TRMM-3B43降水產品在新疆地區的適用性研究

盧新玉， 魏鳴， 王秀琴， 向芬

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,南京　210044； 2.新疆氣象臺,烏魯木齊　830002；3.昌吉州氣象局,昌吉　831100； 4.湖北省氣象信息與技術保障中心,武漢　430074)

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TRMM-3B43降水產品在新疆地區的適用性研究

盧新玉1,2， 魏鳴1， 王秀琴3， 向芬4

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,南京210044； 2.新疆氣象臺,烏魯木齊830002；3.昌吉州氣象局,昌吉831100； 4.湖北省氣象信息與技術保障中心,武漢430074)

摘要：為研究熱帶降雨測量計劃衛星(tropicalrainfallmeasuringmission,TRMM)-3B43(簡稱“TRMM”)降水產品在新疆地區的適用性，利用1998—2013年TRMM月降水量產品與新疆地區105個國家氣象站點的降水觀測結果，通過統計分析分別在年、季和月尺度上進行驗證。結果表明：TRMM估算的年降水量與新疆地區實測降水具有很高的一致性(平均偏高5.29%)； 與氣象站點實測的季尺度降水數據決策系數較高，相關系數均在0.7以上； 與氣象站點實測的月降水數據的相關系數為0.75，表明兩者之間相關性較顯著，數據精度較高。就單個氣象站點而言，大部分TRMM降水數據與氣象站點實測降水數據相關系數較高，誤差在30%以內，整體相關系數達到0.81，說明TRMM降水數據與氣象臺站點實測降水數據的一致性較好； 但TRMM降水產品在時間和空間上具有一定的偏差，使用中需要進一步訂正。

關鍵詞：熱帶降雨測量計劃衛星(TRMM)-3B43數據； 降水； 適用性； 新疆地區

0引言

在數值天氣預報、氣候模式及氣候診斷等研究中都需要精確估測降水，而降水的高時空變化是影響降水估測精度的主要原因。遙感數據和地面觀測數據具有各自的優勢與不足： 遙感數據估測降水的面積大，但所進行的測量是瞬間測量，數據的準確性需要驗證； 地面站點對降水數據的實測是1個單點的連續測量，在面積上缺乏代表性； 但從1個長時間序列上分析，兩者應有一致的相關性。傳統的雨量計觀測網為一定區域提供了相對精確的降水量測量結果，而衛星遙感數據在地面氣象觀測數據缺乏的地區有明顯優越性。利用雨量計觀測數據對遙感數據進行準確性檢驗，對全面了解該地區降水時空分布具有重要意義。

熱帶降雨測量計劃衛星(tropicalrainfallmeasuringmission,TRMM)是世界上第一顆搭載測雨雷達的衛星，除測雨雷達外還攜帶了微波成像儀、可見光和紅外掃描儀、云和地球輻射能量系統以及閃電成像傳感器等探測儀器。其中，測雨雷達與微波成像儀相結合，首次提供了三維降水分布信息； 結合可見光和紅外掃描數據，大大提高了降水反演的精度。星載雷達降水反演已成為當前降水反演研究中的重要研究領域[1]。TRMM-3B43 產品由4類相互獨立的降水數據綜合而成，包括微波及近紅外等傳感器融合估算數據，美國國家海洋和大氣管理局(thenationaloceanicandatmosphericadministration,NOAA)以及全球降水氣候中心(globalprecipitationclimatologycentre,GPCC)的降水雨量計分析數據等，是衛星數據結合其他降水數據源聯合反演的最佳降水率產品[2]。本文選用了1998—2013年TRMM-3B43的月時間尺度0.25°×0.25°空間分辨率的降水產品。2011年6月30日TRMM降水產品的反演算法由V6版本升級為V7版本，發布的數據產品精度進一步提高[3]。基于TRMM測雨產品的成功，2014年2月又發射了全球降水觀測(globalprecipitationmeasurement,GPM)衛星。這是1個由1顆主衛星和8顆小衛星組成的衛星群，可實現3h覆蓋全球的觀測，其南、北緯65°的覆蓋范圍使新疆地區成為重要的研究區域。深入分析TRMM及GPM測雨產品在新疆地區的適用性，對評估新疆地區水資源分布具有重要意義。

TRMM衛星從1997年11月發射至今已積累了17a的降水數據，國內外學者在TRMM數據的精度驗證方面做了大量研究[4-12]，但對新疆地區降水數據的研究還較少。楊艷芬等[13]等利用TRMM-3B42日數據對西北干旱區進行了精度驗證，指出TRMM遙感降水數據在西北干旱區難以直接應用，需要做進一步糾正處理； 季璇等[14]利用TRMM-3B42日降水產品對新疆中天山地區進行了精度驗證，指出該數據對日降水事件的估計準確率較低，該降水產品的質量不高； 王曉杰等[15]利用TRMM-3B43產品對天山及其周邊地區進行了適用性研究，認為TRMM-3B43月降水產品在天山山區有很好的適用性。但上述研究多是運用TRMM-3B42日降水數據； 對月尺度降水產品只在天山及其周邊地區進行了研究，得出的結論也不盡相同； 而利用TRMM-3B43V7月降水產品對新疆其他地區以及整個新疆地區的研究還鮮有報道。因此，本文針對新疆全區在氣象臺站降水觀測的基礎上，對比分析1998―2013年TRMM-3B43數據在時間和空間上的精度； 并以該數據為基礎，全面分析新疆地區降水的空間格局和季節分布特征，為新疆地區降水研究提供信息。

1研究區概況

以新疆維吾爾自治區為研究區，其處于典型的溫帶大陸性干旱氣候帶，年均降水量155mm。區內山脈融雪形成眾多河流，綠洲分布于盆地邊緣和河流流域，總面積約占全區面積的5%，具有典型的綠洲生態特點。新疆降水存在比較明顯的時空分布不勻性——山區降水多于平原與盆地，北疆降水多于南疆，且降水量從西北向東南部漸減； 在時間分布上，降水主要集中在夏季，夏季降水量占全年降水量的60%以上[16]。研究區105個氣象站點與高程分布如圖1所示。

圖1　研究區高程及氣象站點分布

2數據與方法

2.1數據來源

本文使用的TRMM-3B43V7(以下簡稱“TRMM”)遙感數據來自于美國NASA網站(http: //storm-pps.gsfc.nasa.gov/storm)2012年5月公布的1998—2013年月降水產品，空間分辨率為0.25°×0.25°(大約25km)，覆蓋范圍在W180°～E180°，N50°～S50°之間，時間分辨率為1個月。TRMM-3B43為TRMM數據的3級產品，是在其2級產品的基礎上經過空間和時間平均后得到的，V7為TRMM產品的最新降水反演版本[17]。

氣象臺站的實測月降水資料由新疆氣象局信息中心提供，其時間尺度與遙感數據一致。本文選用月降水資料的獲取時間為2月和7月，分別代表新疆地區降水少和降水多的2個月份。圖2示出1998—2013年氣象臺站的年均降水量及2月和7月的月降水量。

(a) 年降水量/mm(b) 2月份降水量/mm(c) 7月份降水量/mm

圖2新疆地區氣象站點年降水量、2月和7月降水量

Fig.2AverageannualrainfallaswellasFebruaryandJulyaveragemonthlyrainfallformeteorologicalstationsinXinjiang

2.2數據處理及精度評價

每個TRMM數據產品均有降水率和相對誤差2個數據集，存儲格式為HDF。使用IDL語言讀取與氣象臺站地理位置相對應的TRMM降水率，再分別乘以各月的總小時數將其轉換為月降水量數據，進而得到季降水量和年降水量數據； 然后采用相對誤差δ、相關系數R及均方根誤差RMSE等統計參數對觀測值與TRMM數據進行分析，其計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

3 結果與分析

3.1總體精度評價

對TRMM數據在整個新疆地區的精度進行綜合分析。將新疆地區105個國家氣象站點實測的1998—2013年各年的月數據同與其對應地理位置的TRMM降水數據進行對比，其散點趨勢見圖3。

圖3　1998—2013年TRMM與實測月降水量散點趨勢

由圖3可以看出，TRMM月降水量與氣象臺站觀測的月降水量的決策系數R2=0.562 8，相關系數R=0.75，并通過了置信度0.01的檢驗，說明TRMM與站點觀測數據之間具有顯著的線性相關關系。從檢驗結果可知，TRMM數據在整體上具有較好的精度。

3.2年降水量檢驗

將TRMM月降水數據與新疆地區所有站點實測的月降水數據統計為年降水數據，并做出時間序列圖，在“年”時間尺度上對TRMM降水的精度進行對比(圖4)。

圖4　TRMM與站點觀測1998—2013年降水量對比

由圖4看出，新疆地區1998—2013年，除2001年TRMM年降水比站點的實測降水略偏低外，其余年份均高于實測降水(平均偏高9mm)； 但TRMM降水與站點實測降水的總體變化趨勢一致。

3.3季降水量檢驗

新疆地區為溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少，季節分配不均，夏季降水多于冬季。為進一步分析季節的不同是否會給TRMM降水產品的反演帶來差異，對TRMM降水數據進行了“季”時間尺度上的精度驗證。對整個研究區105個地面氣象站點16年的降水數據分別按春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—翌年2月)進行統計，并與同期的氣象站點實測降水數據進行線性擬合，結果如圖5所示。可以看出，春、秋、冬季的擬合度相當，夏季的決策系數最低(R2=0.49),但總體來看4個季節的擬合度相差不大。

圖5　不同季節TRMM與實測季降水量散點圖

表1為不同季節TRMM數據與實測季降水誤差統計。可以明顯看出，大降水量主要發生在夏季，而夏季也產生最大的均方根誤差(57.39mm)，降水最少的冬季則產生最大的偏差(7.35mm)。

表1　不同季節TRMM與實測季降水誤差統計

3.4月降水量檢驗

將1998—2013年TRMM逐年逐月降水數據與對應站點實測的月降水數據制作成降水時序圖。圖6為每年1月份的降水時序圖。限于篇幅，其他月份降水時序圖沒有列出。

圖6　TRMM與站點觀測1月份降水量時序圖

由圖6可以看出，TRMM每年1月降水數據與對應站點實測每年1月降水數據的總體變化趨勢是一致的。而從圖7可以明顯地看出，除春季和9―10月TRMM降水數據小于實測降水外，其余月份TRMM降水數據均大于實測降水，呈現出在春、秋季易出現雨、雪轉換頻繁的情況下，TRMM降水數據會產生低估現象； 而在夏、冬季降水相對穩定的時期，TRMM降水數據又會出現高估現象。這有待進一步分析其產生的原因，從而提高TRMM降水產品的反演精度。在降水量較少的1―2月和11―12月TRMM降水數據普遍大于站點實測降水量，其中1月和12月多年平均差值近3mm。

圖7　1998—2013年TRMM與實測月均降水量對比

圖8為1998—2013年TRMM與實測降水的1―12月份月平均降水量的擬合結果。

圖8　1998—2013年TRMM降水與地面觀測站各月平均降水量散點圖

從圖8可知，擬合效果較好的為1,10,11和12月份的TRMM降水與地面觀測站降水量，決策系數分別為0.603 5,0.571 5,0.629 5和0.592 9，相應的相關系數均在0.75以上，表現出較好的一致性。其他月份的決策系數都在0.5左右； 決策系數最差的為6月份(0.450 4)，相關系數為0.67。

3.5數據個體精度檢驗

從月、季、年3個尺度降水的檢驗結果可以看出，TRMM降水數據在整體上精度較高，但整體檢驗只能說明總的趨勢一致，掩蓋了少數站點數據與對應TRMM降水數據之間的差異； 尤其是降水作為離散的氣象要素，其本身會受到很多因素(如地形、經緯度、海拔、坡度、坡向、大氣環流及海陸位置等)的影響。因此，僅僅對TRMM降水數據進行總體精度評估是不夠的，還需對其個體數據進行各個站點的驗證。將105個氣象站點1998—2013年實測月降水數據分別與其對應的TRMM降水數據作相關分析，得到TRMM數據與氣象站點實測數據之間的相關系數分布圖(圖9)。紅色數字為相關系數小于0.5的站點相關系數。

由圖9可以看出： 大部分氣象站點的月降水實測數據與TRMM的月降水數據之間的相關性較好(相關系數為0.6～0.9)，進一步證明了TRMM月降水數據在整個新疆地區具有普遍的適用性。氣象站點實測數據與TRMM月降水數據之間的相關系數表現出不均勻性，有4個站點的相關系數在0.5以下，分別是塔什庫爾干(0.14)、于田(0.42)、溫泉(0.35)和鄯善(0.44)，說明這4個站點實測的降水數據與TRMM月降水數據之間的相關性較差。其中塔什庫爾干站點的相關系數最小，這可能與該站點所處的局部地勢、地貌有關。該站點處于高海拔地區(3 014～5 456m)，地形起伏明顯，高程為3 093.7m。從高程圖(圖1)中可以看出，在以該站點為中心的625km2內，站點正處于相對較低的位置，而站點的西南與東北地區海拔均在4 000m以上，地勢高度在整體上呈“S”型。由于TRMM衛星主要針對熱帶低緯度地區進行觀測，因此在中、高緯度，聯合其他探測儀器進行的降水反演會表現出不確定性[12]。由于TRMM數據的1個像元代表625km2面積上的降水總體信息，而氣象站點實測降水數據不能全面代表站點周圍625km2范圍內的降水狀況，地勢越復雜則代表性越差。

盡管相關系數能夠反映站點實測降水數據與TRMM月降水數據之間相關性的大小，但也容易掩蓋2種降水數據之間實際的誤差程度，這正好說明了研究相對誤差的重要意義[16]。基于此，利用式(3)計算了各站點實測降水數據與TRMM年降水數據之間的相對誤差(圖10)。因圖面限制，只表示出105個站點中的35個站點。

圖1035個氣象站點與TRMM數據對應像元1998—2013年均降水量對比

Fig.10Comparisonbetweeneverageannualprecipitationofcorrespondingpixels

observedbyTRMMand35meteorologicalstationsfrom1998to2013

由圖10可以看出： ①在105個實測氣象站點中，木壘和新源等41個站點的相對誤差小于0，說明這些站點的TRMM月降水數據小于實測站點月降水數據，衛星降水數據存在一定的低估; ②托克遜和七角井等64個氣象站點的相對誤差大于0，表示這些站點的TRMM月降水數據大于實測站點月降水數據，衛星降水數據存在一定程度上的高估。各氣象站點的誤差統計情況如表2所示。

表2　TRMM與臺站實測年降水量誤差統計

從表2可以看出，在105 個實測氣象站點中，有48個氣象站點的誤差在20%以內，說明這些氣象站點的TRMM月降水數據與實測站點降水數據的差異較小，在一定程度上能夠反映出TRMM降水數據的準確性。

各實測氣象站點之間的相對誤差具有不均勻性，差異明顯。其中莎車、額敏、伊寧、英吉沙、特克斯、富蘊、阿克陶及沙灣8個氣象站點的相對誤差在±1%以內，說明TRMM月降水數據和這些氣象站點實測降水之間有非常好的一致性； 而超過±50%誤差的站點達到了30個，尤其是鄯善、焉耆、和靜、塔什庫爾干、七角井、吐魯番及托克遜7個站點的誤差超過了100%，說明在這些站點TRMM降水數據的高估超過了1倍，通過計算該7個站的年平均降水量只有45mm； 誤差在-40%以上的天池、木壘、小渠子、米泉、新源、白楊溝6個站點的年平均降水量則達482mm，均位于新疆降水比較充沛的地區。以上情況證明了TRMM降水數據在降水較少的區域容易高估降水、而在降水量較多的區域容易低估降水的現象，這與吳雪嬌等[18]的研究結果是一致的。

圖11給出了新疆105個氣象站點實測的1998—2013年的年均降水量與對應的TRMM年均降水數據的散點圖。

圖11　1998—2013年新疆地區105個觀測站實測與

從圖11可以看出，雖然通過上述分析相對誤差在±30%以上的站點占到新疆全區國家站點的40%，但其相關系數卻達到了0.81，而且無論從整體精度評價，還是年降水量、季降水量、月降水量檢驗來看，都說明TRMM降水數據與臺站實測降水具有很好的一致性； 同時也說明TRMM降水產品的偏差在時間和空間上具有一定的規律性，在具體使用中需要進一步訂正處理[11,15]。

4結論與建議

4.1結論

利用1998—2013年TRMM月降水量產品與新疆區域所有105個國家氣象站的降水觀測結果，通過統計分析，分別在年、季和月尺度上進行了驗證，得到以下結論：

1)TRMM估算的年降水量在新疆地區與實測降水具有較高的一致性，平均偏高 5.29%。

2)TRMM與氣象站點的季尺度降水數據決策系數較高，各季決策系數差別不大，相關系數均在0.7以上； 并呈現春、秋季節降水低估，夏、冬季節降水高估現象。

3)TRMM的月數據與站點實測降水數據決策系數R2=0.562 8，相關系數 R=0.75，表明二者之間相關性顯著，數據精度較高，其中擬合效果最好的是11月(R2=0.629 5)，最差的是6月(R2=0.450 4)；

4)對105個氣象臺數據準確性逐個進行分析，發現大部分站點的相關系數較高，誤差較小，但塔什庫爾干、米泉、阿克達拉、阿拉山口、鄯善、溫泉、于田等站點的相關系數較低，誤差相對較大； 從各站點的相對誤差分析得到，大部分站點(60%)相對誤差在±30%以內，整體相關系數達到了0.81。

4.2建議

1)本文將全疆105個國家氣象站作為檢驗站點，由于每個站點的海拔、下墊面類型和地理環境等各不相同，它們對TRMM產品反演結果準確性的影響也會不同。TRMM-3B43V7產品是TRMM衛星與其他衛星聯合反演的降水產品，包括SSM/I,AMSR-E,AMSU-B微波降水以及全球降水氣候計劃(GPCP)的紅外降水估值，而微波遙感更易受不同地表類型的影響，且TRMM-3B43月降水產品的1個格點就代表了625km2面積上的平均降水量。因此，地面站點數據是否能夠代表該網格降水量的真值，還需要根據不同站點的海拔和下墊面類型進行深入分析，這也是下一步需要深入研究的問題。

2)遙感測量和地面站點測量各有其優缺點。遙感數據雖然測量的面積大，但所進行的測量是瞬間測量； 地面站點測量數據雖然在時間上是連續測量，但在面上缺乏代表性。地面站的點測量和遙感的面測量之間有個尺度問題，如何解決地面站點測量的代表性，也是需要深入研究的問題。

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(責任編輯： 邢宇)

Applicability research on TRMM-3B43 precipitation over Xinjiang

LU Xinyu1,2， WEI Ming1， WANG Xiuqin3， XIANG Fen4

(1. Institute of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China； 2. Xinjiang Meteorological Observatory， Urumqi 830002， China； 3. Changji Meteorological Bureau， Changji 831100， China；4. Hubei Meteorological Information and Technology Support Center， Wuhan 430074， China)

Abstract:Inthispaper,anattempthasbeenmadetoestimaterainfallovertheXinjiangregionbyusingtheTropicalRainfallMeasuringMission(TRMM)- 3B43productfortheperiodof2003-2008andraingaugedatafrom105weatherstationsatdifferenttimeintervals.TheresultsshowthattheTRMMrainfallproductisgenerallyconsistentwiththemeasuredoneontheyearly-scale；GoodnessoffitofseasonalprecipitationbetweenTRMMestimatesandobserveddataishigh,withthegoodnessoffitbeinginsignificantlydifferentbetweentheseasonsandthecorrelationcoefficientsbeingabove0.7；Forthemonthscale,TRMMproducthasstatisticallysignificantcorrelation(r=0.75)withraingaugedata;Forindividualstations,atmoststationsthecorrelationcoefficientsarereasonablyhighandtheestimationbiasesaresmall.Ananalysisoftheerrorobtainedfromeachsiteshowedthatmostofthem(60%)arewithin30%,whiletheoverallfittingcorrelationcoefficientreached0.81,suggestingthatthereisgoodconsistencybetweenTRMMprecipitationdataandobservedprecipitation.Overall,TRMMprecipitationproductshavecertaindeviationintimeandspace,butthedeviationshavecertainregularity.Calibrationisindispensableprocessinginapplication.

Keywords:tropicalrainfallmeasuringmission(TRMM)-3B43data；precipitation；applicability；Xinjiangregion

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.26

收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-09-13

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃973項目“突發性強對流天氣演變機理和監測預報技術研究”(編號： 2013CB430102)、新疆維吾爾自治區科技支疆項目“北疆雪水資源遙感監測分析服務平臺建設”(編號： 2013911104)、沙漠氣象科學研究基金項目“基于自適應算法的烏魯木齊雷達定量測量降水研究”(編號：SQJ2014012)、公益性行業(氣象)科研專項項目“江淮對流云結構特征及增雨作業指標研究”(編號：GYHY201306040)和中國氣象局2014年關鍵技術項目“強災害天氣的臨近預報與潛勢預報”(編號：CMAGJ2014M21)共同資助。

中圖法分類號：TP79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0166-08

第一作者簡介：盧新玉(1979-),男,博士研究生,主要研究方向為主被動微波遙感反演降水。Email： 31810964@qq.com。

通信作者：魏鳴(1957-)，教授，主要從事大氣遙感等方面的研究。Email：mingwei@nuist.edu.cn。

引用格式： 盧新玉,魏鳴,王秀琴,等.TRMM-3B43降水產品在新疆地區的適用性研究[J].國土資源遙感,2016,28(3):166-173.(LuXY,WeiM,WangXQ,etal.ApplicabilityresearchonTRMM-3B43precipitationoverXinjiang[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):166-173.)