廣西TRMM降雨產(chǎn)品多時(shí)間尺度精度評估

楊星星，楊云川,2,3，鄧思敏，廖麗萍,2,3，田憶，莫崇勛,2,3，陳立華,2,3

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)

1 引 言

降水作為水能循環(huán)過程中的關(guān)鍵要素之一，具有顯著的時(shí)空異質(zhì)性[1]，是區(qū)域旱澇災(zāi)害的主要風(fēng)險(xiǎn)源，對徑流、土壤含水量、植被蒸騰、農(nóng)業(yè)水資源轉(zhuǎn)化等均有重要影響[2-3]。高時(shí)空分辨率的連續(xù)降水?dāng)?shù)據(jù)獲取和分析對區(qū)域旱澇災(zāi)害的評估、預(yù)報(bào)預(yù)警及防治具有重要意義。目前降水信息的獲取途徑主要有：地面雨量站觀測、降雨雷達(dá)反演、衛(wèi)星遙感觀測和氣候模式模擬[1]。其中，地面雨量站觀測精度較高，但存在站點(diǎn)空間分布不均和密度不夠的缺點(diǎn)；雷達(dá)反演降水易受電子信號(hào)干擾和天氣環(huán)境等因素的影響，且在地形復(fù)雜的山地區(qū)域存在較大的不確定性；衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品具有大尺度均勻分布的優(yōu)勢，尤其對無資料或地形復(fù)雜地區(qū)是重要補(bǔ)充，但對不同地區(qū)和不同時(shí)間尺度上數(shù)據(jù)精度存在較大差異[1,4-8]。籍此，集合不同觀測降水?dāng)?shù)據(jù)的優(yōu)勢，獲取時(shí)空分辨率更為精細(xì)化的降水產(chǎn)品，以便能更好地再現(xiàn)區(qū)域降水時(shí)空異質(zhì)性，開展多源降水?dāng)?shù)據(jù)的校正、降尺度、融合及應(yīng)用已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題[9-12]。

近年，關(guān)于各類衛(wèi)星遙感降水?dāng)?shù)據(jù)精度評估、校正及應(yīng)用的研究已有很多[1,13]，其中，對TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）[4,8,14-16]衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的研究較為突出，具有較大的應(yīng)用前景。研究表明：在全國尺度上，TRMM降雨產(chǎn)品在月、年尺度上具有較好的精度（除西北片區(qū)以外）[4,14]，但受山區(qū)復(fù)雜地形的影響較大[15]；在流域尺度上，TRMM產(chǎn)品在珠江流域月尺度水文模擬中能顯著提高模擬效果[8]。

廣西地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)[17]，年降水量豐沛，但其時(shí)空分布極不均勻[18]，加之巖溶發(fā)育的石山丘陵、洼地廣泛分布，土層淺薄且保水能力差，產(chǎn)匯流過程復(fù)雜[19]，致使多年來區(qū)域洪澇、干旱災(zāi)害頻繁，損失巨大[20-21]。許多學(xué)者對廣西的降水進(jìn)行了分析研究，楊紹鍔等[22]對TRMM的3B42_daily及近實(shí)時(shí)3B42RT_daily產(chǎn)品的月尺度數(shù)據(jù)做了精度評估，證實(shí)其可用于區(qū)域近實(shí)時(shí)旱情監(jiān)測；李燕等[23]對TRMM 3B43進(jìn)行了月、年尺度上的精度評估，相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.79。綜上可知，廣西地區(qū)的相關(guān)研究還較少，因此，亟待針對廣西深入開展多源降雨數(shù)據(jù)在多種時(shí)間尺度上的精度評估、校正、融合及應(yīng)用研究。

綜上，本文以廣西及其周邊地區(qū)為研究區(qū)域（圖1），以地面氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對TRMM 3B42V7在日、月、年時(shí)間尺度上進(jìn)行精度評估，驗(yàn)證其適用性；并在此基礎(chǔ)上評估了TRMM降雨產(chǎn)品相對于地面站點(diǎn)在干旱評估方面的優(yōu)勢，為后續(xù)開展廣西多源降雨數(shù)據(jù)校正、降尺度融合奠定基礎(chǔ)，亦為區(qū)域更有效的旱澇災(zāi)害評估、預(yù)報(bào)預(yù)警及防治工作提供科學(xué)支撐。

圖1 廣西及其周邊區(qū)域多源降雨數(shù)據(jù)格點(diǎn)分布圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

文中采用的降雨數(shù)據(jù)包括2類：廣西及其周邊地區(qū)35個(gè)地面氣象站觀測的1998—2015年逐日降雨txt文件數(shù)據(jù)（來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)：http://data.cma.cn）以及研究區(qū)域1998—2015年TRMM 3B42V7（以下簡稱TRMM）逐3 h降雨產(chǎn)品（來源于 http://trmm.gsfc.nasa.gov/）。其中，TRMM 3B42V7產(chǎn)品時(shí)空分辨率為3 h、0.25°×0.25 °格點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)，空間范圍 50 °N～50 °S，是當(dāng)前精度最高的衛(wèi)星遙感降雨數(shù)據(jù)產(chǎn)品之一[24]；該數(shù)據(jù)文件為HDF格式，本文采用IDL 8.3編程批量讀取HDF文件，并裁剪出整個(gè)廣西及周邊地區(qū)0.5°的地區(qū)數(shù)據(jù)并以txt的格式輸出，最后用python編程將每個(gè)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列排序匯總在Excel表中。

由于不同數(shù)據(jù)之間存在屬性差異，在對比分析前必須將其統(tǒng)一到同一類型、同一時(shí)間和空間尺度上[7]。為此，文中以氣象站降雨數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在時(shí)間尺度上，將3 h的TRMM降雨產(chǎn)品按UTC+8 h轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間，并提取逐日時(shí)段3 h降雨量累加得到與氣象站逐日降雨量完全對應(yīng)的日降雨產(chǎn)品。進(jìn)而通過累加即可得各自對應(yīng)的月、季、年降雨量序列，其中，以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季；以1—12月降雨累計(jì)值為當(dāng)年降雨量。在空間尺度上，采用ArcGIS軟件提取研究區(qū)域TRMM格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并剔除潿洲島附近局部無效數(shù)據(jù)格點(diǎn)，最終得到研究區(qū)域共546個(gè)有效格點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖1）。文中采用與氣象站點(diǎn)最接近的TRMM格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估，評估時(shí)間范圍為1998—2015年。

2.2 研究方法

2.2.1 降雨精度評估方法

衛(wèi)星降雨產(chǎn)品的精度評估主要從時(shí)空分布一致性、平均（相對）誤差、日降雨事件探測能力三個(gè)方面進(jìn)行日、月、年多個(gè)時(shí)間尺度的分析[4-5,8]。在一致性方面，采用時(shí)間相關(guān)系數(shù)（Temporal Pearson Correlation Coefficient，TCC）度量降雨時(shí)間序列的一致性程度，采用空間相關(guān)系數(shù)（Spatial Pearson Correlation Coefficient，SCC）度量空間分布的一致性程度；在誤差方面，采用平均誤差（Mean error，ME）和相對誤差（BIAS）度量不同時(shí)間尺度衛(wèi)星降雨的誤差量級(jí)與空間分布特征；在日降雨事件探測能力方面，采用探測率（Probability of Detection，POD），報(bào)錯(cuò)率（False Alarm Ratio，F(xiàn)AR）進(jìn)行評價(jià)。各類衛(wèi)星降雨精度評估指標(biāo)計(jì)算公式見表1和表2。

表1 廣西TRMM降雨數(shù)據(jù)精度評估指標(biāo)

表2 日降雨事件探測結(jié)果[4]

皮爾遜相關(guān)系數(shù)的樣本分布近似地服從自由度n-2的t分布，即：

式中T表示t檢驗(yàn)值，r為相關(guān)系數(shù)，n為樣本大小，由T檢驗(yàn)不同信度下的閾值即可計(jì)算出相關(guān)系數(shù)的閾值。

表3 相關(guān)系數(shù)閾值表[27]

2.2.2 干旱評估方法

在眾多干旱評估指數(shù)中，因標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standard precipitation index，SPI） 計(jì)算簡單且具有多尺度特征，資料容易獲取等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[28-29]。因此，本文采用SPI來對比分析廣西地面站點(diǎn)與TRMM兩種降雨數(shù)據(jù)在干旱評估方面的優(yōu)劣。該指數(shù)具體計(jì)算步驟可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[30]，其等級(jí)劃分見表4。

表4 SPI指數(shù)干旱強(qiáng)度等級(jí)表

3 廣西TRMM降雨產(chǎn)品精度評估

3.1 降雨序列一致性評估

3.1.1 時(shí)間一致性評估

計(jì)算廣西35個(gè)氣象站點(diǎn)降雨量與其對應(yīng)的最近TRMM(1998—2015年)格點(diǎn)年尺度和月尺度的相關(guān)系數(shù)如圖2。結(jié)果表明：TRMM產(chǎn)品與氣象站點(diǎn)降雨量的相關(guān)性在年尺度和月尺度的波動(dòng)變化均較大，但總體相關(guān)性依然較好，年CC均值約為0.81，月CC均值約為0.72，結(jié)合表3可知兩者均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。具體地，由圖2a可知，TRMM降雨產(chǎn)品的年CC值總體呈現(xiàn)出下降趨勢，最低為2010年的0.57；TRMM降雨產(chǎn)品的年CC值有兩個(gè)較為明顯的連續(xù)變化期，2001—2007年CC值逐年減小，2007—2015年CC值則是劇烈波動(dòng)。由圖2b可知，TRMM產(chǎn)品的CC值在月尺度呈現(xiàn)出較為顯著的規(guī)律性變化，冬季到春季（12—5月），TRMM產(chǎn)品的CC值逐月增加，到夏季的7月達(dá)到最大，夏季到冬季（7—12月），TRMM產(chǎn)品的CC值逐月遞減，到12月達(dá)到最小。

FC=[尾氣流量+20 m3/(h·℃)×(二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度給定值-二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度)]/造粒水流量。

圖2 氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM降雨產(chǎn)品 a．年CC值變化；b.月CC值變化。

3.1.2 空間一致性評估

計(jì)算廣西35個(gè)氣象站點(diǎn)降雨量與其對應(yīng)的最近TRMM(1998—2015年)格點(diǎn)在年、月、日三個(gè)尺度下的CC值，并采用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行反距離權(quán)重插值得CC值空間分布如圖3。結(jié)果表明：對廣西地區(qū)，TRMM降雨產(chǎn)品在年、月尺度上與地面氣象站點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)均有很好的正相關(guān)性，兩者CC最小值均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，總體來說，月CC與年CC值均在0.80以上（除桂西北局部區(qū)域外），兩者相比桂南的欽州、北海、防城港地區(qū)以及桂東部分地區(qū)月尺度CC略低于年尺度，且年尺度下桂西北CC值低于0.80的區(qū)域要明顯大于月尺度；在日尺度上，TRMM產(chǎn)品CC僅在0.50～0.60。此外，從CC的空間分布來看，TRMM產(chǎn)品在月、日尺度上空間一致性較好，而在年尺度上桂西北地區(qū)CC值顯著低于其他地區(qū)，總體空間一致性相對較差。

圖3 氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM CC值空間分布圖

3.2 降雨序列誤差評估

3.2.1 絕對誤差評估

廣西氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM產(chǎn)品在年、月、日三個(gè)尺度下對比絕對誤差均值ME箱線圖如圖4，TRMM降雨產(chǎn)品在年、月、日三個(gè)時(shí)間尺度上的ME箱線圖下四分位均在0附近，即三個(gè)時(shí)間尺度下，廣西大部TRMM產(chǎn)品的降雨量要大于氣象站點(diǎn)降雨量。具體地，日、月、年尺度下，TRMM產(chǎn)品平均誤差分別集中在-0.50～0.60 mm、-20～20 mm、-200～220 mm，三者均存在三個(gè)異常點(diǎn)，且均是負(fù)異常點(diǎn)有兩個(gè)，正異常點(diǎn)有一個(gè)，這表明TRMM降雨產(chǎn)品在某些地區(qū)可靠性較差，其數(shù)值相對實(shí)際降雨量有較大可能會(huì)嚴(yán)重偏小。

圖4 氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM產(chǎn)品日尺度（a）、月尺度（b）、年尺度（c）ME箱線圖

3.2.2 相對誤差評估

廣西氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM產(chǎn)品的相對誤差BIAS空間分布如圖5。結(jié)果表明，TRMM產(chǎn)品的BIAS值主要在在0～10%范圍內(nèi)變化，且總體空間分布具有較好的一致性（局部個(gè)別點(diǎn)除外）；在局部區(qū)域，如防城港、百色市南部、河池市南部、柳州北部、貴港中部等多個(gè)局部區(qū)域，TRMM的BIAS呈現(xiàn)-20%～-10%的偏小現(xiàn)象，在百色中部，南寧西南部等局部區(qū)域，TRMM的BIAS呈現(xiàn)10%～20%的偏大現(xiàn)象，這可能與局部點(diǎn)地形復(fù)雜、海陸季風(fēng)及不同大氣環(huán)流相互作用有關(guān)。說明這兩種降雨產(chǎn)品在廣西各區(qū)域雨量的相對偏差總體不大。

3.3 日降雨事件探測能力評估

針對廣西日尺度TRMM降雨產(chǎn)品精度評估研究相對不足問題，文中采用日降雨事件探測能力指數(shù)POD和FAR來評估該產(chǎn)品在日降雨事件表征方面的準(zhǔn)確性。其中，POD表征日降雨事件準(zhǔn)確率的度量，越接近1精度越高；FAR則表征日降雨事件錯(cuò)報(bào)率的度量，其越接近0精度越高[4]。廣西全區(qū)TRMM產(chǎn)品的POD和FAR值空間分布如圖6，多年逐月平均以及歷年平均POD和FAR值如圖7。由圖6a可知，TRMM降雨產(chǎn)品POD值總體上在0.50～0.60范圍內(nèi)變化（除桂東邊緣局部地區(qū)，全區(qū)POD均值0.57，略高于全國平均值[4]）；從POD值的空間分布上看，TRMM產(chǎn)品具有很好的空間一致性。由圖6b可知，TRMM降雨產(chǎn)品FAR值總體上在0.20～0.30范圍內(nèi)變化（全區(qū)均值為0.27，略低于全國均值[4]），僅在北海市及百色市局部FAR值為0.30～0.40，全區(qū)FAR值也表現(xiàn)出較好的空間一致性。綜上可知，TRMM產(chǎn)品在廣西地區(qū)的日降雨事件探測能力要略好于全國平均水平。

圖5 氣象站點(diǎn)降雨量與TRMM降雨產(chǎn)品BIAS空間分布圖

圖6 TRMM產(chǎn)品日降雨探測能力指數(shù)POD（a）、FAR（b）空間分布圖

由圖7可知，TRMM降雨產(chǎn)品POD值和FAR在年際間變化不大，但在不同月份差異很大，如在春季的3、4、5月，其POD值從3月的0.38直線增大到 5月的 0.62；在夏季的 6、7、8月，其 POD 值基本維持在0.75～0.80范圍內(nèi)；在秋季的9、10、11月，其POD值從9月的0.60直線下降到11月的0.34；在冬季的 12、1、2月，其 POD 值基本維持在0.20～0.25范圍內(nèi)。籍此，根據(jù)廣西5—8月為主要雨季，該4個(gè)月降雨量占全年的60%，且多為中、大暴雨[31]，而此時(shí)TRMM產(chǎn)品的POD恰在高值區(qū)；其他月份降雨量相對較少，尤其是冬季12—2月（降雨量不到全年的10%），且多為中、小雨[31]，此時(shí)TRMM產(chǎn)品的POD全部小于0.25，由此可初步推斷，TRMM降雨產(chǎn)品對中、大日降雨事件探測準(zhǔn)確率較高，而對小日降雨事件探測準(zhǔn)確率很低。另外，從TRMM產(chǎn)品FAR值的逐月變化，亦可得到類似結(jié)論，即對中、大日降雨事件錯(cuò)報(bào)率較低，而對小雨事件錯(cuò)報(bào)率相對較高。

圖7 TRMM產(chǎn)品POD、FAR指數(shù)年內(nèi)變化（a）、年際變化（b）

4 干旱評估對比分析

鑒于TRMM降雨具有較高的時(shí)空分辨率，在此采用SPI指數(shù)，以廣西2009—2010年大旱事件為例，進(jìn)一步對比分析多個(gè)時(shí)間尺度上TRMM降雨與地面站點(diǎn)觀測降雨對區(qū)域干旱強(qiáng)度隨時(shí)空演變特征的識(shí)別能力。該次大旱跨越秋、冬、春三個(gè)季節(jié)，其主要階段為2009年10月29日—2010年4月3日，顯著干旱期為2009年11月12日—2010年 2 月 10 日[32]。通過計(jì)算，SPI6、SPI3、SPI1三個(gè)時(shí)間尺度上，兩種降雨數(shù)據(jù)對廣西干旱強(qiáng)度隨時(shí)間、空間演變特征的描述分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知，在三種時(shí)間尺度下兩種降雨數(shù)據(jù)計(jì)算出的廣西干旱強(qiáng)度均具有較高的一致性，具體數(shù)值差異較小，這表明在月、季、半年時(shí)間尺度上，TRMM降雨產(chǎn)品對廣西干旱強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征具有較好的識(shí)別能力；此外，SPI1能更好地呈現(xiàn)廣西氣象干濕強(qiáng)度隨時(shí)間的不斷轉(zhuǎn)化過程，而在SPI3、SPI6中的這種頻繁干濕轉(zhuǎn)化現(xiàn)象則難以很好地表達(dá)，也即干旱識(shí)別的時(shí)間尺度效應(yīng)顯著。

由圖9可知，同一場干旱在不同的時(shí)間尺度上，兩種降雨數(shù)據(jù)在空間分布特征描述方面均存在較大差異，例如圖9中多處黃圈處所示。多個(gè)尺度的空間分布表明：TRMM降雨計(jì)算的SPI干旱強(qiáng)度空間分布在很多區(qū)域表達(dá)更為精細(xì)，并且隨時(shí)間尺度的細(xì)化更加準(zhǔn)確（從SPI6到SPI1），即月尺度比季、半年尺度能更好地識(shí)別干旱的演變過程，表明干旱空間演變的識(shí)別也具有顯著的空間尺度效應(yīng)；而有限的地面站點(diǎn)降雨所得SPI空間分布在許多區(qū)域具有均質(zhì)化的現(xiàn)象，不能很好地表現(xiàn)出干旱的空間異質(zhì)性。

此外，從圖9的SPI6、SPI3到SPI1空間分布隨時(shí)間的演變過程發(fā)現(xiàn)，2009年7月—2010年6月時(shí)段內(nèi)，在SPI6尺度上，桂中、桂西北、西南大部分區(qū)域表現(xiàn)為重旱（圖9a），這與Xiao等[32]的研究結(jié)果相似；而在SPI3尺度上，桂西北、桂東北、桂東南局部地區(qū)表現(xiàn)為重旱（圖9b），其空間分布面積較SPI6減小且更為分散；而在SPI1尺度上，不同月份的空間分布差異較大，如2009年10—12月大部分地區(qū)均顯示正常，僅有分散的局部區(qū)域呈現(xiàn)為干旱狀態(tài)，而在2010年1月總體均表現(xiàn)為濕潤，至2010年2—3月再次演變?yōu)榇蠓秶珊担饕獮橹泻祻?qiáng)度等級(jí)（圖9c）。上述現(xiàn)象表明：SPI6、SPI3尺度上的重旱是在SPI1尺度上中、輕度干旱隨時(shí)間延續(xù)而累積得到的現(xiàn)象，而在不同時(shí)間尺度上的空間分布則存在顯著差異。

圖8 2009—2010年廣西SPI6（a）、SPI3（b）、SPI（c）均值

圖9 2009年10月—2010年3月廣西SPI6(a)、SPI3(b)、SPI1(c)空間分布

綜上可知，廣西干旱演變過程存在顯著的時(shí)空分異尺度效應(yīng)和強(qiáng)度累積效應(yīng)，TRMM降雨產(chǎn)品在廣西干旱監(jiān)測中具有較為顯著的空間異質(zhì)性表達(dá)優(yōu)勢，可應(yīng)用于該區(qū)域的干旱監(jiān)測及后續(xù)的預(yù)警研究。

5 結(jié) 論

本文通過對TRMM產(chǎn)品在廣西地區(qū)的精度評估，得出以下主要結(jié)論。

（1）廣西TRMM降雨產(chǎn)品在年、月、日尺度上與氣象站降雨存在顯著的時(shí)空相關(guān)性，其中，僅TRMM降雨日尺度相關(guān)系數(shù)最低為0.5～0.6，其他各類相關(guān)系數(shù)均在0.7以上。與氣象站降雨量相比，廣西TRMM降雨量總體偏大，其相對偏差范圍主要在0～10%。

（2）在日降雨事件探測能力方面，廣西TRMM降雨P(guān)OD均值為0.55，其FAR均值為0.29，總體探測能力優(yōu)于全國平均水平；但在強(qiáng)降雨月份表現(xiàn)出較好的探測能力（POD＞0.75），而在降雨量較少的冬季月份存在準(zhǔn)確率顯著下降的現(xiàn)象。

（3）TRMM降雨產(chǎn)品在廣西干旱強(qiáng)度監(jiān)測方面總體具有較好的識(shí)別能力，能夠揭示區(qū)域干旱的時(shí)空尺度效應(yīng)和強(qiáng)度累積效益，具有比地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)更精細(xì)化的空間異質(zhì)性表達(dá)。

文中分析發(fā)現(xiàn)TRMM降雨產(chǎn)品對不同強(qiáng)度日降雨的探測能力差異較大，并初步發(fā)現(xiàn)，其對高強(qiáng)度日降雨事件探測能力較好，對低強(qiáng)度日降雨事件探測能力相對較差。因此，下一步將對多源降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度和頻率的精度評估，進(jìn)而開展多源降雨數(shù)據(jù)校正、降尺度融合研究，以期能為區(qū)域更有效的旱澇災(zāi)害評估、預(yù)報(bào)預(yù)警及防治工作提供科學(xué)支撐。