TRMM衛星降水產品和SPDI在河南省干旱監測中的適用性

陳昊杰 馬明衛 林 遠

(華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046)

河南省地處半濕潤-濕潤氣候過渡帶，屬大陸性季風氣候，是全國主要糧食產區，但由于水資源利用率低，且降水的時空分布不均，極易遭受干旱的侵襲。利用高時空分辨率遙感衛星反演數據與產品，研發干旱指數，構建適合河南省的干旱監測及預警平臺，對于提高防災減災能力和旱災綜合應對水平、服務工農業生產具有重要的現實意義。

本文評估了TRMM 3B43V7衛星降水產品在河南省的適用性；采用衛星降水數據代替地面降水資料計算SPDI，并尋求最優時間尺度；結合歷史干旱事件記載，評估SPDI在河南省干旱監測中的適用性。研究旨在驗證基于TRMM衛星降水產品和SPDI構建河南省干旱監測業務化系統的合理性與可行性，以期為區域防旱、抗旱提供理論和技術支撐。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區。地理坐標范圍為：西起東經110°21′，東至東經116°39′，跨經度6°18′，直線距離約580km；南自北緯31°23′，北到北緯36°22′，跨緯度4°59′，直線距離約550km。河南省大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，具有四季分明、雨熱同期、復雜多樣和氣象災害頻繁的特點。全省由南向北年平均氣溫為10.5～16.7℃，年均降水量407.7～1295.8mm，降雨以6—8月最多。

河南省天然河川徑流量的主要補給來源是大氣降水，地形、地貌和氣候等因素對其也有很大影響。全省多年平均降水量776.3mm，汛期(6—9月)降水量占全年總降水量的60%～70%；多年平均天然河川徑流量為313億m3，折合徑流深為187.4mm。

1.2 數據來源

本文收集了中國氣象數據網提供的河南省1998—2019年間15個氣象站點(見圖1)的逐月氣象觀測資料，包括月降水量和月平均氣溫。選取TRMM 3B43V7衛星降水產品(0.25°網格上1998—2019年的月降水量序列)開展精度評價研究并據此計算SPDI干旱指數。參考文獻[3][4]成果，各站點土壤有效持水量分別取230mm(安陽、新鄉、三門峽)、240mm(鄭州、孟津、開封)、250mm(西華、商丘、寶豐、許昌)、260mm(西峽、南陽)、270mm(駐馬店)、280mm(信陽、固始)，根據桑斯威特法估算潛在蒸散發PET時還要用到以上各站點的地理緯度,見表1。此外，重點摘錄了《中國水旱災害公報》中河南省1998—2019年期間的主要歷史干旱事件，用于驗證SPDI在河南省歷史干旱評估中的表現。

圖1 河南省氣象站點分布

表1 各站點地理經緯度

2 衛星降水數據精度評估

2.1 評估指標

通過對比衛星降水數據與地面實測多年平均降水量(見圖2)，可以看出各站點衛星反演與地面實測多年平均降水量較為接近。為了更全面、準確地評估TRMM衛星降水數據的精度和可用性，本文采用多種統計指標定量分析15個站點的衛星降水產品與地面降水資料的一致程度。具體包括：?相關系數(CC)，用于反映遙感降水與地面降水的線性相關程度；?平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(Rmse)，用于反映遙感降水與地面降水平均誤差的大?。?相對偏差(Bias)，用于反映衛星降水數據的系統偏差程度[5-12]。各評估指標計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖2 各站點TRMM衛星反演與地面實測多年平均降水量的對比

2.2 結果分析

各站點TRMM衛星反演與地面實測月降水量序列的相關系數及其空間分布規律分別見圖3和圖4?？梢钥闯觯篢RMM衛星反演和地面實測降水數據表現出良好的相關性，大部分站點的相關系數均大于0.800，且均值為0.880，其中孟津站相關系數(CC)最高(0.966)，許昌站相關系數最低(0.697)。各站點TRMM衛星反演與地面實測多年平均降水量的平均絕對誤差(MAE)見圖5，其中最大值為三門峽的84.71mm，最小值為駐馬店的2.57mm；所有站點TRMM衛星反演與地面實測降水量的均方根誤差(Rmse)為50.06mm，相對偏差(Bias)為-0.05，且在各站點表現出較好的穩定性。通過以上分析可以認為TRMM 3B43V7衛星降水產品在研究區域內具有較高的可信度，采用衛星降水數據代替地面觀測降水量進行干旱指數計算能夠滿足后續研究需要。

圖3 各站點TRMM衛星反演與地面實測年降水量的相關系數

圖4 各站點TRMM衛星反演與地面實測多年平均降水量相關系數的空間分布

圖5 各站點TRMM衛星反演與地面實測多年平均降水量的平均絕對誤差

3 SPDI干旱指數與應用

3.1 SPDI模型構建

SPDI[13]采用的土壤水平衡為

(5)

(6)

ISPDI=Φ-1[F(x)]

(7)

圖6 GEV分布對鄭州站12個月時間尺度各季水分偏離序列的擬合效果注 12個圖幅分別代表不同結束月份相應的時段滑動累積序列

3.2 SPDI與PDSI結果比較

首先通過與PDSI比較檢驗SPDI結果的可靠性。本文同時計算了15個氣象站點的逐月PDSI干旱指數序列。圖7為各個站點SPDI與PDSI的皮爾遜相關系數。從圖7可以看出，15個氣象站點均在12個月時間尺度附近有較好的相關性，計算得到的SPDI與PDSI具有較好的相關性，其最大相關系數接近0.9；寶豐、信陽、商丘等地SPDI與PDSI相關性略低，介于0.78～0.79。究其原因，一方面，這可能與PDSI本身的適用性有關，即不大適用于這些降水量較高的地區，這種影響也會同時傳遞給SPDI，導致相關系數略低；另一方面，地形起伏會影響TRMM 3B43V7產品的精度，部分山區和平原可能有所高估?？傮w而言，SPDI與PDSI的相關性較好，SPDI指數可滿足替代PDSI的功能。

SPDI與PDSI的一致性也可以通過歷史逐月干旱指數演變情況[14]反映出來。以開封站、安陽站為例(見圖8)，21世紀初的前10年，開封站基本偏濕，多洪澇現象；而在2012年之后持續干旱至2019年，其中安陽站逐月干旱指數波動明顯，旱澇轉換頻繁。該站除了2003—2005年持續偏濕，2001—2002年、2013—2015年干旱最為嚴重。由年尺度SPDI(SPDI12)和PDSI反映出的上述歷史旱澇交替非常一致。相比而言，2018—2019年嚴重干旱，其余基本呈現旱澇交替現象。其余站點的歷史逐月干旱指數演變情況也有類似結果?？傮w來看，SPDI12與PDSI對旱澇時段的反映一致，不存在明顯差異。

圖7 各站點不同時間尺度SPDI與PDSI的相關性

圖8 開封站和安陽站歷史逐月SPDI12和PDSI干旱指數波動情況

3.3 SPDI和PDSI干旱統計特征比較

表2 SPDI和PDSI的旱澇等級劃分標準

表3 SPDI和PDSI均值、方差及不同等級旱澇頻率

續表

3.4 SPDI與歷史干旱事件對比分析

選取1999年和2014年兩個干旱較嚴重的年份作為典型年份，結合年鑒記載的干旱事件，將基于SPDI識別的干旱過程與歷史記載的干旱事件進行對比，進一步分析SPDI在河南省歷史干旱評估中的表現。1999年6—9月，我國北方發生特大旱，旱區主要位于華北、黃淮、西北東部及東北部分地區，河南省受旱面積達273.3萬hm2，枯死約18.7萬hm2。2014年汛期以后，由于高溫少雨天氣持續發展等原因，造成河南省中西部和北部部分地區(以寶豐站、駐馬店站和許昌站為例)發生較為嚴重的旱情。2014年6月，河南旱情迅速發展；7月，河南遭遇60多年來最嚴重的“夏旱”，多地供水告急；8月下旬，夏伏旱達到峰值；直至9月初，旱區出現降水過程，旱情才得到緩解。圖9展示了寶豐、駐馬店和許昌站的SPDI12逐月干旱指數演變過程?？梢悦黠@看出，這3個站點所在地區1999年6月旱情發生且持續發展，直至2000年夏季，旱情才得以緩解；2014年6月，這些地區產生嚴重夏旱，且旱情在7月、8月持續發展，最終在9月開始緩解。結合年鑒記載的歷史干旱事件，SPDI12識別的干旱過程與之接近，其中2014年旱情最為嚴重，與年鑒記載的特大旱相符，表明SPDI12指數用于評估河南省歷史干旱時表現良好。

圖9 寶豐站、駐馬店站和許昌站SPDI12逐月干旱指數波動情況

4 結 論

本文根據河南省15個氣象站點1998—2019年的逐月氣象觀測資料和TRMM 3B43V7逐月衛星降水數據，運用多種統計指標評估了TRMM 3B43V7衛星降水產品在河南省的適用性；采用衛星降水數據代替地面降水資料計算了SPDI，并尋求其最優時間尺度。通過結合歷史干旱事件，評估了SPDI指數在河南省干旱監測中的適用性。主要結論如下：

a.TRMM 3B43V7衛星反演與地面觀測降水數據相關性很高，相應衛星降水數據能代替地面觀測降水量用于計算SPDI干旱指數，特別是在平原地區；衛星反演與地面觀測降水數據的系統偏差較低，相對偏差僅為-0.05。

b.SPDI指數在不同站點具有非常一致的均值與方差，它們分別接近于0和1，符合其標準正態化的特性；在各站點上，SPDI12與PDSI的相關性都較強，且對旱澇狀況描述較為一致。

c.基于衛星降水數據計算的SPDI12識別的干旱過程與年鑒記載的歷史干旱事件基本相符，可以采用TRMM 3B43V7衛星降水數據計算SPDI指數并用于河南省干旱監測，且SPDI12適用性最好。