第一作者简介:刘小婵(1990- ),女,福建厦门人,硕士研究生,主要从事遥感与GIS应用研究。E-mail: liuxc225@nenu.edu.cn
*通信作者简介:张洪岩,教授,博士,主要从事GIS应用与环境遥感研究工作。E-mail: zhy@nenu.edu.cn
利用东北地区2000—2007年的APHRODITE降水数据,基于GWR方法对TRMM降水数据进行修正,分析新的TRMM降水数据精度,并基于修正的TRMM降水数据对东北地区降水进行时空分布特征分析。结果表明:①APHRODITE降水数据与观测数据之间的线性相关性更高、均方根误差 RMSE更小,数据具有较高的精度;②修正后的TRMM降水数据相关系数 R有所提高,且 RMSE值均有降低。整体来看,TRMM降水数据的降水量数值偏大于观测值;③修正TRMM降水数据在5—10月的误差相对较小,整体来看,在大部分区域的误差在0~30%之间;④东北地区降水分布极不均匀,整体呈从东南向西北减少趋势。11月到翌年3月的降水稀少,降水主要集中在夏季,其中7月降水量最大。
As the important component of the global water cycle, precipitation is the key parameter in hydrology, meteorology and climate. Conventional interpolated observed precipitation data cannot reflect the spatial variation due to the limitation of the number of stations. In recent decades, with the development of remote sensing and meteorological satellite technology, satellite remote sensing images has become an important source of spatial precipitation data to detect rainfall information. In this study, APHRODITE precipitation data in Northeast China from 2000 to 2007 are used. We adjust the TRMM precipitation data based on GWR method, validate the accuracy of the adjusted data, and analyze the spatial and temporal distribution characteristics of precipitation in Northeast China based on the adjusted TRMM precipitation data. The conclusions are: 1) Correlation coefficient between APHRODITE and observed data is higher, and the root mean square error is smaller, so APHRODITE data have a higher accuracy. 2) The adjusted TRMM precipitation data have a higher correlation coefficient and a smaller RMSE value. Overall, the TRMM precipitation is higher than that of observed data. 3) High value of R mainly exists in the northern, eastern and southeastern regions, low-values mainly exist in the western and central regions. 4) The BIAS of adjusted TRMM precipitation data is relatively small from May to October. Overall, the BIAS of most areas ranges in 0-30%. 5) The distribution of precipitation is uneven in Northeast China, which reduces from the southeast to the northwest. The rainfall mostly happens in summer while less happens from November to the following March. The largest rainfall happens in July.
降水是全球地表物质交换、水文循环等过程的重要组成部分, 是水文学、生态学等研究的最基础资料。近几十年来, 遥感技术的迅速发展以及相应遥感产品数据的产生, 为区域降水研究提供了新的手段。1997年, 由美国国家宇航局和日本国家空间发展局共同研制的热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)的成功发射为与降水有关的研究提供了数据支持[1], 国内外学者借助其开展了一系列的研究[1, 2, 3, 4, 5, 6]。2006年, 由日本综合地球环境研究所(RIHN)和日本气象厅研究所(MRI/JMA)联合的APHRODITE(Asian Precipitation-Highly-Resolved Observational Data Integration Toward Evaluation of Water Resources)计划, 通过整编亚洲各国和地区的雨量站观测数据, 建立了一套逐日的网格化降水数据集[7]。这也是目前唯一覆盖整个亚洲地区的长时间(从1951年开始)陆地降水网格化数据[8, 9, 10], 可以作为评估不同降水数据的基准数据。
国内外许多学者针对TRMM降水数据的精度已做了不少工作, 研究表明TRMM降水数据与台站、雷达观测数据相比, 具有较好的精度。部分学者也对APHRODITE在中国大陆的适用性进行了评估, 发现该数据与观测数据的相关系数超过0.9, 能够解释降水空间分异[8]。同时, 基于雨量站观测资料的APHRODITE降水数据在插值过程中考虑了地形影响[11]。
东北地区是我国重要的粮食产区, 气候年际变率大, 属气候脆弱带, 且降水的局域性和突发性很强。作为对农业生产起决定性作用的气象要素, 研究东北地区的降水规律对该地区生产具有重要意义[12]。为此, 本文将APHRODITE数据作为“ 真实值” , 基于GWR方法对TRMM数据进行修正, 并对修正的TRMM降水数据进行精度验证, 最后利用2000— 2007年修正的TRMM降水数据分析东北地区降水分布的时空分布特征。
本文研究区域为东北地区, 由于TRMM数据本身区域范围的限制, 包括辽宁省、吉林省、黑龙江省(除黑龙江北部区域)和内蒙古自治区东部的部分区域, 位于东经115° 05′ ~135° 02′ , 北纬38° 40′ ~50° 。东北地区位于北半球的中高纬度, 地处欧亚大陆的东岸, 属温带大陆性季风气候, 是我国最大的商品粮基地和农业生产最具发展潜力的地区之一。该区气候年际变率大, 是典型的气候脆弱区之一[13, 14, 15]。研究表明该地区受干旱和暴雨洪涝等气候灾害影响严重。而降水是造成干旱和洪涝的影响因素之一, 因此对东北地区降水规律进行研究十分必要[12, 16]。
本文使用的TRMM数据为TRMM卫星第7版本3级产品(3B43 Version7)的月降水资料, 数据来自于NASA(http://mirador.gsfc.nasa.gov/), 空间分辨率为0.25° × 0.25° , 时间分辨率为1个月, 数据覆盖全球50° S~50° N范围的地区, 时段为2000— 2007年。采用的APHRODITE数据为APHRO_MA_V1101数据集, 数据下载于http://www.chikyu.ac.jp/precip/cgi-bin/aphrodite/script/aphrodite_cgi.cgi/register, 空间范围为60° E~150° E, 15° S~55° E, 空间分辨率为0.25° × 0.25° , 时间分辨率为 d, 时间序列同TRMM数据。地面气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do), 考虑资料的完整性, 最终选取东北地区93个站点2000— 2007年的中国地面气候资料日值数据集(图1)。
对TRMM数据进行拼接、投影变换、裁剪, 得到研究区2000— 2007年TRMM月数据; 将TRMM的月数据进行求和, 获得TRMM的年数据。对APHRODITE数据进行格式转换、波段批量提取、像元统计, 得到APHRODITE年数据。
2.2.1 数据验证指标
本研究中, 采用相关系数R(Correlation Coefficient)、均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)、相对误差BIAS等指标对降水数据进行评判。其中, 相关系数R表示两数据之间的线性相关程度, RMSE用来评估误差的整体水平, BIAS反映TRMM数据与观测数据在数值上的偏离程度。其计算公式如下:
式中:
2.2.2 地理加权回归模型(GWR)
GWR模型是1996年由Fotheringham等率先提出[17], 最近被广泛用于空间异质性研究的方法[18, 19], 其基本思想是变量间的关系随着空间位置的变化而变化, 通过估算研究区内每一给定位置的相关变量与解释变量的参数来建立回归模型[20]。GWR模型是普通线性回归模型的扩展。本研究利用2000— 2007年的TRMM降水数据与APHRODITE数据建立GWR回归模型(公式(4)), 生成研究区内APHRODITE对应TRMM数据的系数项数据、常数项数据, 并进一步利用GWR方法估算新的TRMM降水数据, 从而修正原始TRMM降水数据。
式中:
将研究区2000— 2007年93个气象站点对应的观测数据、TRMM降水数据、APHRODITE数据按4个季节(春季:3— 5月; 夏季:6— 8月; 秋季:9— 11月; 冬季:12月到翌年2月)叠加, 得到季度降水数据; 4个季度降水数据再叠加, 得到年降水数据。利用ArcGIS提取各个气象站点对应的观测值、TRMM降水值、APHRODITE降水值, 分别比较两种数据与观测数据在不同时间尺度下的相关系数R、均方根误差RMSE(图2、3)。
| 图2 两种数据与观测数据在不同时间尺度下的相关系数Fig. 2 The correlation coefficient of TRMM/APHRODITE on different time scales |
结果显示(图2), TRMM降水数据与观测数据在1月份和冬季的相关系数较低, 特别是1月份, 相关系数R只有0.37; 而APHRODITE数据的相关系数R整体较高, 均大于0.9。这说明相比于TRMM降水数据, 基于台站资料插值建立的APHRODITE数据与站点观测数据的一致性更好, 精度更高。
| 图3 两种数据与观测数据在不同时间尺度下的均方根误差Fig. 3 The root mean square error of TRMM/APHRODITE on different time scales |
从两种数据与观测数据的均方根误差结果(图3)来看, TRMM数据的均方根误差RMSE值更大, 这也进一步说明APHRODITE数据的精度与准确性。比较1— 12月的结果发现, 两种数据在夏季月份的均方根误差较大, 可能是因为降水量大容易导致雷达信号衰退, 从而使得数据探测出现偏差。
以研究区内93个气象站点2000— 2007年的APHRODITE降水数据为“ 真实值” , 利用GWR回归方程估算新的TRMM数据, 完成TRMM数据修正。分别以研究区内93个气象站点2000— 2007的月、季度、年观测数据为自变量, 其对应的月、季度、年的原始TRMM降水数据、修正TRMM降水数据为因变量, 进行一元线性回归分析, 并计算不同时间尺度的相关系数R、均方根误差RMSE(表1)。
| 表1 不同时间尺度原始TRMM数据、修正TRMM数据与站点观测数据的相关系数与均方根误差 Table 1 The correlation coefficient and root mean square error between original TRMM and observed precipitation and between adjusted TRMM and observed precipitation on different time scales |
东北地区冬季的降水形式表现为降雪, 该天气状况将对观测的降水数据产生影响。由表1可以看出:① 除冬季和1月, 原始数据不同时间尺度的相关系数R均大于0.8, RMSE介于5.32~108.68之间; ② 修正后的数据相关系数R均有所提高, 除1月、12月及冬季外, 相关系数均大于0.9, 且RMSE值均有降低。可见, 原始TRMM降水数据、修正TRMM降水数据与气象站观测数据之间具有较好的线性相关和一致性, 且修正后的TRMM降水数据精度更高。
从相对误差BIAS的结果来看(表2), TRMM数据在暖季(4— 10月)的相对误差较小, 而在冷季(11月到翌年3月)存在较大的误差。总体来看, TRMM降水数据的降水量比观测值偏大, 存在一定程度上的高估。这可能是由于卫星本身的特点所致。卫星主要是通过微波传感器等设备探测云内降水粒子和云粒子与微波的相互作用达到测量降水的目的[21], 不能很好地估计历时较短、降水较小的降水过程[1, 4]。
| 表2 不同时间尺度下原始TRMM数据、修正TRMM数据与站点观测数据的相对误差 Table 2 The BIAS between original TRMM and observed precipitation and between adjusted TRMM and observed precipitation on different time scales |
从检验的结果可知, 修正后的TRMM降水数据与观测站实测数据相比, 在整体上有较好的精度, 但是整体检验掩盖了单个站点数据与对应格网的TRMM数据之间的差异。由于地形、地势、经纬度、海拔等因素的影响, 降水在空间上呈现差异性, 仅对数据精度进行整体验证是不够的。为此, 本文计算93个气象站点2000— 2007年的月观测降水量数据与其对应格网修正TRMM降水数据的相关系数。从所有站点相关系数R雷达图中可以看出(图4), 东北地区大部分站点TRMM数据与观测数据之间线性相关程度在0.9~1之间。
| 图4 93个站点相关系数R雷达图Fig. 4 Radar chart of the correlation coefficient of Rbetween TRMM and observed precipitation |
借助Thiessen多边形方法, 以93个气象站点为基准, 将研究区划分成93个多边形; 根据Thiessen方法的思想可知, 位于Thiessen多边形上的点到相应离散点的距离最近, 因此, 多边形表示对于站点最大的影响范围, 进而得到相关系数R空间分布规律(图5)。结果显示, 修正后的TRMM降水数据与观测数据之间的相关系数R介于0.88~0.98之间; 高值主要集中研究区的北部、东部及东南部, 大致与小兴安岭、张广才岭、长白山脉所连接成的山脉走向基本一致, 该区域的降水相对也较为丰富; 而低值主要集中在研究区的西部、中部, 该区域降水相对较少。
修正TRMM降水数据与气象站点观测数据的相对误差BIAS揭示了各个气象站点所对应格网的修正TRMM降水值偏离站点实测值的程度。BIAS大于0, 说明修正TRMM降水值大于观测值, 即高估; BIAS小于0, 说明修正TRMM降水值小于观测值, 即低估; BIAS越接近于0, 说明TRMM数据越准确。根据公式(3), 计算每一个气象站点不同时间尺度下的相对误差BIAS, 即可得到修正TRMM降水数据对观测数据的高估与低估 程度。
借助ArcGIS的普通克里金插值方法对所有月份、季度和年的BIAS值进行插值, 即可得到不同时间尺度下东北地区的数据误差空间分布图(图6)。
结果表明, 从月尺度来看, 5— 10月研究区大部分区域的误差大致在-10%~30%之间, 而在其他月份的误差较大, 特别是1月。从季节尺度来看, 冬季误差最大, 春季误差为10%~60%, 误差最大主要在西部区域, 其余均在30%以下; 夏季误差为-10%~20%, 修正TRMM降水数据在夏季主要表现为高估, 误差在20%以下; 秋季误差为-10%~40%, 大部分区域的误差在10%~30%之间。从年尺度来看, 研究区大部分区域误差在10%~30%之间。总体来看, 修正的TRMM数据在东北大部分区域的误差为0~30%之间, 表现为高估。
3.4.1 东北地区降水年际变化
将8 a的修正TRMM月份降水数据、气象站点观测降水数据合成年数据, 并获得8 a平均降水图(图7)。从图7(a)可以看出, 东北地区的降水量最大的区域位于辽宁省的东南沿海一带和吉林的东南部, 年平均降水量大于900 mm; 最小值出现在内蒙古的东部, 年平均降水量小于300 mm。降水的次大值区域呈狭长的带状分布, 从辽宁南端向北延伸至黑龙江的中部, 年平均降水量在600~700 mm之间, 与小兴安岭、张广才岭、长白山脉所连接成的山脉走向基本一致。降水的次小值区域则位于次大值的两侧, 即为东北主要山脉两侧的东北平原。由此可见, 东北地区的这种降水分布特征与地形分布及季风气流的作用有关。整体来看, 东北地区多年平均降水的空间分布大致是从东南向西北减少。对比图7(a)、图7(b), 可以发现, TRMM年平均降水量介于194~1 070 mm之间, 站点年平均降水量介于168~1 006 mm之间, 二者数值范围特别接近, TRMM降水数据略高于气象站点观测数据, 这也进一步说明TRMM降水数据在东北地区的适用性。
| 图7 东北地区2000— 2007年平均年降水量空间分布Fig. 7 Spatial distribution of annual mean precipitation in Northeast China from 2000 to 2007 |
3.4.2 东北地区降水年 内变化
利用2000— 2007年修正的TRMM降水数据计算得到东北地区月平均降水分布(图8)。由图8可见, 研究区内1— 12月的月平均降水分布规律与年平均降水分布规律基本一致, 整体上空间分布大致呈由东南向西北减少的趋势。11月到翌年3月, 研究区内降水几乎均在50 mm以下, 降水稀少; 4— 5月, 降水量开始呈现增加趋势, 降水量最少的区域位于西部、西南部; 降水主要集中在夏季, 其中7月降水量最大, 最大降水量为264 mm, 主要在辽宁省的宽甸、丹东一带; 9— 10月, 降水量由东南向西北方向开始逐渐减少。由此可见, 东北地区降水分布在各月份呈现极其不均匀性, 区域间降水量差异明显。
本文利用东北地区2000— 2007年的APHRODITE降水数据, 基于GWR方法对TRMM降水数据进行修正, 并对新的TRMM降水数据进行精度验证, 分析其数据误差, 最后基于修正的TRMM降水数据对东北地区降水进行时空分布特征分析, 得到的结论如下:
1)相对于TRMM数据, APHRODITE降水数据与观测数据之间的线性相关性更高(R均大于0.9), 均方根误差RMSE更小, 说明APHRODITE数据具有较高的精度与准确性。
2)修正后的TRMM降水数据相关系数R有所提高, 除1月、12月及冬季外, 相关系数均大于0.9, 且RMSE值均有降低。从相对误差BIAS的结果可见, TRMM降水数据在暖季误差较小, 而在冷季误差大。整体来看, TRMM降水数据的降水量比观测值偏大。
3)东北地区大部分站点修正后的TRMM数据与观测数据之间具有很明显的线性相关性(R在0.9~1之间)。从对研究区进行Thiessen剖分获取的相关系数R空间分布规律结果发现, 高值主要集中在研究区的北部、东部及东南部, 低值主要集中在研究区的西部和中部。
4)修正TRMM降水数据在5— 10月的误差相对较小, 研究区内大部分区域的误差在-10%~30%之间。总体来看, 修正的TRMM数据在东北地区大部分区域的误差为0~30%。
5)从年平均降水分布结果发现, 东北地区降水分布整体呈从东南向西北减少的趋势。修正TRMM年平均降水量与站点年平均降水量数值范围特别接近, TRMM降水数据略高些。从各月平均降水分布结果可以看出, 11月到翌年3月, 研究区降水稀少, 几乎均在50 mm以下; 降水主要集中在夏季, 其中7月降水量最大, 最大降水量为264 mm。可见, 东北地区降水分布在各月份呈现极其不均匀性, 区域间降水量差异明显。
The authors have declared that no competing interests exist.
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