TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)在江蘇省的適用性評價

許珊珊

(惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司,廣東 惠州 516000)

降水是水循環(huán)中時空變異性最為明顯的要素,準確掌握降水信息對區(qū)域水資源管理、水文預報、旱澇災害分析及生態(tài)環(huán)境治理都具有重要意義[1]。目前中國已建立起相當多的氣象和雨量站來觀測降水,然而由于降水過程的復雜性,臺站觀測不易捕捉到全部的降水特征。并且由于站點空間分布不均,導致基于站點數(shù)據(jù)插值的空間化降水信息精度不高,限制了其應用范圍[2-4]。

為了滿足水文氣象研究和生產(chǎn)實踐需要,目前國際上普遍采用基于遙感觀測的降水產(chǎn)品。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋面廣、時效性強、空間分辨率高等特點,已成為獲取全球降水數(shù)據(jù)的重要手段[5-6]。其中,最具代表性的是TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星降水產(chǎn)品,TRMM衛(wèi)星于1997年發(fā)射成功,至今已積累了海量的全球降水數(shù)據(jù),具有良好的應用前景。很多學者對TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的適用性進行了評估,比如駱三利用全國673個氣象站點的夏季降水資料檢驗了同期TRMM測雨產(chǎn)品的精度[6];嵇濤等[7]評估了TRMM數(shù)據(jù)在川渝地區(qū)的適用性,并分析了高程和坡度對結果的影響;吳健等[8]利用19個氣象站點數(shù)據(jù)評估了TRMM數(shù)據(jù)在喀斯特地區(qū)的適用性;田苗等[9]利用4個氣象站點的資料檢驗了TRMM數(shù)據(jù)在江蘇的應用效果;以及較多學者對TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)在缺資料的青藏高原的適用性進行了探究[10-13]。雖然學者們對TRMM數(shù)據(jù)在不同地區(qū)不同尺度上的適用性進行了分析,然而這些研究選取的實測對比站點密度較低,平均每個TRMM降水網(wǎng)格內的實測站點均小于1,鮮有學者對TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)進行高密度的檢驗評估工作。

TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的一大優(yōu)勢為觀測范圍廣,可應用至無資料地區(qū)的降水反演。然而稀疏的臺站實測資料無法檢驗到每個TRMM降水網(wǎng)格,因此高密度檢驗評估工作具有較大重要性。江蘇省地處中國大陸東部,地形以平原為主,省內站網(wǎng)分布密集,且總體布局合理,具備進行高密度檢驗的基礎條件[14]。本文選用江蘇省內167個雨量站點的實測資料,與TRMM降水數(shù)據(jù)進行對比分析,該研究可以深入了解TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)的精度,為TRMM降水產(chǎn)品在其他地區(qū)的應用提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究方法

本研究以臺站實測資料為基準,對TRMM降水產(chǎn)品進行檢驗。研究中利用到以下對比要素和數(shù)據(jù)評價指標。

1.1.1降水頻率

根據(jù)駱三等[6]的研究,本文將每個站點或每個柵格日降水大于2.4 mm的天數(shù)占總天數(shù)的百分比作為降水頻率。

1.1.2空演與漏演

根據(jù)駱三等[6]的研究定義如下:漏演——反演無降水,實況出現(xiàn)降水;空演——反演有降水,實況無降水,見式(1)、(2):

(1)

(2)

式中 LY——漏演率;KY——空演率;TL——漏演的天數(shù);TK——空演的天數(shù);T——總天數(shù)。

1.1.3降水分級

按照國家氣象局分級標準對降水進行分級研究,以實測降水為基準,24 h降水量0.1～9.9 mm為小雨,10.0～24.9 mm為中雨,25.0～49.9 mm為大雨,大于等于50 mm為暴雨。

1.1.4數(shù)據(jù)評價指標

以實測降水量數(shù)據(jù)為基準,利用相關系數(shù)(R)來檢驗TRMM數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的相關性,利用平均絕對偏差(MAE)、平均相對誤差(MRE)2個指標衡量2種數(shù)據(jù)相似程度,見式(3)—(5):

(3)

(4)

(5)

分析實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)所顯示的降水年際變化幅度,可以用變差系數(shù)Cv來表示:

(6)

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究利用臺站實測資料分別對TRMM月降水產(chǎn)品、日降水產(chǎn)品進行檢驗。TRMM降水產(chǎn)品是TRMM衛(wèi)星與其他衛(wèi)星聯(lián)合反演的降水產(chǎn)品,提供全球格點降水資料。產(chǎn)品首先訂正熱帶測雨衛(wèi)星(TRMM)微波成像儀(TMI)資料,并聯(lián)合SSM/I、AMSR-E、AMSU-B資料估值降水,其次利用全球降水氣候計劃(GPCP)的紅外降水估值訂正微波降水,再進行微波和紅外資料聯(lián)合估值,最后再與逐月的雨量計觀測資料匹配[6]。研究中采用的TRMM月降水產(chǎn)品為TRMM 3B43降水數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)以月時間為尺度;采用的TRMM日降水產(chǎn)品為TRMM 3B42降水數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)以日時間為尺度。本文在時間上把衛(wèi)星資料的世界時間轉換為北京時間;在空間上,利用雙線性插值法把衛(wèi)星資料處理為與站點相同經(jīng)緯度位置點的資料。TRMM數(shù)據(jù)均來自NASA,空間分辨率為0.25°×0.25°,資料年限2000年1月—2013年12月。地面降水數(shù)據(jù)則選用了與遙感數(shù)據(jù)同期的江蘇省167個雨量站點的實測日降水數(shù)據(jù),來源于江蘇省水文水資源勘測局整編成果,數(shù)據(jù)有嚴格的質量控制和均一化訂正,雨量站點分布見圖1。根據(jù)顯示,研究范圍內有155個TRMM衛(wèi)星降水網(wǎng)格,平均每個降水網(wǎng)格分布1個雨量站點。研究中取雨量站實測降水數(shù)據(jù)與所在網(wǎng)格的TRMM降水數(shù)據(jù)進行對比分析,若一個網(wǎng)格涉及多個雨量站點,則取雨量站點降水均值與之對比。

圖1 研究區(qū)TRMM網(wǎng)格與雨量站點分布

2 TRMM衛(wèi)星降水與實測降水對比分析

2.1 降水空間分布

根據(jù)實測降水數(shù)據(jù)和TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別得到江蘇省的多年平均降水量,利用雙線性插值法對實測數(shù)據(jù)進行處理,得到多年平均降水量空間分布(圖2)。

a)實測

b)TRMM

由圖2可以看出,在多年平均尺度上(2000—2013年),臺站實測多年平均降水量范圍為683～1 260 mm,TRMM多年平均降水量范圍為823～1 427 mm,較實測降水量大,其中最低值偏大140 mm,最大值偏大167 mm。盡管兩者在數(shù)值上有差異,但在降水的空間分布上呈現(xiàn)較一致的規(guī)律,總的來說,江蘇省多年平均降水由南向北遞減,蘇州、無錫、常州及南京一帶為降水高值區(qū),徐州、連云港及鹽城北部為降水低值區(qū),這與孫振利等[14]在江蘇做出的結果一致。

2.2 日值3B42數(shù)據(jù)

2.2.1降水頻率空間分布

根據(jù)實測日資料和TRMM 3B42日值數(shù)據(jù)分別得到江蘇各站點2000—2013年的降水頻率,空間分布見圖3。實測資料降水頻率為11%～23%,平均降水頻率為16.4%。TRMM衛(wèi)星資料降水頻率為12%～26%,總體大于實測降水頻率,這與Zhou等[15]、駱三等[6]做出的結果一致。TRMM衛(wèi)星資料的平均降水頻率為16.7%,與實測資料相近,但兩者的相關性系數(shù)僅0.74,較駱三等[6]在全國范圍內得到的相關性系數(shù)差,主要原因是駱三僅檢驗了夏季降水,而本文檢驗了全年降水。從圖3可以看出,TRMM衛(wèi)星資料與實測資料降水頻率分布存在些許差異,實測資料降水頻率從南向北遞減,降水頻率最高值在常州、無錫以及太湖一片,最低值在最北的徐州市;TRMM資料降水頻率的分布規(guī)律性不那么明顯,大致江蘇南部降水頻率高,北部少,最高值分布在蘇州市。但在揚州以及徐州和宿遷交界處降水頻率也存在兩處高值區(qū),這與圖1相吻合,揚州以及徐州和宿遷交界處降水多年平均值較其周邊地區(qū)高。

a)實測

2.2.2漏演、空演

根據(jù)漏演率和空演率的定義,得到2000—2013年江蘇實測有降水而TRMM反演無降水以及實測無降水但反演有降水的具體情況,漏演率和空演率空間分布見圖4。

a)漏演率

漏演率的范圍為4.8%～16.0%,平均漏演率為9.9%,空間分布上呈現(xiàn)自南向北遞減的趨勢,最低值在徐州市,最高值在常州市。空演率的范圍為4.3%～32.7%,盡管空演率的最大值很大,可是空演率大于16%的僅9個站,大于20%的僅3個站,因此平均空演率較平均漏演率低,僅為8.9%。從空間分布上看,空演率最大值在徐州和宿遷的交界處的窯灣站和皂河閘站,平均空演率為30.96%,TRMM數(shù)據(jù)在該地的應用性不強。次大值在徐州市的北部和蘇州的東部,最小值在鹽城市。江蘇省內漏演率和空演率值均較低的是連云港市和宿遷市,可見TRMM在該兩地的反演準確度較高,可用TRMM反演數(shù)據(jù)較為準確地判別實際情況是否有降水。

2.2.3降水分級

以實測逐日降水資料為基準進行降水分級,利用相對誤差檢驗TRMM數(shù)據(jù)對各級降水的精度。誤差空間分布見圖5。

c)大雨

小雨相對誤差最高值在洪澤東雙溝站,該站相對誤差達10.8,除該站外,其余站點相對誤差范圍為2.1～4.8,省內小雨平均相對誤差為3.49,除最高值外,高值中心主要分布在宿遷市以及蘇州市,TRMM衛(wèi)星在這兩地的小雨反演精度較差。相對誤差低值主要分布在鹽城市,TRMM在此地對小雨的反演精度較大。中雨相對誤差范圍為0.67～1.02,平均相對誤差為0.81,在全省范圍內出現(xiàn)多個高值中心,分別位于洪澤湖附近、揚州市,南京市以及連云港市,低值主要分布在南通和徐州市。大雨相對誤差范圍為0.49～0.80,平均相對誤差為0.60,在淮安、宿遷、連云港市精度差,相對誤差最大值依舊是洪澤東雙溝站,但江蘇南部大雨相對誤差整體較小,精度較高,除此以外徐州北部的精度也較好。暴雨的相對誤差范圍為0.37～0.72,平均相對誤差為0.51,空間分布與大雨相對誤差空間分布結果相似,在江蘇南部效果較好,在江蘇北部效果較差,但徐州市例外。

整體而言,TRMM在江蘇的各級降水中對小雨測量的相對誤差較大,對中雨、大雨、暴雨測量的相對誤差較小,產(chǎn)生這種結果的主要原因是TRMM衛(wèi)星降水雷達的工作波長為Ku波段,其波長較短,對衰減敏感,特別在垂直方向上經(jīng)過強衰減后,訂正值依舊偏小。

2.3 月值3B43數(shù)據(jù)

從圖6可以看出,江蘇省167個站點的TRMM 3B43月降水數(shù)據(jù)與實測月降水相關性系數(shù)較好,范圍為0.84～0.96,平均相關系數(shù)為0.91,在徐州、連云港北部相關性較好,在江蘇南部、洪澤湖周邊相關性略差。絕對誤差范圍為15.4～38.6 mm,平均值為22.4 mm,與相關性系數(shù)呈現(xiàn)較一致的規(guī)律,在徐州、連云港絕對誤差小,精度較高;在江蘇南部,洪澤湖周邊絕對誤差較大,精度較低。選取相關性系數(shù)最高、最低值所在站點,得到TRMM 3B43月數(shù)據(jù)與地面實測降水散點圖,見圖7。從圖中可以看出TRMM 3B43月數(shù)據(jù)與地面實測降水資料之間相關性較好,有應用的可行性。

a)相關系數(shù)

b)絕對誤差

a)相關性系數(shù)最高站點

2.4 變差系數(shù)

根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出實測年降水資料,由誤差較小的TRMM 3B43月資料統(tǒng)計出TRMM降水年值,分別得到實測降水數(shù)據(jù)和TRMM降水數(shù)據(jù)的變差系數(shù)分布(圖8)。從圖中可以看出,實測降水和TRMM降水的變差系數(shù)大體上呈現(xiàn)較一致的規(guī)律,江蘇南部變差系數(shù)小而江蘇北部變差系數(shù)大,即江蘇南部年降水量波動小,而江蘇北部年降水量波動大。但實測降水數(shù)據(jù)的變差系數(shù)范圍為0.09～0.36,TRMM降水的變差系數(shù)范圍為0.06～0.30,可以看出實測降水數(shù)據(jù)的變差系數(shù)明顯高于對應的TRMM降水的變差系數(shù),說明在江蘇地區(qū)TRMM降水的逐年差異性小于實測降水。

a)實測

b)TRMM

3 結論

在江蘇省內利用167個雨量站點資料對TRMM衛(wèi)星資料日降水數(shù)據(jù)和月降水數(shù)據(jù)進行了檢驗和分析對比,得到以下結論。

a)在多年平均尺度上,TRMM降水數(shù)據(jù)和實測降水數(shù)據(jù)空間分布上相似,多年平均降水從南向北遞減,但TRMM降水值高于實測降水量。

b)在日尺度上,TRMM 3B42數(shù)據(jù)降水頻率為12%～26%,總體大于實測降水頻率(范圍為11%～23%),實測降水頻率呈現(xiàn)從南向北遞減的規(guī)律,而TRMM 3B42數(shù)據(jù)降水頻率不是很明顯。漏演率范圍為4.8%～16.0%,從南向北遞減;空演率范圍為4.3%～32.7%,在蘇州東部及徐州市較高;連云港市和宿遷市漏演率和空演率均較低,在該兩地可用TRMM反演數(shù)據(jù)較為準確地判別實際情況有無降水。江蘇省內,TRMM數(shù)據(jù)對小雨測量的相對誤差較大,平均相對誤差為3.49,對中雨、大雨、暴雨的相對誤差較小,平均相對誤差分別為0.81、0.60、0.51。

c)在月尺度上,TRMM 3B43數(shù)據(jù)與實測降水數(shù)據(jù)相關性系數(shù)范圍為0.84～0.96,絕對誤差范圍為15.4～38.6 mm,在徐州、連云港北部相關性較好,在江蘇南部、洪澤湖周邊相關性略差。TRMM 3B43數(shù)據(jù)與地面實測數(shù)據(jù)一致性程度整體較高。

d)在年尺度上,比較了實測降水數(shù)據(jù)與TRMM降水數(shù)據(jù)的變差系數(shù),兩者呈現(xiàn)較一致的規(guī)律,江蘇南部年降水量波動小,北部波動大。

總的來說,通過江蘇省內密集實測站點的各個尺度的分析檢驗,發(fā)現(xiàn)TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)和實測降水數(shù)據(jù)在江蘇省內呈現(xiàn)較一致的規(guī)律,應用性較強,可將TRMM數(shù)據(jù)應用到江蘇的水循環(huán)研究、水資源管理和農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)中。