.5。
（2）圖5b對均方根誤差的分析結(jié)果表現(xiàn)為：大多月份低海拔月均方根誤差低于高海拔均方根誤差，濕月均方根誤差遠(yuǎn)高于干月均方根誤差，誤差大小和月降水量有一定關(guān)聯(lián)；月均方根誤差值波動在0～40mm，8月低海拔誤差值陡降至20mm。
（3）站點(diǎn)月平均降水量最高值出現(xiàn)在8月，達(dá)82mm，而8月的偏差值和誤差值均較低，尤其在低海拔，RMSE約20 mm，BIAS約0.2，說明8月GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬精度較高。
進(jìn)一步從相關(guān)系數(shù)（圖6a）、偏差（圖6b）和均方根誤差（圖6c）對比分析GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干濕半年及高低海拔月模擬降水精度的時空特性，可以得出：
圖4 逐月全流域（a）、低海拔（b）、高海拔（c）GSMaP_Gauge產(chǎn)品月平均模擬降水量和站點(diǎn)月平均實(shí)測降水量
圖5 逐月全流域、低海拔、高海拔站點(diǎn)月實(shí)測降水量與GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬降水量偏差（a）和均方根誤差（b）
圖6 站點(diǎn)月實(shí)測降水量與GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬降水量相關(guān)系數(shù)（a）、偏差（b）和均方根誤差（c）的時空變化
（1）降水產(chǎn)品精度與海拔的關(guān)系：濕半年月降水反演精度隨海拔高低變化程度較大，干半年隨高程變化不明顯。
（2）降水產(chǎn)品精度隨干濕半年的變化：GSMaP_Gauge產(chǎn)品除了高海拔偏差值在濕半年低于干半年以外，其他評價指標(biāo)均表現(xiàn)為干半年精度高于濕半年，說明GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬精度在干半年高些。
（3）結(jié)合濕半年散點(diǎn)圖（圖3b），對比分析GSMaP_Gauge產(chǎn)品在濕半年高低海拔各精度指標(biāo)值的變化可見，雖然低海拔相關(guān)系數(shù)大，但是相比于高海拔普遍高估降水，從而產(chǎn)生較高的偏差，但是均方根誤差卻略低于高海拔。
2.2 GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水事件探測性能評估
為評估GSMaP_Gauge降水產(chǎn)品對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力，本文以0 mm/d降水強(qiáng)度為閾值來區(qū)分有降水和無降水，另外對于一些特定日降水強(qiáng)度閾值下的降水事件，本文選取其他5個閾值，分別是0.5，1，5，10，20mm/d，進(jìn)而展開評估和分析。
2.2.1 探測性能隨降水閾值變化
從干半年、濕半年2個時間序列分別就探測率（POD）、空報(bào)率（FAR）、ETS評分對降水產(chǎn)品進(jìn)行基于不同閾值降水事件探測能力評估。由于干半年日降水量普遍低于20 mm/d，所以對該閾值下的降水事件的探測能力評估只針對濕半年（圖7）。
從POD來看，GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年的的探測趨勢一致，探測率均隨著降水閾值的增大而降低，并且干半年的探測率低于濕半年，當(dāng)閾值為0 mm/d時，干濕半年的探測率分別為0.82和0.93，當(dāng)閾值為1 mm/d時，干濕半年的探測率分別為0.56和0.83（圖7a）；從FAR來看，GSMaP_Gauge產(chǎn)品空報(bào)率隨著降水閾值的增大先降低后升高，當(dāng)閾值為1mm/d時空報(bào)率最低，干濕半年的空報(bào)率分別為0.52和0.44，濕半年的空報(bào)率低些（圖7b）；從EST評分看，EST評分均隨降水閾值增大先升高后降低，同樣在閾值為1mm/d最高，干濕半年的評分值分別為0.30和0.31，在閾值大于1 mm/d時，濕半年的EST評分明顯高些（圖7c）。
2.2.2 探測性能空間分布
為了解探測率POD、空報(bào)率FAR、ETS評分這3個評價指標(biāo)在整個流域的空間分布情況，本文運(yùn)用ArcGIS軟件中的IDW插值方法對3個指標(biāo)在干半年、濕半年的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行插值并制圖。其中，對干半年濕半年降水閾值為1 mm/d的情況均進(jìn)行了插值分析，以明確降水產(chǎn)品對弱降水的探測性能，此外，為了解降水產(chǎn)品對較強(qiáng)降水的探測性能，本文在濕半年針對降水閾值為10 mm/d的情況同樣進(jìn)行了插值分析（圖8）。
整體而言，對于微弱降水，濕半年的探測率普遍在0.8～1.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕半年，對于較強(qiáng)降水，濕半年僅僅在海拔較低的流域東南部有較高的探測率，超過0.5；就單個站點(diǎn)而言，位于低海拔洛塘站的探測率要低于周圍低海拔站點(diǎn)，而始終保持較高探測率的站點(diǎn)分布在南部低海拔區(qū)域和中東部低海拔區(qū)域，南部以碧口站為例，東部以武都站為例。
整體而言，對于微弱降水，干半年的空報(bào)率要高些，尤其在流域北部高海拔區(qū)域，以阿夏站和三盤子站為例，其干半年的空報(bào)率均超過0.7，低海拔除了洛塘站和口頭壩站，在流域中部和南部干濕半年空報(bào)率均普遍低于0.4，然而濕半年對于較強(qiáng)降水的空報(bào)率普遍較高，一定程度上說明濕半年對較強(qiáng)降水存在普遍高估的現(xiàn)象；就單個站點(diǎn)而言，位于低海拔洛塘站的空報(bào)率高于周圍低海拔站點(diǎn)，而東部的武都站，在濕半年對較強(qiáng)降水的空報(bào)率接近0。
圖7 GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年對不同降水閾值降水事件探測性能評估
圖8 GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年對不同降水閾值降水事件探測性能評價指標(biāo)空間分布
ETS評分的插值結(jié)果與FAR相似，對于微弱降水，干濕半年的ETS評分空間分布大體一致，濕半年ETS評分略高于干半年，西北部高海拔區(qū)ETS評分均低于0.3，然而濕半年對于較強(qiáng)降水僅在海拔較低的流域東南部有較高的ETS評分，與探測率的插值結(jié)果相似；就單個站點(diǎn)而言，洛塘站的ETS評分又明顯低于周圍低海拔站點(diǎn)，而東部的武都站在微弱降水干濕半年的ETS評分超過0.5，較強(qiáng)降水情況下的ETS評分接近0.7。
3 結(jié)論
利用白龍江流域內(nèi)的27個站點(diǎn)2015年實(shí)測日降水?dāng)?shù)據(jù)對GSMaP_Gauge產(chǎn)品反演降水?dāng)?shù)據(jù)精度在日尺度上和月尺度上分別展開了定量評估，進(jìn)一步對比分析了降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)在干濕半年和高低海拔的精度特征，之后評價了衛(wèi)星數(shù)據(jù)對降水事件的探測性能，得出以下結(jié)論：
（1）日尺度上，流域內(nèi)全年GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水?dāng)?shù)據(jù)與基準(zhǔn)日降水的相關(guān)系數(shù)為0.551，回歸系數(shù)為0.509；GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水在低海拔濕半年的反演精度較優(yōu)，與基準(zhǔn)日降水的相關(guān)系數(shù)為0.607，回歸系數(shù)為0.650。
（2）月尺度上，流域內(nèi)全年GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水?dāng)?shù)據(jù)與基準(zhǔn)月降水?dāng)?shù)據(jù)之間的線性回歸系數(shù)為0.808，相關(guān)系數(shù)為0.809，尤其是在低海拔區(qū)域，回歸系數(shù)為1.122 2，相關(guān)系數(shù)為0.902，精度較高；從系統(tǒng)偏差和均方根誤差的對比分析結(jié)果來看，干半年月模擬精度較濕半年高，受海拔高低影響較小；濕半年低海拔普遍高估月降水，但在8月精度較優(yōu)。
（3）分析對降水事件的探測性能，發(fā)現(xiàn)探測率隨降水強(qiáng)度增大而降低，閾值為0 mm/d時，干半年和濕半年的探測率分別為0.82和0.93，在閾值為1mm/d時，干半年和濕半年的探測率分別為0.56和0.83；空報(bào)率在閾值為1mm/d時最低，干半年和濕半年的空報(bào)率分別為0.52和0.44；ETS評分在閾值為1 mm/d時最高，干半年和濕半年的ETS評分分別為0.30和0.31。
（4）從POD，F(xiàn)AR，ETS評分的空間分布來看，降水閾值為1 mm/d的情況下，濕半年流域整體探測率較優(yōu)；在西北高海拔區(qū)域，干濕半年的空報(bào)率較高，超過0.5，相應(yīng)的ETS評分較低，在0.3以下；降水閾值為10mm/d的情況下，產(chǎn)品的探測性能在東南部低海拔區(qū)域的優(yōu)勢更加明顯；就單個站點(diǎn)而言，武都站點(diǎn)對應(yīng)的探測性能最優(yōu)，流域東南部低海拔的洛塘站點(diǎn)對應(yīng)的探測性能明顯低于周圍低海拔站點(diǎn)。
本研究的不足之處在于，僅用有限站點(diǎn)的點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)來驗(yàn)證衛(wèi)星降水柵格面數(shù)據(jù)，尤其對于西北部高海拔區(qū)域，中間存在很多不確定性，雖然可以了解GSMaP_Gauge降水產(chǎn)品精度在白龍江流域的時空特性，但可能還無法很好地還原該區(qū)域降水產(chǎn)品反演精度的真實(shí)情況，而且本文僅對2015年進(jìn)行驗(yàn)證，如果要進(jìn)一步運(yùn)用到水文模型和災(zāi)害預(yù)測中，則需要長時間序列更加準(zhǔn)確、全面的驗(yàn)證和適用性分析。
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楊 環(huán)，馬金輝
（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）
降水是水文模型中的一個關(guān)鍵動力變量，因而在一個合宜的時間和空間尺度上獲得精確的降水量對于模擬地表水文過程，預(yù)測干旱洪水和監(jiān)測水資源具有重要意義[1]。然而，由于基于地表的降水觀測網(wǎng)很有限，加上降水場本身固有的多變性，對降水的時空分布難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量?？上驳氖牵l(wèi)星觀測模擬降水量在傳感器設(shè)備和算法等方面已經(jīng)取得了長足進(jìn)展，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星降水產(chǎn)品以其長期性和連續(xù)性等優(yōu)勢定會在氣候?yàn)?zāi)害監(jiān)測和水文研究方面作出貢獻(xiàn)。到目前為止，已開發(fā)出的一系列衛(wèi)星降水反演產(chǎn)品當(dāng)中，比較著名的有TRMM（TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis），CMORPH（CPC MORPHing technique），GSMaP （Global Satellite Mapping of Precipitation）等，這些產(chǎn)品共同的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣，時效性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)地面雨量計(jì)和地基雷達(dá)的不足[2]。盡管衛(wèi)星降水反演產(chǎn)品有其明顯的優(yōu)勢，但是這些產(chǎn)品能否滿足水文工作研究者或其他數(shù)據(jù)使用者的需要，則有必要開展精度評估工作。受國際降水工作組（International Precipitation Working Group，IPWG）的邀請，中國在2012年10月IPWG第六次工作組會議中被確定加入PEHRPP（Program to Evaluate High Resolution Precipitation Products）計(jì)劃，并由此展開對多種衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品在中國地區(qū)的驗(yàn)證評估工作[2]。
國外對GSMaP數(shù)據(jù)集相關(guān)產(chǎn)品的精度評估起步較早，在參與評估的產(chǎn)品當(dāng)中，GSMaP_Gauge產(chǎn)品于2013年公開發(fā)布，是繼承GSMaP_MVK產(chǎn)品并在其基礎(chǔ)上經(jīng)過CPC雨量站點(diǎn)（日降水?dāng)?shù)據(jù)集，源自全球3萬多個測站，0.5°×0.5°網(wǎng)格數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)校正后以期獲得1 h尺度的高精度產(chǎn)品[3]。Fu等[4]在2011年對GSMaP_MVK產(chǎn)品早期版本GSMaP_MVK+4.8.4在中國鄱陽湖流域的降水反演精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該產(chǎn)品在濕季體現(xiàn)更好的性能。Yamamoto等[5]在2011年比較了多種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在Himalayas的反演精度，發(fā)現(xiàn)GSMaP_MVK產(chǎn)品相比于其他產(chǎn)品的探測性能略微高些。Veerakachen等[6]在2014年對比了GSMaP_MVK產(chǎn)品和GSMaP_NRT（GSMaP Near Real Time）產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)GSMaP_MVK產(chǎn)品對多變的季節(jié)性降水有更好的探測性能。近年來，Kentaro等[3]在2015年驗(yàn)證了GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本5.222.1）在日本Tone River流域尺度的精度，并與GSMaP_MVK產(chǎn)品進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)GSMaP_Gauge產(chǎn)品在不同的時間尺度下和降水強(qiáng)度下均有較好的探測性能，低估高海拔降水，略微高估低海拔降水。然而，當(dāng)前最新版本的GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本6）尚未在不同的區(qū)域尺度得到驗(yàn)證。
降雨相比于氣溫氣壓等其他氣象要素，受地形和氣候系統(tǒng)影響更為顯著，具有更大的時空變率。且以往對衛(wèi)星降水產(chǎn)品的精度研究發(fā)現(xiàn)：在任何時間和空間尺度下評價衛(wèi)星降水產(chǎn)品的反演精度時，都應(yīng)該考慮季節(jié)變化和地形效應(yīng)[3]。基于此，本文以海拔較高、地形復(fù)雜的白龍江流域?yàn)槔?，對GSMaP_Gauge產(chǎn)品（版本6）降水?dāng)?shù)據(jù)展開精度驗(yàn)證，有助于理解GSMaP_Gauge產(chǎn)品精度在該流域的時空變化特征，初步探究其能否克服高海拔流域站點(diǎn)稀缺且分布不均的不足，成為未來在該流域乃至中國西北地區(qū)展開地質(zhì)災(zāi)害和水文研究的替代降水?dāng)?shù)據(jù)源，繼而為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者提供一定借鑒。
1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)方法
1.1 研究區(qū)概況
白龍江流域 （103°0′E～105°30′E ，32°36′N～34°24′N）位于甘肅省南部，干流主要流經(jīng)迭部縣、宕昌縣、武都縣、舟曲縣和文縣，流域面積約為18 437 km2。白龍江流域夾在迭山山系和岷山山系之間，俗稱“隴南山地”[8]。地處青藏高原東緣的秦嶺山脈西段，以構(gòu)造山地-河流為主要地貌特征[7]，地勢西北高東南低，高程（ASTER.GDEM.V2）范圍在769～5393 m，相對高差較大，地表起伏強(qiáng)烈，易形成地形降水（圖1）。流域內(nèi)氣候類型多樣，從東南的亞熱帶濕潤氣候向西北過渡到高寒濕潤氣候區(qū)，氣候垂直變化非常明顯。流域全年降水主要集中在5—9月，年內(nèi)分布不均，干濕季分明[8]。多年平均降水量高值區(qū)在下游文縣碧口一帶，達(dá)836.6mm，低值區(qū)在中游的武都一帶，464.1mm，上游的舟曲一帶多年平均降水量為512.6mm[8]，隨海拔變化明顯，降水梯度大。
圖1 白龍江流域地形高程和雨量測站點(diǎn)及待驗(yàn)證降水柵格分布
1.2 研究資料
1.2.1 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)
本研究采用全球降水衛(wèi)星制圖（GSMaP）數(shù)據(jù)集（ftp：//hokusai.eorc.jaxa.jp/）中的GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可獲取日期是從2014年3月1日開始至今，在觀測后大約3天后得到更新。本研究采用的原始數(shù)據(jù)是以世界標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC）為基準(zhǔn)的日（00：00—23：00）逐小時降雨強(qiáng)度的平均值，降水柵格空間分辨率為0.1°×0.1°。將原始數(shù)據(jù)乘以24 h得到本地時間的當(dāng)日8時至次日8時的逐日降水觀測數(shù)據(jù)。GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)是通過采用CPC雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)校正GSMaP_MVK產(chǎn)品數(shù)據(jù)得到，GSMaP_MVK產(chǎn)品數(shù)據(jù)則是由基于卡爾曼濾波移動矢量方法的被動微波與紅外聯(lián)合反演算法獲取[3]。
1.2.2 基準(zhǔn)降水?dāng)?shù)據(jù)
本文收集整理白龍江流域27個站點(diǎn)2015年逐日（當(dāng)天08：00至次日08：00）降水量（來源于甘肅省水文局），并以之作為驗(yàn)證衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，文中選取站點(diǎn)所在的待驗(yàn)證衛(wèi)星降水柵格共27個（圖1）。
1.3 研究方法
本文既評價了衛(wèi)星反演降水?dāng)?shù)據(jù)在量上能否準(zhǔn)確反映基準(zhǔn)值的大小，也驗(yàn)證了其對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力。
為定量評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品降水量與基準(zhǔn)值在數(shù)值上的一致性，研究主要選取偏差（Relative Bias，BIAS）、相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient，CC）、均方根誤差（RootMean Square Error，RMSE）3個指標(biāo)；為評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力，研究選取探測率（Probability of Detection，POD）、 空 報(bào) 率 （False Alarm Ratio，F(xiàn)AR）、ETS（Equitable Threat Score）評分3個指標(biāo)（表1）。
表1 GSMaP_Gauge產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度評價統(tǒng)計(jì)指標(biāo)列表
本文首先對參加驗(yàn)證的降水柵格的平均高程進(jìn)行排序，將高程值低于2 km的柵格作為低海拔柵格，將高程值高于2 km的柵格作為高海拔柵格，分別展開衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品的精度對比驗(yàn)證（圖1）。同時，為便于分析衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品精度的季節(jié)特征，本文將站點(diǎn)月平均降水量超過50mm的月份稱為濕月，低于50 mm的月份稱為干月，統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出濕月包括4—9月共6個月，文中統(tǒng)稱為濕半年，干月包括10月到次年3月共6個月，文中統(tǒng)稱為干半年，進(jìn)而展開精度驗(yàn)證。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 精度評估
為了驗(yàn)證GSMaP_Gauge產(chǎn)品降水?dāng)?shù)據(jù)的適用性，在考慮到地形效應(yīng)和降水年內(nèi)差異的基礎(chǔ)上，從日尺度和月尺度兩個時間尺度分別展開定量評估。2.1.1 日尺度數(shù)據(jù)精度評估
以站點(diǎn)實(shí)測日降水為自變量，以站點(diǎn)所在柵格GSMaP_Gauge日降水為因變量制作散點(diǎn)圖，并進(jìn)行一元線性回歸分析（圖2）。
對比全年（a*）、濕半年（b*）和干半年（c*）在全流域（*1）、低海拔（*2）、高海拔（*3）降水產(chǎn)品日降水與實(shí)測降水的一致性（圖2相關(guān)性的顯著性水平均表現(xiàn)為P<0.001），可以看出整體上均表現(xiàn)為低估日降水。全流域全年的回歸系數(shù)K為0.509，相關(guān)系數(shù)為0.551（P<0.001），精度良好。在低海拔，濕半年GSMaP_Gauge日降水與實(shí)測降水的一致性要高于干半年；在高海拔，干半年的反演精度反而略優(yōu)于濕半年。
2.1.2 月尺度數(shù)據(jù)精度評估
以站點(diǎn)實(shí)測月降水為自變量，以站點(diǎn)所在柵格GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水為因變量制作散點(diǎn)圖，并進(jìn)行一元線性回歸分析（圖3）。
從全年來看，低海拔月降水量與實(shí)測月降水的一致性水平高，但整體上高估月降水，線性回歸系數(shù)為1.122 2，相關(guān)系數(shù)為0.902（圖3（a2），P<0.001）。從濕半年來看，除了在低海拔GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水與實(shí)測月降水具有較明顯的線性相關(guān)（圖3（b2）），相關(guān)系數(shù)為0.698，P<0.001）外，其他散點(diǎn)圖的線性相關(guān)性都很差，相關(guān)系數(shù)接近0（圖3（b1）和圖3（b3））。相比濕半年，干半年月降水量與實(shí)測月降水的一致性水平明顯提高（c*），干半年低海拔月降水量與實(shí)測月降水量的回歸系數(shù)為0.825 3，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.74（圖3（c2），P<0.001）。月降水相關(guān)性的顯著性水平除了在濕半年高海拔P=0.345（圖3（b3）），其他均達(dá)到P<0.001。
綜上所述，從散點(diǎn)圖和相關(guān)性分析得出：降水產(chǎn)品的月降水量和實(shí)測月降水量在干半年具有良好的一致性，濕半年普遍高估月降水；在低海拔的一致性要高于高海拔。
圖2 GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水量與站點(diǎn)實(shí)測降水量散點(diǎn)圖
為明確不同月份GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水的精度特征和差異，本文分別針對全流域、低海拔和高海拔，制作了逐月站點(diǎn)月平均實(shí)測降水量折線圖和降水產(chǎn)品月平均降水量柱狀圖（圖4），同時刻畫了GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水逐月偏差變化（圖5a），并呈現(xiàn)了GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬月降水逐月均方根誤差變化（圖5b）。對比分析得出：
（1）圖4和圖5a的分析結(jié)果相似，表現(xiàn)為：除了個別月份，高海拔降水產(chǎn)品月平均降水值偏離站點(diǎn)實(shí)測月平均降水值程度較低海拔小；低海拔普遍表現(xiàn)為正偏差，高海拔在4月和8月呈現(xiàn)明顯的負(fù)偏差，偏差值主要波動在-0.5～+0.5。
（2）圖5b對均方根誤差的分析結(jié)果表現(xiàn)為：大多月份低海拔月均方根誤差低于高海拔均方根誤差，濕月均方根誤差遠(yuǎn)高于干月均方根誤差，誤差大小和月降水量有一定關(guān)聯(lián)；月均方根誤差值波動在0～40mm，8月低海拔誤差值陡降至20mm。
（3）站點(diǎn)月平均降水量最高值出現(xiàn)在8月，達(dá)82mm，而8月的偏差值和誤差值均較低，尤其在低海拔，RMSE約20 mm，BIAS約0.2，說明8月GSMaP_Gauge產(chǎn)品模擬精度較高。
進(jìn)一步從相關(guān)系數(shù)（圖6a）、偏差（圖6b）和均方根誤差（圖6c）對比分析GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干濕半年及高低海拔月模擬降水精度的時空特性，可以得出：
圖4 逐月全流域（a）、低海拔（b）、高海拔（c）GSMaP_Gauge產(chǎn)品月平均模擬降水量和站點(diǎn)月平均實(shí)測降水量
圖5 逐月全流域、低海拔、高海拔站點(diǎn)月實(shí)測降水量與GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬降水量偏差（a）和均方根誤差（b）
圖6 站點(diǎn)月實(shí)測降水量與GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬降水量相關(guān)系數(shù)（a）、偏差（b）和均方根誤差（c）的時空變化
（1）降水產(chǎn)品精度與海拔的關(guān)系：濕半年月降水反演精度隨海拔高低變化程度較大，干半年隨高程變化不明顯。
（2）降水產(chǎn)品精度隨干濕半年的變化：GSMaP_Gauge產(chǎn)品除了高海拔偏差值在濕半年低于干半年以外，其他評價指標(biāo)均表現(xiàn)為干半年精度高于濕半年，說明GSMaP_Gauge產(chǎn)品月模擬精度在干半年高些。
（3）結(jié)合濕半年散點(diǎn)圖（圖3b），對比分析GSMaP_Gauge產(chǎn)品在濕半年高低海拔各精度指標(biāo)值的變化可見，雖然低海拔相關(guān)系數(shù)大，但是相比于高海拔普遍高估降水，從而產(chǎn)生較高的偏差，但是均方根誤差卻略低于高海拔。
2.2 GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水事件探測性能評估
為評估GSMaP_Gauge降水產(chǎn)品對日降水事件發(fā)生可能性的估計(jì)能力，本文以0 mm/d降水強(qiáng)度為閾值來區(qū)分有降水和無降水，另外對于一些特定日降水強(qiáng)度閾值下的降水事件，本文選取其他5個閾值，分別是0.5，1，5，10，20mm/d，進(jìn)而展開評估和分析。
2.2.1 探測性能隨降水閾值變化
從干半年、濕半年2個時間序列分別就探測率（POD）、空報(bào)率（FAR）、ETS評分對降水產(chǎn)品進(jìn)行基于不同閾值降水事件探測能力評估。由于干半年日降水量普遍低于20 mm/d，所以對該閾值下的降水事件的探測能力評估只針對濕半年（圖7）。
從POD來看，GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年的的探測趨勢一致，探測率均隨著降水閾值的增大而降低，并且干半年的探測率低于濕半年，當(dāng)閾值為0 mm/d時，干濕半年的探測率分別為0.82和0.93，當(dāng)閾值為1 mm/d時，干濕半年的探測率分別為0.56和0.83（圖7a）；從FAR來看，GSMaP_Gauge產(chǎn)品空報(bào)率隨著降水閾值的增大先降低后升高，當(dāng)閾值為1mm/d時空報(bào)率最低，干濕半年的空報(bào)率分別為0.52和0.44，濕半年的空報(bào)率低些（圖7b）；從EST評分看，EST評分均隨降水閾值增大先升高后降低，同樣在閾值為1mm/d最高，干濕半年的評分值分別為0.30和0.31，在閾值大于1 mm/d時，濕半年的EST評分明顯高些（圖7c）。
2.2.2 探測性能空間分布
為了解探測率POD、空報(bào)率FAR、ETS評分這3個評價指標(biāo)在整個流域的空間分布情況，本文運(yùn)用ArcGIS軟件中的IDW插值方法對3個指標(biāo)在干半年、濕半年的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行插值并制圖。其中，對干半年濕半年降水閾值為1 mm/d的情況均進(jìn)行了插值分析，以明確降水產(chǎn)品對弱降水的探測性能，此外，為了解降水產(chǎn)品對較強(qiáng)降水的探測性能，本文在濕半年針對降水閾值為10 mm/d的情況同樣進(jìn)行了插值分析（圖8）。
整體而言，對于微弱降水，濕半年的探測率普遍在0.8～1.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濕半年，對于較強(qiáng)降水，濕半年僅僅在海拔較低的流域東南部有較高的探測率，超過0.5；就單個站點(diǎn)而言，位于低海拔洛塘站的探測率要低于周圍低海拔站點(diǎn)，而始終保持較高探測率的站點(diǎn)分布在南部低海拔區(qū)域和中東部低海拔區(qū)域，南部以碧口站為例，東部以武都站為例。
整體而言，對于微弱降水，干半年的空報(bào)率要高些，尤其在流域北部高海拔區(qū)域，以阿夏站和三盤子站為例，其干半年的空報(bào)率均超過0.7，低海拔除了洛塘站和口頭壩站，在流域中部和南部干濕半年空報(bào)率均普遍低于0.4，然而濕半年對于較強(qiáng)降水的空報(bào)率普遍較高，一定程度上說明濕半年對較強(qiáng)降水存在普遍高估的現(xiàn)象；就單個站點(diǎn)而言，位于低海拔洛塘站的空報(bào)率高于周圍低海拔站點(diǎn)，而東部的武都站，在濕半年對較強(qiáng)降水的空報(bào)率接近0。
圖7 GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年對不同降水閾值降水事件探測性能評估
圖8 GSMaP_Gauge產(chǎn)品在干半年和濕半年對不同降水閾值降水事件探測性能評價指標(biāo)空間分布
ETS評分的插值結(jié)果與FAR相似，對于微弱降水，干濕半年的ETS評分空間分布大體一致，濕半年ETS評分略高于干半年，西北部高海拔區(qū)ETS評分均低于0.3，然而濕半年對于較強(qiáng)降水僅在海拔較低的流域東南部有較高的ETS評分，與探測率的插值結(jié)果相似；就單個站點(diǎn)而言，洛塘站的ETS評分又明顯低于周圍低海拔站點(diǎn)，而東部的武都站在微弱降水干濕半年的ETS評分超過0.5，較強(qiáng)降水情況下的ETS評分接近0.7。
3 結(jié)論
利用白龍江流域內(nèi)的27個站點(diǎn)2015年實(shí)測日降水?dāng)?shù)據(jù)對GSMaP_Gauge產(chǎn)品反演降水?dāng)?shù)據(jù)精度在日尺度上和月尺度上分別展開了定量評估，進(jìn)一步對比分析了降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)在干濕半年和高低海拔的精度特征，之后評價了衛(wèi)星數(shù)據(jù)對降水事件的探測性能，得出以下結(jié)論：
（1）日尺度上，流域內(nèi)全年GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水?dāng)?shù)據(jù)與基準(zhǔn)日降水的相關(guān)系數(shù)為0.551，回歸系數(shù)為0.509；GSMaP_Gauge產(chǎn)品日降水在低海拔濕半年的反演精度較優(yōu)，與基準(zhǔn)日降水的相關(guān)系數(shù)為0.607，回歸系數(shù)為0.650。
（2）月尺度上，流域內(nèi)全年GSMaP_Gauge產(chǎn)品月降水?dāng)?shù)據(jù)與基準(zhǔn)月降水?dāng)?shù)據(jù)之間的線性回歸系數(shù)為0.808，相關(guān)系數(shù)為0.809，尤其是在低海拔區(qū)域，回歸系數(shù)為1.122 2，相關(guān)系數(shù)為0.902，精度較高；從系統(tǒng)偏差和均方根誤差的對比分析結(jié)果來看，干半年月模擬精度較濕半年高，受海拔高低影響較小；濕半年低海拔普遍高估月降水，但在8月精度較優(yōu)。
（3）分析對降水事件的探測性能，發(fā)現(xiàn)探測率隨降水強(qiáng)度增大而降低，閾值為0 mm/d時，干半年和濕半年的探測率分別為0.82和0.93，在閾值為1mm/d時，干半年和濕半年的探測率分別為0.56和0.83；空報(bào)率在閾值為1mm/d時最低，干半年和濕半年的空報(bào)率分別為0.52和0.44；ETS評分在閾值為1 mm/d時最高，干半年和濕半年的ETS評分分別為0.30和0.31。
（4）從POD，F(xiàn)AR，ETS評分的空間分布來看，降水閾值為1 mm/d的情況下，濕半年流域整體探測率較優(yōu)；在西北高海拔區(qū)域，干濕半年的空報(bào)率較高，超過0.5，相應(yīng)的ETS評分較低，在0.3以下；降水閾值為10mm/d的情況下，產(chǎn)品的探測性能在東南部低海拔區(qū)域的優(yōu)勢更加明顯；就單個站點(diǎn)而言，武都站點(diǎn)對應(yīng)的探測性能最優(yōu)，流域東南部低海拔的洛塘站點(diǎn)對應(yīng)的探測性能明顯低于周圍低海拔站點(diǎn)。
本研究的不足之處在于，僅用有限站點(diǎn)的點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)來驗(yàn)證衛(wèi)星降水柵格面數(shù)據(jù)，尤其對于西北部高海拔區(qū)域，中間存在很多不確定性，雖然可以了解GSMaP_Gauge降水產(chǎn)品精度在白龍江流域的時空特性，但可能還無法很好地還原該區(qū)域降水產(chǎn)品反演精度的真實(shí)情況，而且本文僅對2015年進(jìn)行驗(yàn)證，如果要進(jìn)一步運(yùn)用到水文模型和災(zāi)害預(yù)測中，則需要長時間序列更加準(zhǔn)確、全面的驗(yàn)證和適用性分析。
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