IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品在中國(guó)的干旱監(jiān)測(cè)效用評(píng)估

衛(wèi)林勇，江善虎※，任立良，張林齊，王孟浩

（1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

0 引言

干旱是一種歷時(shí)長(zhǎng)、范圍大、影響廣的全球性（含濕潤(rùn)區(qū)）災(zāi)害之一，具有降水量減少和/或蒸散量增加的主要特征，其可能造成嚴(yán)重的生態(tài)、農(nóng)業(yè)和社會(huì)損失[1-4]。為了有效地識(shí)別和及時(shí)地預(yù)警干旱，需要滿足2個(gè)關(guān)鍵的先決條件，即，建立或選用區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的干旱指數(shù)和獲取高精度的自然變量數(shù)據(jù)。目前，多尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）[5]和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）[6]是在眾多的氣象干旱指數(shù)中應(yīng)用范圍最廣的2種干旱指數(shù)[7-8]。另外，綜合氣象干旱指數(shù)（Composite Index of meteorological drought，CI）是一種同時(shí)考慮降水和蒸散發(fā)要素的綜合性干旱指數(shù)，近年來被應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)和分析[9]?；谝环N氣象變量數(shù)據(jù)集，利用不同干旱指數(shù)在不同地域量化干旱的準(zhǔn)確性是有差異的[4]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)干旱的方案是基于氣象站觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和干旱指數(shù)量化干旱特征。由于氣象站所在的地理位置分布稀疏和不均以及部分站點(diǎn)存在數(shù)據(jù)缺失，甚至在偏遠(yuǎn)地區(qū)不能提供可靠的數(shù)據(jù)[10]，導(dǎo)致傳統(tǒng)的方案難以較好地表征空間上的干旱狀況。

近年來，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷完善與成熟和基于遙感信息的降水反演算法的持續(xù)改進(jìn)，涌現(xiàn)了一系列時(shí)空分辨率高、覆蓋范圍廣、時(shí)空資料連續(xù)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品，有助于氣象站具有局限性的區(qū)域估算降水量，為大規(guī)模的干旱監(jiān)測(cè)提供了新的降水資料[11-13]。在2014年3月，衛(wèi)星降水產(chǎn)品的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入全球降水觀測(cè)計(jì)劃GPM（Global Precipitation Measurement）時(shí)代，衛(wèi)星降水產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱的方案可行性也逐漸成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)[14-16]。Sahoo等在全球尺度上評(píng)價(jià)了TMPA（Tropical Rainfall Measurement Mission Multi-satellite Precipitation Analysis）產(chǎn)品監(jiān)測(cè)大尺度的氣象干旱效用[11]；陳少丹等在中國(guó)區(qū)域尺度上分析了TMPA產(chǎn)品刻畫干旱演變規(guī)律的適用性[7]；Zhong等評(píng)估與比較了TMPA和兩個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的衛(wèi)星降水產(chǎn)品在中國(guó)的干旱監(jiān)測(cè)性能[4]。為減少干旱過程監(jiān)測(cè)中的降水誤差的傳遞，需要參考現(xiàn)有的多源衛(wèi)星降水產(chǎn)品性能評(píng)估結(jié)果，從中選取時(shí)空分辨率最高、可靠性最好的衛(wèi)星降水產(chǎn)品。目前，Tang等已經(jīng)在中國(guó)內(nèi)綜合性評(píng)估與比較了9個(gè)衛(wèi)星和再分析數(shù)據(jù)集，研究結(jié)果表明IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM）產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)于其他常用的衛(wèi)星降水產(chǎn)品[17]。作為TMPA[18]的后續(xù)產(chǎn)品，GPM的多衛(wèi)星綜合反演IMERG降水產(chǎn)品具有更寬的覆蓋范圍、更高的時(shí)空分辨率等優(yōu)勢(shì)。2019年5月，最新版本IMERG V06產(chǎn)品在其官網(wǎng)發(fā)布。相對(duì)于前面的版本，IMERG V06主要變化之一是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回顧性處理，從而創(chuàng)建了與TMPA時(shí)代的同質(zhì)記錄（從2000年6月開始）[17,19]。回顧性IMERG產(chǎn)品為水文氣象研究與應(yīng)用提供更寬廣的范圍[17,20]，拓展回顧性IMERG降水產(chǎn)品在干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用研究具有重要的實(shí)際價(jià)值。

鑒于上述回顧性IMERG的特點(diǎn)，本文以地面網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，首先利用常規(guī)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)評(píng)估IMERG在中國(guó)的誤差特性；其次以SPI、SPEI和CI干旱指數(shù)為例，從區(qū)域和空間分布格局的角度展示IMERG產(chǎn)品計(jì)算的各干旱指數(shù)的性能；最后在西南地區(qū)選取一次典型干旱過程為案例，驗(yàn)證IMERG產(chǎn)品應(yīng)用于區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)方面的效果，以期為中國(guó)的氣象干旱的防抗工作提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)及來源

IMERG產(chǎn)品是基于新一代GPM衛(wèi)星群獲取的大量遙感信息（微波、紅外和雷達(dá)數(shù)據(jù)）反演生成的降水?dāng)?shù)據(jù)集，其具有較高的空間分辨率（0.1°）、多時(shí)間分辨率（0.5 h的最高分辨率）、覆蓋全球（full 60°N/S）等特點(diǎn)[21]。依據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過不同的校準(zhǔn)處理過程，IMERG提供了近實(shí)時(shí)的Early-Run、Late-Run和滯時(shí)的Final-Run 3種不同降水產(chǎn)品[22]。其中，IMERG Final-Run產(chǎn)品借助于全球降水氣候中心的月尺度氣候資料進(jìn)行校正，其精度相對(duì)于Early-Run和Late-Run產(chǎn)品最接近于實(shí)際降水[22]。本文通過美國(guó)國(guó)家宇航局NASA網(wǎng)站（https://pmm. nasa.gov/）下載中國(guó)區(qū)域2000年6月1日至2017年12月31日的回顧性IMERG Final Run日降水?dāng)?shù)據(jù)，并將其聚合成0.5°空間分辨率的資料和累計(jì)為月值。

中國(guó)地面降水月值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集V2.0（China Gauge-based Monthly Precipitation Analysis Product，CPAP）是在中國(guó)區(qū)域約2400個(gè)站點(diǎn)降水資料的基礎(chǔ)上，使用基于中國(guó)地形的薄盤樣條方法生成的網(wǎng)格化降水產(chǎn)品，其被公開在中國(guó)氣象局網(wǎng)（http://data.cma.cn/）[23]。由于CPAP擁有密集空間分布的站點(diǎn)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制處理過程，包括交叉驗(yàn)證和誤差分析，其質(zhì)量總體上令人滿意[23]。因此，CPAP往往作為參考數(shù)據(jù)用于中國(guó)地區(qū)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品驗(yàn)證，它在本文也被用于評(píng)價(jià)IMERG產(chǎn)品在干旱監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用潛力。潛在蒸散發(fā)是指下墊面水分受空氣溫度的影響由液態(tài)或固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的能力。為了反映全球氣候變暖對(duì)干旱的響應(yīng)，潛在蒸散發(fā)被作為輸入變量之一計(jì)算SPEI和CI數(shù)值。結(jié)合傳統(tǒng)的氣象站和蒸散模型估算潛在蒸散發(fā)的數(shù)值，目前存在同時(shí)具有多氣象變量數(shù)據(jù)并已經(jīng)公開在中國(guó)氣象局網(wǎng)的氣象站在中國(guó)區(qū)域的數(shù)量較少和數(shù)據(jù)缺失、使用簡(jiǎn)單的克里格和反距離插值等方法由點(diǎn)到面生成柵格的潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)可能有較大的不確定性[16]。鑒于以上兩點(diǎn)，本文從網(wǎng)站（http://www.cru.uea.ac.uk/ data）收集了0.5°空間分辨率的最新版CRU（Climatic Research Unit）潛在蒸散發(fā)產(chǎn)品，其是在考慮多氣象因素的條件下運(yùn)用Penman-Monteith方程和修正插值法生產(chǎn)的柵格數(shù)據(jù)[24]。CRU潛在蒸散發(fā)產(chǎn)品的構(gòu)造被詳細(xì)地表述在Harris等的文章，并已經(jīng)在全球范圍內(nèi)的水文氣象領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[25-27]。

中國(guó)幅員遼闊，局部地域之間具有差異性極大的氣候特征。為了更好地評(píng)估IMERG降水產(chǎn)品在中國(guó)監(jiān)測(cè)干旱的精度，選用Chen等研究得出的分區(qū)作為本文的子區(qū)域（圖1）[28]。這些區(qū)域分別是以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鞯臇|北（Northeastern China，NE）和華北（Northern China，NC），以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鞯拈L(zhǎng)江中下游（Middle and lower reaches of the Yangtze River，CJ）、東南（Southeastern China，SE）、西南（Southwestern China，SW），以干旱或半干旱氣候?yàn)橹鞯奈鞅保∟orthwestern China，NW）和新疆（Xinjiang，XJ），以高原山地氣候?yàn)橹鞯那嗖馗咴≦inghai-Tibet Plateau，TP）。由于資料缺失，研究區(qū)域未包含臺(tái)灣省。

1.2 SPI、SPEI和CI指數(shù)

SPI是由McKee等提出的一種無量綱氣象干旱指數(shù)，其原理是在只考慮降水要素的基礎(chǔ)上通過gamma分布等分布函數(shù)、頻率計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊抵笖?shù)的干旱識(shí)別過程[3,29]。SPI指數(shù)不僅具有簡(jiǎn)單的計(jì)算過程和反映干旱敏感的特點(diǎn)，而且擁有較強(qiáng)的空間可比性和時(shí)間靈活性[3]。因此，SPI被廣泛應(yīng)用于世界不同地區(qū)的氣象干旱特征分析，甚至流域的水文干旱量化和農(nóng)業(yè)基地的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)。

SPEI是被Vicente-Serrano等在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上考慮全球變暖環(huán)境下潛在蒸散發(fā)對(duì)干旱的影響建立的一種氣象干旱指數(shù)，其改善了計(jì)算SPI的氣象變量單一性[29-30]。SPEI與SPI的不同之處在于，簡(jiǎn)單地將降水量和潛在蒸散發(fā)量之間的差值取代降水作為輸入數(shù)據(jù)，以及采用三參數(shù)的log-logistic分布和標(biāo)準(zhǔn)化高斯分布[30]。然而，SPEI也具有SPI的一些特征，即對(duì)干旱敏感、在不同地區(qū)可比性、多時(shí)間尺度等。SPEI已被用于氣候變化研究，并有結(jié)果表明其相對(duì)于SPI更能體現(xiàn)氣溫變化對(duì)干旱的響應(yīng)[8,29]。在本文，計(jì)算了1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月尺度的SPI，分別簡(jiǎn)稱SPI1、SPI3、SPI6、SPI12；以及與SPI同時(shí)間尺度的SPEI，分別簡(jiǎn)稱SPEI1、SPEI3、SPEI6、SPEI12。

CI是由中國(guó)國(guó)家氣候中心以多尺度的SPI和相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)（M）為基礎(chǔ)提出的一種干旱指數(shù)，能夠反映月和季節(jié)尺度的降水量變化狀況[9]。相對(duì)于SPEI指數(shù)來說，CI指數(shù)除了考慮氣溫對(duì)干旱的影響外，還考慮了降水的累積效應(yīng)。已有結(jié)果顯示CI指數(shù)的表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)于單純基于降水量的其他干旱指數(shù)[9]，但它具有時(shí)間尺度單一性的缺陷。CI指數(shù)計(jì)算式如下：

式中P表示降水量，mm；PE表示潛在蒸散發(fā)量，mm；參數(shù)a、b、c分別取0.4、0.4、0.8。表1列出了SPI、SPEI和CI的各值對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)，它們的數(shù)值范圍一般為-3～3。

尾礦庫(kù)是通過筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以儲(chǔ)存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排除尾礦的場(chǎng)所，是維持礦山生產(chǎn)的必要設(shè)施。尾礦堆積壩是尾礦庫(kù)中最重要的構(gòu)筑物，筑壩方式的選擇對(duì)尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定、礦山的正常生產(chǎn)都具有重要的意義。

表1 依據(jù)SPI、SPEI和CI值的干旱分級(jí) Table 1 Drought categories in accordance with the SPI, SPEI and CI values

1.3 評(píng)估方法

首先采用常規(guī)的相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient，CC）、相對(duì)偏差（Relative Bias，BIAS）2種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)IMERG降水產(chǎn)品的誤差特性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，它們的最優(yōu)值分別為1和0。其中，相關(guān)系數(shù)刻畫了評(píng)估對(duì)象（IMERG或基于其計(jì)算的干旱指數(shù)）與參考數(shù)據(jù)（CPAP或基于其計(jì)算的干旱指數(shù)）的線性擬合程度；相對(duì)偏差描述了IMERG降水產(chǎn)品與CPAP降水?dāng)?shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差[10]。為了評(píng)價(jià)IMERG對(duì)干旱事件發(fā)生的探測(cè)能力，本文還使用了命中率（Probability of Detection，POD）和虛警率（False Alarm Rate，F(xiàn)AR），它們的取值區(qū)間均為[0,1]，最優(yōu)值分別為1和0。命中率表示IMERG正確探測(cè)到的干旱事件與CPAP觀測(cè)到干旱事件的比率，虛警率表征IMERG探測(cè)到總干旱事件中被錯(cuò)誤預(yù)測(cè)的干旱事件的比值[16]。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中n為數(shù)據(jù)時(shí)間序列的長(zhǎng)度；Gi和Si分別為參考數(shù)據(jù)及評(píng)估對(duì)象在i時(shí)刻的數(shù)值，和為它們?cè)跁r(shí)間序列上的平均值；H為CPAP和IMERG同時(shí)監(jiān)測(cè)到干旱事件的月數(shù)；M為CPAP觀測(cè)有干旱而IMERG未監(jiān)測(cè)到干旱的月數(shù)；F為CPAP未觀測(cè)有干旱而IMERG監(jiān)測(cè)到干旱的月數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 IMERG衛(wèi)星產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)

IMERG與CPAP月均降水量的空間分布模式如圖2a、2b。月降水量在東南沿海地區(qū)大于125 mm，新疆大部分地區(qū)小于17 mm。雖然IMERG與CPAP在中國(guó)上的月均降水量分界線以及在局部地區(qū)（如喜馬拉雅山東部）的數(shù)值有一些偏差，但其較好地捕捉了平均月降水量的空間分布格局（空間相關(guān)系數(shù)為0.96、相對(duì)偏差為0.02）。這可能與它們?cè)谄骄聰?shù)值計(jì)算過程中抵消了時(shí)間上的部分異質(zhì)性有關(guān)。

圖2c、2d分別展示了IMERG與CPAP月降水量的相關(guān)系數(shù)和相對(duì)偏差。IMERG與CPAP數(shù)據(jù)的一致性較高，大部分地區(qū)的相關(guān)系數(shù)超過0.9（占大陸面積的73.7%），平均相關(guān)系數(shù)為0.920。IMERG產(chǎn)品在華北地區(qū)的性能最好（平均相關(guān)系數(shù)為0.974），其次是東北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)，在新疆地區(qū)表現(xiàn)最差（平均相關(guān)系數(shù)為0.812）。另外，IMERG產(chǎn)品在降水量偏少的新疆和海拔高的青藏高原地區(qū)容易高估或低估基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些可能與該地域的復(fù)雜氣候和地形導(dǎo)致衛(wèi)星降水產(chǎn)品質(zhì)量降低有關(guān)[4,16]。整體上，IMERG產(chǎn)品在中國(guó)的質(zhì)量較好，尤其是在東北、華北、長(zhǎng)江中下游、東南和西南地區(qū)。

2.2 IMERG計(jì)算的不同干旱指數(shù)驗(yàn)證分析

圖3展示了IMERG與CPAP數(shù)據(jù)在多時(shí)間尺度下計(jì)算的SPI間、SPEI間和CI間的區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)。由圖 3a可以看出，基于IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPI與CPAP結(jié)果吻合度較高，具有較高的相關(guān)系數(shù)，其值在各區(qū)域均大于0.8，除了新疆和青藏高原地區(qū)（相關(guān)系數(shù)介于0.5～0.8）。這可能原因有：新疆和青藏高原區(qū)域氣候和地形復(fù)雜、IMERG偏差校正的氣象站網(wǎng)在新疆和青藏高原地區(qū)分布稀疏，致使該地區(qū)的IMERG產(chǎn)品具有相對(duì)較大的誤差并傳遞在干旱指數(shù)計(jì)算過程中[31]。此外，隨著時(shí)間尺度增加，其相關(guān)性在大部分區(qū)域增高。由圖3b可知，IMERG與CPAP數(shù)據(jù)計(jì)算的SPEI指數(shù)在中國(guó)的一致性較高，除了青藏高原地區(qū)，相關(guān)系數(shù)大于0.8。雖然時(shí)間尺度的變化對(duì)SPEI的性能提高較小，但基于IMERG產(chǎn)品的SPEI整體上比SPI的適用性更好?？赡茉蚴荌MERG和CPAP結(jié)合了同一套的潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)計(jì)算SPEI干旱指數(shù)，在一定程度上避免了不同數(shù)據(jù)源的不確定性對(duì)結(jié)果的影響[16]。從圖3 c可知，CI間的平均相關(guān)系數(shù)在整個(gè)大陸超過0.700，與SPI間在1和3個(gè)月尺度的相關(guān)系數(shù)較為接近，且空間分布相似。這與在SPI1和SPI3基礎(chǔ)上計(jì)算CI指數(shù)密切相關(guān)。相對(duì)于SPEI，IMERG產(chǎn)品計(jì)算的CI在華北、長(zhǎng)江中下游和東南地區(qū)的相關(guān)性略高，在西北、新疆和青藏高原地區(qū)顯著較低。同樣地，IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPEI整體上比CI的可靠性更高。

為進(jìn)一步驗(yàn)證IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPI、SPEI和CI的空間可靠性，對(duì)2種數(shù)據(jù)源的干旱指數(shù)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由于基于IMERG的SPI和SPEI指數(shù)在12個(gè)月尺度的性能最好，圖4僅顯示了基于SPI12、SPEI12和CI的相關(guān)系數(shù)、命中率和虛警率統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的空間分布。其中，命中率和虛警率是以SPI ≤-0.5或SPEI ≤-0.5或CI≤-0.6作為干旱條件進(jìn)行計(jì)算。

2.3 IMERG產(chǎn)品對(duì)區(qū)域的干旱事件識(shí)別能力評(píng)估

本文選取西南地區(qū)作為重點(diǎn)的研究區(qū)域，以2009年10月至2010年6月的西南地區(qū)嚴(yán)重干旱災(zāi)害作為典型干旱事件（見圖5的陰影面積），探索IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPI、SPEI和CI對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)干旱時(shí)空變化的反映能力。本文僅選擇SPI12、SPEI12和CI進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估與比較。圖5展示了西南地區(qū)的3種區(qū)域平均干旱指數(shù)以及相應(yīng)干旱面積比的時(shí)間序列。其中，干旱面積比是指經(jīng)歷干旱條件的柵格數(shù)量與該區(qū)域的總柵格數(shù)的比值。由圖5 a、5 c、5 e可知，基于IMERG產(chǎn)品的干旱指數(shù)的精度被空間均化后得到了提高，特別是對(duì)于SPEI（時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.968，優(yōu)于SPI和CI）?？赡芤?yàn)镮MERG與CPAP數(shù)據(jù)間的差異性很?。▓D2）和基于兩者計(jì)算的干旱指數(shù)的空間異質(zhì)性經(jīng)過空間聚合到區(qū)域尺度后降低。說明了IMERG產(chǎn)品能夠很好地反映SPI12和SPEI12干旱指數(shù)在時(shí)間上的變異，并能精準(zhǔn)地識(shí)別干旱事件的起始時(shí)間和強(qiáng)度，包括典型干旱事件。由圖5 b、5 d、5 f的結(jié)果表明，IMERG與CPAP數(shù)據(jù)計(jì)算的SPI12、SPEI12和CI間的干旱面積比過程曲線具有很高的匹配度，同樣是SPEI（時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.978）優(yōu)于SPI和CI。即使基于IMERG產(chǎn)品的SPI和CI存在相對(duì)較大的空間異質(zhì)性（圖 4），但它對(duì)捕捉干旱面積的能力影響較小（時(shí)間相關(guān)系數(shù)大于0.940）?？傊谖髂系貐^(qū)使用IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPEI的性能優(yōu)于SPI和CI，但它們?cè)诳坍嫺珊抵笖?shù)和干旱特征的演變過程具有較好的相似性，且可靠性相差不大。依據(jù)王兆禮等研究得出的結(jié)論，短時(shí)期的衛(wèi)星降水產(chǎn)品（TMPA）或足以達(dá)到監(jiān)測(cè)與評(píng)估干旱的條件[29]。以及Tang等研究表明IMERG產(chǎn)品的適用性優(yōu)于TMPA產(chǎn)品[17]?？梢泽w現(xiàn)在不考慮其他氣象變量對(duì)干旱的響應(yīng)下，只利用IMERG降水產(chǎn)品計(jì)算的SPI指數(shù)或可以直接應(yīng)用于中國(guó)的干旱監(jiān)測(cè)與驗(yàn)證。

表2展示了西南地區(qū)的典型干旱事件在每個(gè)月份的強(qiáng)度和干旱面積比。IMERG計(jì)算的SPI和SPEI高估了干旱的強(qiáng)度和面積，但它們能夠準(zhǔn)確地捕捉干旱的起止時(shí)間，這與圖5的結(jié)果相一致。然而，IMERG計(jì)算的CI刻畫的典型干旱事件是一個(gè)間斷過程，其低估了2010年1月和2月的干旱強(qiáng)度，高估了2009年10月和11月的干旱強(qiáng)度。這與計(jì)算CI指數(shù)用的SPI1和SPI3有關(guān)，它們均對(duì)長(zhǎng)時(shí)期的干旱反映不敏感。

表2 西南地區(qū)的SPI、SPEI和CI的典型干旱（2009-10—2010-06） Table 2 Typical drought based on the SPI, SPEI and CI for southwestern China (October 2009 to June 2010)

圖6顯示了CPAP和IMERG產(chǎn)品計(jì)算的SPI12、SPEI12和CI的空間分布，展示了西南地區(qū)的典型干旱事件在典型月份的干旱狀況。依據(jù)王兆禮等和Bai等選擇干旱指數(shù)的2010年3月作為本文的典型月份[29,31]。結(jié)果表明，基于IMERG產(chǎn)品的SPI12和SPEI12均能較好地探測(cè)到這場(chǎng)干旱災(zāi)害的空間特征（SPI間的空間相關(guān)系數(shù)為0.816，SPEI間的為0.798），如干旱中心和干旱范圍。這2種干旱指數(shù)對(duì)局部地區(qū)干旱強(qiáng)度的估計(jì)有些偏差，如喜馬拉雅山區(qū)域以及西南地區(qū)與東南地區(qū)交界處，但它們大致上表現(xiàn)出相似的干旱模式。因此，當(dāng)SPI和SPEI均用于量化干旱事件時(shí)，IMERG產(chǎn)品的性能通常具有很好的可靠性。然而，IMERG產(chǎn)品計(jì)算的CI識(shí)別的干旱空間特征有相對(duì)較大的偏差，如IMERG量化的干旱強(qiáng)度為?0.23而CPAP量化的干旱強(qiáng)度為?0.42。因此，在全球氣候變暖的背景下，借鑒Bai等得到了SPEI指數(shù)的性能優(yōu)于自適應(yīng)帕爾默干旱指數(shù)的結(jié)論[31]，以及本文得出的SPEI指數(shù)優(yōu)于CI指數(shù)的結(jié)果，或應(yīng)優(yōu)先選擇基于降水和其他氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱。

3 討論

盡管IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品計(jì)算的SPI、SPEI和CI指數(shù)均在中國(guó)干旱監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力，但它們的結(jié)果具有差異性，基于IMERG的SPEI在大部分地區(qū)比SPI和CI的性能更好。許多研究基于一種干旱指數(shù)評(píng)估衛(wèi)星降水產(chǎn)品在區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)中的適用性[3,7,16]，然而不同干旱指數(shù)的特性是有區(qū)別的，選用的干旱指數(shù)會(huì)影響評(píng)價(jià)衛(wèi)星降水產(chǎn)品應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)的精度，如本文的圖3和圖4。目前，IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品的時(shí)間序列相對(duì)較短（約20 a），但Sahoo等研究表明時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)短時(shí)期衛(wèi)星降水產(chǎn)品監(jiān)測(cè)干旱的結(jié)果影響很小[11]。隨著GPM IMERG的持續(xù)更新與發(fā)展，可以獲得更長(zhǎng)時(shí)間序列的IMERG降水產(chǎn)品。

4 結(jié)論

本文以地面網(wǎng)格CPAP（China Gauge-based Monthly Pprecipitation Analysis Product）數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，評(píng)估了回顧性IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM）降水產(chǎn)品在中國(guó)干旱監(jiān)測(cè)的適用性。選用單因素的SPI（Standardized Precipitation Index）和考慮全球變暖的 SPEI（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index）和CI（Composite Index of Meteorological Drought）干旱指數(shù)，從IMERG產(chǎn)品的誤差特性、干旱指數(shù)的時(shí)空格局、區(qū)域典型干旱事件的驗(yàn)證，分析了IMERG產(chǎn)品在干旱監(jiān)測(cè)方面的潛在性能。主要的結(jié)論如下：

1）針對(duì)降水量，IMERG與CPAP數(shù)據(jù)在中國(guó)的部分地區(qū)有一些差別，但其較好地捕獲了月均降水量的空間格局。在精度上，IMERG與CPAP數(shù)據(jù)的一致性較高，相關(guān)系數(shù)高于0.9的區(qū)域占大陸面積的73.7%，而在新疆和青藏高原地區(qū)具有較高的空間異質(zhì)性。

2）多時(shí)間尺度上，基于IMERG產(chǎn)品的SPI、SPEI和CI指數(shù)與CPAP結(jié)果的可靠性較高，除新疆和青藏高原之外地區(qū)的相關(guān)系數(shù)均高于0.8?？臻g上，IMERG與CPAP數(shù)據(jù)計(jì)算的干旱指數(shù)間在中國(guó)大部分地區(qū)的一致性較高。整體上，基于IMERG產(chǎn)品的SPEI較SPI和CI的適用性更好。

3）IMERG與CPAP數(shù)據(jù)計(jì)算的區(qū)域平均干旱指數(shù)和干旱面積比的過程曲線具有很高的匹配度。另外，基于IMERG產(chǎn)品的SPI和SPEI指數(shù)均能較好地模擬到典型干旱災(zāi)害在具體月份的空間特征，而CI指數(shù)的偏差相對(duì)較大。IMERG產(chǎn)品計(jì)算的不同干旱指數(shù)在西南地區(qū)能夠很好地反映干旱事件的發(fā)展過程，SPEI效果更佳。

總體而言，基于IMERG產(chǎn)品的SPI、SPEI和CI干旱指數(shù)在中國(guó)大部分地區(qū)具有較高的可靠性。僅考慮降水因素，基于IMERG產(chǎn)品的SPI指數(shù)可以用于監(jiān)測(cè)與評(píng)估干旱；在全球變暖的條件下，相比CI指數(shù)建議優(yōu)先考慮應(yīng)用SPEI指數(shù)，尤其在半干旱和干旱地區(qū)；CI指數(shù)較適用于沿海地區(qū)，如，華北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)。