IMERG系列產品在大汶河流域的降水監測能力評價

段震 王超 邸燕 劉強 王剛

摘要：

為探究高分辨率多衛星聯合反演IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM）衛星降水產品在大汶河流域的監測精度與適用性，以2001～2019年較長系列地面雨量站實測數據為基準，采用探測率、虛報率等11個指標，對IMERG系列Early、Late、Final產品在研究區的降水監測能力進行評價。結果表明：① 日、月、年尺度下，Final產品的精度最好，Early、Late兩個產品的精度基本一致，在時間上，IMERG系列產品均能較好反映流域降水的年際變化與年內分配；在空間上，表現為整體高估研究區降水量，低估泰山區域降水量（相對偏差小于-20%）。② 在不同強度日降水探測能力方面，IMERG系列產品間差異不大，僅對小雨有較好的命中率（探測率＞0.6）。各產品探測能力一般，整體表現為誤報率較高（誤報率＞0.7）、探測率與關鍵成功率較低，同時，隨著降水強度的增大，各產品探測能力呈下降趨勢。③ IMERG系列產品均具有一定的極端降水監測能力，Final產品評價結果更優、表現更為穩定，在參與評價的5個指數中，Final產品有4個指數結果最優，Late產品有1個最優，Early產品則有4個指數結果優于Late產品。總體上，IMERG系列數據均能較好反映大汶河流域（除泰山區域）降水的時空分布與極端降水情況，Final產品整體精度最高，Early、Late產品精度較為接近，其中，Early產品在極端降水監測中的表現好于Late產品，而對不同強度日降水事件的監測能力差于Late產品。

關 鍵 詞：

衛星遙感降水反演； IMERG； 精度評估； 極端降水； 大汶河流域

中圖法分類號： P426

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.013

0 引 言

降水是水文循環的關鍵環節，是地球上各類水體的直接或間接補給源，準確、可靠的降水監測對于區域水資源評價與管理、洪水預報、極端降水研究等工作具有重要意義［1］。目前，主要的降水觀測手段有雨量站監測、地面雷達監測與衛星傳感器監測［2］。其中，雨量站與地基雷達監測均依賴于地面布設的儀器設備，雖然整體監測精度較高，但受維護成本、布設密度、地形等因素的影響，往往難以準確反映較大尺度降水的空間分布情況［3-4］。相較于地面觀測，衛星降水監測受人類活動影響更小、覆蓋范圍更廣、數據連續性更強，隨著遙感技術與反演算法的不斷完善，一系列衛星遙感降水產品為氣候變化、水文研究等工作提供了新的數據支撐［5］。

全球降水觀測（Global Precipitation Measurement，GPM）計劃是目前全球最為先進的衛星降水觀測計劃，其三級降水產品IMERG 的發布，則被認為是衛星遙感降水反演技術進入新時代的標志［6-9］。自IMERG產品2014年3月正式發布以來，國內外學者在全球眾多國家、地區對IMERG產品精度進行了檢驗，并與其他主流衛星降水產品進行對比，證明了該產品在降水監測方面具有一定的能力［10-12］。隨著V06B算法版本的發布，IMERG產品的時間序列延長到了2000年6月，使得該產品在氣象研究、水文應用中具備了更大的潛力。

近年來，國內對于該產品的研究逐漸增多。孔宇［13］、張茹等［14］分析發現IMERG產品能較好反映中國大陸區域的降水分布情況；劉若蘭［15］、Fang［16］等則證明該產品對極端降水事件有一定的監測能力，可以較好地擬合其年際間的變化趨勢；但不同區域的研究成果［17-19］表明，IMERG產品受地形、天氣等因素的影響，存在著區域差異性與不確定性等特點，因此在應用時需要進行精度檢驗，必要時還需對產品進行校正。雖然目前對于IMERG產品的研究已取得了豐碩成果，但現有研究仍存在一定不足。首先，IMERG依據算法的不同分為了Early、Late、Final共3套產品，因Final產品經過GPCC（Global Precipitation Climatology Center）月數據校正，被GPM推薦為研究首選，所以現有的研究中主要采用Final數據，然而，該數據從監測到發布時間超過3個月，不能滿足水文預報等研究的時效性要求，因此，對發布時間不同的3套產品適用情況進行對比檢驗，評價各產品的精度情況，對于不同時間需求的水文研究具有重要意義；其次，目前的研究中，采用數據的時間系列普遍較短［20-21］，大多小于5 a，檢驗樣本偏少，難以反映IMERG產品真實的降水監測能力。

大汶河是黃河下游最大一級支流，是保障和實現黃河流域生態保護和高質量發展的重要組成區域。其流域內地形起伏跌宕，既有海拔高達1 545 m連綿的中低山（泰山）山脈，又有平均海拔約為110 m較為平坦的山前平原，相對高差達1 400余米。受地形、人類活動等因素的影響，流域內水文站（網）有限，且分布不均。近幾年受極端氣候影響，流域內小概率的洪水事件頻發，對流域內水文信息采集與水文預報工作提出了更高的要求。本文基于流域內2001～2019年19 a較長系列的實測水文資料，選取探測率、虛報率、關鍵成功率等11個參數指標，從不同方面定量評價了IMERG系列不同產品（Early、Late、Final）在該流域內的不同強度與不同時空條件下的降水監測能力。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

大汶河位于山東省中西部，地理坐標為35°59′N～36°7′N、116°12′E～117°56′E，自東向西流經濟南、泰安、濟寧的8個縣市區，于東平縣馬口村入東平湖，再由東平湖入黃河。流域屬華北暖溫帶半濕潤季風性大陸氣候區，多年平均降水量708.9 mm，其中約70%的降水發生在汛期。流域地形東寬西窄、地勢東高西低，上游為魯中山區，中下游為丘陵平原，山區與丘陵約占總流域面積的68%。受降水、地形等因素的影響，流域內水旱災害頻發，由于雨量站主要布設于人類活動的城市、農村等區域，站點分布不均，局部實測數據往往難以準確反映區域空間降水情況。綜合考慮流域的地形、降水、雨量站分布等情況，本次選取大汶河戴村壩以上流域為研究區（見圖1），區域面積8 264 km2，約占總流域的90%。

1.2 數據來源

本次衛星遙感降水數據采用IMERG系列提供的Early、Late兩個近實時的降水產品以及經GPCC月數據校正的Final降水產品。3套產品發布延遲時間分別為4 h，12 h和3.5個月。產品數據下載自美國宇航局GPM計劃網站（https：∥gpm.nasa.gov/data/），數據算法版本采用最新的V06B，系列為2001～2019年，時間分辨率為1 d，空間分辨率為0.1°×0.1°，變量為PrecipitationCal（經校準的降水數據）。

地面資料采用流域內18個雨量站2001～2019年的實測日降水數據，站點位置分布情況見圖1。

1.3 研究方法

本次研究以地面雨量站觀測的降水數據為基準，選用11個參數指標（見表1）對IMERG系列3套產品在大汶河流域的降水監測能力進行分析評估。具體評估內容分為以下3部分：① 采用皮爾遜相關系數（Correlation Coefficient，CC）、相對偏差（Relative Bias，RB）、均方根誤差（Root Mean-Squared Error，RMSE）對降水產品日、月、年尺度下的精度進行定量評價，其中CC用于評價 IMERG 產品與地面數據在時間序列上的相關程度，RB用于衡量 IMERG 產品較地面數據的偏離程度，負值為低估，正值為高估，RMSE用于估計IMERG產品與地面數據在時間序列上的平均誤差幅度；② 采用探測率（Probability of Detection，POD）、虛報率（False Alarm Ratio，FAR）、關鍵成功率（Critical Success-Index，CSI）［22］對IMERG產品的不同強度日降水探測能力進行評價；③ 采用持續干燥日數CDD、持續濕潤日數CWD、最大1 d降水量Rx1day、最大5 d降水量Rx5day、強降水量R95p［23］共5個指標對IMERG產品的極端降水監測能力進行評估。本文采用泰森多邊形法計算站點面雨量，采用柵格面積加權計算IMERG產品面雨量。

2 結果與分析

2.1 不同時空尺度的精度評價

2.1.1 日尺度空間精度評價

圖2給出了IMERG 3套產品數據日尺度下的空間精度分布情況，從該圖可以看出：

（1） 3套產品與地面站點數據在時間序列上的相關程度較好，Early產品的CC值為0.60～0.76，Late產品為0.64～0.78，Final產品為0.70～0.80。從空間上看，Early、Late產品的CC值在流域各區域的差異較大，Final產品的表現則更為穩定，同時各產品均在流域東南部有最高的相關程度，在中北部泰山區域相關程度最低。

（2） 從RMSE值的空間分布情況看，3套產品在泰山區域的誤差幅度明顯高于其余區域，泰山站處的RMSE值為8.4～9.5 mm，其余區域大多為5.8～7.0 mm；

（3） 從RB值的空間分布情況看，3套產品均低估了泰山區域的降水情況，其中Final產品低估最為明顯，RB值達到了-30.1%，在其他區域，各產品又表現出明顯高估降水的情況，Early與Late兩個產品在大多數區域的RB值超過了15%，而Final產品約2/3區域RB值介于0～10%之間，表現較好。

綜合來看，Final產品的日尺度精度最好，Early與Late產品表現較為接近，3套產品均整體上高估了（除泰山區域外）地面的降水量，且在泰山區域形成一個明顯的降水精度低值區。該區域的精度主要是由參與評價的泰山站反映，由于該站點位于泰山山頂（海拔大于1 500 m），有獨特的小氣候，是流域內的一個海拔高點與降水量極大值點，而與之對應的IMERG柵格覆蓋范圍內既有泰山主峰又有海拔較低的城區，最大高差超過了1 300 m，因此，以IMERG柵格的面雨量作為站點對應的點雨量值進行評價，可能是造成該處精度較低的原因之一。

2.1.2 月尺度面雨量精度評價

圖3給出了IMERG 3套產品各月份數據的定量指標結果，從該圖可以看出，Final產品與地面站點數據的相關性最好，各月份的CC值均大于0.90，Early、Late產品CC值的年內差異較大，最差結果均出現在2月，分別為0.17和0.23，最好結果均出現在11月份，分別為 0.94和0.93；RMSE值的大小主要受月降水量的影響，月降水量越大均方根誤差越大，Early、Late 兩個產品的RMSE明顯大于Final產品，2個產品各有7個月的RMSE超過了20 mm，Final 產品僅有2個月超過20 mm且有7個月未超過10 mm；從相對偏差結果來看，3套產品均有11個月的結果大于0，同時，Early產品在6～8月的RB為-6.6%～3.6%，其余月份為38.0%～170.3%，Late 產品在6～8月的RB為-1.9%～5.2%，其余月份為25.7%～138.1%，Final產品在6～9月的RB為-1.2%～4.5%，其余月份為17.3%～60.0%，表明3套產品汛期（山東省汛期為6～9月）觀測結果較地面數據的偏離程度好于其余月份。綜合圖3結果，Final產品在各月份的精度均高于其余2個產品，Early、Late產品在4，6，7，8，9，11月中有較好的表現，特別是7，8月份。因此，Final產品應作為IMERG系列資料應用的首選，而對于時效性要求較高的研究，若研究期為上述月份時可根據需求選用Early、Late數據，若為其他月份則應謹慎選用。

圖4給出了IMERG 3套產品以及地面站點數據的多年平均月降水量結果。從該圖可以看出，3套產品均能較好地反映研究區年內降水的分布情況，全年各月中，Early產品在4，8兩個月份的數據最接近地面數據，Late產品在6月份的數據最接近地面數據，Final產品在剩余的9個月份中表現最好。

2.1.3 年尺度面雨量精度評價

圖5給出了IMERG 3套產品以及地面站點數據的年降水量年際變化過程。從該圖可以看出，IMERG 3套降水產品均能較好地反映流域年降水量的年際變化情況，其中，Final產品與站點資料更為接近，Early、Late產品表現較為一致。

為更好地分析降水產品的空間精度，繪制了流域多年平均年降水量空間分布圖（見圖6）。結果表明，3套產品雖然模擬出了大汶河流域年降水量東高西低的趨勢，但均未正確模擬出在泰山處的降水極大值區域，對該區域的降水量存在明顯低估，而在其他區域則表現出高估地面降水的情況，這與日尺度下的檢驗結果基本一致。

2.2 不同降水強度的探測能力評價

2.2.1 不同降水量等級評價

圖7為IMERG 3套產品在不同日降水等級（等級劃分見表2）下POD、FAR、CSI指標的箱線圖。從圖7（a）可以看出，3套產品對小雨事件的探測率整體在0.6以上，顯著高于其他降水事件，這表明IMERG產品對小雨等級日降水事件命中率更高；圖7（b）、圖7（c）中，FAR值主要分布在0.6～0.8之間，CSI值主要分布在0.1～0.3之間，說明3套產品對各降水事件都存在較高的誤報率與較低的關鍵成功率。從圖中箱體及范圍的變化情況可以看出，隨著日降水等級的提高，指標箱體變長，范圍變大，表明IMERG產品在各站點處的精度差異逐漸加大。從整體結果看，IMERG產品對于準確監測研究區日降水等級的能力較差，各產品間的探測效果接近，其中，Late產品對于大暴雨事件整體監測效果最好，Final產品在其余降水事件中效果最好。

圖8給出了各降水數據的不同強度面降水事件發生頻率。從該圖可以看出，IMERG數據明顯低估無雨事件的發生頻率，3套產品較地面數據分別低22.25%，18.06%，16.28%；明顯高估小雨事件發生頻率，各產品分別高21.43%，17.15%，16.10%，即IMERG產品在大量無雨（日降水＜0.1 mm）日內監測到了0.1～9.9 mm的降水量。結果表明，IMERG產品對小于0.1 mm的微量降水存在明顯高估的情況。而其他強度降水事件發生頻率較低，各數據間差異不大。

2.2.2 不同降水量閾值評價

通過統計分析流域內各站點的日降水事件發現，流域內發生大雨以下事件的頻率達到了90%以上。為了更好地分析IMERG產品對日降水的探測能力，本文分別以0.1，1，5，10，20，30，40，50，100 mm為閾值，對IMERG產品在各雨量站點處的POD、FAR、CSI指標進行計算。

圖9給出了IMERG 3套產品在不同降水量閾值下POD、FAR、CSI指標的箱線圖。從該圖可以看出，3套產品的表現基本一致，在探測能力上，隨著閾值的增大，IMERG產品的POD呈現下降趨勢；從誤報率上看，各產品整體在0.3以上，隨著閾值的增大，FAR呈現出先減小后增大的趨勢，當閾值為5 mm時，FAR值最小；從關鍵成功率上看，各產品整體在0.6以下，隨著閾值的增大，CSI呈現出先增大后減小的趨勢，當閾值為1 mm和5 mm時，CSI表現最好。從FAR、CSI兩個指標可以看出，當閾值由0.1 mm增大為1 mm后，IMERG產品的監測精度得到了明顯改善，這可能是由于GPM衛星傳感器對于弱降水的監測更為敏感，以及部分月份中地面雨量計的分辨率為0.5 mm不能滿足0.1 mm的閾值要求引起的。綜合3個指標成果，IMERG產品對于0.1，1，5，10 mm等4個閾值強度的降水事件探測能力更強，當閾值為100 mm時，Final產品的探測能力最差，而在其他閾值下Final綜合監測效果最好。綜合圖7與圖9指標結果來看，當降水等級不超過暴雨時，Final產品仍是研究首選，其次為Late產品；對于大暴雨事件，Late產品的監測效果最好，其次為Early產品。

2.3 極端降水監測能力評估

圖10給出了各降水數據極端降水指數的年際變化過程。由該圖可知，IMERG 3套產品基本能反映5個極端降水指數的年際變化趨勢，但部分年份的指數誤差較大，如圖10（a）中，基于地面數據計算的2003年持續濕潤日數為5 d，IMERG產品的數值均為13 d，該年份誤差超過了100%。

表3給出了各指數多年平均成果，表4給出了IMERG 3套產品極端降水指數的精度結果。結合表3、表4具體指標結果來看：① 大汶河流域多年平均持續濕潤日數為6.5 d，Late產品在該指標上表現最好，多年平均CWD為6.5，CC值為0.48，RB值僅為-0.8%。② 流域多年平均持續干燥日數為43.2 d，Early、Late兩種產品的結果明顯偏小，RB值分別為-20.6%與-22.9%，Final產品表現稍好，多年平均CDD值為41.5，CC值為0.53，但同樣低估了流域持續干燥日數；IMERG產品整體上高估CWD、低估CDD的情況可能是由于IMERG產品對于弱降水的高估效應引起的。③ 對于R95p指數，3套產品均有較好的CC值成果（CC＞0.8），Final產品的RB值為-1.5%，成果最優，Late產品RB值為11.7%，結果最差。④ 流域多年平均最大1 d降水量為71.0 mm，該指標下各產品的表現與R95p相似，Final產品精度最高，Rx1day值為70.3。⑤ 對于Rx5day指數，雖然Early產品的誤差小（RB=-0.3%），但相關系數（0.47）明顯小于Final 產品值（0.78），綜合來看，Final產品對于流域最大5 d降水量的監測能力更好。

由上述分析可知，IMERG產品對大汶河流域極端降水具有一定的監測能力，其中，Final產品的綜合監測能力最強，其他2種產品對不同指標的表現各有優劣。具體來看，Late產品對CWD的監測效果最好，Final 產品對CDD、R95p、Rx1day、Rx5day共4個指標的監測效果最好，Early產品對除CWD外的其余4個指標整體監測效果優于Late產品。

3 討論與結論

3.1 討 論

衛星降水產品的發布，是由美國宇航局GPM計劃網站按照同一計算方法與標準發布的。其不同產品在不同區域、流域中的應用受其區域、流域下墊面條件、地形氣候等不同因素的影響，在對某一水文現象特征的識別與響應中，既有宏觀上的“統一性”特征，又有其區域、流域上的“特殊”性特征。從日尺度下空間精度分析來看，IMERG各產品對流域東部山丘區的降水監測精度好于西部平原，這與李芳等［24］在大汶河相鄰的魯南區域研究結果是相近的。同時，各產品在空間上的精度變化趨勢基本一致，并在流域地形急劇變化且海拔最高的泰山山頂區域出現了極差的檢驗結果，這與王思夢等［25］得出的地形影響產品精度的結論是一致的，但其“隨海拔的升高，相關系數呈現出增加-減少-增加”的結論又和本文不同，這可能是由流域大小、位置、氣候以及地形等因素引起的，說明IMERG產品精度存在一定的區域性差異。因此，在不同區域、流域中應用時，需要事先從各方面對其適用性進行對比分析和探討。

3.2 結 論

本文以地面雨量站資料為基準，采用11個參數指標，從數據精度定量評價、不同強度日降水探測能力以及極端降水監測能力共3個方面對IMERG系列3套產品在大汶河流域的降水監測精度進行評價，主要結論如下。

（1） IMERG系列產品均能較好反映流域內降水的空間分布、年內分配與年際變化情況。各產品中，Final數據整體精度最高，Early、Late表現基本一致；空間上，各產品均存在高估流域（除泰山區域）、低估泰山區域降水量的情況；在時間上，Final產品對各月降水量均有較好的監測效果，Early、Late產品各月份差異較大，在4，6，7，8，9，11月中有較高的精度。

（2） IMERG系列產品對于不同強度日降水的探測能力較為接近且表現一般，均存在較高的誤報率與較低的探測率、關鍵成功率。隨著日降水強度的增大，各產品的探測能力呈下降趨勢，同時各產品在流域不同區域的精度差異也逐漸增大。降水強度不超過暴雨時，產品精度為Final＞Late＞Early；降水強度為大暴雨時，產品精度為Late＞Early＞Final。

（3） IMERG系列產品在大汶河流域具有一定的極端降水監測能力，從選取的5個極端降水指數精度結果上看，各產品的監測能力為Final＞Early＞Late，特別是在R95p、Rx1day、Rx5day等3個指數上，Early產品表現出與Final產品較為接近的精度結果。

綜合上述結論，Final數據應作為IMERG系列產品在大汶河流域應用的首選，若所需的Final數據尚未發布，則可根據以下情況選用Early、Late數據：① 當研究期為4，6，7，8，9，11月時，可根據研究的時效性需求選用Early、Late數據，其他月份應謹慎采用；② 當研究中涉及不同等級日降水時，則應先選Late數據；③ 當研究涉及極端降水時，則應優先選擇Early數據。若研究區域為泰山區域時，IMERG系列3套產品均應謹慎選擇。

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（編輯：謝玲嫻）

Evaluation of precipitation monitoring capability of IMERG series products in Dawen River basin

DUAN Zhen1，2，WANG Chao2，DI Yan3，LIU Qiang2，WANG Gang2

（1.Tai′an Hydrology Center，Tai′an 271000，China， 2.College of Water Conservation & Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai′an 271000，China； 3.Feicheng Water Resources Protection Center，Tai′an 271600，China）

Abstract：

In order to explore the monitoring accuracy and applicability of high-resolution multi-satellite joint inversion IMERG（Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM ） satellite precipitation products in the Dawen River basin，based on a relatively long series of measured data of ground rainfall stations from 2001 to 2019，this paper used 11 indicators such as detection rate and false alarm rate to evaluate the precipitation monitoring capabilities of Early，Late and Final products of IMERG series in the study area.The results show that：①At the daily，monthly and annual scales，the accuracy of Final products is the best，and the accuracy of Early and Late products is basically same.In terms of time，the IMERG series products can better reflect the inter-annual variation and intra-annual distribution of precipitation in the basin.In terms of space，the precipitation in the study area was overestimated and the precipitation in the Taishan mountain area was underestimated（relative deviation less than -20%）.②In view of the ability to detect daily precipitation of different intensities，the IMERG series products have minor differences and only have a good hit rate for light rain（detection rate > 0.6）.The detection ability of each product is general，and the overall performance is a high false alarm rate（false alarm rate > 0.7），low detection rate and key success rate.At the same time，with the increase of precipitation intensity，the detection ability of each product shows a downward trend.③The IMERG series products have certain extreme precipitation monitoring capabilities.The Final product has better evaluation results and more stable performance.Because among the five indexes participating in the evaluation，the Final product has four index gaining optimal results，the Late product has one optimal，and the Early product has four index that are better than the Late product.In general，the IMERG series data can better reflect the spatial and temporal distribution of precipitation and extreme precipitation in the Dawen River basin（except Taishan mountain area）.The overall accuracy of the Final product is the highest，and the accuracies of the Early and the Late products are relatively close.Among them，the performance of the Early products for extreme precipitation monitoring is better than that of the Late product，while the monitoring ability of daily precipitation events with different intensities is worse than that of the Late product.

Key words：

satellite remote sensing precipitation inversion；IMERG；accuracy evaluation；extreme precipitation；Dawen River basin