TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在商洛地區(qū)的精度分析及訂正

楊榮芳，楊彬云，康曉甫

（1.河北省氣象技術(shù)裝備中心，河北 石家莊 050021；2.商洛市氣候適應(yīng)型城市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 商洛 726000 3.河北省氣象科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021）

商洛地區(qū)受氣候影響災(zāi)害性天氣頻發(fā)，由于該地區(qū)地形復(fù)雜，布設(shè)氣象站點(diǎn)困難，觀測實(shí)況資料相對缺乏，不能準(zhǔn)確監(jiān)測降水的空間分布和強(qiáng)度變化，給該地區(qū)的預(yù)報預(yù)警研究帶來困難。部署大量雨量計成本高、系統(tǒng)維護(hù)困難，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，因此引入天氣雷達(dá)以獲取較為準(zhǔn)確的降雨分布。天氣雷達(dá)可以獲得較高時空分辨率的降水分布，但是它探測面積有限，受下墊面和地理位置的影響嚴(yán)重，例如要處理波束遮擋、地物雜波、天氣垂向結(jié)構(gòu)變異性等諸多潛在觀測誤差。為了彌補(bǔ)臺站及天氣雷達(dá)對降水觀測的局限性和設(shè)備缺陷，填補(bǔ)資料缺乏的空白區(qū)域，引進(jìn)高空間分辨率的熱帶降水測量衛(wèi)星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）測雨雷達(dá)PR，可以在一定程度上彌補(bǔ)兩種觀測方式的不足。

熱帶降雨測量計劃TRMM 衛(wèi)星[1]，是1997 年由美國國家宇航局（NASA）與日本國家空間發(fā)展局（NASDA）聯(lián)合研制發(fā)射，2001 年8 月TRMM 衛(wèi)星軌道高度由350 km 抬升至402.5 km ，可覆蓋全球50°N～50°S 的范圍。

國內(nèi)外學(xué)者在不同地域?qū)RMM 衛(wèi)星降水的適用性和精度做了大量統(tǒng)計分析，研究表明TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品在天山、浙江及京津冀地區(qū)均有良好表現(xiàn)，與地面氣象站點(diǎn)觀測降水相關(guān)性較高，隨著時空尺度的增大，其精度有一定提高[2-4]，在流域精度評價與結(jié)果分析中，TRMM 降水產(chǎn)品能更好地反映流域真實(shí)降水信息，作為其他降水產(chǎn)品的有效補(bǔ)充[5-7]。衛(wèi)星具有探測范圍廣，時空分辨率較高的優(yōu)勢，因此TRMM 衛(wèi)星降水資料在干旱特征分布、水文研究、暴雨研究、預(yù)報模式的數(shù)據(jù)同化、熱帶氣旋等方面得到較好應(yīng)用。如利用TRMM 衛(wèi)星高時空分辨率降水對區(qū)域尺度的干旱進(jìn)行監(jiān)測和特征分析[8-9]，唐國強(qiáng)等[10]通過TRMM 衛(wèi)星產(chǎn)品評估，證明TRMM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在贛江流域具有替代地面站點(diǎn)觀測的潛力。盧怡等[11]利用TRMM 的微波成像儀（TMI）觀測到的亮溫資料分析了亮溫與熱帶氣旋強(qiáng)度之間的關(guān)系。傅云飛等[12]基于TRMM 衛(wèi)星探測資料對東亞降水云結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。Cesar 等[13]對TRMM 版本質(zhì)量在巴西南部進(jìn)行了評估，結(jié)果表明TRMM 極大地提高了對極端降水事件的定量識別，Savtchenko 等[14]利用17 a TMPA降水產(chǎn)品分析了在美國加利福尼亞州地區(qū)的降水變異。商洛地區(qū)山地多平地少，地勢起伏大，氣象站點(diǎn)分布稀少，很難直接通過插值手段獲取高時空分辨率的柵格化降水?dāng)?shù)據(jù)。因此引入基于TRMM 衛(wèi)星的遙感降水觀測數(shù)據(jù)彌補(bǔ)和訂正地面觀測站點(diǎn)的不足，以此提高商洛市降水的觀測質(zhì)量。

TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)精度及分布規(guī)律因研究區(qū)域所處地形、氣候條件等不同而有所差異，本文以商洛地區(qū)為研究區(qū)域，通過對比分析TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與商洛地區(qū)7 個國家站點(diǎn)的實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，評估衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在商洛地區(qū)的精度及其與季節(jié)、地形等相關(guān)因子的關(guān)系，分析TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)在該區(qū)域的探測誤差，并采用比值系數(shù)法對TRMM 月降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行訂正，為TRMM 衛(wèi)星降水產(chǎn)品在商洛地區(qū)的研究與應(yīng)用提供可信依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

商洛位于陜西東南部，地跨長江、黃河兩大流域，總體上西北部海拔高，東南部海拔低。位于暖溫帶和北亞熱帶過渡地帶，受冬夏季風(fēng)和青藏高原環(huán)流的影響，商洛氣候呈現(xiàn)四季分明，雨熱同季，冬干夏濕，干濕分明的氣候特征，干旱、連陰雨、暴雨、冰雹、霜凍等災(zāi)害性天氣時有發(fā)生。商洛自動站分布基本覆蓋鎮(zhèn)辦及大部分自然村（圖1），站點(diǎn)大部分部署在山區(qū)溝壑之中自然條件較好區(qū)域，平均間距在10 km 以上，嚴(yán)重影響對災(zāi)害性天氣的精細(xì)結(jié)構(gòu)探測能力。

圖1 商洛地形及國家地面站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先從降水測量計劃NASA 網(wǎng)站（https：//pmm.nasa.gov/）下載TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品資料，時間為2006—2015 年，時間分辨率為月，空間分辨率為0.25°×0.25°，版本為TRMM 3B43 V7，是由TRMM 3B42 數(shù)據(jù)產(chǎn)品、NOAA 氣候異常監(jiān)測系統(tǒng)（CAMS）的全球格點(diǎn)雨量測量器資料、全球降水氣候中心（GPCC）的全球降水資料聯(lián)合反演的降水產(chǎn)品。TRMM 數(shù)據(jù)是衛(wèi)星觀測月平均降水量產(chǎn)品，但數(shù)據(jù)記錄是每月的平均小時降水量（mm/h），本文通過Matlab 編程解析HDF 格式的降水資料，從中提取TRMM 降水速率層，利用經(jīng)緯度范圍從全球格網(wǎng)數(shù)據(jù)中裁剪出商洛地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)，通過小時累積計算得到研究時段內(nèi)各月區(qū)域格點(diǎn)平均降水量，對地面氣象站點(diǎn)和TRMM 衛(wèi)星格點(diǎn)數(shù)據(jù)按經(jīng)緯度進(jìn)行時空匹配[15]，得到商洛地區(qū)各氣象站點(diǎn)所在格網(wǎng)的TRMM 月降水?dāng)?shù)據(jù)，國家站點(diǎn)月平均降水量由日降水量累積計算得到。

地面氣象站點(diǎn)日降水量數(shù)據(jù)來源于全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）數(shù)據(jù)環(huán)境，時間為2006—2015 年，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明文檔，批量將站點(diǎn)日降水?dāng)?shù)據(jù)資料統(tǒng)計得到月降水?dāng)?shù)據(jù)。由于區(qū)域自動站沒有經(jīng)過質(zhì)控，經(jīng)檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，為準(zhǔn)確評估TRMM 衛(wèi)星降水量的精度，以商洛地區(qū)7 個國家地面站點(diǎn)實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)作為真值來檢驗(yàn)TRMM 數(shù)據(jù)在商洛地區(qū)的有效性，通過建立TRMM 衛(wèi)星與國家地面站的關(guān)系進(jìn)一步訂正區(qū)域自動站。

2.2 方法與指標(biāo)

本文采用統(tǒng)計分析指標(biāo)[15]：決定系數(shù)（R2）、相關(guān)系數(shù)（R）、相對偏差（Bias）和均方根誤差（RMSE）來評價TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)的精度。決定系數(shù)（Goodness of Fit）表示TRMM 衛(wèi)星降水回歸直線對觀測值的擬合程度，決定系數(shù)R2的值越接近1，TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)回歸直線對站點(diǎn)觀測值的擬合程度越好；相關(guān)系數(shù)R越大，TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)程度越高。相對偏差Bias用來衡量TRMM 衛(wèi)星觀測結(jié)果與雨量站點(diǎn)實(shí)測值之間的偏離程度，Bias越小準(zhǔn)確度越高；平均絕對偏差MAE和均方根誤差RMSE表示TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)在數(shù)值上的差異和離散程度。其中相對偏差（Bias）的正負(fù)值表示TRMM 數(shù)據(jù)高估（低估）站點(diǎn)降水。

其中，Gi表示地面觀測站點(diǎn)的觀測值，Ti表示TRMM衛(wèi)星降水表示真實(shí)觀測值的平均值表示衛(wèi)星降水?dāng)M合值，BIAS為相對偏差，RMSE為均方根誤差。

分析TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)評估結(jié)果，采用比值系數(shù)法來訂正TRMM 降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)，以國家站點(diǎn)數(shù)據(jù)（經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制）作為真值，計算站點(diǎn)與對應(yīng)TRMM 產(chǎn)品對應(yīng)柵格的關(guān)系[16]；利用兩者之間的關(guān)系作為訂正因子，并將訂正因子空間化；利用空間化的訂正因子與原始TRMM 數(shù)據(jù)對之前的關(guān)系進(jìn)行反推，得到訂正后的TRMM 數(shù)據(jù)。比值系數(shù)訂正法公式如下：

3 結(jié)果分析

以商洛市國家地面氣象站點(diǎn)為代表性個例，分析2006—2015 年的TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)在商洛地區(qū)的精度及訂正效果。

3.1 時間尺度TRMM 衛(wèi)星降水精度

3.1.1 月尺度

由2006—2015 年研究區(qū)域內(nèi)地面站點(diǎn)與TRMM 衛(wèi)星月平均降水量的統(tǒng)計（圖2）可知，TRMM 月降水量數(shù)據(jù)與實(shí)測站點(diǎn)降水量數(shù)據(jù)在時間序列趨勢保持一致，呈明顯的周期性特征。研究區(qū)內(nèi)降水量主要集中在夏季，尤其是7、8 月，月平均降水量達(dá)150 mm，而冬季降水量總體偏小。整體而言，站點(diǎn)實(shí)測降水量較大時，TRMM 降水量產(chǎn)品往往會低估降水量。這是由于TRMM 衛(wèi)星測雨雷達(dá)PR 能源和重量的限制，無法提供大范圍降水測量，另外PR發(fā)射電磁波波長大于地面雷達(dá)波長，波長越長對降雨的感知衰減程度越小，傳感器的分辨率變大敏感度隨之降低，因此衛(wèi)星感知不到＜0.7 mm/h 的降雨，從而導(dǎo)致衛(wèi)星觀測降水結(jié)果相對偏小。當(dāng)?shù)孛嬲军c(diǎn)實(shí)測降水量為0 時，衛(wèi)星觀測往往顯示存在降雨，結(jié)果通常不為0，這是由于TRMM 衛(wèi)星降水是聯(lián)合反演均降水量，當(dāng)氣象站點(diǎn)實(shí)測降水為0 時，網(wǎng)格內(nèi)其他區(qū)域可能有降水。商洛地區(qū)TRMM 月降水量產(chǎn)品存在高估站點(diǎn)降水量的現(xiàn)象，可能與研究區(qū)的山地高原地形有關(guān)。通常地面雨量站點(diǎn)多部署在地勢平坦的地區(qū)，地形越復(fù)雜地區(qū)，探測受到降水垂直結(jié)構(gòu)、云型等多重因素干擾，衛(wèi)星探測降水量誤差往往越大。另外，TRMM 衛(wèi)星觀測降水產(chǎn)品空間分辨率為0.25°，分辨率比較低，在地形比較復(fù)雜的山區(qū)，雨量觀測站點(diǎn)降水與TRMM 衛(wèi)星觀測降水?dāng)?shù)據(jù)匹配不準(zhǔn)。

圖2 2006—2015 年各月平均降水量

圖3 為地面站點(diǎn)月降水量與TRMM 衛(wèi)星月降水量的散點(diǎn)斜率圖，其中2006—2015 年7 個國家站點(diǎn)的有效擬合點(diǎn)數(shù)為840 個。由圖3 可知，擬合結(jié)果的決定系數(shù)相對較高，R2為0.805，表明TRMM 月降水量數(shù)據(jù)與地面實(shí)測站點(diǎn)基本吻合，時間序列可以較好地描述地面降水的趨勢；偏差Bias為0.005，＞0，說明TRMM 降水量結(jié)果值略高估站點(diǎn)實(shí)測值，TRMM 衛(wèi)星觀測結(jié)果與雨量站點(diǎn)實(shí)測值之間的偏離程度較小。RMSE和MAE相對較大，說明TRMM 月降水量數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測降水仍存在較大的偏差。

圖3 站點(diǎn)平均月降水量和TRMM 衛(wèi)星降水量的擬合結(jié)果

3.1.2 季尺度

在月降水量分析的基礎(chǔ)上，對各個月的結(jié)果按季度統(tǒng)計，分為春、夏、秋、冬4 個季度，春季為3—5月，夏季為6—8 月，秋季為9—11 月，冬季為12月—次年2 月。

圖4 為4 個不同季度雨量站點(diǎn)降水量資料與TRMM 衛(wèi)星降水量資料的擬合結(jié)果。由圖4 可知，不同季度擬合結(jié)果不同，其中秋季擬合結(jié)果的R2最大，表明TRMM 衛(wèi)星在秋季探測降水的能力最強(qiáng)，春季和夏季的R2結(jié)果也相對較大，而冬季的R2則明顯較低，R2為0.75，說明降水量較小時TRMM 衛(wèi)星觀測與實(shí)測站點(diǎn)的相關(guān)程度較低。R2表示的是兩組數(shù)據(jù)之間的密切程度，反映的是趨勢上的關(guān)系，并不能準(zhǔn)確的反映數(shù)據(jù)之間的偏差情況。冬季站點(diǎn)降水量與TRMM 衛(wèi)星降水量的決定系數(shù)最低，但是由于冬季降水量整體很小，因此冬季TRMM 降水量的均方根誤差和絕對誤差相較其他季節(jié)較小。

圖4 TRMM 衛(wèi)星與站點(diǎn)季降水?dāng)?shù)據(jù)散點(diǎn)（a 為春季，b 為夏季，c 為秋季，d 為冬季）

3.2 誤差指標(biāo)

表1 為國家站降水量與TRMM 月降水量數(shù)據(jù)擬合的統(tǒng)計結(jié)果。擬合優(yōu)度R2均在0.8 左右，說明國家站與TRMM 衛(wèi)星擬合程度較好，R2值最大的站為商州，其站點(diǎn)年平均降水量為734.84 mm，而R2值最小的站為商南和柞水，其年均降水量分別為842.39 和794.18 mm。站點(diǎn)降水量與TRMM 衛(wèi)星觀測值存在較小的偏差Bias，從Bias的數(shù)值可以看出，商州、洛南和鎮(zhèn)安3 個站為負(fù)值外，其余站均為正值，表明商州、洛南和鎮(zhèn)安3 個站上TRMM 衛(wèi)星觀測的降水結(jié)果低估了實(shí)際的降水量，而其余站均高估了實(shí)際的降水量，總體呈現(xiàn)高估實(shí)際降水量的現(xiàn)象。RMSE和MAE在數(shù)值上基本保持一致，最大值出現(xiàn)在商南站，此站位于陜西省東南部，地處中緯度偏南地帶，北部和西北部屬暖溫帶氣候區(qū)，中部和南部屬于北亞熱帶氣候區(qū)，由于北有秦嶺天然屏障，阻擋寒潮不易侵入，雨量充沛，受地形影響較大。柞水和鎮(zhèn)安位于秦嶺南麓，商洛市西南，受地形影響誤差也較大，地形復(fù)雜地區(qū)站點(diǎn)的代表性較差。TRMM降水量數(shù)據(jù)一個網(wǎng)格的大小約為27.5 km×27.5 km，而一個雨量站往往只能表示其站點(diǎn)2 km 范圍內(nèi)的降水情況，站點(diǎn)匹配時也存在偏差。

表1 國家站各雨量站點(diǎn)擬合結(jié)果統(tǒng)計

3.3 TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)訂正

衛(wèi)星反演降水量數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、時間序列長等優(yōu)勢，能夠在一定程度上彌補(bǔ)雨量站點(diǎn)不足，但其精度還需進(jìn)一步訂正。針對誤差指標(biāo)分析結(jié)果，利用2006—2015 年商洛各國家站降水?dāng)?shù)據(jù)對研究區(qū)內(nèi)TRMM 降水產(chǎn)品分別進(jìn)行了比值系數(shù)訂正，對訂正結(jié)果進(jìn)行誤差對比分析，結(jié)果見表2。利用比值系數(shù)訂正得到的TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)精度有很大提高，訂正后的TRMM 與氣象站點(diǎn)的決定系數(shù)R2均接近于1，平均相對誤差、偏差及均方根誤差均在一定程度上減小，分析比較表明，利用氣象站點(diǎn)對TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正的方法具有一定的可靠性。

表2 國家站點(diǎn)比值系數(shù)訂正前后誤差比較

4 結(jié)論

對比商洛地區(qū)國家氣象站2006—2015 年實(shí)測月降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站所在格點(diǎn)TRMM 月降水?dāng)?shù)據(jù)，從月和季時間尺度上對TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)精度進(jìn)行了評估。采用決定系數(shù)、相對誤差等統(tǒng)計分析方法，研究了精度評價指標(biāo)的時間分布特征，同時分析了地形、降水強(qiáng)度等因素對精度的影響，對TRMM 遙感降水量產(chǎn)品的時空適用性和站點(diǎn)誤差進(jìn)行了探討。利用比值系數(shù)法對TRMM 月降水量進(jìn)行了訂正。主要結(jié)論如下：

（1）TRMM 月降水量數(shù)據(jù)與實(shí)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)相關(guān)程度較高，國家站決定系數(shù)R2＞0.8，表明國家站降水和TRMM 月降水量有較好的擬合性；對月、季和年尺度的降水量結(jié)果進(jìn)行比較，季降水量結(jié)果的擬合結(jié)果較月降水量有所提高，TRMM 衛(wèi)星觀測降水與站點(diǎn)實(shí)測降水吻合度隨著時間累積有所越高。

（2）研究區(qū)內(nèi)TRMM 降水量產(chǎn)品存在明顯低估實(shí)際降水量的現(xiàn)象，利用比值系數(shù)法對TRMM 降水量產(chǎn)品進(jìn)行偏差訂正。驗(yàn)證結(jié)果表明，訂正后的TRMM 月降水結(jié)果偏差更小，決定系數(shù)更高。

（3）通過研究TRMM 降水產(chǎn)品在商洛的精度，選擇與氣象站相關(guān)性較好、均方根誤差較小的山區(qū)，利用實(shí)測降水資料與TRMM 降水產(chǎn)品建立關(guān)系模型，利用校準(zhǔn)系數(shù)對該區(qū)域內(nèi)所有的TRMM 格點(diǎn)資料進(jìn)行訂正，最終求得該區(qū)域平均面雨量。

綜上所述，TRMM 衛(wèi)星降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)在商洛地區(qū)的精度較高，適用性較強(qiáng)。通過實(shí)測站對TRMM 數(shù)據(jù)進(jìn)行精度誤差訂正，為其在商洛地區(qū)的水文模擬預(yù)報、農(nóng)業(yè)及氣候研究的應(yīng)用提供參考價值。