TRMM衛星降水數據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)

降水是水循環中時空變異性最為明顯的要素,準確掌握降水信息對區域水資源管理、水文預報、旱澇災害分析及生態環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,導致基于站點數據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實踐需要,目前國際上普遍采用基于遙感觀測的降水產品。衛星遙感數據具有覆蓋面廣、時效性強、空間分辨率高等特點,已成為獲取全球降水數據的重要手段[5-6]。其中,最具代表性的是TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛星降水產品,TRMM衛星于1997年發射成功,至今已積累了海量的全球降水數據,具有良好的應用前景。很多學者對TRMM衛星降水數據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測雨產品的精度[6];嵇濤等[7]評估了TRMM數據在川渝地區的適用性,并分析了高程和坡度對結果的影響;吳健等[8]利用19個氣象站點數據評估了TRMM數據在喀斯特地區的適用性;田苗等[9]利用4個氣象站點的資料檢驗了TRMM數據在江蘇的應用效果;以及較多學者對TRMM衛星降水數據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數據在不同地區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降水網格內的實測站點均小于1,鮮有學者對TRMM衛星降水數據進行高密度的檢驗評估工作。

TRMM衛星降水數據的一大優勢為觀測范圍廣,可應用至無資料地區的降水反演。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降水數據進行對比分析,該研究可以深入了解TRMM衛星降水數據的精度,為TRMM降水產品在其他地區的應用提供參考。

1 研究數據與方法

1.1 研究方法

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

1.1.1降水頻率

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

1.1.2空演與漏演

根據駱三等[6]的研究定義如下:漏演——反演無降水,實況出現降水;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;TK——空演的天數;T——總天數。

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數據評價指標

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

(3)

(4)

(5)

分析實測數據和衛星數據所顯示的降水年際變化幅度,可以用變差系數Cv來表示:

(6)

1.2 研究數據

本研究利用臺站實測資料分別對TRMM月降水產品、日降水產品進行檢驗。TRMM降水產品是TRMM衛星與其他衛星聯合反演的降水產品,提供全球格點降水資料。產品首先訂正熱帶測雨衛星(TRMM)微波成像儀(TMI)資料,并聯合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月降水產品為TRMM 3B43降水數據,該數據以月時間為尺度;采用的TRMM日降水產品為TRMM 3B42降水數據,該數據以日時間為尺度。本文在時間上把衛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星資料處理為與站點相同經緯度位置點的資料。TRMM數據均來自NASA,空間分辨率為0.25°×0.25°,資料年限2000年1月—2013年12月。地面降水數據則選用了與遙感數據同期的江蘇省167個雨量站點的實測日降水數據,來源于江蘇省水文水資源勘測局整編成果,數據有嚴格的質量控制和均一化訂正,雨量站點分布見圖1。根據顯示,研究范圍內有155個TRMM衛星降水網格,平均每個降水網格分布1個雨量站點。研究中取雨量站實測降水數據與所在網格的TRMM降水數據進行對比分析,若一個網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TRMM網格與雨量站點分布

2 TRMM衛星降水與實測降水對比分析

2.1 降水空間分布

根據實測降水數據和TRMM衛星數據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據進行處理,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。盡管兩者在數值上有差異,但在降水的空間分布上呈現較一致的規律,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,徐州、連云港及鹽城北部為降水低值區,這與孫振利等[14]在江蘇做出的結果一致。

2.2 日值3B42數據

2.2.1降水頻率空間分布

根據實測日資料和TRMM 3B42日值數據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僅0.74,較駱三等[6]在全國范圍內得到的相關性系數差,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,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高。

a)實測

2.2.2漏演、空演

根據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數據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反演數據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數據對各級降水的精度。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,產生這種結果的主要原因是TRMM衛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過強衰減后,訂正值依舊偏小。

2.3 月值3B43數據

從圖6可以看出,江蘇省167個站點的TRMM 3B43月降水數據與實測月降水相關性系數較好,范圍為0.84～0.96,平均相關系數為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,與相關性系數呈現較一致的規律,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。選取相關性系數最高、最低值所在站點,得到TRMM 3B43月數據與地面實測降水散點圖,見圖7。從圖中可以看出TRMM 3B43月數據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

b)絕對誤差

a)相關性系數最高站點

2.4 變差系數

根據實測數據統計出實測年降水資料,由誤差較小的TRMM 3B43月資料統計出TRMM降水年值,分別得到實測降水數據和TRMM降水數據的變差系數分布(圖8)。從圖中可以看出,實測降水和TRMM降水的變差系數大體上呈現較一致的規律,江蘇南部變差系數小而江蘇北部變差系數大,即江蘇南部年降水量波動小,而江蘇北部年降水量波動大。但實測降水數據的變差系數范圍為0.09～0.36,TRMM降水的變差系數范圍為0.06～0.30,可以看出實測降水數據的變差系數明顯高于對應的TRMM降水的變差系數,說明在江蘇地區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衛星資料日降水數據和月降水數據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降水數據和實測降水數據空間分布上相似,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數據降水頻率為12%～26%,總體大于實測降水頻率(范圍為11%～23%),實測降水頻率呈現從南向北遞減的規律,而TRMM 3B42數據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反演數據較為準確地判別實際情況有無降水。江蘇省內,TRMM數據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數據與實測降水數據相關性系數范圍為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數據與地面實測數據一致性程度整體較高。

d)在年尺度上,比較了實測降水數據與TRMM降水數據的變差系數,兩者呈現較一致的規律,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,發現TRMM衛星降水數據和實測降水數據在江蘇省內呈現較一致的規律,應用性較強,可將TRMM數據應用到江蘇的水循環研究、水資源管理和農業灌溉生產中。