基于TRMM卫星产品的长江流域降水精度评估金 秋，张 增 信，黄 钰 瀚，江 姗 珊，杜 卫 (南京林业大学 江苏省南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037) 摘要：卫星降水产品在降水空间格局分析中扮演着重要角色。为分析卫星降水产品在长江流域的应用精度，利用2003～2010年长江流域175个雨量站实测降水资料检验了同期TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)降水产品3B42 RTV7及V7的精度。结果显示：① 长江流域年平均降水总量从东南向西北呈现明显的梯度变化，年降水量从2 000 mm/a减少到400 mm/a，降水空间差异极大，时间分布也不均。② RTV7和V7降水产品能够捕捉到长江流域降水空间分布格局，尤其是V7在长江流域有较高的精度，对59.85%流域面积的估算偏差在-10%～10%之间；实时产品RTV7在长江上游存在明显的高估现象，偏差大于50%的流域面积高达33.51%。③ 长江中下游RTV7和V7日降水数据与对应的实测数据相关系数都大于长江上游地区，偏差更小。④ RTV7和V7降水产品在丰水期的估算精度整体优于枯水期。 关 键 词：卫星降水产品; TRMM 3B42; 精度评估; 长江流域 降雨是水循环的重要环节之一[1]，其高度的时空异质性对水资源分配有重大影响[2]，精确可靠的降雨观测数据是旱涝灾情监控预报的重要依据[3-4]。长期以来，对站点观测数据进行空间插值是获取降雨数据的主要手段，但由于站点数量少、密度低,再加上空间位置不合理等原因,降雨观测数据的准确性将受到影响，尤其在地形复杂的山区，稀少的气象站点难以反映区域的降雨过程，对区域降水格局变化研究造成很大困难[5-7]。 近几十年来，随着航空航天技术与遥感反演理论的发展，卫星在降雨观测方面也得到了广泛的应用[8-9]。高时间分辨率和空间分辨率使得卫星降雨数据不仅适用于实际的应用研究[10-11]，同时弥补了台站降水数据的局限性，填补了无资料地区的数据空白。TRMM卫星降雨产品是重要的全球卫星降雨产品之一。该卫星由美国国家宇航局和日本国家空间发展局共同研制，其目的是通过分析热带地区的降雨量和潜热来进一步研究全球能量循环和水循环[1]。目前，TRMM各系列产品已广泛应用于众多研究领域，如降雨特征分析、水文、农业等[12-14]。 长江流域横跨我国西南、华中、华东等三大经济区，这些经济区是我国社会经济快速增长的地区[15]。但是，自古以来长江流域也是我国旱涝灾害频发地区之一。全球变暖引起的水循环加快、降水增加导致长江流域发生洪涝灾害的风险增大，对流域内人民的生命财产安全构成威胁，同时也严重制约了区域经济和社会的可持续发展[16-17]。本文利用TRMM卫星降水产品3B42 RTV7和V7研究长江流域降水时空变化特征，同时将卫星估算降水与观测资料进行对比，对卫星降水产品的精度进行检验并对其影响因素进行分析。 1 研究区概况长江流域位于北纬24°30′～35°45′，东经90°33′～122°25′之间。长江发源于青藏高原的唐古拉山脉各拉丹冬雪山西南侧，干流流经11个省份，于上海市崇明岛注入东海。长江流域不仅在水循环、能量平衡、气候变化等方面有着重要作用，对中国经济、社会的发展同样有着重要影响。图1为长江流域雨量观测站分布图，共175个监测站点。  图1 长江流域观测站分布 2 数据与方法2.1 研究数据 研究所用2003～2010年TRMM 3B42 RTV7和V7数据下载于美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的网站(http://trmm.gsfc./)。TRMM测雨产品3B42是TRMM卫星与其它卫星联合反演的降水产品，提供全球格点降水资料，资料空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h，覆盖范围为南纬50°～北纬50°。该产品首先订正热带测雨卫星(TRMM)微波成像仪(TMI)资料，再联合SSM/I、AMSR-E、AMSU-B资料估算降水，其次利用全球降水气候计划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，最后与逐月的雨量计观测资料匹配[18]。 2.2 研究方法 采用偏差(Bias)、相关系数(correlation coefficient，CC)、均方根误差(root mean square error，RMSE) 3项定量精度指标来评价卫星降水与观测降水值在数量上的一致性。评价公式为  (1) CC= (2) RMSE= (3) 式中， OBSi代表观测降水量； SIMi代表卫星计算降水量； 3 结果与分析3.1 TRMM年尺度精度检验 根据2003～2010年长江流域多年平均降水量的空间分布，可以发现长江流域多年平均降水总量呈现从东向西逐渐减小的趋势，东部地区年平均降水量大于2 000 mm，西部地区年平均降水量不足400 mm (图2a)，显示长江流域不同区域降水量差异极大。RTV7能够捕捉长江流域年降水量的空间分布，但是在长江上游高原地区年降水量有明显的高估(图2b)。V7对长江流域降水空间分布的估算与观测数据非常相似(图2c)，在长江流域有较好的估算精度。  图2 2003～2010年年均降水量分布(单位：mm) 表1为长江流域2003～2010年RTV7和V7与实测年降水量的偏差分析。从表1可以看出，RTV7对长江流域的降水估算总体存在高估情况，50.49%的地区年降水估算大于10%，特别是长江上游高海拔地区高估现象更为明显，这与Hao等在长江上游的研究结果一致[6]。而经过校正的研究产品V7在长江流域降水估算偏差多分布在-10%～10%之间，显示出它对长江流域降水估算偏差比实时产品RTV7更小，精度更高。Tong等的研究同样表明，V7对降雨的估算精度要大于RTV7[19]。 表1 长江上游及中下游RTV7/V7降水产品估算偏差分布 %  流域类型<-50mm-50～-31mm-30～-11mm-10～10mm11～30mm31～50mm>50mm上游RTV70.130.4012.8124.8820.507.7533.51V70.132.9031.0952.6612.880.270.07中下游RTV70.000.5111.6351.4730.505.640.25V70.000.1712.8968.8318.080.080.00全流域RTV70.070.4512.2836.7024.946.8218.73V70.071.6923.0059.8515.170.190.04 3.2 TRMM月尺度精度检验 图3为2003～2010年长江流域TRMM降水产品和实测降水数据的逐月变化。RTV7和V7降水数据都能够反映长江流域降水的月变化，其中，V7与实测降水无论是长江上游、中下游还是整个长江流域都较为接近。RTV7可大致估算出长江流域的月降水变化，但是，RTV7与V7相比整体上明显高估了长江流域的月降水量，特别是在汛期。Gu等的研究也表明TRMM卫星降水产品在长江流域湿季存在高估现象[13]。相反，Islam and Uyeda在孟加拉国的研究结果表明，3B42卫星降水产品在少雨干季存在高估现象，而在多雨湿季则存在低估现象[20]。  图3 2003～2010年长江上游、中下游和全流域实测和RTV7/V7估算的月降水量变化
图4为2003～2010年长江流域RTV7和V7降水产品与实测降水的降水距平百分率。从图4(a)可以看出，除了2月份，其它月份RTV7在长江上游估算的降水量都高于实测降水，其中6个月的月降水量高估超过30%，11月份高估最严重，达到70%。与RTV7相反，V7对长江上游降水的估算有一定的低估现象，特别是冬季低估量较多，12月份低估达到50%，但其它季节V7比RTV7月降水量的估算误差明显偏小。RTV7和V7卫星降水产品在长江下游有较好的估算精度，降水距平百分率相对长江上游地区明显偏小。RTV7和V7在长江流域丰水期(5～9月)的估算偏差一般小于枯水期的偏差(11月～次年3月)。这与已有研究结果也基本一致，如Gao和Liu在青藏高原地区的研究表明卫星降水产品在湿润地区的精度大于干旱地区[5]。  图4 2003～2010年长江流域RTV7/V7月均降水距平百分率
表2中列出了RTV7和V7降水产品与实测降水在长江上游、中下游丰水期和枯水期的估算精度比较。从中可以看出，RTV7和V7降水产品在长江丰水期的相关系数(CC)比枯水期明显偏大，并且长江中下游地区的CC值大于长江上游地区。与RTV7比较，V7的CC值明显比RTV7偏高，长江上游枯水期的CC值为0.77，远高于RTV7的0.64，上游丰水期RTV7的CC值虽然增加到0.78，但V7的CC值高达0.88，而长江中下游地区，枯水期和丰水期V7的CC值也明显大于RTV7。从表2中还可以看出，总体上枯水期RTV7和V7相对实测降水的偏差明显比丰水期小，而且长江中下游地区的降水偏差远小于长江上游地区。从RTV7和V7与实测降水的偏差同样也可以看出，V7估算精度比RTV7明显提高，RTV7除了在长江中下游地区枯水期出现了轻微低估(-1.82%)以外，存在普遍的高估现象。 表2 长江流域丰水期和枯水期RTV7和V7降水产品与实测降水的估算精度比较(丰水期，5～9月；枯水期，11月～次年3月)  时期类型CCBias/ % RMSE/mm上游枯水期RTV70.6425.23 0.89V70.77-18.16 0.51上游丰水期RTV70.7828.10 2.81V70.88-3.76 1.54中下游枯水期RTV70.82-1.82 2.28V70.872.69 2.02中下游丰水期RTV70.8911.61 2.73V70.911.27 2.19 3.3 TRMM日尺度精度检验 为进一步分析RTV7和V7降水产品的估算精度，在日降水尺度上开展了长江流域暴雨的估算精度检验。选取2008年8月1日长江流域典型暴雨事件进行RRMM降水产品的精度估算。2008年8月1日长江流域上游和中下游同时发生大暴雨，局部地区降水量超过100 mm/d。从图5可以看出，RTV7和V7基本都能刻画出2008年8月1日长江流域降水的空间分布，特别是暴雨的落区估算都比较准确。文献[21]的研究也表明,V7能够较好地捕捉到中雨及大雨。也可以看出，RTV7和V7对长江中下游地区暴雨的估算显示出较高的精度，其空间分布和降水量估算都与实测降水比较吻合，然而在长江上游，RTV7和V7对暴雨的估算有明显高估，但对长江源区降雨有低估现象。Gao和Liu使用2004～2009年TRMM卫星降水数据研究其在青藏高原地区的估算精度，结果表明TRMM卫星降水产品总体上高估了小雨的雨量而低估大雨的雨量[5]。这与本文研究得出的日尺度的降水精度估算结果不一致，可能是因为在不同地区、不同季节和不同降水强度影响下，TRMM的降水估算可能存在一定的差异，需要进一步研究。 图5 2008年8月1日实测和RTV7/V7 估算的长江流域日降水量空间分布(单位：mm) 4 结 论本文基于2003～2010年TRMM 3B42 RTV7和V7两种卫星降水产品以及同期的实测降水资料，采用偏差、相关系数和均方根误差等统计方法，研究RTV7和V7降水产品在长江流域的应用潜力，通过对比研究，得出以下结论。 (1) 长江流域多年平均降水总量呈现东高西低的趋势，降水的时空分布不均匀。RTV7和V7均能较好地估算出长江流域降水的空间分布和逐月变化。 (2) 与RTV7比较，V7在长江流域有更高的估算精度，RTV7在长江上游存在明显的高估现象，而V7降水产品在长江上游存在低估现象，特别是枯水期，降水总量低估达18.16%，而丰水期情况较好，仅低估了3.76%。 (3) 从多年平均、丰水期、枯水期以及日尺度等不同时间尺度的RTV7和V7降水产品在长江流域的估算精度来看，RTV7和V7降水产品在长江中下游的估算精度总体上比长江上游地区明显偏高。 参考文献： [1] 赵海根，杨胜天，周旭，等.TRMM 3B42降雨数据在渭河流域的应用分析[J].水文,2015,35(1):61-67. 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To assess the application accuracy of satellite TRMM in the Yangtze River Basin, the precipitation data from 175 rain gauge stations during 2003 and 2010 are used to verify the precipitation accuracy estimated by TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)precipitation product 3B42 RTV7 and V7. The results show that:(1)The precipitations in the Yangtze River Basin distribute unevenly and there is an increasing gradient of annual precipitation over the Yangtze River basin from northwest (< 400="" mm/a)="" to="" southeast="" (=""> 2000 mm/year); (2) RTV7 and V7 products can capture the spatial and temporal distribution of precipitation in Yangtze River basin, especially for product V7, the area percentage of best performance (bias ranging from -10% ～ 10%) of the annual mean precipitation reaches 59.85%. However, obvious overestimation appears in the upper Yangtze River basin for the product RTV7 and the area percentage of obvious overestimation (bias > 50%) for the annual mean precipitation reaches 33.51%; (3) The estimation accuracy of RTV7 and V7 precipitation products in the upper Yangtze River basin is lower than that of in the mid-lower basin; and the performance of these two products in the wet period is better than that in the dry period. Key words: satellite precipitation; TRMM 3B42; accuracy assessment; Yangtze River Basin 中图法分类号：TV125 文献标志码： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.19.009 收稿日期：2016-7-27 基金项目：国家重点基础研究发展“973”计划项目(2012CB417006)；国家自然科学基金项目(41171020)；卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放基金项目；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)联合资助项目 作者简介：金 秋，女，硕士研究生，主要从事气候变化方面的研究。E-mail:@163.com 通讯作者：张增信，男，教授，博士，主要从事气候变化方面的研究。E-mail：nfuzhang@163.com 文章编号：1001-4179(2017)19-0048-05 |
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代表平均观测降水量；
代表平均卫星计算降水量； 
