TRMM卫星降水数据在江苏省的适用性评价

许珊珊

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司,广东 惠州 516000)

降水是水循环中时空变异性最为明显的要素,准确掌握降水信息对区域水资源管理、水文预报、旱涝灾害分析及生态环境治理都具有重要意义[1]。目前中国已建立起相当多的气象和雨量站来观测降水,然而由于降水过程的复杂性,台站观测不易捕捉到全部的降水特征。并且由于站点空间分布不均,导致基于站点数据插值的空间化降水信息精度不高,限制了其应用范围[2-4]。

为了满足水文气象研究和生产实践需要,目前国际上普遍采用基于遥感观测的降水产品。卫星遥感数据具有覆盖面广、时效性强、空间分辨率高等特点,已成为获取全球降水数据的重要手段[5-6]。其中,最具代表性的是TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星降水产品,TRMM卫星于1997年发射成功,至今已积累了海量的全球降水数据,具有良好的应用前景。很多学者对TRMM卫星降水数据的适用性进行了评估,比如骆三利用全国673个气象站点的夏季降水资料检验了同期TRMM测雨产品的精度[6];嵇涛等[7]评估了TRMM数据在川渝地区的适用性,并分析了高程和坡度对结果的影响;吴健等[8]利用19个气象站点数据评估了TRMM数据在喀斯特地区的适用性;田苗等[9]利用4个气象站点的资料检验了TRMM数据在江苏的应用效果;以及较多学者对TRMM卫星降水数据在缺资料的青藏高原的适用性进行了探究[10-13]。虽然学者们对TRMM数据在不同地区不同尺度上的适用性进行了分析,然而这些研究选取的实测对比站点密度较低,平均每个TRMM降水网格内的实测站点均小于1,鲜有学者对TRMM卫星降水数据进行高密度的检验评估工作。

TRMM卫星降水数据的一大优势为观测范围广,可应用至无资料地区的降水反演。然而稀疏的台站实测资料无法检验到每个TRMM降水网格,因此高密度检验评估工作具有较大重要性。江苏省地处中国大陆东部,地形以平原为主,省内站网分布密集,且总体布局合理,具备进行高密度检验的基础条件[14]。本文选用江苏省内167个雨量站点的实测资料,与TRMM降水数据进行对比分析,该研究可以深入了解TRMM卫星降水数据的精度,为TRMM降水产品在其他地区的应用提供参考。

1 研究数据与方法

1.1 研究方法

本研究以台站实测资料为基准,对TRMM降水产品进行检验。研究中利用到以下对比要素和数据评价指标。

1.1.1降水频率

根据骆三等[6]的研究,本文将每个站点或每个栅格日降水大于2.4 mm的天数占总天数的百分比作为降水频率。

1.1.2空演与漏演

根据骆三等[6]的研究定义如下:漏演——反演无降水,实况出现降水;空演——反演有降水,实况无降水,见式(1)、(2):

(1)

(2)

式中 LY——漏演率;KY——空演率;TL——漏演的天数;TK——空演的天数;T——总天数。

1.1.3降水分级

按照国家气象局分级标准对降水进行分级研究,以实测降水为基准,24 h降水量0.1～9.9 mm为小雨,10.0～24.9 mm为中雨,25.0～49.9 mm为大雨,大于等于50 mm为暴雨。

1.1.4数据评价指标

以实测降水量数据为基准,利用相关系数(R)来检验TRMM数据和实测数据的相关性,利用平均绝对偏差(MAE)、平均相对误差(MRE)2个指标衡量2种数据相似程度,见式(3)—(5):

(3)

(4)

(5)

分析实测数据和卫星数据所显示的降水年际变化幅度,可以用变差系数Cv来表示:

(6)

1.2 研究数据

本研究利用台站实测资料分别对TRMM月降水产品、日降水产品进行检验。TRMM降水产品是TRMM卫星与其他卫星联合反演的降水产品,提供全球格点降水资料。产品首先订正热带测雨卫星(TRMM)微波成像仪(TMI)资料,并联合SSM/I、AMSR-E、AMSU-B资料估值降水,其次利用全球降水气候计划(GPCP)的红外降水估值订正微波降水,再进行微波和红外资料联合估值,最后再与逐月的雨量计观测资料匹配[6]。研究中采用的TRMM月降水产品为TRMM 3B43降水数据,该数据以月时间为尺度;采用的TRMM日降水产品为TRMM 3B42降水数据,该数据以日时间为尺度。本文在时间上把卫星资料的世界时间转换为北京时间;在空间上,利用双线性插值法把卫星资料处理为与站点相同经纬度位置点的资料。TRMM数据均来自NASA,空间分辨率为0.25°×0.25°,资料年限2000年1月—2013年12月。地面降水数据则选用了与遥感数据同期的江苏省167个雨量站点的实测日降水数据,来源于江苏省水文水资源勘测局整编成果,数据有严格的质量控制和均一化订正,雨量站点分布见图1。根据显示,研究范围内有155个TRMM卫星降水网格,平均每个降水网格分布1个雨量站点。研究中取雨量站实测降水数据与所在网格的TRMM降水数据进行对比分析,若一个网格涉及多个雨量站点,则取雨量站点降水均值与之对比。

图1 研究区TRMM网格与雨量站点分布

2 TRMM卫星降水与实测降水对比分析

2.1 降水空间分布

根据实测降水数据和TRMM卫星数据分别得到江苏省的多年平均降水量,利用双线性插值法对实测数据进行处理,得到多年平均降水量空间分布(图2)。

a)实测

b)TRMM

由图2可以看出,在多年平均尺度上(2000—2013年),台站实测多年平均降水量范围为683～1 260 mm,TRMM多年平均降水量范围为823～1 427 mm,较实测降水量大,其中最低值偏大140 mm,最大值偏大167 mm。尽管两者在数值上有差异,但在降水的空间分布上呈现较一致的规律,总的来说,江苏省多年平均降水由南向北递减,苏州、无锡、常州及南京一带为降水高值区,徐州、连云港及盐城北部为降水低值区,这与孙振利等[14]在江苏做出的结果一致。

2.2 日值3B42数据

2.2.1降水频率空间分布

根据实测日资料和TRMM 3B42日值数据分别得到江苏各站点2000—2013年的降水频率,空间分布见图3。实测资料降水频率为11%～23%,平均降水频率为16.4%。TRMM卫星资料降水频率为12%～26%,总体大于实测降水频率,这与Zhou等[15]、骆三等[6]做出的结果一致。TRMM卫星资料的平均降水频率为16.7%,与实测资料相近,但两者的相关性系数仅0.74,较骆三等[6]在全国范围内得到的相关性系数差,主要原因是骆三仅检验了夏季降水,而本文检验了全年降水。从图3可以看出,TRMM卫星资料与实测资料降水频率分布存在些许差异,实测资料降水频率从南向北递减,降水频率最高值在常州、无锡以及太湖一片,最低值在最北的徐州市;TRMM资料降水频率的分布规律性不那么明显,大致江苏南部降水频率高,北部少,最高值分布在苏州市。但在扬州以及徐州和宿迁交界处降水频率也存在两处高值区,这与图1相吻合,扬州以及徐州和宿迁交界处降水多年平均值较其周边地区高。

a)实测

2.2.2漏演、空演

根据漏演率和空演率的定义,得到2000—2013年江苏实测有降水而TRMM反演无降水以及实测无降水但反演有降水的具体情况,漏演率和空演率空间分布见图4。

a)漏演率

漏演率的范围为4.8%～16.0%,平均漏演率为9.9%,空间分布上呈现自南向北递减的趋势,最低值在徐州市,最高值在常州市。空演率的范围为4.3%～32.7%,尽管空演率的最大值很大,可是空演率大于16%的仅9个站,大于20%的仅3个站,因此平均空演率较平均漏演率低,仅为8.9%。从空间分布上看,空演率最大值在徐州和宿迁的交界处的窑湾站和皂河闸站,平均空演率为30.96%,TRMM数据在该地的应用性不强。次大值在徐州市的北部和苏州的东部,最小值在盐城市。江苏省内漏演率和空演率值均较低的是连云港市和宿迁市,可见TRMM在该两地的反演准确度较高,可用TRMM反演数据较为准确地判别实际情况是否有降水。

2.2.3降水分级

以实测逐日降水资料为基准进行降水分级,利用相对误差检验TRMM数据对各级降水的精度。误差空间分布见图5。

c)大雨

小雨相对误差最高值在洪泽东双沟站,该站相对误差达10.8,除该站外,其余站点相对误差范围为2.1～4.8,省内小雨平均相对误差为3.49,除最高值外,高值中心主要分布在宿迁市以及苏州市,TRMM卫星在这两地的小雨反演精度较差。相对误差低值主要分布在盐城市,TRMM在此地对小雨的反演精度较大。中雨相对误差范围为0.67～1.02,平均相对误差为0.81,在全省范围内出现多个高值中心,分别位于洪泽湖附近、扬州市,南京市以及连云港市,低值主要分布在南通和徐州市。大雨相对误差范围为0.49～0.80,平均相对误差为0.60,在淮安、宿迁、连云港市精度差,相对误差最大值依旧是洪泽东双沟站,但江苏南部大雨相对误差整体较小,精度较高,除此以外徐州北部的精度也较好。暴雨的相对误差范围为0.37～0.72,平均相对误差为0.51,空间分布与大雨相对误差空间分布结果相似,在江苏南部效果较好,在江苏北部效果较差,但徐州市例外。

整体而言,TRMM在江苏的各级降水中对小雨测量的相对误差较大,对中雨、大雨、暴雨测量的相对误差较小,产生这种结果的主要原因是TRMM卫星降水雷达的工作波长为Ku波段,其波长较短,对衰减敏感,特别在垂直方向上经过强衰减后,订正值依旧偏小。

2.3 月值3B43数据

从图6可以看出,江苏省167个站点的TRMM 3B43月降水数据与实测月降水相关性系数较好,范围为0.84～0.96,平均相关系数为0.91,在徐州、连云港北部相关性较好,在江苏南部、洪泽湖周边相关性略差。绝对误差范围为15.4～38.6 mm,平均值为22.4 mm,与相关性系数呈现较一致的规律,在徐州、连云港绝对误差小,精度较高;在江苏南部,洪泽湖周边绝对误差较大,精度较低。选取相关性系数最高、最低值所在站点,得到TRMM 3B43月数据与地面实测降水散点图,见图7。从图中可以看出TRMM 3B43月数据与地面实测降水资料之间相关性较好,有应用的可行性。

a)相关系数

b)绝对误差

a)相关性系数最高站点

2.4 变差系数

根据实测数据统计出实测年降水资料,由误差较小的TRMM 3B43月资料统计出TRMM降水年值,分别得到实测降水数据和TRMM降水数据的变差系数分布(图8)。从图中可以看出,实测降水和TRMM降水的变差系数大体上呈现较一致的规律,江苏南部变差系数小而江苏北部变差系数大,即江苏南部年降水量波动小,而江苏北部年降水量波动大。但实测降水数据的变差系数范围为0.09～0.36,TRMM降水的变差系数范围为0.06～0.30,可以看出实测降水数据的变差系数明显高于对应的TRMM降水的变差系数,说明在江苏地区TRMM降水的逐年差异性小于实测降水。

a)实测

b)TRMM

3 结论

在江苏省内利用167个雨量站点资料对TRMM卫星资料日降水数据和月降水数据进行了检验和分析对比,得到以下结论。

a)在多年平均尺度上,TRMM降水数据和实测降水数据空间分布上相似,多年平均降水从南向北递减,但TRMM降水值高于实测降水量。

b)在日尺度上,TRMM 3B42数据降水频率为12%～26%,总体大于实测降水频率(范围为11%～23%),实测降水频率呈现从南向北递减的规律,而TRMM 3B42数据降水频率不是很明显。漏演率范围为4.8%～16.0%,从南向北递减;空演率范围为4.3%～32.7%,在苏州东部及徐州市较高;连云港市和宿迁市漏演率和空演率均较低,在该两地可用TRMM反演数据较为准确地判别实际情况有无降水。江苏省内,TRMM数据对小雨测量的相对误差较大,平均相对误差为3.49,对中雨、大雨、暴雨的相对误差较小,平均相对误差分别为0.81、0.60、0.51。

c)在月尺度上,TRMM 3B43数据与实测降水数据相关性系数范围为0.84～0.96,绝对误差范围为15.4～38.6 mm,在徐州、连云港北部相关性较好,在江苏南部、洪泽湖周边相关性略差。TRMM 3B43数据与地面实测数据一致性程度整体较高。

d)在年尺度上,比较了实测降水数据与TRMM降水数据的变差系数,两者呈现较一致的规律,江苏南部年降水量波动小,北部波动大。

总的来说,通过江苏省内密集实测站点的各个尺度的分析检验,发现TRMM卫星降水数据和实测降水数据在江苏省内呈现较一致的规律,应用性较强,可将TRMM数据应用到江苏的水循环研究、水资源管理和农业灌溉生产中。