TRMM卫星降水产品和SPDI在河南省干旱监测中的适用性

陈昊杰 马明卫 林 远

(华北水利水电大学水资源学院，河南 郑州 450046)

河南省地处半湿润-湿润气候过渡带，属大陆性季风气候，是全国主要粮食产区，但由于水资源利用率低，且降水的时空分布不均，极易遭受干旱的侵袭。利用高时空分辨率遥感卫星反演数据与产品，研发干旱指数，构建适合河南省的干旱监测及预警平台，对于提高防灾减灾能力和旱灾综合应对水平、服务工农业生产具有重要的现实意义。

本文评估了TRMM 3B43V7卫星降水产品在河南省的适用性；采用卫星降水数据代替地面降水资料计算SPDI，并寻求最优时间尺度；结合历史干旱事件记载，评估SPDI在河南省干旱监测中的适用性。研究旨在验证基于TRMM卫星降水产品和SPDI构建河南省干旱监测业务化系统的合理性与可行性，以期为区域防旱、抗旱提供理论和技术支撑。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

河南省位于华北平原南部的黄河中下游地区。地理坐标范围为：西起东经110°21′，东至东经116°39′，跨经度6°18′，直线距离约580km；南自北纬31°23′，北到北纬36°22′，跨纬度4°59′，直线距离约550km。河南省大部分地处暖温带，南部跨亚热带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，具有四季分明、雨热同期、复杂多样和气象灾害频繁的特点。全省由南向北年平均气温为10.5～16.7℃，年均降水量407.7～1295.8mm，降雨以6—8月最多。

河南省天然河川径流量的主要补给来源是大气降水，地形、地貌和气候等因素对其也有很大影响。全省多年平均降水量776.3mm，汛期(6—9月)降水量占全年总降水量的60%～70%；多年平均天然河川径流量为313亿m3，折合径流深为187.4mm。

1.2 数据来源

本文收集了中国气象数据网提供的河南省1998—2019年间15个气象站点(见图1)的逐月气象观测资料，包括月降水量和月平均气温。选取TRMM 3B43V7卫星降水产品(0.25°网格上1998—2019年的月降水量序列)开展精度评价研究并据此计算SPDI干旱指数。参考文献[3][4]成果，各站点土壤有效持水量分别取230mm(安阳、新乡、三门峡)、240mm(郑州、孟津、开封)、250mm(西华、商丘、宝丰、许昌)、260mm(西峡、南阳)、270mm(驻马店)、280mm(信阳、固始)，根据桑斯威特法估算潜在蒸散发PET时还要用到以上各站点的地理纬度,见表1。此外，重点摘录了《中国水旱灾害公报》中河南省1998—2019年期间的主要历史干旱事件，用于验证SPDI在河南省历史干旱评估中的表现。

图1 河南省气象站点分布

表1 各站点地理经纬度

2 卫星降水数据精度评估

2.1 评估指标

通过对比卫星降水数据与地面实测多年平均降水量(见图2)，可以看出各站点卫星反演与地面实测多年平均降水量较为接近。为了更全面、准确地评估TRMM卫星降水数据的精度和可用性，本文采用多种统计指标定量分析15个站点的卫星降水产品与地面降水资料的一致程度。具体包括：ⓐ相关系数(CC)，用于反映遥感降水与地面降水的线性相关程度；ⓑ平均绝对误差(MAE)和均方根误差(Rmse)，用于反映遥感降水与地面降水平均误差的大小；ⓒ相对偏差(Bias)，用于反映卫星降水数据的系统偏差程度[5-12]。各评估指标计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

图2 各站点TRMM卫星反演与地面实测多年平均降水量的对比

2.2 结果分析

各站点TRMM卫星反演与地面实测月降水量序列的相关系数及其空间分布规律分别见图3和图4。可以看出：TRMM卫星反演和地面实测降水数据表现出良好的相关性，大部分站点的相关系数均大于0.800，且均值为0.880，其中孟津站相关系数(CC)最高(0.966)，许昌站相关系数最低(0.697)。各站点TRMM卫星反演与地面实测多年平均降水量的平均绝对误差(MAE)见图5，其中最大值为三门峡的84.71mm，最小值为驻马店的2.57mm；所有站点TRMM卫星反演与地面实测降水量的均方根误差(Rmse)为50.06mm，相对偏差(Bias)为-0.05，且在各站点表现出较好的稳定性。通过以上分析可以认为TRMM 3B43V7卫星降水产品在研究区域内具有较高的可信度，采用卫星降水数据代替地面观测降水量进行干旱指数计算能够满足后续研究需要。

图3 各站点TRMM卫星反演与地面实测年降水量的相关系数

图4 各站点TRMM卫星反演与地面实测多年平均降水量相关系数的空间分布

图5 各站点TRMM卫星反演与地面实测多年平均降水量的平均绝对误差

3 SPDI干旱指数与应用

3.1 SPDI模型构建

SPDI[13]采用的土壤水平衡为

(5)

(6)

ISPDI=Φ-1[F(x)]

(7)

图6 GEV分布对郑州站12个月时间尺度各季水分偏离序列的拟合效果注 12个图幅分别代表不同结束月份相应的时段滑动累积序列

3.2 SPDI与PDSI结果比较

首先通过与PDSI比较检验SPDI结果的可靠性。本文同时计算了15个气象站点的逐月PDSI干旱指数序列。图7为各个站点SPDI与PDSI的皮尔逊相关系数。从图7可以看出，15个气象站点均在12个月时间尺度附近有较好的相关性，计算得到的SPDI与PDSI具有较好的相关性，其最大相关系数接近0.9；宝丰、信阳、商丘等地SPDI与PDSI相关性略低，介于0.78～0.79。究其原因，一方面，这可能与PDSI本身的适用性有关，即不大适用于这些降水量较高的地区，这种影响也会同时传递给SPDI，导致相关系数略低；另一方面，地形起伏会影响TRMM 3B43V7产品的精度，部分山区和平原可能有所高估。总体而言，SPDI与PDSI的相关性较好，SPDI指数可满足替代PDSI的功能。

SPDI与PDSI的一致性也可以通过历史逐月干旱指数演变情况[14]反映出来。以开封站、安阳站为例(见图8)，21世纪初的前10年，开封站基本偏湿，多洪涝现象；而在2012年之后持续干旱至2019年，其中安阳站逐月干旱指数波动明显，旱涝转换频繁。该站除了2003—2005年持续偏湿，2001—2002年、2013—2015年干旱最为严重。由年尺度SPDI(SPDI12)和PDSI反映出的上述历史旱涝交替非常一致。相比而言，2018—2019年严重干旱，其余基本呈现旱涝交替现象。其余站点的历史逐月干旱指数演变情况也有类似结果。总体来看，SPDI12与PDSI对旱涝时段的反映一致，不存在明显差异。

图7 各站点不同时间尺度SPDI与PDSI的相关性

图8 开封站和安阳站历史逐月SPDI12和PDSI干旱指数波动情况

3.3 SPDI和PDSI干旱统计特征比较

表2 SPDI和PDSI的旱涝等级划分标准

表3 SPDI和PDSI均值、方差及不同等级旱涝频率

续表

3.4 SPDI与历史干旱事件对比分析

选取1999年和2014年两个干旱较严重的年份作为典型年份，结合年鉴记载的干旱事件，将基于SPDI识别的干旱过程与历史记载的干旱事件进行对比，进一步分析SPDI在河南省历史干旱评估中的表现。1999年6—9月，我国北方发生特大旱，旱区主要位于华北、黄淮、西北东部及东北部分地区，河南省受旱面积达273.3万hm2，枯死约18.7万hm2。2014年汛期以后，由于高温少雨天气持续发展等原因，造成河南省中西部和北部部分地区(以宝丰站、驻马店站和许昌站为例)发生较为严重的旱情。2014年6月，河南旱情迅速发展；7月，河南遭遇60多年来最严重的“夏旱”，多地供水告急；8月下旬，夏伏旱达到峰值；直至9月初，旱区出现降水过程，旱情才得到缓解。图9展示了宝丰、驻马店和许昌站的SPDI12逐月干旱指数演变过程。可以明显看出，这3个站点所在地区1999年6月旱情发生且持续发展，直至2000年夏季，旱情才得以缓解；2014年6月，这些地区产生严重夏旱，且旱情在7月、8月持续发展，最终在9月开始缓解。结合年鉴记载的历史干旱事件，SPDI12识别的干旱过程与之接近，其中2014年旱情最为严重，与年鉴记载的特大旱相符，表明SPDI12指数用于评估河南省历史干旱时表现良好。

图9 宝丰站、驻马店站和许昌站SPDI12逐月干旱指数波动情况

4 结 论

本文根据河南省15个气象站点1998—2019年的逐月气象观测资料和TRMM 3B43V7逐月卫星降水数据，运用多种统计指标评估了TRMM 3B43V7卫星降水产品在河南省的适用性；采用卫星降水数据代替地面降水资料计算了SPDI，并寻求其最优时间尺度。通过结合历史干旱事件，评估了SPDI指数在河南省干旱监测中的适用性。主要结论如下：

a.TRMM 3B43V7卫星反演与地面观测降水数据相关性很高，相应卫星降水数据能代替地面观测降水量用于计算SPDI干旱指数，特别是在平原地区；卫星反演与地面观测降水数据的系统偏差较低，相对偏差仅为-0.05。

b.SPDI指数在不同站点具有非常一致的均值与方差，它们分别接近于0和1，符合其标准正态化的特性；在各站点上，SPDI12与PDSI的相关性都较强，且对旱涝状况描述较为一致。

c.基于卫星降水数据计算的SPDI12识别的干旱过程与年鉴记载的历史干旱事件基本相符，可以采用TRMM 3B43V7卫星降水数据计算SPDI指数并用于河南省干旱监测，且SPDI12适用性最好。