GPM衛星遙感降水產品在赤峰市的應用研究

張雪蓮

（赤峰水文水資源分中心,內蒙古 赤峰 024000）

降水是影響氣候系統平衡與生態環境健康演替的重要因素,其時空分布與變化趨勢對水資源管理、農林業發展、環境監測等具有深刻影響[1-3]。位于半干旱半濕潤地帶的東北赤峰地區,受氣候環流系統與海陸位置影響而具有降水量低、時變性強、極端降水頻發的特點,因此降水成為該地生態可持續和社會經濟發展的限制因素之一,開展該地降水的時空特征連續觀測顯得尤為重要[4-5]。傳統降水觀測方法利用雨量計、蒸發皿等開展地面測量,雖然精度高、信息可靠,但易受地形、氣候條件和觀測網密度影響,導致其觀測范圍和時空連續性備受限制。隨著對地觀測技術不斷進步,航空、航天遙感平臺提供了全天候、全球尺度、實時觀測的可行性。

本文將聚焦于探究GPM 衛星遙感降水產品對赤峰市的降水量捕捉精度,通過地面氣象站點觀測降水量定量分析其替代性應用價值；以期提高遙感降水產品在赤峰市及類似地區的實際應用能力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

赤峰地處我國中國東北平原向內蒙古高原結合帶,東接遼源、北依大興安嶺、西臨內蒙、南望燕山,總面積90021 km2（見圖1）。地勢自西向東傾斜,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。境內呈環狀水系,發育有西遼、內陸、大凌和灤河水系,具有季節性豐枯變化特征,多年平均徑流量為25.96億m3,占區域水資源總量64%。受西伯利亞高壓、副極地低壓、副熱帶高壓交替控制,區域形成溫帶半干旱大陸性季風氣候區,具有長冬短夏、季候分明、年內水熱資源差異大的特點,其多年平均氣溫為0～7℃,降水量350 mm～450 mm、蒸發量1450 mm、日照時數多在2800 h～3100 h、無霜期128 d?？傮w來看,赤峰市年降水量約為蒸發量的1/4,在氣候變化背景下該地氣候環境呈暖干化演替,這對該地的生態環境和農業發展產生不利影響。

圖1 研究區地形和氣象站點空間分布

1.2 地面氣象站點數據

本研究所使用地面氣象站點觀測降水量來自中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/）提供的23個標準氣象站點的逐日降水量觀測資料,其數據時間域為2020年01月01日～12月31日。該數據的控制精度優于±0.3 mm,且不存在缺失和數據噪聲,因此可作為GPM氣象產品數據精度的參考驗證。本研究中26個標準氣象站點空間分布特征見圖1。

1.3 GPM衛星遙感降水產品

本文中所評估的衛星遙感降水資料為GPM（Global Precipitation Measurement）,其由美國航空航天局（NASA）聯合日本宇航空間研發中心（JAXA）共同研制的新一代全球降水測量任務衛星,其降水量探測傳感器為微波、紅外輻射計,是TRMM的繼任者,單其具有更靈敏、精細的雨雪探測能力。利用Google earth engine GEE云遙感平臺（https://code.earthengine.google.com/）搜集下載得到研究區2020年內的GPM產品,選用的數據編碼為GPM_IMEGR,在GEE中的存檔網站為https://developers.google.com/earth-engine/datasets/tags/precipitation）。該數據的空間分辨率為0.1°（約10 km）,時間分辨率為逐小時（h）。使用GEE的代碼編輯窗口結合Javascript語言,創建研究區逐月的GPM數據,在此基礎上進行空間提取、投影轉換、集成計算等預處理。本文使用ArcGIS 10.8軟件對研究地面氣象站點分布及GPM降水量空間分布進行可視化分析。

1.4 GPM降水量數據的地面精度評價方法

為客觀評估研究區GPM遙感降水數據的可應用性,利用獨立驗證方法進行定量評估。在該過程中,以獲取的26個地面氣象站點的逐月降水資料為真值,以與該站點空間位置相匹配的GPM降水像素值為參考值,通過計算二者之間的決定系數R2、平均相對誤差MAE、均方根誤差RMSE作為GPM數據可替代性的精度指標,其具體計算公式如下：

式中：yp、yo分別是基于GPM產品遙感降水量像素值與地面降水量真實值；為遙感降水量值與觀測降水量序列的平均值；N為參與驗證的氣象站點數量,文中N=26。

一般認為R2越接近于1,則表明衛星和地面降水量之間具有較高一致性,MAE和RMSE越接近于0,說明GPM降水量值地面觀測真值之間的絕對誤差更小、可替代性越好。

2 結果與分析

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圖2,年內降水量豐度與空間分布特征差異顯著,呈現先增加后減少趨勢,以5月～8月降水量最多,約占赤峰市占年降水量的65%,且各月內降水量分布中心不盡一致。具體來看,該地1月份降水量最少,介于0～1.4 mm之間,空間統計平均值為1.2 mm；該月內降水量表現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至赤峰南部,局部高達10 mm以上,北西部地區不足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月份降水量高值區集中于南部丘陵,北部山地次之,西部高原地區最少。而6月份降水量有顯著提升,可達35.7 mm～107.2 mm,并呈現自南向北地帶性增加特征。相應地,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,赤峰市年內逐月降水量分布中心在1月～5月呈順時針由北向南移動；在6月～12月呈順時針由北向西移動。該GPM降水數據直觀揭示了赤峰市年內降水時變性,顯然該空間分布信息比傳統地面氣象站點觀測（圖1）更豐富,因此顯示了GPM數據在描述降水量空間分布細節信息方面的優勢。

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流、海陸位置等密切相關。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起伏較大,有利于水汽凝結成雨。在夏季,赤峰市受到東亞季風的影響,來自太平洋的水汽得以輸送至南部地區,形成豐沛的降水。此外,南部地區的植被覆蓋率高,蒸騰作用強,也有利于降水量的增加；西部地區由于距離海洋較遠,受水汽輸送影響較小,故而降水量相對較少。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并向東推進,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,但北部地形復雜有利于水汽輸送和凝結成雨。綜上,赤峰市年內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、大氣環流以及氣溫等多種因素的影響。為了更好地了解和預測赤峰市的降水情況需要綜合考慮這些因素的作用同時針對不同季節的降水特點可以采取相應的農業灌溉和生態保護措施以促進當地經濟的可持續發展。

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,變差系數為26%,呈現中等程度異質性。圖中可見該地降水量分布中心分別位于區域東南、北端,局部可達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、西部高原地區最少,僅在350 mm以下。該地降水量的地帶性差異,為區域農業資源利用、水資源開發管理提供了詳實資料信息。

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

利用線性散點圖直觀描述赤峰市逐月GPM降水量與地面觀測值之間的一致性（n=26）,其結果見圖4?？芍?研究區冬季（1月～2月、12月）的GPM降水量數值較低,然而其與地面觀測值之間具有緊密一致性,其R2在0.94以上,且誤差極低,相應地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降水量對實際降水量捕捉精度因季節變化而異,表現出冬季＞春季、秋季＞夏季,其對豐水月的降水量捕捉精度低于枯水月。

圖4 赤峰市逐月GPM降水量精度散點圖

為進一步探究赤峰市逐月GPM降水量的可應用性,匯總統計了全部月份GPM降水量與站點觀測各月降水量之間的一致性關系,其結果見圖5?？芍狦PM遙感數據產地對赤峰市月降水量綜合探測精度R2=0.98,MAE和RMSE分別為2.07 mm、3.13 mm,這表明該地衛星降水產品與地面觀測之間的一致性極高、相對誤差很低,與其他學者在半干旱半濕潤的其他地區計算的捕捉精度一致,這表明該產品在赤峰市月降水量刻畫具有一定應用性。

圖5 赤峰市全月GPM降水量精度散點圖

2.4 赤峰市年GPM降水量與地面降水量之間一致性

為進一步探究赤峰市年GPM數據可應用性,利用26個地面站點提取出相應位置的年GPM降水量信息,進而得到星地降水量數據一致性,其結果見圖6。計算得到年GPM降水量的數值精度R2=0.75,MAE和RMSE依次為30.74 mm、33.23 mm,由于年尺度降水量數值更大,因而其觀測誤差也增大,但總體而言其數值精度在可接受范圍內。

圖6 赤峰市年GPM降水量精度散點圖

3 結論

本研究基于赤峰市2020年逐月GPM衛星遙感降水產品和地面同步降水量觀測資料,定量評估了該地星地降水量數據的一致性,結論如下：①赤峰市月、年尺度GPM降水產品能直觀展示降水量空間分布細節信息,其優勢在于具備良好空間連續性；②GPM降水產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,通常對豐水月的捕捉精度低于枯水月份。盡管該研究證實GPM遙感數據可以提供關于赤峰市降水量的詳細信息,并且與地面觀測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據支持和分析工具。然而由于數據容量和模型驗證方法限制,仍需要進一步探究GPM產品在不同時間尺度、差異性景觀單元的適用性,以更好應用于氣候降水變化管理。