ＧＰＭ與ＴＲＭＭ降水數據在柴達木盆地的精度評估

曾琪鋮　金鑫

關鍵詞：TRMM;GPM;降水;精度評估;柴達木盆地

中圖分類號：P412.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.004

引用格式：曾琪鋮，金鑫.GPM與TRMM降水數據在柴達木盆地的精度評估[J].人民黃河，2022，44（3）：16-20.

降水數據的時空分辨率是準確模擬和刻畫局地、區域和全球尺度水循環及其他相關過程的關鍵[1-2]。

降水受地理位置、海拔、地形等的影響，具有一定的時空異質性特點[3-4]。在一些范圍較廣、地形復雜、觀測站點稀疏且分布不均勻的地區，基于站點觀測的降水數據無法表達區域降水特征[4]。衛星遙感數據因其時空連續性，可以彌補站點數據難以體現降水空間異質性的缺點，為區域及全球尺度的水熱循環研究提供了強大的數據支撐[5-7]。

目前，高時空分辨率的遙感降水反演產品較多，如TRMM[8]、MSWEP[9]、GPM[10]、CMORPH[11]、GSMaP[12]等，這些降水產品具有不同的時空分辨率，在不同區域的精度和適用性也不盡相同。如Dinku等分別在非洲和南美的山區利用站點觀測數據對TRMM和CMORPH兩種降水產品進行了校正，并比較了兩者的精度，結果表明CMORPH的精度高于TRMM的[13]。Alijanian等[14]在伊朗比較了CMORPH、TRMM、MSWEP等5種降水數據產品的精度，結果表明MSWEP和TRMM的精度最高。

本研究擬評估的TRMM和GPM數據來自“地球觀測系統”（EOS），由美國國家航空航天局（NASA）、日本宇宙開發事業團（NASDA）聯合研制[8，10]。其中：TRMM數據的空間范圍為南緯50°—北緯50°，時間范圍為1998年1月1日—2019年2月27日[8];GPM作為繼TRMM之后新一代的降水數據產品，其降水觀測系統及反演算法都有了更新和提高，GPM數據的空間范圍為南緯60°—北緯60°，時間范圍為2014年3月12日—2019年4月30日[10]。

目前已有學者在海河流域[15]、黃河流域[16]、新疆地區[17]甚至整個中國大陸[18]對TRMM和GPM數據精度進行了對比研究，且得出了兩種數據集在我國西北地區的精度相對較低、GPM數據精度普遍高于TRMM等結論。由于GPM數據集較新（最早到2014年3月12日），之前研究時段普遍較短（少于2a），這可能對GPM數據集的精度評價結果有一定影響。此外，之前研究將新疆、甘肅北部、內蒙古西部等區域連同柴達木盆地作為整體進行評價，而柴達木盆地除深居內陸外，亦有高寒的特點。柴達木盆地的水熱條件、生態環境等都有其獨特性[7]，有必要將其作為獨立單元評價TRMM及GPM數據的精度。筆者基于柴達木盆地內的10個氣象站點實測數據，對比和評估近5a來TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水數據的精度及適用性。

1數據與方法

1.1研究區概況

柴達木盆地位于青藏高原東北部，海拔介于2651～6151m之間，屬高原大陸荒漠性氣候區，具有蒸散發強烈、干旱、少雨等特點。據統計，柴達木盆地年平均氣溫為1.5～4℃，年降水量為15～200mm。盆地內主要土地覆被類型為荒漠，主要土壤類型為鹽化荒漠土和石膏荒漠土[7，19]。柴達木盆地幅員遼闊，面積近26萬km2，但盆地內氣象站點稀少，其地表過程模擬、水文建模等具有一定難度。

1.2數據

1.2.1TRMM及GPM數據簡介

本研究采用的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F數據均從NASA降水測量計劃網站（www.pmm.nasa.gov）獲得。TRMM降水試驗衛星源于“地球觀測系統”（EOS），是世界上第一顆搭載測雨雷達的衛星，攜帶的測雨雷達與微波成像儀相結合，極大改善了降水反演精度[8]。TRMM3B42v7數據集被廣泛應用于氣象、水文等領域，具有良好的效果。GPMIMERGv5-F數據集空間分辨率為0.1°，時間分辨率為0.5h[10]。

選用上述兩種數據集重疊時段（2014年3月12日—2019年2月27日）的日降水量反演數據，結合柴達木盆地內10個氣象站（茫崖、都蘭、格爾木、小灶火、冷湖、茶卡、德令哈、大柴旦、烏蘭、諾木洪）的日降水量觀測數據，分不同時空尺度對TRMM和GPM數據進行精度對比。站點降水觀測數據來源于青海省氣象局。

2結果與分析

2.1年尺度衛星降水數據精度評估

圖1顯示了柴達木盆地TRMM、GPM以及實測年降水量的變化，可見三者的變化趨勢基本一致。表2顯示了年尺度TRMM、GPM降水數據的精度評價結果，從相關性系數cc上看，TRMM的cc值超過了0.5，而GPM的僅為0.10，反映出TRMM降水數據與地面實測降水數據的相關程度較高，而GPM降水數據與地面實測降水數據的相關程度低。此外，表2中TRMM與GPM降水數據的B值均為正，兩者對于年降水量的模擬存在一定程度的偏離且GPM降水數據的偏離程度較TRMM降水數據的小。比較表2中兩種衛星降水數據產品的R值，TRMM降水數據的R值小于GPM的，反映了研究區年尺度上TRMM降水數據準確性高于GPM數據。整體上看，TRMM、GPM降水數據對柴達木盆地的實際降水量有一定程度的高估，而TRMM降水數據精度較GPM約高出60%。

圖2反映了TRMM與GPM數據刻畫的柴達木盆地多年平均降水量的空間分布情況。兩種降水數據產品均展現出柴達木盆地降水西北部少、東南部多的分布規律。此外，TRMM數據更好地反映出柴達木盆地周圍山區降水較平原多的特征[7]，而GPM數據并未反映出盆地東北部山區降水較平原多的特征。TRMM數據反映出盆地內最大多年平均降水量為876mm，與GPM反映出的321mm差異較大。這在一定程度上可以反映出TRMM對柴達木盆地降水存在高估現象。

2.2月尺度衛星降水數據精度評估

鑒于柴達木盆地年內降水少且各月份降水量差異明顯，本研究進一步分析了TRMM、GPM降水數據在月尺度上的精度。由圖3可見，柴達木盆地的降水呈現出明顯的季節特征，TRMM、GPM降水數據與研究區地面實測月降水數據的整體變化趨勢除個別月份（2月、7月、11月）外基本一致。可見兩代衛星降水數據集對柴達木盆地降水季節性變化的描述較為準確。

圖4顯示了TRMM、GPM降水數據對研究區各個月份降水量的模擬精度。從相關系數看，5—8月TRMM數據的cc值明顯大于GPM數據的且均大于0.5，其他月份TRMM數據對應的cc值較小。GPM數據對應的cc值在各個月份均偏小，但在12月、1月、2月、3月等降水以固態形式出現的月份，其cc值均大于TRMM數據的。此外，TRMM與GPM降水數據對應的相對誤差B在降水為固態形式的月份均明顯較高，且這些月份GPM對應的Bias值明顯高于TRMM的。TRMM數據對應的均方根誤差R值除個別月份（1月、4月、10月）稍高于GPM外，其他月份都明顯低于GPM。此外，降水量較多的6月、7月、8月，兩種數據對應的R值也較大，說明相對多且集中的降水給衛星精準觀測研究區內降水帶來了一定的難度。總體而言，在月尺度上，TRMM數據因在多數月份對應更大的cc值、更小的B和R值而使其對柴達木盆地月降水的模擬精度更高，較GPM數據的精度約高出30%。

2.3衛星降水數據對不同站點降水量的探測效果評估

大尺度下存在較大的時間差異及空間異質性，不能全面客觀地反映出數據在空間上的精確性。因此，本研究還計算了兩代衛星數據產品基于站點的日尺度上的相關精準評價指標。

以研究區內茫崖、都蘭、茶卡這3個地面站點觀測降水數據為自變量，分別以TRMM、GPM降水數據為因變量進行一元線性回歸分析（見圖5）。結果表明兩種衛星數據對實際日降水量的刻畫均不準確。除茶卡站外，TRMM數據的相關系數在其他各個站點均高于GPM數據的，這在一定程度上說明TRMM降水數據更趨近地面站點實測值。

分析圖6可知，兩種衛星降水數據產品相比，TRMM數據對應的cc值在多數站點較GPM數據的稍高。比較兩代衛星降水數據產品對應的Bias值，除個別站點（都蘭站）外，GPM對應的Bias值均高于TRMM的。TRMM對應的Rmse值在盆地東部的茶卡、烏蘭、都蘭站高于GPM的，在其他站點，二者對應的Rmse值大小相當。

本研究在站點逐日數據精度評估中還采用探測率P、空報率F、成功指數C反映衛星降水產品對地面實測數據的模擬精度，以站點逐日數據為基礎，統計降水量0.01mm（若日降水量大于此值則為有雨，反之則為無雨）下對降水實測數據模擬結果。圖7顯示了在低閾值（0.01mm）降水強度下，兩代衛星降水數據的P、F、C值空間分布情況。在盆地中南部的小灶火、格爾木以及盆地西北部的茫崖站，GPM的探測率高于TRMM的，而在冷湖站，TRMM的探測率高于GPM的。從空報率上看，兩種數據集對應的F值在盆地內各個站點相當，計算得到TRMM、GPM降水數據對研究區的實際降水量存在7%～12%的高估，反映了兩代衛星降水數據集對盆地內日降水事件的空報率均較高。兩種數據集對應的C值在盆地東部相對較高，在盆地中部及西部較低。在盆地不同站點，兩種數據集對應的C相對大小不盡相同。整體上，研究區內兩種衛星降水數據對應的P、F、Ci指標均體現出兩種數據集對日降水量的模擬精度較低，原因可能在于這些地面站點處于高寒內陸地區，地形復雜，降水量偏小，氣候變化復雜，進而導致衛星觀測降水數據誤差較大。

3結論

在地形復雜、降水時空異質性強且氣象站點稀少的柴達木盆地，基于盆地內的10個氣象站點實測數據，對比和評估近5a的TRMM3B42v7和GPMIMERGv5-F降水數據精度及適用性，主要得出以下結論。

（1）TRMM、GPM降水數據對柴達木盆地的實際降水量有7%～12%的高估。

（2）在月、年尺度上，TRMM降水數據較GPM精度高，約分別高出30%和60%。并且，TRMM數據更好地反映出了柴達木盆地周圍山區降水較平原多的特征。

（3）TRMM與GPM數據在盆地內不同站點的降水模擬精度不同，總體上來說，兩種數據集對于日降水量的模擬精度均較低。

【責任編輯 張帥】