TRMM/GPM和Stage Ⅳ降水产品在小流域水文模拟效用评估

冯克鹏，田军仓*，洪阳，唐国强，阚光远，罗翔宇

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；4.俄克拉荷马大学土木工程与环境科学学院，美国 俄克拉荷马州 诺曼73072；5.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

降水在气候、气象、水文预报、水文灾害等领域的研究、监测和预测中发挥着重要作用.对降水的准确估计和大范围快速获取高时空分辨率的连续降水观测数据，能够促进对水循环的理解，同时对流域水文过程模拟以及预报具有重要意义[1-2].近年来，随着卫星遥感技术和雷达测雨技术快速发展，反演降水的算法不断地进步，出现了大量不同时空分辨率的卫星和雷达降水产品[3-4]，有效地促进了不同尺度的水循环研究.尤其以热带降水测量计划(TRMM)、全球降水观测计划(GPM)和定量降水估计产品(NCEP Stage Ⅳ Precipitation,Stage Ⅳ)为代表的卫星和雷达降水产品在时效性和观测精度上取得了极大进步.国内外学者就上述3种降水产品，围绕降水精度评估、利用卫星雷达降水分析不同时空尺度降水变化，模拟水文效用等方面开展了大量研究[5-7],基于上述降水产品开发的全球或大中型区域尺度的径流模拟和实时预报系统，在多次水文灾害事件的预报和再现中得到了积极的评价[8-9].然而卫星和雷达降水产品尚存在明显的空间变异性，在不同时空尺度的水文应用中仍存在明显的不确定性.特别是卫星和雷达降水在小流域尺度水文模拟和预报中的能力，仍是目前值得深入研究的内容.

文中选取典型小流域，基于地面雨量站降水观测数据，评估TRMM卫星降水产品3B42 V7、GPM-IMERG卫星降水产品、Stage Ⅳ雷达降水产品的精度，并结合CREST分布式水文模型，模拟再现该流域日径流量过程，评估3种降水产品在小流域尺度的水文模拟效用，从而为卫星降水，雷达降水产品在水文行业中研究和应用提供参考.

1 研究区域、数据和方法

1.1 研究区域

Little Washita River流域位于美国俄克拉荷马州西南部，它是Washita河的一条小支流.流域面积611 km2，海拔高度300～500 m，地势较平坦，土壤主要为细沙和粉质壤土.该流域属于亚热带湿润季风气候，多年年均降水量760 mm，降水和洪水多发生在春夏两季.Little Washita River多年日均流量仅为1.23 m3/s.美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,USA)的河流分级系统(USSCE,The U.S.Stream Classification System)将全美260万条河流分为8级，从大到小分别为超大河流(Great River)、大河(Large River)、干流(Main Stem)、中等河流(Medium River)、小河(Small River)、溪流(Large Creek)、小溪(Creek)、河源(Headwater).在该河流分级系统中，Little Washita River属于河源Headwater级别.因此，结合流域面积、日均流量以及美国河流分级系统数据，所选取的Little Washita River 流域属于典型小流域.

1.2 研究数据

文中拟评估TRMM/GPM卫星降水和Stage Ⅳ雷达降水在小流域水文模拟效用.因此，除上述3种卫星雷达降水数据，还选用了研究区域内雨量站地面观测降水数据，用以评估卫星雷达降水的精度.文中设定所有选用的数据时间段为2014年6月1日—2018年6月30日，统一时间分辨率为日尺度，空间分辨率为0.008 3°×0.008 3° (约1 km2).

1.2.1 TRMM 3B42 V7 卫星降水

文中选用了TRMM降雨估计产品3B42 V7.TRMM卫星2015年4月由于燃料耗尽，正式结束观测任务.由于TMPA降水产品的成功，TRMM团队并没有因卫星终止观测而终止TMPA降水数据产品.而是运用多种方法来延续TMPA降水产品.文中选择TRMM 3B42 V7降水产品也意在评估当前条件下，该数据集模拟水文效用的能力.该数据空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h，降水单位为mm/h，数据获取地址https://pmm.nasa.gov/trmm/.

1.2.2 GPM-IMERG卫星降水

GPM是美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)主导的TRMM的后续全球卫星降水观测计划.GPM的核心观测平台于2014年2月28日发射，能够提供全球3 h以内雨雪观测数据.GPM覆盖范围大，时空分辨率高，传感器性能更优，可精确地探测微量降水.GPM数据Level 1-3产品可通过该网站https://pmm.gsfc.nasa.gov/GPM下载.文中选用GPM 30 min雨雪数据产品05B_Final.其空间分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为30 min，降水单位为mm/h.

1.2.3 NCEP-Stage Ⅳ雷达降水

NCEP-Stage Ⅳ是美国气象局国家环境预报中心的雷达定量估测降水产品(www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/ylin/pcpanl/stage4/)，项目起始于2001年12月1日.其数据结合全美大约150个多普勒新一代天气雷达的降水估计值和约5 500个地面雨量计的测量值，由分布在美国大陆的12个河流预报中心按各自区域生产.数据采集开始于每小时的33 min，并以1 h和6 h为时间步长进行累积计算，迭代复核和人工质量控制，最后将各区域数据镶嵌合成美国大陆雷达降水定量估测数据.该数据空间分辨率4 km，时间分辨率1 h，6 h，24 h，降水单位mm.

1.2.4 流域地面观测降水

流域内地面观测降水资料采用美国国家海洋和大气局(NOAA)降水观测数据.流域边界、径流和地形资料分别采用美国地质调查局(USGS)提供的流域边界数据集(Watershed Boundary Dataset V2.2.1)，美国10 m精度数字高程模型(DEM)以及美国国家水信息系统数据.在DEM数据的基础上，应用GIS空间分析工具，提取流域河网、河网流向、河网汇聚等信息.潜在蒸散发数据来自USGS饥荒预警系统(Famine Early Warning System，FEWS，https://earlywarning.usgs.gov/fews/datadownloads/Global/PET)，其每日全球潜在蒸散量是根据每6 h从全球资料同化系统提取的气候数据,使用Penman-Monteith方程计算得出，然后求和获得每日总计.该数据空间分辨率1.0°×1.0°，时间分辨率1 d.

1.3 CREST分布式水文模型

CREST(Coupled Routing and Excess Storage) 模型由美国俄克拉荷马大学水文气象与遥感实验室(HyDROS)和美国宇航局( NASA) SERVIR团队联合开发.它是一个分布式水文模型，将全流域划分为若干网格，使用可变渗透能力曲线逐网格进行产流计算，并利用多线性水库逐网格计算地表和地下水汇流，最后通过耦合产流要素和汇流结构，模拟再现径流过程.该模型在全球尺度、大区域尺度以及中小尺度都有出色的水文模拟和预报能力.CREST模型运行时，需要输入的数据包括数据流域信息(如流域边界、DEM、流向等)、降水、潜在蒸散发、流域出口流量、初始条件以及模型参数.模型输出结果包括土壤含水量、土壤湿度、地面径流等.为节省篇幅，有关模型数据预处理，模型参数取值范围等详细信息请参考美国俄克拉荷马大学HyDROS实验室CREST模型网址(http://hydro.ou.edu/research/crest/).

1.4 统计评估指标

文中选择了5种统计验证指标:相对偏差Bias、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、相关系数CC、判定系数R2定量评估TRMM，GPM，Stage Ⅳ卫星雷达降水的精度.采用纳什效率系数NSCE、相对偏差Bias和相关系数CC评估各降水产品的水文模拟效用.计算公式分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Sim为TRMM，GPM，Stage Ⅳ降水估测数据或CREST模型模拟出的径流数据；Obs为地面雨量站降水观测数据或径流站流量观测数据；n为模拟值或观测值总数；i为第i个模拟值或观测值.4个评估指标Bias=0%，RMSE=0，CC=1，NSCE=1代表最好的评估结果.为了细致地定量评估各降水产品的水文模拟效用，根据MORIASI等[10]的工作，将NSCE值分为4个区间，代表4个级别水文模拟效用：较差(NSCE≤0.50)，适用(0.50

2 结果与讨论

2.1 降水精度评估

鉴于卫星和雷达降水产品误差与空间尺度有关，文中以2014年6月1日—2018年6月30日地面雨量站观测降水作为参照，对同期的卫星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG和雷达降水Stage Ⅳ，分别在单个栅格和流域2种尺度进行降水精度评估.

2.1.1 单个栅格尺度降水精度

选取至少包含1个雨量站的栅格，若该栅格内包含多个雨量站，则将栅格内所有站点的降水量求算术平均，与上述3种降水产品对应栅格降水数据进行对比，如表1和图1所示，其中p为地面观测降水量；pT,pG,pS分别为3种降水产品对应降水量.TRMM 3B42 V7卫星降水，GPM-IMERG卫星降水，Stage Ⅳ雷达降水与地面观测降水相关系数分别为0.55，0.65，0.76.结合判断系数R2，误差RMSE，MAE统计指标，总体上Stage Ⅳ雷达降水与地面降水吻合最好，GPM-IMERG次之，TRMM 3B42 V7再次.3种降水产品与地面降水的相关系数均大于0.5，且通过了0.05置信水平检验.

表1 各降水产品在栅格尺度的降水精度评估Tab.1 Accuracy of precipitation products against rain-gauged precipitation at grid scale

图1 栅格尺度TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ降水产品与地面观测降水精度对比Fig.1 Comparison of accuracy of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ precipitation products against rain-gauged precipitation at grid scale

2.1.2 流域尺度面降水量精度

将地面观测降水插值处理，得到地面观测面降水量，并以此作为参照，对比同期的卫星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG和雷达降水Stage Ⅳ，如表2和图2所示.根据统计指标，在流域尺度 Stage Ⅳ降水与地面观测降水吻合精度最好，其次是GPM-IMERG降水，它的精度优于TRMM 3B42 V7.与栅格尺度对比，流域尺度的3种降水产品与地面观测降水相关度CC有明显提高，RMSE和MAE均减小.3种降水产品与地面降水的相关系数均通过0.05水平置信检验.

图2 流域尺度TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ降水产品与地面观测降水对比Fig.2 Comparison of the accuracy of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ precipitation products against rain-gauged precipitation at basin scale

表2 各降水产品在流域尺度的降水精度评估Tab.2 Accuracy of precipitation products against rain-gauged precipitation at basin scale

2.1.3 不同降水强度级别精度

文中采用国际气象组织(WMO)降水强度P级别分类标准，更精细地分析了卫星降水和雷达降水精度.降水强度划分为6个等级，分别是① 无雨：降水<1 mm，② 微雨：1 mm≤降水<2 mm，③ 小雨：2 mm≤降水<5 mm，④ 中雨：5 mm≤降水<10 mm，⑤ 大雨：10 mm≤降水<50 mm，⑥ 暴雨：降水≥50 mm.统计分析各降水强度等级的发生频率，如图3和表3所示，其中E为发生频率，e为频率误差.

图3 TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ和地面观测降水发生频率分布Fig.3 Occurrence frequencies of daily precipitation of TRMM 3B42 V7,GPM-IMERG,Stage Ⅳ and rain-gauged precipitation

表3 TRMM,GPM-IMERG,Stage Ⅳ雷达降水相对地面观测降水在各降水强度级别的频率误差Tab.3 Frequency error of TRMM,GPM-IMERG,Stage Ⅳ against rain-gauged precipitation at each intensity level

在Little Washita River流域，TRMM 3B42 V7和GPM-IMERG卫星降水产品相对地面观测降水，对无雨和微雨存在低估，对大雨和暴雨则是高估.Stage Ⅳ雷达降水在各降水强度等级的估测精度都高于GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7卫星降水.从整体上，无论卫星降水TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG还是雷达降水Stage Ⅳ在Little Washita小流域的降水估测精度较好，频率误差没有超过±10%.

2.2 水文模拟效用评估

文中用3种降水产品分别驱动分布式水文模型CREST，模拟Little Washita River小流域的径流过程，评估3种降水产品的水文模拟效用.径流模拟情景设定2014年6月1日—2016年6月30日为率定期，2016年7月1日—2018年6月30日为验证期.在相同率定期内，分别使用Stage Ⅳ雷达降水，GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7卫星降水率定CREST模型参数，得到各自降水产品率定的参数集后，在相同的验证期对径流进行模拟.这种情景设置有利于评估无地面观测数据或者数据有限情况下，仅采用遥感降水数据对流域水文过程模拟的效果，水文模型参数及其取值见表4.

表4 CRET分布式水文模型参数及取值范围Tab.4 CRET distributed hydrological model parameters and range of values

图4，5，6分别是Stage Ⅳ，GPM-IMERG，TRMM 3B42 V7降水产品的日降水量pr，日径流观测值Qr和日径流过程率定、模拟值的时间序列图.Stage Ⅳ在率定期NSCE达到0.84，CC为0.91，在验证期统计指标小有衰减，NSCE为0.64，CC为0.82.水文模拟效用在率定期和验证期分别达到优秀和良好.GPM-IMERG在率定期NSCE为0.48，CC为0.76，但在验证期NSCE衰减为0.44，CC为0.68，水文模拟效用在率定期接近适用，在验证期较差.TRMM 3B42 V7在率定期NSCE仅为0.32，CC为0.56，在验证期NSCE为0.28，CC为0.51，水文模拟效用在率定期和验证期都较差.

图4 Stage Ⅳ雷达降水径流模拟Fig.4 Runoff simulation of Stage Ⅳ

图5 GPM-IMERG卫星降水径流模拟Fig.5 Runoff simulation of GPM-IMERG

图6 TRMM 3B42 V7卫星降水径流模拟Fig.6 Runoff simulation of TRMM 3B42 V7

从时间序列整体上观察，3种降水产品对洪峰出现的时间捕捉得较准确；而对于洪峰流量的模拟，效果不一.Stage Ⅳ是3种降水产品中的模拟效果最好的，重现了流域行洪期间的日径流量过程；GPM-IMERG 和TRMM 3B42 V7对洪峰流量的模拟效果则存在明显波动，不够准确.

3 结 论

本研究以地面观测降水作为参照，对比分析了TRMM 3B42 V7，GPM-IMERG卫星降水和Stage Ⅳ雷达降水的精度，并用这3种降水产品驱动CREST分布式水文模型，评估了其水文模拟效用.根据降水精度评估结果，无论在栅格尺度还是流域尺度，3种降水产品都与地面观测降水有较好的相关性，Stage Ⅳ雷达降水与地面观测降水相关性最高，误差最小，其次是GPM-IMERG，最后是TRMM 3B42 V7.根据对不同降水强度的捕捉能力，GPM-IMERG和TRMM 3B42 V7卫星降水产品在无雨、微雨存在低估，大雨和暴雨存在高估；低估和高估的程度不大，频率误差不足10%.水文模拟效用评估中，Stage Ⅳ雷达降水在小流域水文模拟中效果最好，GPM-IMERG次之，TRMM 3B42 V7模拟效果不理想.3种降水产品都能够捕捉到洪峰发生的时间，GPM-IMERG，TRMM 3B42 V7水文再现效果不如Stage Ⅳ的主要原因是模拟洪峰流量时不够准确.基于文中设置的水文模拟情景，使用Stage Ⅳ雷达降水能满足小流域水文模拟的需求，GPM-IMERG卫星降水进行水文模拟时需要再评估，TRMM 3B42 V7 可能由于空间分辨率和传感器精度的原因，尚不足以支撑小流域水文模拟.以上结论也说明，高时空分辨率的降水估测产品对小流域水文模拟及预报的有效性和重要性，流域水文水资源领域对高时空分辨率的降水估测产品有着迫切的需求.