王宗敏, 王治中, 楊 瑤, 吳一凡

(鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450001)

精確的降水時(shí)空分布對(duì)水文、生態(tài)、氣象、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域至關(guān)重要[1],目前,降水資料大多數(shù)都是通過(guò)地面氣象站點(diǎn)的定位觀測(cè)獲取,然而由于地形、氣候復(fù)雜等因素的影響,氣象站點(diǎn)存在數(shù)量較少,分布相對(duì)不均等缺陷,對(duì)區(qū)域尺度降水精度產(chǎn)生較大的影響[2-3]。遙感降水產(chǎn)品具有高時(shí)空分辨率、覆蓋面廣泛、空間分布均勻和實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用到各類水文氣象研究中[4]。

當(dāng)前,中國(guó)常用的遙感反演降水產(chǎn)品主要包括:熱帶降雨測(cè)量衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)、全球降水測(cè)量計(jì)劃(global precipitation measurement,GPM)、美國(guó)氣候預(yù)測(cè)降水中心融合技術(shù)降水產(chǎn)品(climate prediction center morphing technique,CMORPH)、中國(guó)地區(qū)高分辨率氣象要素集(ITPCAS)等[5]。目前,中外大量學(xué)者為評(píng)估TRMM衛(wèi)星降水產(chǎn)品的適用性,在不同區(qū)域、不同時(shí)間尺度下展開(kāi)了相關(guān)研究[6]。但是,關(guān)于GPM衛(wèi)星降水產(chǎn)品的精度評(píng)價(jià),由于衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)間較短,大部分研究?jī)H局限于日尺度和月尺度上的短期精度評(píng)估。魏志明等[7]對(duì)2014年4—10月期間TRMM和GPM遙感降水產(chǎn)品在海河流域的適用性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)GPM遙感降水產(chǎn)品的精度在月尺度和日尺度上均略高于TRMM。Xu等[8]對(duì)比了TRMM和GPM兩種降水產(chǎn)品在青藏高原南部地區(qū)的精度,結(jié)果表明,GPM 降水產(chǎn)品對(duì)該地區(qū)的小雨事件發(fā)生的數(shù)目產(chǎn)生了一定的低估現(xiàn)象,TRMM則相反。余坤倫等[9]研究發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)GPM降水產(chǎn)品的精度要明顯高于TRMM,且隨著時(shí)間尺度的增加,GPM降水產(chǎn)品的精度也隨之增加。

再分析資料自20世紀(jì)90年代中期研制至今已經(jīng)歷了三代,不僅對(duì)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行完善和補(bǔ)充,同時(shí)也彌補(bǔ)了無(wú)降水站點(diǎn)地區(qū)長(zhǎng)序列降水資料缺失的不足。胡增運(yùn)等[10]將ERA-interim、CFSR、MERRA-2這3種再分析降水?dāng)?shù)據(jù)在新疆地區(qū)的年內(nèi)降水變化進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種再分析資料之間具有明顯的相關(guān)一致性。劉鵬飛等[11]研究表明,CFSR、MERRA-2、NCEP 3套再分析資料均能較好地反映出東北地區(qū)降水的空間分布特征,其中MERRA-2和CFSR在降水精度方面最佳,NCEP降水精度最差。

海河流域地跨京津冀等地區(qū),具有重要的地理位置,但遙感降水產(chǎn)品和再分析資料的反演精度在不同區(qū)域的差異較大,GPM數(shù)據(jù)運(yùn)行的時(shí)間不長(zhǎng),現(xiàn)有研究的時(shí)間序列均較短,亟需對(duì)降水產(chǎn)品的適用性及精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此選擇TRMM、GPM遙感降水產(chǎn)品和MERRA-2再分析降水產(chǎn)品,通過(guò)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,并延長(zhǎng)了時(shí)間尺度,從月、季度、年3種時(shí)間尺度對(duì),評(píng)估三者在海河流域的適用性,為3種降水產(chǎn)品在海河流域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

海河流域位于東經(jīng)112°～120°,北緯35°～43°,流域總面積31.82萬(wàn)km2,占全國(guó)總面積的3.3%,地跨8個(gè)省區(qū),其中北京、天津全部屬于海河流域。流域地處溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū),流域年平均氣溫在1.5～13.1 ℃,年平均降水量530 mm,年內(nèi)降水量分配不均,夏季降雨量多且多暴雨,冬季寒冷少雪。

1.2 研究數(shù)據(jù)

為評(píng)估多種降水產(chǎn)品的適用性,選擇海河流域內(nèi)57個(gè)氣象站點(diǎn)2014年3月至2018年2月期間的逐日實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)作為研究的“真值”,站點(diǎn)空間分布如圖1所示,觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度為0.1 mm/d,站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)氣候界限、站點(diǎn)極值,時(shí)空一致性等檢測(cè),均符合質(zhì)量控制要求,氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 海河流域氣象站點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Haihe River Basin

GPM IMERG和TRMM 3B43遙感降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)航空航天局的降水測(cè)量計(jì)劃網(wǎng)站。GPM衛(wèi)星選用GPM_3IMERGM v05產(chǎn)品,該產(chǎn)品空間分辨率為0.1°×0.1°,時(shí)間分辨率為月。TRMM衛(wèi)星產(chǎn)品型號(hào)采用TRMM_3B43 v7,空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為月。MERRA-2是由NASA Global Modeling and Assimilation Office (GMAO)為現(xiàn)代衛(wèi)星應(yīng)用生產(chǎn)的最新大氣再分析資料。采用MERRA-2系列再分析數(shù)據(jù)中的MERRA-2 tavgM_2d_lfo_Nx產(chǎn)品,其空間分辨率為0.5°×0.625°,時(shí)間分辨率為月,該再分析資料來(lái)源于戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(GES-DISC)。

1.3 研究方法

在對(duì)多種降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行多時(shí)間尺度適用性分析時(shí),需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。利用編好的MATLAB代碼讀取原始下載數(shù)據(jù),同時(shí)把月降水量累加為季度和年降水量,通過(guò)批處理將累加后的降水量數(shù)據(jù)輸出為帶有坐標(biāo)系的柵格數(shù)據(jù),方便在ArcGIS中進(jìn)行下一步的操作。在ArcGIS中,利用氣象站點(diǎn),提取降水產(chǎn)品柵格數(shù)據(jù)到點(diǎn),并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL進(jìn)行研究分析。為了綜合評(píng)估TRMM、GPM遙感降水產(chǎn)品和MERRA-2再分析降水產(chǎn)品在海河流域的適用性,主要采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE,相對(duì)誤差RE等精度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,4種精度評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如表1所示。

表1 各類指標(biāo)計(jì)算公式Table 1 Calculation formula of various indicators

2 結(jié)果和討論

2.1 年尺度數(shù)據(jù)精度評(píng)估

為了充分利用數(shù)據(jù),在年尺度分析時(shí)將2014年3月至2015年2月作為2014年年度研究范圍,其余年份順延。以研究區(qū)域的57個(gè)氣象站點(diǎn)2014年3月至2018年2月期間的年實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為自變量,分別以GPM IMERG和TRMM 3B43遙感降水?dāng)?shù)據(jù)、MERRA-2系列再分析數(shù)據(jù)為因變量做一元線性回歸方程分析如圖2所示。經(jīng)檢驗(yàn),TRMM遙感降水?dāng)?shù)據(jù)、GPM遙感降水?dāng)?shù)據(jù)、MERRA-2再分析降水?dāng)?shù)據(jù),3者與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R分別為0.759 8、0.803 7、0.788 3,相關(guān)系數(shù)均滿足P<0.01的顯著性檢驗(yàn)[12],表明在年尺度上,3種降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的線性相關(guān)關(guān)系與一致性,但存在不同程度的偏差。由散點(diǎn)分布可知,TRMM與GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)及MERRA-2再分析數(shù)據(jù)在年降水量大于800 mm時(shí)對(duì)降水量存在明顯的低估現(xiàn)象,在年降水量低于400 mm時(shí),則一定程度上高估了降水量。從三者的相關(guān)系數(shù)R來(lái)進(jìn)行比較,GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在年尺度上具有最高的相關(guān)一致性,MERRA-2再分析產(chǎn)品降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性次之,TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性最低。

圖2 海河流域TRMM、GPM、MERRA-2年降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)年降水量散點(diǎn)圖Fig.2 TRMM, GPM, MERRA-2 annual precipitation data of Haihe River Basin and scatter plots of site-measured annual precipitation

由圖3分析可知,TRMM、GPM、MERRA-2的站點(diǎn)平均年降水量與站點(diǎn)實(shí)測(cè)年降水量演變趨勢(shì)較為一致,可以看出2014—2017年TRMM、GPM兩套資料較氣象站點(diǎn)觀測(cè)值普遍偏高,TRMM對(duì)年降水量的高估現(xiàn)象尤為明顯,而僅有2016年MERRA-2再分析資料降水高于觀測(cè)值。通過(guò)比較,MERRA-2再分析資料逐年年均降水量與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值均為最小,在年降水量觀測(cè)差異方面要明顯優(yōu)于TRMM、GPM遙感降水產(chǎn)品。

圖3 海河流域TRMM、GPM、MERRA-2年降水量與站點(diǎn)實(shí)測(cè)年降水量對(duì)比Fig.3 Comparison of the annual precipitation of TRMM, GPM and MERRA-2 in Haihe River Basin

相關(guān)系數(shù)與年降水量趨勢(shì)能夠較好地反映遙感降水產(chǎn)品、再分析降水資料的整體一致性,但是對(duì)于誤差的定量反映還不足[13],為此引入均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE與相對(duì)誤差RE(表2)?？傮w來(lái)看,MERRA-2再分析資料的RMSE、MAE、RE分別為94.80、67.92、-0.002 5 mm,均為最優(yōu)值,表明MERRA-2年降水量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高于TRMM與GPM。TRMM與GPM相對(duì)誤差均大于0,MERRA-2相對(duì)誤差卻小于0,表明前兩種降水產(chǎn)品整體上高估了降水量,MERRA-2再分析資料對(duì)降水存在一定的低估。對(duì)比GPM與TRMM的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出,在年尺度上,GPM精度高于TRMM。

表2 TRMM、GPM和MERRA-2年降水?dāng)?shù)據(jù)在海河流域的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Table 2 Comparison of the accuracy evaluation indexes of TRMM, GPM and MERRA-2 precipitation data in the Haihe River Basin

2.2 季尺度數(shù)據(jù)精度

研究中春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月,冬季為11至翌年2月,劃分16個(gè)季節(jié),進(jìn)行相關(guān)性分析[14],如圖4所示。經(jīng)檢驗(yàn),在季尺度上,TRMM、GPM、MERRA-2降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均大于0.94,表現(xiàn)出良好的相關(guān)性與一致性,且三者線性相關(guān)擬合均通過(guò)P<0.01的顯著性檢驗(yàn)。GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在整體季度尺度上的相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.954 3；MERRA-2的相關(guān)一致性略低于GPM,相關(guān)系數(shù)R=0.950 7；相關(guān)系數(shù)最低的為TRMM數(shù)據(jù),為0.945 7。從散點(diǎn)分布可知TRMM與GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)及MERRA-2再分析數(shù)據(jù)在降水量大于600 mm時(shí)對(duì)降水均存在明顯的低估現(xiàn)象。從三者的相關(guān)系數(shù)R來(lái)進(jìn)行比較, GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在整體季度尺度上的一致性更高,TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)一致性最低。

圖4 海河流域TRMM、GPM、MERRA-2季降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)季度降水量散點(diǎn)圖Fig.4 TRMM, GPM, MERRA-2 seasonal precipitation data of Haihe River Basin and scatter plots of site-measured seasonal precipitation

由圖5可知,TRMM、GPM、MERRA-2平均降水量與多站點(diǎn)平均實(shí)測(cè)季降水量演變趨勢(shì)較為一致,降水量具有較為一致的季節(jié)分配規(guī)律。通過(guò)對(duì)比3種降水產(chǎn)品與氣象站點(diǎn)逐季降水量差值,發(fā)現(xiàn)在觀測(cè)差異方面MERRA-2再分析資料要明顯優(yōu)于TRMM、GPM遙感降水產(chǎn)品。TRMM、GPM在季度上均存在一定的高估現(xiàn)象,相對(duì)于GPM,春、秋、冬季節(jié)TRMM數(shù)據(jù)表現(xiàn)出對(duì)降水的嚴(yán)重高估現(xiàn)象,而夏季這一現(xiàn)象并不明顯,表明GPM在偵測(cè)中小雨雪上的能力上優(yōu)于TRMM,但在降水量較大的季節(jié)仍存在顯著誤差,也進(jìn)一步說(shuō)明與TRMM相比,GPM在對(duì)強(qiáng)降水探測(cè)能力沒(méi)有明顯的改善。

基于57個(gè)氣象站點(diǎn)季降水?dāng)?shù)據(jù)序列對(duì)3種產(chǎn)品在季尺度上的精度進(jìn)行對(duì)比分析,由圖6(a)分析可知,3套降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在不同季節(jié)均通過(guò)P<0.01水平的相關(guān)一致性檢驗(yàn),具有良好的線性相關(guān)關(guān)系,但具有明顯的季節(jié)差異性,首先GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性在夏、冬兩季節(jié)明顯優(yōu)于春、秋兩季,TRMM數(shù)據(jù)則恰好相反,相關(guān)性在春秋兩季優(yōu)于夏冬兩季。MERRA-2與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在冬季的相關(guān)系數(shù)R=0.864 3,明顯高于其他季節(jié)。其次MERRA-2數(shù)據(jù)在春秋冬3季與觀測(cè)資料的相關(guān)性優(yōu)于GPM和TRMM,夏季GPM與觀測(cè)資料的相關(guān)性明顯最優(yōu),夏、秋、冬3季,TRMM數(shù)據(jù)的相關(guān)一致性均為三者最低。由圖6(b)和圖6(c)可以看出,在季尺度上3種產(chǎn)品的RMSE和MAE具有相似的變化趨勢(shì),由于降雨量基數(shù)大的原因?qū)е逻@兩種誤差夏秋季節(jié)明顯大于春秋季節(jié),整體上分析,MERRA-2在季尺度上誤差最小,GPM次之,TRMM誤差最大,但是在降水量最大的夏季,MERRA-2數(shù)據(jù)的MAE小于GPM但RMSE誤差反而大于GPM,表明在降水量較高的季節(jié)MERRA-2數(shù)據(jù)產(chǎn)生了特大或特小離群值。由圖6(d)可以看出,MERRA-2在四季中均表現(xiàn)出最小的相對(duì)誤差,且相對(duì)誤差RE在夏季為負(fù)值,表明存在負(fù)偏差。GPM與TRMM遙感降水產(chǎn)品在4個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出對(duì)降水一定程度的高估,在春、秋、冬三季GPM降水?dāng)?shù)據(jù)相對(duì)于氣象站點(diǎn)真值的偏離程度明顯低于TRMM, 但夏季GPM相對(duì)誤差為0.043 1,TRMM相對(duì)誤差為0.041 4,TRMM相對(duì)誤差反而比GPM略低,可能由于GPM衛(wèi)星整體觀測(cè)能力的提升及對(duì)弱降水和固態(tài)降水觀測(cè)能力的增強(qiáng),從而提高了春、秋、冬季節(jié)降水探測(cè)精度,但由于夏季強(qiáng)降水較多導(dǎo)致降水探測(cè)能力并無(wú)明顯改善[15],此外也可能由于GPM衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間較短,其IMERG產(chǎn)品仍處于初步階段,導(dǎo)致夏季相對(duì)誤差指標(biāo)不如TRMM[16]。

圖6 TRMM、GPM和MERRA-2季降水?dāng)?shù)據(jù)在海河流域的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Fig.6 Comparison of accuracy evaluation indexes of TRMM, GPM and MERRA-2 seasonal precipitation data in Haihe River Basin

2.3 月尺度數(shù)據(jù)精度

對(duì)3種降水資料與研究區(qū)域57個(gè)氣象站點(diǎn)在月尺度上降水量進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖7所示。經(jīng)檢驗(yàn),TRMM遙感降水?dāng)?shù)據(jù)、GPM遙感降水?dāng)?shù)據(jù)、MERRA-2再分析降水?dāng)?shù)據(jù),三者與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R分別為0.908 5、0.917 5、0.913 9,相關(guān)系數(shù)均滿足P<0.01的顯著性檢驗(yàn),表明在月尺度上,3種降水產(chǎn)品與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)密切程度與一致性較為顯著,但存在不同程度的偏差,從三者的相關(guān)系數(shù)R來(lái)進(jìn)行比較, 在月尺度上相關(guān)一致性表現(xiàn)最好的為GPM降水?dāng)?shù)據(jù),MERRA-2數(shù)據(jù)相關(guān)性略低,TRMM降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)相關(guān)性最低。從散點(diǎn)分布可知TRMM與GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)及MERRA-2再分析數(shù)據(jù)在降水量大于300 mm時(shí)對(duì)降水存在明顯的低估現(xiàn)象。

圖7 海河流域TRMM、GPM、MERRA-2月降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)月降水量散點(diǎn)圖Fig.7 Monthly precipitation data of TRMM, GPM and MERRA-2 in Haihe River Basin and scatter plots of measured monthly precipitation at the station

圖8所示為2014年3月至2018年2月海河流域3種產(chǎn)品多點(diǎn)平均月降水量與氣象站點(diǎn)多站點(diǎn)平均月降水量對(duì)比。分析可知3套降水產(chǎn)品與站點(diǎn)實(shí)測(cè)月降水量演變趨勢(shì)較為一致,在連續(xù)48個(gè)月內(nèi),有36個(gè)月MERRA-2的數(shù)據(jù)最為接近實(shí)測(cè)多點(diǎn)平均降水量,最優(yōu)率為75.0%, 表明MERRA-2在月降水量差異方面能力最優(yōu),GPM優(yōu)于TRMM的月份有33個(gè),比例為68.7%,表明GPM在月平均降水量信息捕捉能力上要優(yōu)于TRMM。

圖8 海河流域TRMM、GPM、MERRA-2月降水量與站點(diǎn)實(shí)測(cè)月降水量對(duì)比Fig.8 Comparison of the monthly precipitation of TRMM, GPM and MERRA-2 in the Haihe River Basin with the measured monthly precipitation in the station

基于57個(gè)氣象站點(diǎn)月降水?dāng)?shù)據(jù)序列對(duì)3種產(chǎn)品在月尺度上的精度進(jìn)行對(duì)比分析。由圖9(a)可以看出,TRMM、GPM、MERRA-2降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在不同月份均通過(guò)0.01水平的相關(guān)一致性檢驗(yàn),具有良好的線性相關(guān)關(guān)系,三者相關(guān)系數(shù)最大的月份均為7月,相關(guān)系數(shù)R的值依次分別為0.954 1、0.934 5、0.965 3,相關(guān)系數(shù)R最小值分別出現(xiàn)在8月、5月、5月,依次為0.728 1、0.713 7、0.715 4。由圖9(b)和圖9(c)可以看出,在月尺度上3種產(chǎn)品的RMSE和MAE具有相似的變化趨勢(shì),TRMM、GPM、MERRA-2三者的最大均方根誤差RMSE均出現(xiàn)在7月,分別為55.20、54.68、54.68 mm；最小均方根誤差分別出現(xiàn)在1月、12月、12月,分別為3.65、2.32、1.76 mm。3者的最大平均絕對(duì)誤差均出現(xiàn)在7月,分別為36.98、36.69、34.10 mm；最小平均絕對(duì)誤差均出現(xiàn)在12月,分別為2.23、1.49、1.01 mm。TRMM、GPM最小相對(duì)誤差均在7月份出現(xiàn),分別為0.022 7、0.021 0,最大相對(duì)誤差均在12月出現(xiàn),分別為0.566 8、0.357 2；MERRA-2最小相對(duì)誤差出現(xiàn)在5月份,為0.004 0,最大值在10月,為0.069 0。對(duì)比GPM與TRMM評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出,以固態(tài)降水為主的形式和較少的絕對(duì)降水量導(dǎo)致12月相對(duì)誤差較大,均方根誤差和平均絕對(duì)誤差較??；7月份多強(qiáng)降雨且降雨量較大,均方根誤差及平均絕對(duì)誤差相對(duì)明顯最大,但相對(duì)誤差較小。將三者的RMSE、MAE、RE的取值范圍分別進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)MERRA-2降水?dāng)?shù)據(jù)更加接近地面觀測(cè)數(shù)據(jù),GPM次之,TRMM相對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差平均水平最高。其原因可能為MERRA-2作為第3代再分析資料基于豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)和優(yōu)化的耦合模式及同化方案,在月尺度上精度更高, GPM衛(wèi)星相較于TRMM衛(wèi)星,擁有更廣的微波頻率波段,能夠較好地區(qū)分冰雪覆蓋層和積雨層,并且能夠更好地區(qū)分液態(tài)和固態(tài)降水,亦即降雨和降雪。所以,GPM 相對(duì)地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差較小,而TRMM由于不能很好地區(qū)分冰雪覆蓋和云層中的降水,導(dǎo)致其對(duì)降水量的嚴(yán)重高估。

圖9 TRMM,GPM和MERRA-2月降水?dāng)?shù)據(jù)在海河流域的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Fig.9 Comparison of accuracy evaluation indexes of TRMM, GPM and MERRA-2 monthly precipitation data in Haihe River Basin

3 結(jié)論

(1)海河流域內(nèi)3種降水產(chǎn)品在年尺度上與實(shí)測(cè)降水量存在良好的線性關(guān)系特征,其中GPM相關(guān)性最強(qiáng),MERRA-2次之,TRMM最差。MERRA-2再分析資料的RMSE、MAE、RE分別為94.80 mm、67.9 2 mm、-0.002 5,均為最優(yōu)值,表明在年降水量準(zhǔn)確性表達(dá)上MERRA-2要優(yōu)于TRMM與GPM。GPM、TRMM均表現(xiàn)出對(duì)降水的高估現(xiàn)象,對(duì)比二者降水精度評(píng)價(jià)指標(biāo)可知,在年尺度上GPM具有更為準(zhǔn)確的降水信息捕捉能力。

(2)在季尺度上,3種降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在明顯的相關(guān)特性與一致性,MERRA-2數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)略低于GPM數(shù)據(jù),TRMM相關(guān)性最低。TRMM、GPM在季度降水量上均存在一定的高估現(xiàn)象,在春、秋、冬季節(jié)TRMM高估現(xiàn)象更為嚴(yán)重,而夏季兩者探測(cè)能力相當(dāng)?？赡苡捎诮邓炕鶖?shù)大,3種降水產(chǎn)品在夏、秋兩個(gè)季節(jié)的RMSE和MAE明顯大于春、冬兩個(gè)季節(jié),相比于TRMM與GPM,MERRA-2在4個(gè)季節(jié)捕捉降水信息上最為準(zhǔn)確。GPM降水?dāng)?shù)據(jù)在春、秋、冬三季的精度要明顯優(yōu)于TRMM,但GPM夏季相對(duì)誤差卻略高于TRMM,表明GPM較TRMM在弱降水探測(cè)方面有著較大的提升,但對(duì)強(qiáng)降水的探測(cè)能力增強(qiáng)不明顯。

(3)從月尺度上來(lái)看,GPM降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性略高于MERRA-2,TRMM 降水?dāng)?shù)據(jù)一致性最低。 MERRA-2月降水?dāng)?shù)據(jù)誤差水平最低,GPM次之,TRMM相對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差水平最高。對(duì)比GPM與TRMM評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出,以固態(tài)降水為主的形式和較少的絕對(duì)降水量導(dǎo)致12月相對(duì)誤差較大,均方根誤差和平均絕對(duì)誤差較??；7月多強(qiáng)降雨,均方根誤差與平均絕對(duì)誤差出現(xiàn)最大值,但相對(duì)誤差較小。MERRA-2數(shù)據(jù)在絕對(duì)值上的差異同樣可能和降雨量有關(guān),但相對(duì)誤差并無(wú)明顯規(guī)律。

總體上,3種降水產(chǎn)品在海河流域均具有較好的適用性,但MERRA-2與GPM要明顯優(yōu)于TRMM,MERRA-2相關(guān)性略低于GPM,但精度誤差要優(yōu)于后者,GPM在弱降水觀測(cè)能力方面較TRMM明顯增強(qiáng),但強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)能力仍有待提升。