GPM衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品在赤峰市的應(yīng)用研究

張雪蓮

（赤峰水文水資源分中心,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

降水是影響氣候系統(tǒng)平衡與生態(tài)環(huán)境健康演替的重要因素,其時(shí)空分布與變化趨勢(shì)對(duì)水資源管理、農(nóng)林業(yè)發(fā)展、環(huán)境監(jiān)測(cè)等具有深刻影響[1-3]。位于半干旱半濕潤(rùn)地帶的東北赤峰地區(qū),受氣候環(huán)流系統(tǒng)與海陸位置影響而具有降水量低、時(shí)變性強(qiáng)、極端降水頻發(fā)的特點(diǎn),因此降水成為該地生態(tài)可持續(xù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制因素之一,開(kāi)展該地降水的時(shí)空特征連續(xù)觀測(cè)顯得尤為重要[4-5]。傳統(tǒng)降水觀測(cè)方法利用雨量計(jì)、蒸發(fā)皿等開(kāi)展地面測(cè)量,雖然精度高、信息可靠,但易受地形、氣候條件和觀測(cè)網(wǎng)密度影響,導(dǎo)致其觀測(cè)范圍和時(shí)空連續(xù)性備受限制。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)不斷進(jìn)步,航空、航天遙感平臺(tái)提供了全天候、全球尺度、實(shí)時(shí)觀測(cè)的可行性。

本文將聚焦于探究GPM 衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品對(duì)赤峰市的降水量捕捉精度,通過(guò)地面氣象站點(diǎn)觀測(cè)降水量定量分析其替代性應(yīng)用價(jià)值；以期提高遙感降水產(chǎn)品在赤峰市及類似地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

赤峰地處我國(guó)中國(guó)東北平原向內(nèi)蒙古高原結(jié)合帶,東接遼源、北依大興安嶺、西臨內(nèi)蒙、南望燕山,總面積90021 km2（見(jiàn)圖1）。地勢(shì)自西向東傾斜,形成北部山地、南部丘陵、西部高原、東部低地等折疊地貌,海拔介于250 m～2067 m。境內(nèi)呈環(huán)狀水系,發(fā)育有西遼、內(nèi)陸、大凌和灤河水系,具有季節(jié)性豐枯變化特征,多年平均徑流量為25.96億m3,占區(qū)域水資源總量64%。受西伯利亞高壓、副極地低壓、副熱帶高壓交替控制,區(qū)域形成溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),具有長(zhǎng)冬短夏、季候分明、年內(nèi)水熱資源差異大的特點(diǎn),其多年平均氣溫為0～7℃,降水量350 mm～450 mm、蒸發(fā)量1450 mm、日照時(shí)數(shù)多在2800 h～3100 h、無(wú)霜期128 d?？傮w來(lái)看,赤峰市年降水量約為蒸發(fā)量的1/4,在氣候變化背景下該地氣候環(huán)境呈暖干化演替,這對(duì)該地的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。

圖1 研究區(qū)地形和氣象站點(diǎn)空間分布

1.2 地面氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)

本研究所使用地面氣象站點(diǎn)觀測(cè)降水量來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/）提供的23個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的逐日降水量觀測(cè)資料,其數(shù)據(jù)時(shí)間域?yàn)?020年01月01日～12月31日。該數(shù)據(jù)的控制精度優(yōu)于±0.3 mm,且不存在缺失和數(shù)據(jù)噪聲,因此可作為GPM氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度的參考驗(yàn)證。本研究中26個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)空間分布特征見(jiàn)圖1。

1.3 GPM衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品

本文中所評(píng)估的衛(wèi)星遙感降水資料為GPM（Global Precipitation Measurement）,其由美國(guó)航空航天局（NASA）聯(lián)合日本宇航空間研發(fā)中心（JAXA）共同研制的新一代全球降水測(cè)量任務(wù)衛(wèi)星,其降水量探測(cè)傳感器為微波、紅外輻射計(jì),是TRMM的繼任者,單其具有更靈敏、精細(xì)的雨雪探測(cè)能力。利用Google earth engine GEE云遙感平臺(tái)（https://code.earthengine.google.com/）搜集下載得到研究區(qū)2020年內(nèi)的GPM產(chǎn)品,選用的數(shù)據(jù)編碼為GPM_IMEGR,在GEE中的存檔網(wǎng)站為https://developers.google.com/earth-engine/datasets/tags/precipitation）。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.1°（約10 km）,時(shí)間分辨率為逐小時(shí)（h）。使用GEE的代碼編輯窗口結(jié)合Javascript語(yǔ)言,創(chuàng)建研究區(qū)逐月的GPM數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間提取、投影轉(zhuǎn)換、集成計(jì)算等預(yù)處理。本文使用ArcGIS 10.8軟件對(duì)研究地面氣象站點(diǎn)分布及GPM降水量空間分布進(jìn)行可視化分析。

1.4 GPM降水量數(shù)據(jù)的地面精度評(píng)價(jià)方法

為客觀評(píng)估研究區(qū)GPM遙感降水?dāng)?shù)據(jù)的可應(yīng)用性,利用獨(dú)立驗(yàn)證方法進(jìn)行定量評(píng)估。在該過(guò)程中,以獲取的26個(gè)地面氣象站點(diǎn)的逐月降水資料為真值,以與該站點(diǎn)空間位置相匹配的GPM降水像素值為參考值,通過(guò)計(jì)算二者之間的決定系數(shù)R2、平均相對(duì)誤差MAE、均方根誤差RMSE作為GPM數(shù)據(jù)可替代性的精度指標(biāo),其具體計(jì)算公式如下：

式中：yp、yo分別是基于GPM產(chǎn)品遙感降水量像素值與地面降水量真實(shí)值；為遙感降水量值與觀測(cè)降水量序列的平均值；N為參與驗(yàn)證的氣象站點(diǎn)數(shù)量,文中N=26。

一般認(rèn)為R2越接近于1,則表明衛(wèi)星和地面降水量之間具有較高一致性,MAE和RMSE越接近于0,說(shuō)明GPM降水量值地面觀測(cè)真值之間的絕對(duì)誤差更小、可替代性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤峰市逐月GPM降水量空間分布特征

赤峰市逐月GPM降水量空間分布特征見(jiàn)圖2,年內(nèi)降水量豐度與空間分布特征差異顯著,呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì),以5月～8月降水量最多,約占赤峰市占年降水量的65%,且各月內(nèi)降水量分布中心不盡一致。具體來(lái)看,該地1月份降水量最少,介于0～1.4 mm之間,空間統(tǒng)計(jì)平均值為1.2 mm；該月內(nèi)降水量表現(xiàn)出自西北向東南地帶性減少格局。2月份降水量略有增加,但整體豐度較小,僅為1.3 mm～8.6 mm,且以赤峰西南局部居多。3月份降水量分布中心移動(dòng)至赤峰南部,局部高達(dá)10 mm以上,北西部地區(qū)不足6 mm。4月份GPM指示特征與三月份的近乎一致,但月降水量有所增加。5月份降水量高值區(qū)集中于南部丘陵,北部山地次之,西部高原地區(qū)最少。而6月份降水量有顯著提升,可達(dá)35.7 mm～107.2 mm,并呈現(xiàn)自南向北地帶性增加特征。相應(yīng)地,7月～12月GPM降水量分布格局各有不同,且降水量值存在差異。綜合而言,赤峰市年內(nèi)逐月降水量分布中心在1月～5月呈順時(shí)針由北向南移動(dòng)；在6月～12月呈順時(shí)針由北向西移動(dòng)。該GPM降水?dāng)?shù)據(jù)直觀揭示了赤峰市年內(nèi)降水時(shí)變性,顯然該空間分布信息比傳統(tǒng)地面氣象站點(diǎn)觀測(cè)（圖1）更豐富,因此顯示了GPM數(shù)據(jù)在描述降水量空間分布細(xì)節(jié)信息方面的優(yōu)勢(shì)。

圖2 赤峰市逐月GPM降水量空間分布

需指出的是,赤峰市逐月降水量空間分布不均與氣候環(huán)流、海陸位置等密切相關(guān)。在春季,赤峰市受到蒙古高壓和西太平洋副熱帶高壓的共同作用,水汽輸送較弱,降水量較少；而南部丘陵與北部山地因地勢(shì)起伏較大,有利于水汽凝結(jié)成雨。在夏季,赤峰市受到東亞季風(fēng)的影響,來(lái)自太平洋的水汽得以輸送至南部地區(qū),形成豐沛的降水。此外,南部地區(qū)的植被覆蓋率高,蒸騰作用強(qiáng),也有利于降水量的增加；西部地區(qū)由于距離海洋較遠(yuǎn),受水汽輸送影響較小,故而降水量相對(duì)較少。秋季西太平洋副熱帶高壓減弱并向南撤退,而蒙古高壓則逐漸增強(qiáng)并向東推進(jìn),使得水汽輸送減弱,降水量減少。在冬季,赤峰市受到蒙古高壓的控制,水汽輸送較弱,但北部地形復(fù)雜有利于水汽輸送和凝結(jié)成雨。綜上,赤峰市年內(nèi)降水量空間分布特征與差異主要受到氣候、地形地貌、地理位置、大氣環(huán)流以及氣溫等多種因素的影響。為了更好地了解和預(yù)測(cè)赤峰市的降水情況需要綜合考慮這些因素的作用同時(shí)針對(duì)不同季節(jié)的降水特點(diǎn)可以采取相應(yīng)的農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)保護(hù)措施以促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 赤峰市年GPM降水量空間分布特征

如圖3所示,研究區(qū)年降水量空間分布范圍介于286 mm～581 mm之間,其空間平均值為376 mm,變差系數(shù)為26%,呈現(xiàn)中等程度異質(zhì)性。圖中可見(jiàn)該地降水量分布中心分別位于區(qū)域東南、北端,局部可達(dá)500 mm以上；南部丘陵、北段山地的降水量次之,介于350 mm～500 mm之間；而東部平原、西部高原地區(qū)最少,僅在350 mm以下。該地降水量的地帶性差異,為區(qū)域農(nóng)業(yè)資源利用、水資源開(kāi)發(fā)管理提供了詳實(shí)資料信息。

圖3 赤峰市年GPM降水量空間分布

2.3 赤峰市逐月GPM降水量與地面降水量之間一致性

利用線性散點(diǎn)圖直觀描述赤峰市逐月GPM降水量與地面觀測(cè)值之間的一致性（n=26）,其結(jié)果見(jiàn)圖4。可知,研究區(qū)冬季（1月～2月、12月）的GPM降水量數(shù)值較低,然而其與地面觀測(cè)值之間具有緊密一致性,其R2在0.94以上,且誤差極低,相應(yīng)地MAE小于0.75 mm,RMSE在0.8 mm,這表明該地GPM降水量具有良好的捕捉精度。而3月～5月GPM降水量與地面觀測(cè)值之間的一致性R2在0.86～0.99之間,其MAE依次為0.84 mm、0.74 mm、6.94 mm,而RMSE分別為0.81 mm、1.07 mm、7.57 mm,相比冬季GPM降水量而言,春季的GPM降水量捕捉精度略有降低。夏季6月～8月GPM降水量與地面降水量之間的R2為0.89、0.88、0.90,而MAE依次是4.63 mm、5.58 mm、8.05 mm；RMSE分布為5.09 mm、6.21 mm、8.76 mm。圖中顯示秋季9月～11月GPM降水量的驗(yàn)證精度R2為0.90、0.80、0.90；則MAE為1.13 mm、1.57 mm、0.31 mm；相應(yīng)地RMSE分別為1.35 mm、1.75 mm、0.41 mm。綜合而言,赤峰市GPM降水量對(duì)實(shí)際降水量捕捉精度因季節(jié)變化而異,表現(xiàn)出冬季＞春季、秋季＞夏季,其對(duì)豐水月的降水量捕捉精度低于枯水月。

圖4 赤峰市逐月GPM降水量精度散點(diǎn)圖

為進(jìn)一步探究赤峰市逐月GPM降水量的可應(yīng)用性,匯總統(tǒng)計(jì)了全部月份GPM降水量與站點(diǎn)觀測(cè)各月降水量之間的一致性關(guān)系,其結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍狦PM遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)地對(duì)赤峰市月降水量綜合探測(cè)精度R2=0.98,MAE和RMSE分別為2.07 mm、3.13 mm,這表明該地衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面觀測(cè)之間的一致性極高、相對(duì)誤差很低,與其他學(xué)者在半干旱半濕潤(rùn)的其他地區(qū)計(jì)算的捕捉精度一致,這表明該產(chǎn)品在赤峰市月降水量刻畫(huà)具有一定應(yīng)用性。

圖5 赤峰市全月GPM降水量精度散點(diǎn)圖

2.4 赤峰市年GPM降水量與地面降水量之間一致性

為進(jìn)一步探究赤峰市年GPM數(shù)據(jù)可應(yīng)用性,利用26個(gè)地面站點(diǎn)提取出相應(yīng)位置的年GPM降水量信息,進(jìn)而得到星地降水量數(shù)據(jù)一致性,其結(jié)果見(jiàn)圖6。計(jì)算得到年GPM降水量的數(shù)值精度R2=0.75,MAE和RMSE依次為30.74 mm、33.23 mm,由于年尺度降水量數(shù)值更大,因而其觀測(cè)誤差也增大,但總體而言其數(shù)值精度在可接受范圍內(nèi)。

圖6 赤峰市年GPM降水量精度散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

本研究基于赤峰市2020年逐月GPM衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品和地面同步降水量觀測(cè)資料,定量評(píng)估了該地星地降水量數(shù)據(jù)的一致性,結(jié)論如下：①赤峰市月、年尺度GPM降水產(chǎn)品能直觀展示降水量空間分布細(xì)節(jié)信息,其優(yōu)勢(shì)在于具備良好空間連續(xù)性；②GPM降水產(chǎn)品在赤峰市具有精確捕捉精度,并且其精度特征與降水量豐度有關(guān),通常對(duì)豐水月的捕捉精度低于枯水月份。盡管該研究證實(shí)GPM遙感數(shù)據(jù)可以提供關(guān)于赤峰市降水量的詳細(xì)信息,并且與地面觀測(cè)值之間具有較高的一致性。這為氣候變化研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持和分析工具。然而由于數(shù)據(jù)容量和模型驗(yàn)證方法限制,仍需要進(jìn)一步探究GPM產(chǎn)品在不同時(shí)間尺度、差異性景觀單元的適用性,以更好應(yīng)用于氣候降水變化管理。