王漢濤，張瀟瀟2,3，趙牧晨，舒衛(wèi)民

(1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司 三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，成都 610041； 2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065； 3.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

1 研究背景

降水是影響流域水循環(huán)最活躍的因素，對(duì)流域產(chǎn)匯流的形成起著決定性的作用[1]。目前降水信息的獲取方式包括地面站點(diǎn)觀測(cè)、天氣雷達(dá)觀測(cè)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)。地面站點(diǎn)觀測(cè)降水精度較高，但是受到站點(diǎn)布設(shè)以及插值方法限制，不能準(zhǔn)確地反映流域降水時(shí)空分布[2]；雷達(dá)觀測(cè)也屬于地面直接觀測(cè)降水[3]，能夠提供高時(shí)空分辨率的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，但其同樣受到布設(shè)限制，且觀測(cè)誤差來源較多，在地形復(fù)雜地區(qū)有較大的不確定性[4]；衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品近年來發(fā)展迅速，為流域降水觀測(cè)提供了新的數(shù)據(jù)來源[5]，雖然衛(wèi)星降水產(chǎn)品存在一定的偏差，但其在空間上連續(xù)分布，彌補(bǔ)了地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足。

TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 衛(wèi)星主要用于監(jiān)測(cè)和研究熱帶地區(qū)降水。TRMM衛(wèi)星搭載了降雨雷達(dá)、微波成像儀、可見/紅外輻射儀等傳感器[2]。1997年11月28日，衛(wèi)星在日本發(fā)射；2015年4月8日，由于燃料耗盡，衛(wèi)星停止運(yùn)行；2015年6月17日，衛(wèi)星重新進(jìn)入大氣層；TMPA (TRMM Multi-satellite Precipitaiton Analysis) 系列降水產(chǎn)品持續(xù)更新至2018年中期[6]。GPM (Global Precipitation Measurement) 是TRMM的后續(xù)衛(wèi)星降水觀測(cè)計(jì)劃，在空間覆蓋率和雨雪數(shù)據(jù)觀測(cè)方面較TRMM進(jìn)行了改善。GPM衛(wèi)星群包含了8顆搭載微波輻射計(jì)的衛(wèi)星和1顆搭載雙頻雷達(dá)和微波輻射計(jì)的核心衛(wèi)星GPMCO (GPM Core Observatory)[7],GPMCO于2014年2月28日成功發(fā)射；GPM IMERG (Integrated Multi-satelliteE Retrievals for GPM) 系列衛(wèi)星降水產(chǎn)品從2014年3月開始持續(xù)發(fā)布。

TMPA降水產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于水文氣象領(lǐng)域，關(guān)于衛(wèi)星估測(cè)降水與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比檢驗(yàn)及應(yīng)用研究成果不斷出現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也陸續(xù)開展了IMERG衛(wèi)星降水產(chǎn)品的地面驗(yàn)證工作，并與TMPA及其它產(chǎn)品進(jìn)行了比較。主要包括2個(gè)方面：

(1)基于地面雨量站點(diǎn)的直接統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證。Tang等[8](2016)從網(wǎng)格、區(qū)域、全國(guó)3個(gè)空間尺度評(píng)估了2014年4月—2014年12月GPM IMERG和TMPA 3B42V7衛(wèi)星降水產(chǎn)品在中國(guó)大陸地區(qū)的表現(xiàn)；在3 h、1 d尺度上，IMERG產(chǎn)品整體表現(xiàn)較好，在中高緯度地區(qū)優(yōu)勢(shì)更為明顯，但2種降水產(chǎn)品精度均有提高的空間。金曉龍等[9](2016)評(píng)估了2014年4月—2015年3月TMPA、CMORPH(CPC Morphing Technique)和IMERG 3套降水產(chǎn)品在天山地區(qū)的適用性(月、日尺度)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，IMERG在研究區(qū)域的精度最高。魏志明等[10](2017)以海河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)2014年4月—10月IMERG與TMPA降水產(chǎn)品的精度進(jìn)行對(duì)比(月尺度)，2種產(chǎn)品差別較小，IMERG略優(yōu)于TMPA。

(2)結(jié)合水文模型的融合驗(yàn)證。Tang等[11](2016)在對(duì)2014年5月—9月IMERG和TMPA 3B42V7產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估的基礎(chǔ)上(日尺度)，驅(qū)動(dòng)CREST分布式水文模型，以靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)2種情景，對(duì)贛江流域出口斷面徑流過程分別進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，不管是統(tǒng)計(jì)分析還是水文模擬，IMERG都能夠替代TMPA產(chǎn)品。Sharif等[12](2017)利用IMERG數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)GSSHA(Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis model) 分布式水文模型，對(duì)沙特阿拉伯Hafr Al Batin城市洪水進(jìn)行了模擬，為區(qū)域防洪減災(zāi)提供了參考，IMERG數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了該地區(qū)地面站點(diǎn)降水資料不足的問題。

本次研究選取三峽區(qū)間流域，對(duì)TMPA 3B43V7(簡(jiǎn)稱TMPA)降水?dāng)?shù)據(jù)、GPM IMERG(簡(jiǎn)稱IMERG)和地面站點(diǎn)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行月尺度下的對(duì)比檢驗(yàn)和分析，探討經(jīng)度、緯度、高程等對(duì)TMPA、IMERG數(shù)據(jù)精度的影響，為應(yīng)用衛(wèi)星降水產(chǎn)品進(jìn)行三峽區(qū)間流域水文模擬、降水趨勢(shì)分析等奠定基礎(chǔ)。

2 研究流域和數(shù)據(jù)

2.1 研究流域

研究流域?yàn)槿龒{區(qū)間[13]。三峽區(qū)間主要指長(zhǎng)江干流寸灘水文站和支流烏江武隆水文站到三峽大壩之間的流域，集水面積約為6萬km2，此段干流全長(zhǎng)658 km，位于106°36′00″E—110°44′00″E，28°56′00″N—31°44′18″N之間。區(qū)內(nèi)地形地貌條件復(fù)雜，西段奉節(jié)以上為四川盆地低海拔區(qū)，東段奉節(jié)以下為峽谷高山區(qū)，支流水系均較短小。三峽區(qū)間流域?qū)俦睖貛c亞熱帶季風(fēng)氣候的過渡帶，受地理環(huán)境的影響，其氣候要素東西差異顯著。南、北岸分別位于長(zhǎng)江流域的鄂西南暴雨區(qū)和大巴山暴雨區(qū)內(nèi)[14]。暴雨發(fā)生頻繁、降雨強(qiáng)度大，暴雨走向多為自西向東、沿干流向下游移動(dòng)。

2.2 研究數(shù)據(jù)

(1)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。三峽大壩于1994年開始施工，2006年全線封頂。本次研究收集了三峽區(qū)間2014年3月—2016年12月41個(gè)地面雨量站的地面觀測(cè)月降水?dāng)?shù)據(jù)，來源于三峽集團(tuán)水雨情遙測(cè)系統(tǒng)。站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 站點(diǎn)分布

(2)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)。除了地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)外，研究還收集到TMPA 3B43V7和GPM IMERG(2014年3月—2016年12月)全球衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)。TRMM數(shù)據(jù)范圍在50°N—50°S, 180°W—180°E之間，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為月。GPM數(shù)據(jù)范圍在90°N—90°S,180°W—180°E之間，空間分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為月。數(shù)據(jù)來源于PMM(Precipitation Measurement Missions) 網(wǎng)站 (http:∥pmm.nasa.gov/data-access/downloads)。

3 評(píng)估方案和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

反距離權(quán)重法以區(qū)域的相似性作為基礎(chǔ)，通過對(duì)鄰近站點(diǎn)降水量進(jìn)行加權(quán)平均預(yù)測(cè)未知樣點(diǎn)降水量。Zhang等[15](2017)采用反距離權(quán)重、普通克里金、支持向量機(jī)等方法對(duì)三峽區(qū)間41個(gè)站點(diǎn)(與本次研究相同)多年平均降水量進(jìn)行了空間插值模擬與檢驗(yàn)(其中，31個(gè)站點(diǎn)作為訓(xùn)練站，10個(gè)站點(diǎn)作為驗(yàn)證站)，取得了較為理想的結(jié)果。本次研究采用反距離權(quán)重法，將地面站點(diǎn)2015年、2016年降水量及2014年3月—2016年12月降水量，插值到三峽區(qū)間流域，空間分辨率分別為0.25°×0.25°(127個(gè)網(wǎng)格)。以34個(gè)月降水量地面站點(diǎn)插值結(jié)果作為參考值，與TMPA和IMERG衛(wèi)星降水進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)總體分析。以地面站點(diǎn)插值得到的網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)作為真值(簡(jiǎn)稱GAUGE)，對(duì)網(wǎng)格衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)估；比較了所有網(wǎng)格所有時(shí)間降水量、研究流域(網(wǎng)格平均)所有時(shí)間降水量的誤差計(jì)算結(jié)果。

(2)空間分布分析。計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格所有時(shí)間觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的誤差指標(biāo)，得到降水量時(shí)間序列誤差指標(biāo)空間分布情況；分析網(wǎng)格時(shí)間序列誤差指標(biāo)隨經(jīng)度、緯度、高程的變化情況。

(3)時(shí)間序列分析。計(jì)算得到每個(gè)時(shí)間尺度所有網(wǎng)格觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)的誤差指標(biāo)，分析降水量空間序列誤差指標(biāo)隨時(shí)間的變化。

采用相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差 (Root Mean Square Error ,RMSE)、相對(duì)偏差 (Relative Bias, BIAS)和平均誤差 (Mean Error,ME)作為統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估指標(biāo)[8]。其中R越接近1、衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)和地面參照數(shù)據(jù)的一致性越好；RMSE、BIAS、ME越接近0，表明衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度越高。

4 評(píng)估結(jié)果及分析

本節(jié)分析了2種遙感衛(wèi)星降水產(chǎn)品對(duì)流域月降水量的反演能力。圖2給出了三峽區(qū)間流域2014年3月—2016年12月月平均降水量(GAUGE、TMPA、IMERG)空間分布情況。

圖2 三峽區(qū)間流域2014年3月—2016年12月月平均降水量空間分布

整體上，月平均降水量GAUGE最大值比TMPA和IMERG最大值大10 mm左右，GAUGE最小值比TMPA和IMERG最小值小10 mm左右；TMPA和IMERG低值區(qū)分布一致，高值區(qū)分布略有區(qū)別；TMPA和IMERG月平均降水量空間分布與GAUGE有一定區(qū)別。三峽區(qū)間本身存在左岸大巴山暴雨區(qū)和右岸鄂西南暴雨區(qū)，融合衛(wèi)星降水產(chǎn)品和地面站點(diǎn)降水插值結(jié)果，更符合研究流域降水實(shí)際分布情況。

4.1 總體分析

表1給出了TMPA和IMERG所有網(wǎng)格、流域總計(jì)34個(gè)月的誤差評(píng)估指標(biāo)。從表1可以看出，流域尺度上，TMPA和IMERG與GAUGE均存在較強(qiáng)的相關(guān)性。網(wǎng)格尺度的各項(xiàng)診斷參數(shù)表現(xiàn)略好于流域尺度。整體上，TMPA和IMERG各項(xiàng)診斷參數(shù)整體表現(xiàn)相當(dāng)。

表1 衛(wèi)星降水產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)指標(biāo)匯總

圖3進(jìn)一步比較了不同尺度下月降水量的發(fā)生頻率(probability density function,PDF)。網(wǎng)格尺度下，TMPA、IMERG對(duì)[0, 50)、[50, 100)mm月降水量有一定程度的低估，對(duì)其余等級(jí)月降水量有一定程度高估；流域尺度下，TMPA低估了[0, 50)、[50, 100) mm月降水量，IMERG低估了[50, 100)、[100, 150) mm降水量。綜合看來，月降水量較少的區(qū)域，衛(wèi)星降水產(chǎn)品出現(xiàn)低估的概率更大，月降水量較大的區(qū)域，衛(wèi)星降水產(chǎn)品出現(xiàn)高估的概率更大。

圖3 不同尺度下月降水量發(fā)生頻率

4.2 空間分布分析

在網(wǎng)格尺度上，我們根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的34個(gè)月降水序列計(jì)算R、RMSE、ME指標(biāo)，得到其空間分布，見圖4。從圖4可看出，TMPA和IMERG各項(xiàng)診斷參數(shù)空間分布基本一致；網(wǎng)格相關(guān)系數(shù)整體較高，全部通過了顯著性檢驗(yàn)；相關(guān)系數(shù)較高的區(qū)域，均方根誤差、平均誤差相對(duì)較低。整體來看，TMPA和IMERG對(duì)于月降水高值區(qū)的估算具有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 TMPA和IMERG各項(xiàng)誤差指標(biāo)空間分布

本次研究還對(duì)各誤差指標(biāo)隨高程、緯度、經(jīng)度的變化進(jìn)行了分析。網(wǎng)格相關(guān)系數(shù)隨高程、緯度、經(jīng)度變化表現(xiàn)出一定趨勢(shì)的增加，均方根誤差、相對(duì)偏差、平均誤差隨高程、緯度、經(jīng)度變化均表現(xiàn)出一定趨勢(shì)的下降，其中各網(wǎng)格誤差指標(biāo)隨緯度變化更為明顯。

4.3 時(shí)間序列分析

由TMPA和IMERG網(wǎng)格計(jì)算得到R、RMSE、BIAS、ME診斷參數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。汛期相關(guān)系數(shù)較優(yōu)、枯期相關(guān)系數(shù)較差；RMSE、BIAS、ME汛期較高、枯期較低，這是因?yàn)檠雌谠陆邓勘旧泶笥诳萜谠陆邓浚蚨`差指標(biāo)汛期會(huì)高于枯期；TMPA和IMERG月降水產(chǎn)品各項(xiàng)診斷參數(shù)整體表現(xiàn)穩(wěn)定、具有明顯的周期性。

5 研究成果討論

(1)在對(duì)衛(wèi)星降水產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估時(shí)，通常選用地面站點(diǎn)降水量或者對(duì)其插值得到的面降水量作為參考真值。若以地面站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)和地面站點(diǎn)所在網(wǎng)格衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)分析對(duì)象，會(huì)受到地面站點(diǎn)布設(shè)數(shù)量、位置的限制，且無法直觀反映誤差指標(biāo)的連續(xù)空間分布情況。若對(duì)地面站點(diǎn)插值結(jié)果和衛(wèi)星降水產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估結(jié)果會(huì)在一定程度上受到插值誤差影響。Tang等[8](2016)采用反距離權(quán)重法、雙調(diào)和樣條插值法分別對(duì)地面站點(diǎn)進(jìn)行插值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行衛(wèi)星降水產(chǎn)品精度評(píng)估，結(jié)果顯示基于不同的地面站點(diǎn)插值方法會(huì)得到不同的評(píng)估結(jié)果。因此，根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)選擇合適的地面站點(diǎn)插值方法也尤為重要，可以在將來的研究中量化分析不同插值方法對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響。

(2)IMERG和TMPA數(shù)據(jù)空間分辨率分別為0.1°、0.25°，為了更好地進(jìn)行比較，本次研究將IMERG分辨率轉(zhuǎn)換為0.25°，轉(zhuǎn)換過程中也有一定程度的精度損失，分辨率轉(zhuǎn)換過程對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響也值得進(jìn)一步探討。

(3)從34個(gè)月平均降水量空間分布來看，TMPA和IMERG較為接近，二者與GAUGE有較大的區(qū)別。一方面是由于GAUGE降水受到站點(diǎn)分布的限制，本次研究?jī)H收集到流域內(nèi)41個(gè)站點(diǎn)降水資料，若能增加流域周圍降水站點(diǎn)作為插值站點(diǎn)，能在一定程度上減輕站點(diǎn)分布對(duì)插值結(jié)果的影響；另一方面是衛(wèi)星降水產(chǎn)品本身存在一定的偏差，2種產(chǎn)品對(duì)地形復(fù)雜的三峽區(qū)間降水量的探測(cè)能力均有提高空間。三峽區(qū)間本身存在左岸大巴山暴雨區(qū)和右岸鄂西南暴雨區(qū)，融合衛(wèi)星降水產(chǎn)品和地面站點(diǎn)降水插值結(jié)果，更符合研究流域降水實(shí)際分布情況。

(4)月尺度上，TMPA和IMERG各項(xiàng)診斷參數(shù)整體表現(xiàn)一致。GPM作為TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品的繼任者，能夠較為準(zhǔn)確地模擬研究流域月降水的變化趨勢(shì)，具備可替代性；GPM衛(wèi)星降水產(chǎn)品在時(shí)空分辨率以及對(duì)弱降水的捕捉能力上較TMPA有一定程度的改進(jìn)，但是，在研究流域月尺度上表現(xiàn)并不太明顯，有待進(jìn)一步發(fā)掘。

6 結(jié) 論

(1)TMPA和IMERG月平均降水量低值區(qū)分布一致、高值區(qū)分布略有區(qū)別，TMPA和IMERG月平均降水量空間分布與GAUGE有一定區(qū)別，2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品估算的月平均降水量范圍小于GAUGE。融合衛(wèi)星降水產(chǎn)品和地面站點(diǎn)降水插值結(jié)果，更符合研究流域降水實(shí)際分布情況。

(2)不管是流域尺度還是網(wǎng)格尺度，TMPA和IMERG與GAUGE月降水量均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，TMPA、IMERG較好地估測(cè)了GAUGE月降水量，對(duì)不同等級(jí)月降水量的估測(cè)精度整體較高。

(3)TMPA和IMERG與GAUGE月降水量各項(xiàng)診斷參數(shù)空間分布基本一致。網(wǎng)格相關(guān)系數(shù)在全流域整體較高且全部通過了顯著性檢驗(yàn)；上游地勢(shì)平坦區(qū)域均方根誤差、相對(duì)偏差、平均誤差相對(duì)較高、下游高山峽谷地形區(qū)域其值相對(duì)較低。各網(wǎng)格誤差指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的隨緯度變化的趨勢(shì)，R隨緯度增加而增加，RMSE、BIAS、ME隨緯度增加而下降。整體來看，在流域上游地勢(shì)平坦區(qū)域緯度較低，TMPA、IMERG估算精度相對(duì)較差；在流域下游高山峽谷區(qū)域緯度較高，TMPA和IMERG估算精度較好。

(4)三峽區(qū)間流域TMPA和IMERG估測(cè)月降水誤差指標(biāo)隨月份變化整體表現(xiàn)穩(wěn)定，具有明顯的周期性，汛期相關(guān)系數(shù)較優(yōu)、枯期相關(guān)系數(shù)較差。

綜上所述，三峽區(qū)間流域TMPA 3B43V7、GPM IMERG降水產(chǎn)品在月尺度上數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出較好的一致性，GPM作為新一代的降水觀測(cè)衛(wèi)星，可以運(yùn)用于流域水文過程模擬、降水變化特征分析等研究；2種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在時(shí)間和空間上都有一定的偏差，對(duì)衛(wèi)星降水產(chǎn)品和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合校正，會(huì)獲得更好的運(yùn)用效果。