TRMM數(shù)據(jù)在貴州烏江流域的適用性分析

唐 欣，周秋文，韋小茶

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

降雨信息經(jīng)過空間化處理后，能為區(qū)域水資源的管理分析，水環(huán)境監(jiān)測和自然災(zāi)害預(yù)測提供重要的信息[1]。地面雨量站觀測數(shù)據(jù)是一種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度較高的降水資料。即使已有大量的遙測雨量站和氣象站，但這些站點依然受站點位置，地形等因素的影響，不能解決許多研究和技術(shù)應(yīng)用的要求[1]。隨著遙感技術(shù)的進步，包括諸如TRMM衛(wèi)星系列和風(fēng)云等許多時空分辨率極高的衛(wèi)星降水反演數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)在各項研究中采用[2]。世界上使用最多的產(chǎn)品為TRMM衛(wèi)星降水反演數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其觀測了從1998年1月1日到目前的全球中低緯度地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù)[3]。近年來，許多學(xué)者研究了TRMM產(chǎn)品在不同地區(qū)的適用性[1，4-16]。我國學(xué)者在長江各支流進行了TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的適用性評價研究[17-19]。烏江作為貴州省第一大河，長江上游右岸重要支流，也是三峽水庫最主要的水源補給河流之一。該產(chǎn)品在烏江流域的適用性研究尚有所欠缺。由于烏江水能資源豐富，對沿岸的經(jīng)濟生活發(fā)展極為重要；因此，空間化降水資料是否準(zhǔn)確，在較大程度上會對水文模擬預(yù)報、旱澇災(zāi)害防治和水資源規(guī)劃管理等產(chǎn)生影響。

本文以TRMM 3B43月降水?dāng)?shù)據(jù)作為研究對象，以烏江流域貴州省境內(nèi)部分作為研究區(qū)域，采取相關(guān)分析等統(tǒng)計方法檢驗TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的精度，以了解該產(chǎn)品在貴州烏江流域的適用性，進而為更精確地應(yīng)用該衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行水文模擬及預(yù)報工作提供依據(jù)[20]。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為烏江流域貴州省境內(nèi)部分(以下簡稱“貴州烏江流域”)，地理位置為26°7′～30°2′N，104°2′～109°2′E，地處云貴高原東部，呈狹長形，是貴州流域面積最大的一條水系，貴州段面積為66 807 km2。烏江起源于貴州省威寧縣香爐山，流經(jīng)威寧、普定、納雍等縣級行政單位，貓?zhí)印⒘鶝_河、三岔河、湘江、清水江等都是其主要的支流[21]。該研究區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，全年溫暖多雨，年降雨量1 100～1 400 mm，流域年平均徑流量3.76 ×1013m3，年平均氣溫13～18 ℃。流域的地勢呈現(xiàn)為西南高，東北低[22]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)有：TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)，地面氣象站點實測降水?dāng)?shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)。站點實測降水?dāng)?shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心。選取1998年～2017年貴州烏江流域5個站點的氣象資料，對TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)進行驗證。雖然氣象觀測數(shù)據(jù)的范圍有限，不能完全體現(xiàn)該地區(qū)降水的實際情況，但氣象觀測是獲得降水的最直接、最準(zhǔn)確的測量方法[23-24]；所以本文采用實測降水?dāng)?shù)據(jù)作為水的“真實值”。TRMM 3B43數(shù)據(jù)由http:∥mirador.gsfc.nasa.gov/下載，經(jīng)過IDL程序讀取降水?dāng)?shù)據(jù)，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.25°×0.25°，所選的時間和實測的降水?dāng)?shù)據(jù)保持同期。DEM數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云下載，空間分辨率為90 m。

2.2 研究方法

使用相關(guān)系數(shù)(R)和相對誤差(BIAS)為指標(biāo)衡量TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)在研究區(qū)的適用性。計算公式如

(1)

(2)

降水的重心被定義為研究區(qū)域某一時刻的降水分布達到空間平面上的力矩平衡點，用于反映整個空間的降水分布[25-26]。本文使用降水重心來評估TRMM 3B43數(shù)據(jù)描述降水空間分布的能力。即

(3)

(4)

式中，n為樣本容量，這里代表研究區(qū)域中基本單位的數(shù)量(實測數(shù)據(jù)的站點總數(shù))，以及TRMM數(shù)據(jù)的網(wǎng)格總數(shù)；(si，ti)為每個基本單元的地理位置，它是實測數(shù)據(jù)的站點，是TRMM數(shù)據(jù)的網(wǎng)格中心點的坐標(biāo)；pi為相應(yīng)基本單元的降水量。

3 結(jié)果與討論

3.1 TRMM年尺度數(shù)據(jù)精度檢驗

經(jīng)過檢驗，1998年～2017年貴州烏江流域5個氣象站點的年實測降水量與對應(yīng)年份各氣象站點TRMM 3B43年降水?dāng)?shù)據(jù)之間的R2=0.69，相關(guān)系數(shù)R=0.83，斜率K=0.72(見圖1)。研究區(qū)內(nèi)5個站點年降水量相對誤差(BIAS)為5.55%。TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)的降水值比站點實測降水量略微偏高。從區(qū)域來看，研究區(qū)西部相對誤差較大，最大相對誤差為10.97%；而中東部地區(qū)的相對誤差較小，最小值僅為0.46%。總的來說，TRMM 3B43年降水量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，可以滿足年尺度應(yīng)用的需求。

圖1 1998年～2017年TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水量散點

表1 1998年～2017年各站點年均降水量與TRMM數(shù)據(jù)降水量對比

由表1可看出，畢節(jié)、思南、貴陽等多數(shù)站點的年實測降水量與TRMM 年降水量的相關(guān)系數(shù)在 0.80 以上，數(shù)據(jù)一致性較好。該結(jié)論與年降水?dāng)?shù)據(jù)適用性整體檢驗的結(jié)論是一致的。從整體到單個站點的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)都高，更加說明了在貴州烏江流域，TRMM 年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水量相關(guān)程度高，TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)的適用性較高。不同區(qū)域的氣象站點相關(guān)系數(shù)存在明顯差別。例如湄潭站的R=0.63，R值明顯比其他站點低，表明在湄潭站TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水量之間存在相對不明顯的線性關(guān)系，數(shù)據(jù)精度偏低。

圖2 貴州烏江流域1998年～2017年TRMM與地面氣象站四季降雨量關(guān)系

畢節(jié)，思南，黔西，貴陽的4個觀測點的BIAS均為正值，說明在這4個站點上，TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)比實測年降水?dāng)?shù)據(jù)略偏高。湄潭站點的BIAS為負(fù)值，表明TRMM的年降雨量數(shù)據(jù)與該站點測得的降水量相比有所低估。5個觀測站點中，有3個站點的BIAS在[-10%，10%]之間，說明大部分站點上的TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水的數(shù)值偏差較小，數(shù)據(jù)精度較高。各個站點的相對誤差值又存在明顯的不同。湄潭、思南兩個站點的相對誤差分別為-0.46%、3.79%，表明TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和氣象站實測數(shù)據(jù)具有非常好的一致性。而黔西站的相對誤差為10.97%，黔西站TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和氣象站實測數(shù)據(jù)有一定的差異。

3.2 TRMM季尺度數(shù)據(jù)精度檢驗

對貴州烏江流域5個氣象站點1998年～2017年的降雨量按4個季節(jié)(春季3月～5月；夏季6月～8月；秋季9月～11月；冬季12月～翌年2月)計算季節(jié)降雨量并基于此進行一元線性回歸分析(見圖2)。結(jié)果表明，春、夏、秋、冬四季的R2均在0.60以上，R均在0.80以上，說明TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)能良好地體現(xiàn)降水的季節(jié)性特點。其中，春季的R最高(R=0.87)，而冬季的R最低(R=0.81)。這主要是因為貴州烏江流域的冬季降水量相對較少，導(dǎo)致冬季估算中衛(wèi)星估計誤差較大，從而造成冬季降水量檢驗精度較低。從各季節(jié)的相對誤差來看，4季的降水相對誤差均為正值且夏季的相對誤差最小，僅為2.98%，冬季的相對誤差最大，為17.98%。總體而言，TRMM 3B43降水?dāng)?shù)據(jù)能較好地反映貴州烏江流域的季節(jié)降水特點。

由表2、表3可知，氣象觀測站點實測季降水量與TRMM季降水?dāng)?shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)多在 0.70 以上。分析結(jié)果進一步說明TRMM衛(wèi)星觀測產(chǎn)品精度較高，在貴州烏江流域具有較好的適用性。氣象站觀測結(jié)果與TRMM衛(wèi)星觀測產(chǎn)品之間的相關(guān)系數(shù)在不同站點存在一定差異。其中，黔西站冬季的相關(guān)系數(shù)最小，為0.36。雖然這比其他站點低；但相比較其他研究區(qū)，該點精度較高，相關(guān)性也較好。

從各站點的相對誤差來看，畢節(jié)、湄潭、思南、黔西等站點四季的BIAS為正值，說明TRMM季降水?dāng)?shù)據(jù)與該地區(qū)的實測降水量相比有所高估。貴陽站點的秋、冬的BIAS為負(fù)值，表明TRMM季節(jié)降水?dāng)?shù)據(jù)與該地區(qū)的實測降水量相比有所低估。各個站點的相對誤差值存在明顯的差別。夏季的相對誤差普遍較小，表明在夏季TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和氣象站實測數(shù)據(jù)具有非常好的一致性。而冬季的相對誤差普遍偏大，表明冬季時TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和氣象站實測數(shù)據(jù)有一定的差異。從整體來看，TRMM季降水?dāng)?shù)據(jù)對貴州烏江流域的適用性較好，精度較高。

表2 1998年～2017年季尺度TRMM 3B43數(shù)據(jù)與站點實測值的相關(guān)系數(shù)

表3 1998年～2017年季尺度TRMM 3B43數(shù)據(jù)與站點實測值的相對誤差

3.3 TRMM月尺度數(shù)據(jù)精度檢驗

經(jīng)過實測月降水?dāng)?shù)據(jù)與TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)指標(biāo)檢驗，二者的R2= 0.86，相關(guān)系數(shù)R=0.93，斜率K=0.97(見圖3)。這表明TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高；研究區(qū)內(nèi)5個站點年降水量相對誤差(BIAS)為-5.24%，表明TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)的降水值與站點實測降水量相比，存在一定程度的低估。

圖3 1998年～2017年TRMM 3B43月降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測降水量散點

由表4可知，5個站點的實測月降水量與TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)均在 0.80 以上，分析結(jié)果進一步說明TRMM衛(wèi)星觀測產(chǎn)品精度較高，在貴州烏江流域具有較好的適用性。氣象站觀測結(jié)果與TRMM衛(wèi)星觀測產(chǎn)品之間的相關(guān)系數(shù)在不同站點存在一定差異，其中湄潭站的相關(guān)系數(shù)最小，為0.89。雖然比其他站點低，但相比較其他研究區(qū)，該點精度較高，相關(guān)性也較好。

5個站點中，畢節(jié)、思南、黔西、貴陽等4個站點的BIAS為負(fù)值，說明TRMM的月降雨量數(shù)據(jù)與該站點測得的降水量相比有所低估。湄潭站的BIAS為正值，說明在此站點上，TRMM的月降雨量數(shù)據(jù)與該站點測得的降水量相比有所高估。5個觀測站點的BIAS均介于[-10%，10%]，說明所有站點上的TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)與站點實測月降水的數(shù)值偏差較小，數(shù)據(jù)精度較高。從每個氣象站點的相對誤差值來看，BIAS又各不相同。湄潭、思南兩個站點的相對誤差分別為0.46%、3.56%，表明TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和氣象站實測數(shù)據(jù)具有非常好的一致性。而畢節(jié)站的相對誤差為-9.70%，畢節(jié)站TRMM衛(wèi)星估算產(chǎn)品和站點實測數(shù)據(jù)有一定的差異。而畢節(jié)站的相關(guān)系數(shù)卻為0.96，可以看出，僅僅用相關(guān)系數(shù)來衡量二者的相關(guān)性大小，是不完全正確的，有可能存在相關(guān)系數(shù)高，但數(shù)據(jù)之間又發(fā)生較大誤差的情況。所以，有必要在考慮相關(guān)系數(shù)的同時，將兩者之間的相對誤差同時參與考慮。

表4 1998年～2017年月尺度TRMM 3B43數(shù)據(jù)與站點實測值的相關(guān)系數(shù)與相對誤差

結(jié)合TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計其每月平均降水量以及站點實測月平均降水量，繪制折線圖(見圖4)。由圖4可見，所有站點的數(shù)據(jù)變化走勢整體上趨于一致，大多數(shù)站點TRMM數(shù)據(jù)與站點實測降水量相比，值略低；而湄潭站TRMM數(shù)據(jù)較實測數(shù)據(jù)而言，值偏高。此結(jié)論與表4統(tǒng)計的各站點BIAS的結(jié)論是一致的。

總的來看，TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)在貴州烏江流域精度較高，所有站點R值在0.80以上，湄潭站R值低于其他站點的R值；大多數(shù)站點TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點實測降水量偏差較小，BIAS均介于[-10%，10%]以內(nèi)。

圖4 1998年～2017年TRMM與站點實測月降水量折線

圖5 年降水重心位置及變遷路線

表5 各年份降水重心遷移方向?qū)Ρ?/p>

3.4 TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)空間分布可靠性評估

結(jié)合年平均值分析，實測降雨數(shù)據(jù)和TRMM降雨數(shù)據(jù)的降水重心依次是(106.67°E，27.11°N)和(106.70°E，27.09°N)，二者的位置在空間上非常接近。從圖5和表5可看出，其中大部分的年份，兩種數(shù)據(jù)的降水重心變化方向完全相同；2002年～2003年、2011年～2012年、2014年～2015，兩種數(shù)據(jù)的重心變化方向在均是在緯向上變化；2013年～2014年均在經(jīng)向上變化；只有1998年～1999年和2016年～2017年兩者降雨重心變化方向完全不同。此結(jié)論表明，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)可以表現(xiàn)降水在空間上的變化。

3.5 地形因素對TRMM降雨數(shù)據(jù)精度的影響

烏江流域地勢的空間分布呈現(xiàn)西南高、東北低，總體上從西南部的畢節(jié)—貴陽—黔西一帶向東北部遞減的規(guī)律。由圖6可以看出，高程與相關(guān)系數(shù)間的R2為0.18，擬合線的特征表明高程與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，總體上隨著海拔的升高，相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)出增大的趨勢。高程與絕對誤差的R2為0.42，總體趨勢為隨著海拔的升高，絕對誤差增長。

圖6 貴州烏江流域高程與R(a)、|BIAS|(b)散點

由圖7看出，坡向與相關(guān)系數(shù)間的R2為0.53，二者的相關(guān)性較好，坡向與絕對誤差間的R2為0.02，較相關(guān)系數(shù)的相關(guān)性較差。從整體看，隨著坡向的增加，相關(guān)系數(shù)在逐漸減小。這說明貴州烏江流域坡向?qū)邓畷a(chǎn)生影響。山的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡的降雨量明顯不同，來自海洋的溫暖潮濕空氣，在山的迎風(fēng)坡上溫暖潮濕的空氣將強行上升，很容易下雨。背風(fēng)坡時，由于空氣向下沉，溫度會隨之上升，此時降水就會減少。

圖7 貴州烏江流域坡向與R(a)、|BIAS|(b)散點

4 結(jié) 論

貴州烏江流域的TRMM年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點年實測降水量的相關(guān)系數(shù)R=0.83，大多數(shù)氣象觀測站年降水量與TRMM年降水量數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在0.80以上，相關(guān)性良好。TRMM季數(shù)據(jù)與站點實測季降水量之間的相關(guān)系數(shù)在0.80以上，春季的相關(guān)系數(shù)最高。TRMM月數(shù)據(jù)與站點實測月降水量的相關(guān)系數(shù)R=0.93，達到最大精度。這進一步說明TRMM衛(wèi)星觀測產(chǎn)品精度較高，在貴州烏江流域具有較好的適用性。從各年降水重心的遷移來看，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)基本可以表現(xiàn)降水的空間布局和變化；在大部分的年份，站點實測數(shù)據(jù)和TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的降水重心的變遷方向相同。

綜上所述，TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)可以體現(xiàn)貴州烏江流域降水在空間上的分布特征，同時能體現(xiàn)降水的季節(jié)性特點。與年、季、月尺度的實測降水?dāng)?shù)據(jù)相比，二者的相關(guān)性較強。即使個別站點有較大的相對偏差以外，大部分站點的TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)依然較為精確；從而表明TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)在貴州烏江流域具有良好的適用性。由于地形和季風(fēng)氣候的影響，流域降水的時空變化較為復(fù)雜，降水量較少或地形起伏大的區(qū)域的準(zhǔn)確性相對較低。應(yīng)用TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)時，應(yīng)對不同地區(qū)進行適用性的研究，必要時在空間上進行TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)降尺度和修正等研究，為流域自然災(zāi)害預(yù)防和水文模擬等提供參考的依據(jù)，這是未來TRMM數(shù)據(jù)研究的熱點。