GPM卫星遥感降水产品在赤峰市的应用研究

张雪莲

（赤峰水文水资源分中心,内蒙古 赤峰 024000）

降水是影响气候系统平衡与生态环境健康演替的重要因素,其时空分布与变化趋势对水资源管理、农林业发展、环境监测等具有深刻影响[1-3]。位于半干旱半湿润地带的东北赤峰地区,受气候环流系统与海陆位置影响而具有降水量低、时变性强、极端降水频发的特点,因此降水成为该地生态可持续和社会经济发展的限制因素之一,开展该地降水的时空特征连续观测显得尤为重要[4-5]。传统降水观测方法利用雨量计、蒸发皿等开展地面测量,虽然精度高、信息可靠,但易受地形、气候条件和观测网密度影响,导致其观测范围和时空连续性备受限制。随着对地观测技术不断进步,航空、航天遥感平台提供了全天候、全球尺度、实时观测的可行性。

本文将聚焦于探究GPM 卫星遥感降水产品对赤峰市的降水量捕捉精度,通过地面气象站点观测降水量定量分析其替代性应用价值；以期提高遥感降水产品在赤峰市及类似地区的实际应用能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赤峰地处我国中国东北平原向内蒙古高原结合带,东接辽源、北依大兴安岭、西临内蒙、南望燕山,总面积90021 km2（见图1）。地势自西向东倾斜,形成北部山地、南部丘陵、西部高原、东部低地等折叠地貌,海拔介于250 m～2067 m。境内呈环状水系,发育有西辽、内陆、大凌和滦河水系,具有季节性丰枯变化特征,多年平均径流量为25.96亿m3,占区域水资源总量64%。受西伯利亚高压、副极地低压、副热带高压交替控制,区域形成温带半干旱大陆性季风气候区,具有长冬短夏、季候分明、年内水热资源差异大的特点,其多年平均气温为0～7℃,降水量350 mm～450 mm、蒸发量1450 mm、日照时数多在2800 h～3100 h、无霜期128 d。总体来看,赤峰市年降水量约为蒸发量的1/4,在气候变化背景下该地气候环境呈暖干化演替,这对该地的生态环境和农业发展产生不利影响。

图1 研究区地形和气象站点空间分布

1.2 地面气象站点数据

本研究所使用地面气象站点观测降水量来自中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/）提供的23个标准气象站点的逐日降水量观测资料,其数据时间域为2020年01月01日～12月31日。该数据的控制精度优于±0.3 mm,且不存在缺失和数据噪声,因此可作为GPM气象产品数据精度的参考验证。本研究中26个标准气象站点空间分布特征见图1。

1.3 GPM卫星遥感降水产品

本文中所评估的卫星遥感降水资料为GPM（Global Precipitation Measurement）,其由美国航空航天局（NASA）联合日本宇航空间研发中心（JAXA）共同研制的新一代全球降水测量任务卫星,其降水量探测传感器为微波、红外辐射计,是TRMM的继任者,单其具有更灵敏、精细的雨雪探测能力。利用Google earth engine GEE云遥感平台（https://code.earthengine.google.com/）搜集下载得到研究区2020年内的GPM产品,选用的数据编码为GPM_IMEGR,在GEE中的存档网站为https://developers.google.com/earth-engine/datasets/tags/precipitation）。该数据的空间分辨率为0.1°（约10 km）,时间分辨率为逐小时（h）。使用GEE的代码编辑窗口结合Javascript语言,创建研究区逐月的GPM数据,在此基础上进行空间提取、投影转换、集成计算等预处理。本文使用ArcGIS 10.8软件对研究地面气象站点分布及GPM降水量空间分布进行可视化分析。

1.4 GPM降水量数据的地面精度评价方法

为客观评估研究区GPM遥感降水数据的可应用性,利用独立验证方法进行定量评估。在该过程中,以获取的26个地面气象站点的逐月降水资料为真值,以与该站点空间位置相匹配的GPM降水像素值为参考值,通过计算二者之间的决定系数R2、平均相对误差MAE、均方根误差RMSE作为GPM数据可替代性的精度指标,其具体计算公式如下：

式中：yp、yo分别是基于GPM产品遥感降水量像素值与地面降水量真实值；为遥感降水量值与观测降水量序列的平均值；N为参与验证的气象站点数量,文中N=26。

一般认为R2越接近于1,则表明卫星和地面降水量之间具有较高一致性,MAE和RMSE越接近于0,说明GPM降水量值地面观测真值之间的绝对误差更小、可替代性越好。

2 结果与分析

2.1 赤峰市逐月GPM降水量空间分布特征

赤峰市逐月GPM降水量空间分布特征见图2,年内降水量丰度与空间分布特征差异显著,呈现先增加后减少趋势,以5月～8月降水量最多,约占赤峰市占年降水量的65%,且各月内降水量分布中心不尽一致。具体来看,该地1月份降水量最少,介于0～1.4 mm之间,空间统计平均值为1.2 mm；该月内降水量表现出自西北向东南地带性减少格局。2月份降水量略有增加,但整体丰度较小,仅为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动至赤峰南部,局部高达10 mm以上,北西部地区不足6 mm。4月份GPM指示特征与三月份的近乎一致,但月降水量有所增加。5月份降水量高值区集中于南部丘陵,北部山地次之,西部高原地区最少。而6月份降水量有显著提升,可达35.7 mm～107.2 mm,并呈现自南向北地带性增加特征。相应地,7月～12月GPM降水量分布格局各有不同,且降水量值存在差异。综合而言,赤峰市年内逐月降水量分布中心在1月～5月呈顺时针由北向南移动；在6月～12月呈顺时针由北向西移动。该GPM降水数据直观揭示了赤峰市年内降水时变性,显然该空间分布信息比传统地面气象站点观测（图1）更丰富,因此显示了GPM数据在描述降水量空间分布细节信息方面的优势。

图2 赤峰市逐月GPM降水量空间分布

需指出的是,赤峰市逐月降水量空间分布不均与气候环流、海陆位置等密切相关。在春季,赤峰市受到蒙古高压和西太平洋副热带高压的共同作用,水汽输送较弱,降水量较少；而南部丘陵与北部山地因地势起伏较大,有利于水汽凝结成雨。在夏季,赤峰市受到东亚季风的影响,来自太平洋的水汽得以输送至南部地区,形成丰沛的降水。此外,南部地区的植被覆盖率高,蒸腾作用强,也有利于降水量的增加；西部地区由于距离海洋较远,受水汽输送影响较小,故而降水量相对较少。秋季西太平洋副热带高压减弱并向南撤退,而蒙古高压则逐渐增强并向东推进,使得水汽输送减弱,降水量减少。在冬季,赤峰市受到蒙古高压的控制,水汽输送较弱,但北部地形复杂有利于水汽输送和凝结成雨。综上,赤峰市年内降水量空间分布特征与差异主要受到气候、地形地貌、地理位置、大气环流以及气温等多种因素的影响。为了更好地了解和预测赤峰市的降水情况需要综合考虑这些因素的作用同时针对不同季节的降水特点可以采取相应的农业灌溉和生态保护措施以促进当地经济的可持续发展。

2.2 赤峰市年GPM降水量空间分布特征

如图3所示,研究区年降水量空间分布范围介于286 mm～581 mm之间,其空间平均值为376 mm,变差系数为26%,呈现中等程度异质性。图中可见该地降水量分布中心分别位于区域东南、北端,局部可达500 mm以上；南部丘陵、北段山地的降水量次之,介于350 mm～500 mm之间；而东部平原、西部高原地区最少,仅在350 mm以下。该地降水量的地带性差异,为区域农业资源利用、水资源开发管理提供了详实资料信息。

图3 赤峰市年GPM降水量空间分布

2.3 赤峰市逐月GPM降水量与地面降水量之间一致性

利用线性散点图直观描述赤峰市逐月GPM降水量与地面观测值之间的一致性（n=26）,其结果见图4。可知,研究区冬季（1月～2月、12月）的GPM降水量数值较低,然而其与地面观测值之间具有紧密一致性,其R2在0.94以上,且误差极低,相应地MAE小于0.75 mm,RMSE在0.8 mm,这表明该地GPM降水量具有良好的捕捉精度。而3月～5月GPM降水量与地面观测值之间的一致性R2在0.86～0.99之间,其MAE依次为0.84 mm、0.74 mm、6.94 mm,而RMSE分别为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降水量与地面降水量之间的R2为0.89、0.88、0.90,而MAE依次是4.63 mm、5.58 mm、8.05 mm；RMSE分布为5.09 mm、6.21 mm、8.76 mm。图中显示秋季9月～11月GPM降水量的验证精度R2为0.90、0.80、0.90；则MAE为1.13 mm、1.57 mm、0.31 mm；相应地RMSE分别为1.35 mm、1.75 mm、0.41 mm。综合而言,赤峰市GPM降水量对实际降水量捕捉精度因季节变化而异,表现出冬季＞春季、秋季＞夏季,其对丰水月的降水量捕捉精度低于枯水月。

图4 赤峰市逐月GPM降水量精度散点图

为进一步探究赤峰市逐月GPM降水量的可应用性,汇总统计了全部月份GPM降水量与站点观测各月降水量之间的一致性关系,其结果见图5。可知GPM遥感数据产地对赤峰市月降水量综合探测精度R2=0.98,MAE和RMSE分别为2.07 mm、3.13 mm,这表明该地卫星降水产品与地面观测之间的一致性极高、相对误差很低,与其他学者在半干旱半湿润的其他地区计算的捕捉精度一致,这表明该产品在赤峰市月降水量刻画具有一定应用性。

图5 赤峰市全月GPM降水量精度散点图

2.4 赤峰市年GPM降水量与地面降水量之间一致性

为进一步探究赤峰市年GPM数据可应用性,利用26个地面站点提取出相应位置的年GPM降水量信息,进而得到星地降水量数据一致性,其结果见图6。计算得到年GPM降水量的数值精度R2=0.75,MAE和RMSE依次为30.74 mm、33.23 mm,由于年尺度降水量数值更大,因而其观测误差也增大,但总体而言其数值精度在可接受范围内。

图6 赤峰市年GPM降水量精度散点图

3 结论

本研究基于赤峰市2020年逐月GPM卫星遥感降水产品和地面同步降水量观测资料,定量评估了该地星地降水量数据的一致性,结论如下：①赤峰市月、年尺度GPM降水产品能直观展示降水量空间分布细节信息,其优势在于具备良好空间连续性；②GPM降水产品在赤峰市具有精确捕捉精度,并且其精度特征与降水量丰度有关,通常对丰水月的捕捉精度低于枯水月份。尽管该研究证实GPM遥感数据可以提供关于赤峰市降水量的详细信息,并且与地面观测值之间具有较高的一致性。这为气候变化研究提供了重要的数据支持和分析工具。然而由于数据容量和模型验证方法限制,仍需要进一步探究GPM产品在不同时间尺度、差异性景观单元的适用性,以更好应用于气候降水变化管理。