氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在時間尺度上的精度檢驗

魏 莎，崔晨風(fēng)，童山琳，郭元剛

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

影響流域水循環(huán)最為重要的因素就是流域降雨量，降水是地球水循環(huán)的重要組成部分，連接著大氣循環(huán)過程與地表循環(huán)過程，具有重要的氣象學(xué)、氣候?qū)W和水文學(xué)意義[1-4]。理論上，密集布置地面觀測站點是獲得較為精確降水?dāng)?shù)據(jù)的一個重要手段，但由于自然條件和經(jīng)濟水平的差異，地面觀測站點分布嚴重不均，海洋上更加稀少。由于降水過程的高度時空變異性，現(xiàn)有地面雨量計、地基測雨雷達等雖對單點降水觀測精度較高，但仍存在站點分布和觀測范圍等局限性，尚不能滿足大流域降水觀測的需求[5]。隨著TRMM衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)得到廣泛應(yīng)用[6,7]，與此同時數(shù)據(jù)精度問題也成為了很多研究學(xué)者關(guān)注的熱點。李景剛等[8]在洞庭湖流域?qū)?TRMM 3B43數(shù)據(jù)進行了檢驗，發(fā)現(xiàn)在月尺度上，相關(guān)系數(shù)可以接近0.9。胡慶芳等評估了贛江流域TRMM 3B42V6的精度，并進行了誤差特征分析與成因解釋等[9]。Dominqu等[10]研究了TRMM 數(shù)據(jù)在亞馬遜河的精度，認為TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在該流域的總量及各月的降水量效果較好，用于水文模擬能夠取得較好效果.

綜觀以上研究表明:國內(nèi)外學(xué)者們對TRMM數(shù)據(jù)精度檢驗研究大多數(shù)選用的空間尺度太大，只能代表整體平均水平，而忽略了小尺度上地區(qū)數(shù)據(jù)的差異，時間尺度包含年、月、日數(shù)據(jù)精度較少，精度較低；同時在中國地區(qū)針對于黑河流域TRMM測雨數(shù)據(jù)精度檢驗研究相對較少，而且基本都是采用地面氣象站的觀測數(shù)據(jù)。因此，本文以黑河流域作為研究區(qū)，分析TRMM數(shù)據(jù)在該流域年、月、日尺度上的數(shù)據(jù)精度，以期為TRMM數(shù)據(jù)在黑河流域的有效利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

選擇黑河流域為研究區(qū)域，流域水系如圖1所示。黑河流域是我國西北地區(qū)流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古3省(區(qū))的較大內(nèi)陸水系[11]，是我國西北地區(qū)第2大內(nèi)陸流域，位于河西走廊中部 98°E-101°30′E，38°N-42°N，為甘蒙西部最大的內(nèi)陸河流域。黑河流域的地貌特征區(qū)域差異顯著，南部為祁連山山地，中部為走廊平原，北部為低山山地和阿拉善高原，并與巴丹吉林沙漠接壤[12]。祁連山區(qū)是黑河流域地表水資源的形成地域，其降水量多寡直接影響著黑河上游的冰川、積雪、徑流狀況[13,14]。但是上游山區(qū)地形復(fù)雜多樣[15]，黑河流域位于歐亞大陸中部，遠離海洋，周圍高山環(huán)繞，流域氣候主要受中高緯度的西風(fēng)帶環(huán)流控制和極地冷氣團影響，氣候干燥，降水稀少而集中，多大風(fēng)，日照充足，太陽輻射強烈，晝夜溫差大。流域中集水面積大于100 km2的河流約18條，地表徑流量大于1 000 萬m3的河流有24條。

圖1 水文站分布Fig.1 Distribution of hydrological station

2 數(shù)據(jù)說明

研究共收集流域內(nèi)25個水文站點1980-2003年逐日降水資料，精度評估中所需的月降水量和年降水量均由逐日降水量累加所得。采用的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)為中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集，它是中國科學(xué)院青藏高原研究所開發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集，為相應(yīng)水文站點的衛(wèi)星逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 相關(guān)系數(shù)法

相關(guān)系數(shù)表示2個要素之間的相關(guān)程度的統(tǒng)計指標。對于2個要素x與y，如果它們的樣本值分別為xi與yi(i=1，2，…，n)，它們之間的相關(guān)系數(shù)：

(2)

式中:n為數(shù)據(jù)記錄的總個數(shù)；xi為氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)提供的降水量；yi為對應(yīng)時間內(nèi)地面水文站點的觀測降水量。

在實際操作中，首先由水文站點經(jīng)緯度計算出站點所在網(wǎng)格單元的坐標，然后通過 MATLAB語言編程輸出該網(wǎng)格單元內(nèi)的降水量作為xi的值。R反映了氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水值的一致性，取值范圍為[0，1]，越接近1表明數(shù)據(jù)一致性越好。

3.2 散點斜率法

作一元線性回歸分析：

y=kx+b

(3)

式中：k為斜率；y為氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品作為因變量;x為氣象臺站降水觀測數(shù)據(jù)，作為自變量。

線性函數(shù)的斜率k越接近于1,偏差越?。蝗鬹>1,說明氣象衛(wèi)星降水量大于實測降水量；若k<1,說明氣象衛(wèi)星降水量小于實測降水量。

4 結(jié)果與分析

4.1 年尺度精度檢驗

(1)數(shù)據(jù)整體精度檢驗。以1980-2003年研究區(qū)內(nèi)25個水文站點的年實測降水量為自變量，對應(yīng)年份各水文站點所在的網(wǎng)格內(nèi)氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)為因變量進行一元線性回歸分析，如圖2所示。經(jīng)檢驗，氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水量的平均相關(guān)系數(shù)R=0.938，斜率k=0.278 8，顯示了兩者之間存在很好的一致性。從整體而言，氣象衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)的降水值比站點實測降水量略微偏低，這可能是由于遙感方法本身的特點導(dǎo)致的。由于衛(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達到測量降水的目的，這種方式在估計歷時較短、降水較小的降水過程方面存有缺陷，可能因此導(dǎo)致氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)在數(shù)值上偏小。相比其他區(qū)域已有的氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度檢驗結(jié)果，氣象衛(wèi)星年數(shù)據(jù)與站點實測降水量的相關(guān)系數(shù)R略高，而斜率k略低。反映出相比其他區(qū)域，氣象衛(wèi)星年數(shù)據(jù)在本流域與站點實測降水量的相關(guān)性略高，但數(shù)值差異略大，精度驗證的結(jié)論總體一致。

圖2 年降水量相關(guān)圖Fig.2 Annual rainfall correlation diagram

(2)各站點精度檢驗。對各個水文站點而言，經(jīng)統(tǒng)計，圖3以4個站點為例，衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與相對應(yīng)的各水文站年降水量的相關(guān)系數(shù)普遍較高，說明整體來看衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與水文站年降水量具有較好的一致性；衛(wèi)星降水量較實測降水量偏差較大。具體來看，各站點相關(guān)系數(shù)值及線性回歸方程的斜率為：八寶河祁連站R=0.970，k=0.328；昌馬河昌馬堡R=0.630，k=0.142；黑河高崖R=0.816，k=0.240；黑河鴛鴦峽R=0.851，k=0.250；黑河札馬什克R=0.837，k=0.256；黑河正義峽R=0.835，k=0.243；洪水河新地站R=0.775，k=0.185；李橋水庫壩上R=0.798，k=0.257；疏勒河潘家莊站R=0.572，k=0.198；討賴河冰溝R=0.522，k=0.082；西營九條溝R=0.847，k=0.227。大部分水文站點都顯示出了良好的一致性，從水文站站點的位置來看，相關(guān)性較差的地區(qū)是疏勒河潘家莊、討賴河冰溝和昌馬河昌馬堡，這些地方為雨量較少地區(qū)，影響氣象衛(wèi)星的觀測。而衛(wèi)星降水的斜率為0.142～0.328，說明衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)降水量與實測降水量偏差較大，且衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)較實測數(shù)據(jù)偏小。

圖3 年降水?dāng)?shù)據(jù)與實測年降水?dāng)?shù)據(jù)Fig.3 Precipitation data and annual precipitation data measured in

4.2 月尺度精度檢驗

(1)數(shù)據(jù)整體精度檢驗。從25個水文站中選取11個資料比較齊全的水文站點數(shù)據(jù)，以1980年該11個水文站點的實測值作為自變量，相對應(yīng)的氣象衛(wèi)星降水值為因變量作相關(guān)分析，如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計計算R=0.962，其相關(guān)性優(yōu)于年降水的相關(guān)性，相關(guān)關(guān)系很好；k=0.285,說明衛(wèi)星月降水?dāng)?shù)據(jù)仍然是小于水文站月降水?dāng)?shù)據(jù)的，且偏差較大。

圖4 月降水量相關(guān)圖Fig.4 Monthly precipitation correlation diagram

(2)各站點精度檢驗。如圖5所示以4個站點為例，氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品與相對應(yīng)的各水文站月降水量的相關(guān)系數(shù)仍普遍較高，說明整體來看氣象衛(wèi)星降水產(chǎn)品與水文站年降水量具有較好的一致性。具體來看，各站點相關(guān)系數(shù)值為：八寶河祁連站R=0.991，昌馬河昌馬堡R=0.877，黑河高崖R=0.869，黑河鴛鴦峽R=0.903，黑河札馬什克R=0.974，黑河正義峽R=0.885，洪水河新地站R=0.835，李橋水庫壩上R=0.991，疏勒河潘家莊站R=0.572，討賴河冰溝R=0.667，西營九條溝R=0.940，大部分水文站點仍顯示出良好的相關(guān)性，并且相關(guān)性略好于年降水量的相關(guān)性。另外，k值范圍為0.172 2～0.407 9，說明氣象衛(wèi)星月降水量與實測降水量偏差仍然較大，且氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)較實測數(shù)據(jù)依然偏小。

圖5 月降水?dāng)?shù)據(jù)與實測月降水?dāng)?shù)據(jù)Fig.5 Rainfall data and monthly precipitation data measured monthly

4.3 日尺度精度檢驗

以1980-1982年的俄博站所有場次降水的實測數(shù)據(jù)為橫坐標，相應(yīng)的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)為縱坐標作相關(guān)關(guān)系圖，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)R僅為0.447，實測降水量與氣象衛(wèi)星測雨產(chǎn)品的日降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性較差。

圖6 日降水量相關(guān)Fig.6 Daily precipitation correlation diagram

4.4 時間尺度對測雨精度的綜合影響分析

水文尺度問題是當(dāng)今水文學(xué)研究的前沿課題之一。自20世紀90年代初，水文尺度問題被正式提出后，尺度問題在水文科學(xué)中一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。降水是徑流模擬中最大的不確定因素之一，同時又是洪水預(yù)報中最重要的信息。因此，研究時間尺度對衛(wèi)星測雨產(chǎn)品精度的影響十分必要。就時間尺度而言，本文研究了日、月、年尺度對衛(wèi)星測雨產(chǎn)品精度的影響，計算結(jié)果如表1所示。

表1 時間尺度影響計算Tab.1 Timescales affect the calculation Table

從表1中可以看出，衛(wèi)星測雨產(chǎn)品和水文站實測雨量的日尺度相關(guān)系數(shù)的平均值R=0.462,月尺度相關(guān)系數(shù)的平均值R=0.864，年尺度相關(guān)系數(shù)的平均R=0.768；日雨量的MRE平均值為0.872，月雨量的MRE平均值為0.786，年雨量的MRE平均值為0.688。因此說明年尺度和月尺度的相關(guān)性遠好于日尺度；對于MRE而言，日尺度>月尺度>年尺度，說明衛(wèi)星測雨產(chǎn)品的精度，年尺度略好于月尺度略好于日尺度。相對誤差絕對值的平均值MRE(Mean Relative Error)來評價氣象衛(wèi)星估測降水的誤差大小，對于某一給定閾值，MRE定義為：

式中：Ti為氣象衛(wèi)星測雨值；Si為水文站測雨值；n為測雨次數(shù)。

5 結(jié)論與展望

衛(wèi)星遙感資料在水文中的應(yīng)用是目前水文學(xué)研究領(lǐng)域的熱點問題之一。本文利用黑河流域內(nèi)的25個水文站點，重點選取其中的11個典型水文站點的實測降水量對氣象衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在年尺度、月尺度和日尺度上進行了精度檢驗，并通過計算氣象衛(wèi)星年均降水量、月平均降水量和日均降水量對黑河流域降水在時間尺度上進行了綜合分析，檢驗了氣象衛(wèi)星測雨產(chǎn)品的精度。主要研究成果如下。

(1)通過對不同時間尺度的氣象衛(wèi)星測雨數(shù)據(jù)進行檢驗評估，衛(wèi)星年降水?dāng)?shù)據(jù)、月降水?dāng)?shù)據(jù)、日降水?dāng)?shù)據(jù)與站點相應(yīng)實測降水量的平均相關(guān)系數(shù)R為0.938、0.962、0.447，發(fā)現(xiàn)對大多數(shù)水文站點來說，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文站數(shù)據(jù)在年尺度和月尺度的相關(guān)性遠好于日尺度，而衛(wèi)星測雨產(chǎn)品在精度方面，通過MRE等指標得出的結(jié)論是：年尺度略好于月尺度略好于日尺度，但是在這3種尺度上的相對誤差普遍較大。

(2)在進行氣象衛(wèi)星月降水量的精度檢驗時發(fā)現(xiàn)：在本流域內(nèi)表現(xiàn)出基本一致的年內(nèi)偏差規(guī)律，具體表現(xiàn)為在1 a內(nèi)降水量較少的1-3月和10-12月的偏差較小，精度相對較好；而在降水量較多的其他月份偏差較大，精度相對較差。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的進一步發(fā)展，如何更好地利用氣象衛(wèi)星資料和雨量計資料聯(lián)合估算流域的降雨分布，將是一個很有發(fā)展前景的研究方向。即將實施的多衛(wèi)星全球降雨觀測計劃GPM(Global Precipitation Measurement)將提供比氣象衛(wèi)星更完善、更準確的降雨資料，這些資料不僅可用于天氣預(yù)報，還可用于洪水預(yù)測和全球洪水預(yù)警等領(lǐng)域。因此，衛(wèi)星遙感資料在水文領(lǐng)域中的應(yīng)用將會成為未來水文學(xué)科發(fā)展的必然趨勢。

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