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海盆气象干旱监测TRMM降水产品评价

Nana Yan1, Bingfang Wu1, Sheng Chang1, XinBao2

1.Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

2.Anhui University of Science and Technology, Anhui, China

Corresponding authorrsquo;s e-mail: wubf@irsa.ac.cn

摘要：

由于空间覆盖，数据可用性和成本效益，本文着重研究应用卫星降雨产品监测气象干旱的潜力。标准降水指数（SPI）在世界各地广泛应用于气象和农业干旱监测和预警的研究和应用。 SPI被设计为对于具有长期降水记录的任何位置进行计算。因此，对1998年至2010年期间，海盆地40个地面站的降雨资料进行了比较，初步研究了TRMM（热带降雨测量团）3B43的月降水资料的准确性。月份，季节和年份决策系数（R²）分别为0.84,0.52-0.82和0.60。据此提出了一个参数化修正方程，以校正TRMM降雨数据，以制定1981年至2010年30年的系列降雨数据。根据该数据，使用2000年至2004年的修正后的TRMM降水数据来计算标准降水指数）海域逐个像素。发现3个月的SPI是最好的描绘气象干旱，与2000年至2004年的统计干旱信息一致。

1. 引言

海盆地位于中国东北部，经纬度分别为112.0° - 119.8°E和35.0° - 42.8°N。该盆地总面积为31.8万平方公里。海盆属于温带大陆性季风气候，旱季在春季和冬季季节频繁发生，年均降水量的80％集中在6〜9月的汛期。传统上，气象台观测到的降水资料通常用于监测中国的干旱情况。这些站的空间分辨率比较粗糙的，因此人们经常质疑其代表性和可靠性。能够提供空间信息的遥感技术成为降水资料的新来源。 TRMM（热带降雨测量任务）3B43每月降水产品在世界不同地区已被使用，效果良好^[1-9]。比较或改进现场降雨量数据。曾等（2011）发现，TRMM 3B43产品在中国的Lancang河流域每月都有较高的准确性^[10]。熊先生（2009）指出，测量数据的空间插值不能反映海盆地降水的空间和时间动力学，并发现长期以来在盆地尺度水文分析中使用TRMM数据的令人鼓舞的结果^[11]。

标准降水指数（SPI）被广泛用于监测世界气象干旱^{[12] [13] [14]}。 由McKee等人开发的SPI是通过在几个月或几年的任何持续时间内观测降水的概率标准化来计算的。 概率密度函数和逆正态（Gaussian）函数被应用于长期降水数据。 SPI是一个受欢迎的指数，因为它的简单性和多功能性。可以使用数月的时间将SPI应用于农业或气象目的，并且较长的持续时间则可用于水文和水管理^[15]。本文重点介绍了遥感数据监测气象干旱的可行性和适应性。 通过与站的降雨数据进行比较，评估TRMM降水资料。 分析2000年至2004年期间不同持续时间的SPI结果，找出合理的SPI产品，描绘气象干旱。

1. 数据和方法

2.1数据

NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心（GES DISC）发布的版本7热带降雨测量任务（TRMM）多卫星降水分析（TMPA）产品由三个不同时间分辨率的产品组成：3小时（3B42 ），每日（3B42派生）和每月（3B43）。 处理了1998年至2010年的月降水资料，包括从HDF到GEOTIFF的格式转换，剪辑和重新投影。 数据的空间分辨率为25km * 25km，覆盖海盆。海洋气象站40个站点正在记录多年降水观测数据。 1984年至2010年的每日降雨量数据被收集并累积到月度数据。

• 1. 方法

实施了TRMM降雨数据与观测资料的比较， 评估指标包括Pearson相关系（R），确定系数（R2），均方根误差（RMSE）和相对误差（RE）。 这些指标的方程式如下所示:

(1)

(2)

(3)

(4)

在第一个月的TRMM降雨量是哪里，是第i个月的降雨量，P_i是平均TRMM降水量，O是现场降雨量的平均值，n是样本数。 降水的多年观测数据记录在海盆四十个气象台。 1984年至2010年的每日降雨量数据被收集并累积到月度数据。逆距离加权法（IDW）用于从现场SPI数据生成网格每月SPI结果。
3. TRMM和观测降雨数据的比较

为了比较TRMM降雨量（3B43产品）和现场降雨资料，计算了不同持续时间降水的评价指标（表1）。

表格1。 TRMM降雨量统计和现场降雨资料

相关系数在海盆不同持续时间内，差异最为显着（alpha;= 0.001）。测定结果的系数显示相似的信息。表明不同持续时间的TRMM降水资料变化趋势与观测数据吻合良好，TRMM每月降雨量可用于描绘干旱过程。 RMSE和RE的评估指标显示不同持续时间的显著差异。如果季节差异被忽略，每月降雨量数据的RMSE和RE不好。得出结论，TRMM数据不可能监测干旱。但四季指数却提供了新的信息。春季，秋季和冬季的RMSE值相对较低。夏季发现TRMM降雨资料过高，这种情况可能是由高强度风暴和高频雨引起的。冬季的相对误差值显示高于其他三个季节，这是由降雨量较小引起的。两个来源的降雨量统计显示，秋季和秋季，TRMM数据具有较高的R²，较低的RMSE和RE。根据历史记录，海盆冬季和春季易发生干旱，表明月度TRMM降雨数据可用于监测春季的干旱。

4.气象干旱成果与分析

4.1基于TRMM的SPI在海盆的结果

首先需要在TRMM降雨数据集上应用SPI算法的长时间序列降水数据。吴等^[16]报道，SPI受到记录长度的强烈影响，SPI的最小降水记录为30年。根据TRMM数据和观测资料的相关分析结果，建立了线性回归方程，校正了所有台站的TRMM数据。此后，从1998年到2010年，使用IDW方法对1980〜1997年的观测降水资料进行了插值，从1998年至2010年生成具有修正后的TRMM数据集的可比数据集。根据统计干旱资料，选择2000年至2004年的五年分析干旱变化。从2000年到2004年，计算了1个月，3个月，6个月，9个月，12个月和24个月间隔的时间段的SPI。图1显示了这些结果对海盆的变化过程。 SPI分类用于不同时间段：-0.5是轻度干旱和正常的阈值; -1.0是中度干旱和严重干旱的阈值，-1.5是严重干旱和极端干旱的阈值^[12]。

图1.海盆2000年至2004年不同持续时间的SPI

(a)为1个月，3个月和6个月的SPI变化曲线; （b）为9个月，12个月和24个月的SPI变化曲线;

24个月的SPI结果显示，干旱发生在2000年1月至2003年9月，2002年10月至2003年4月期间发生严重干旱; 12个月SPI结果显示，干旱发生在2000年1月至9月，2001年8月至2003年7月，没有发现严重干旱; 9个月的SPI结果显示，干旱发生在2000年1月至4月，2000年6月至10月，2001年7月至2002年5月，2002年7月至2003年4月，没有发现严重干旱; 6个月的SPI结果显示，干旱发生在2000年5月至9月，2001年5月至2002年2月，2002年7月至2003年1月，2002年12月发生严重干旱; 3个月的SPI结果显示，干旱发生在2000年4月至7月，2001年4月至11月，2002年3月，2002年7月至10月，2002年5月和2002年9月发生严重干旱; 1-MONS SPI结果显示，2001年3月至6月，2001年3月，5月，8月和9月，2002年2月，7月，8月和11月，2004年3月发生干旱，2001年5月发生严重干旱从上述分析，SPI变化的时期显着不同。由于月降水强烈的影响，1个月的SPI差异最为剧烈，相反的是24个月的SPI最为温和，因为干旱受到以前的降水量的影响。与历史记录的干旱资料相比，3个月SPI表现的干旱发生与其他时期的SPI结果最为一致。因此，为期3个月的SPI最好描绘海盆干旱。

4.2 两个来源的3个月SPI的比较

为了比较基于TRMM的SPI和现场SPI，从1980年到2010年的系列降水数据集也被应用于计算40个站的3个月SPI，然后插值到网格结果。据记载，从2000年到2004年的3 - 5月份是高发季节，图2显示了两个来源的空间图。每当三月，四月或五月份，来自两个来源的干旱地图显示出高度的一致性。基于TRMM数据的结果显示平滑过渡，而基于现场降雨数据的结果显示出突变特征。水资源地区的3月至5月期间的平均水平为SPI。八个水资源区属于平原区，其他七个区属于山区。利用相关分析方法，分析了采用现场降水资料计算出的基于TRMM的SPI和SPI数据之间的关系。结果表明，三个月平均面积（alpha;= 0.05，n = 40）两个来源的SPI值分别为0.93，三月份为0.94，四月为0.95，五月为0.97（alpha;= 0.05，n = 35）表明，使用TRMM计算的SPI与SPI在空间和时间尺度上使用现场降雨数据有良好的关系，可以得出结论，每月TRMM降雨数据可以作为替代数据来源现场降雨数据计算SPI，然后监测干旱情况。

图2. 2000-2004年3月至5月在海盆地的3个月SPI。

（a）是使用TRMM降雨数据集计算的SPI结果; （b）是使用现场降雨数据集计算的SPI结果。

5.结论:

40个气象站的降雨资料用于评估TRMM 3B43每月降水资料的准确性。四项评价指标用于比较1998年至2010年每月降雨量数据。结果表明，两个来源之间的显著相关性在不同的月份、季节和年份之间发现：月份的决策系数（R²）为0.84，而RMSE和RE的相对较低。结果表明，春，秋，冬季的均方根值均较低，春季，夏季，秋季的RE值较低。可以得出结论，降雨数据参与夏季和冬季使RMSE和RE月份下降。四十个站点的线性回归方程用于校正TRMM降水数据，以便与海盆现场降雨资料相媲美。为制定1981年至2010年30年的系列降雨资料，1998年前的电网降水资料采用现场数据生成。本文没有关注插值法，因此采用常用插值方法-IDW，可以考虑使用Kriging，Taison多边形方法等其他方法来满足研究要求。 SPI从不同持续时间的TRMM降雨数据计算。结果发现，3月份SPI最好描绘气象干旱，与2000年至2004年的统计干旱信息一致。3个月的SPI符合现场SPI的插值结果。 SPI在海盆水资源区的相关结果表明，两者之间的良好关系。 TRMM降水资料是计算SPI和监测海盆干旱的可替代数据来源。

致谢

本研究得到国家重点技术研发计划（2012BAH29B02）和高分辨率地球观测系统重要具体项目的财政支持。 我们感谢中国气象资料共享服务系统为本研究提供气象数据。

参考文献：

[1] Adeyewa Z D

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