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多卫星降水分析标准降水产品的水文评价--以老哈河流域为例

Bin Yong,1,2 Li‐Liang Ren,1 Yang Hong,2,3 Jia‐Hu Wang,2 Jonathan J. Gourley,4 Shan‐Hu Jiang,1 Xi Chen,1 and Wen Wang1

1中国南京河海大学大学水文水资源与水利工程重点实验室

2美国俄克拉何马州诺曼俄克拉何马大学土木工程和环境科学

3美国俄克拉何马州诺曼国家气象中心自然灾害和灾害研究中心

4美国俄克拉何马州诺曼NOAA风暴研究室

在中国老哈河流域对两种热带测雨卫星(TRMM)多卫星降水分析(TMPA)产品3B42RT和3B42V6进行了定量评价，其TMPA产品纬度带(50°NS)，但超出倾斜的TRMM卫星纬度带(36°NS)。一般来说，TMPA雨量估计数与2000年至2005年同期放置的雨量表直接比较显示3B42V6估计值很好地捕捉了该地区的时空降水特征。除了几个月的低估值外，3B42RT的估计数显示近一年来的过高估计需要在以后对实时估计算法进行升级时加以解决.。模型参数误差分析和水文应用均表明： 三层可变入渗能力模型不能容忍3B42RT通过水文积分过程的非物理高估行为，因此，3B42RT模型不能容忍3B42RT的非物理高估行为。 数据几乎没有水文用途，即使是在每月的尺度上也是如此。相比之下，3B42V6数据可以提供更好的水文预报减少从输入到径流日尺度和月尺度上的误差传播。这项研究还发现了RT和V6的R结构都有明显的与地形图相关，与纬度和海拔带密切相关的分布模式，表明目前在高纬度和高海拔地区使用TRMM时代的算法的的局限性。展望未来的全球降水测量(GPM)时代，地球静止红外(GEO-IR)估计仍在填补微波覆盖不可避免的差距以及在典型的4公里网格尺度下实现每小时的估计方面由长期的作用。因此，本研究确认了在未来升级到基于IR的RT算法时，使用简单的缩放因子实时系统消除偏差的要求。该修正的依据是基于MW月降雨量气候学，适用于结合月卫星测量研究产品。

引言

降水是水文模型的一个关键变量，因此精确测量精细时空尺度上的降水对模拟陆面水文过程是非常重要的，比如干旱和洪水预报，以及监测水资源，特别是半干旱地区的水资源[Soroo shian等人，2005]。不幸的是，降水也是最难测量的大气场之一，因为基于地面的观测网有限，并且降雨本身的内在变化也很大。有着长久发展历史的空间降水估算凭借精密的卫星仪器以及将来自多颗卫星的信息组合在一起以生产用于气候监测的长期产品的技术[Arkin and Meisner, 1987]; [Adler等人, 2003]和精确尺度水文应用[Su等人，2008 ]已经发展到了顶峰 。迄今为止，许多基于空间的降水估计的更精细的尺度正在运行生产中，包括使用人工神经网络（Persia）从遥感信息中进行的降水估计 (Nn)[Soroo shian等人，2000]，“一级日报”[Huffman等人，2001]，被动微波校准红外算法[Kidd等人，2003]，气候预测中心(CPC)变形算法(CMORPH)[Joyce等人，2004]，Persiann,云分类系统[Hong等人，2004](另见http：//hydis8.eng.uci.edu/gccs/)，海军研究实验室-托里全球混合-统计降水分析[Turk和Miller，2005]，热带降雨测量多卫星降水分析产品[Huffman等人，2007]。预计上述TRMM时代的算法的遗产 (大部分在50°NS纬度范围内)将被未来的全球降水测量(GPM)产品(http：//gpm.gsfc.nasa.gov)取代，该卫星计划提供一颗类似TRMM的“核心”卫星，用于在65°NS纬度波段上对所有微波卫星进行校准。

作为TRMM时代的主流地面观测产品之一，TMPA通过将来自多颗卫星的3小时0.25°times;0.25°经度分辨率的信息结合起来提供降水量估算，覆盖50°NS纬度带之间的地球。TMPA估计是分四个连续阶段提出的：a)极轨微波降水的估计是用 单台最佳定标器TRMM微波，然后组合在一起，b)地球静止红外降水估算用校准的微波降水来填补TH的空白。c)将微波和窗口通道(10.7 mm)红外(IR)数据相结合，形成近实时(即3B42RT)产品；d)全球雨量计分析数据合并到通用的研究质量产品版本6(即3B42V6)。3B42RT和3B42V6分别从2002年1月和1998年1月开始使用。

根据[Huffman等，2007]，TMPA算法是用顺序校准方案设计的，这样即使最终的产品也可以追溯到原来单一的“最佳”口径，TRMM组合仪器(TCI)的降水估计值包括TRMM微波成像仪(TMI)和TRMM雷达(PR)。换句话说，频率较低的极地轨道被动微波(90°NS)和高频、地球静止红外(全球覆盖)降水卫星最终被倾斜轨道(36°NS)TRMM卫星仪器、TMI和PR所基准。因此，本研究的目的是在高仪器化流域评估资料质量并探讨两种位于TMPA产品纬度带(50°NS)内，在倾斜TRMM卫星纬度带(36°NS)之外的地面观测数据的TMPA产品(3B42RT和3B42V6)的水文效用。具体来说，我们将研究：1) 这两个地面观测产品的时空误差结构是什么，它们有多少不同？2)在日常和月尺度上广泛使用的水文模型能容忍它们的误差吗？ 3)在日常决策支持(如水库调度、洪水监测和预警)方面，这些误差对水文预报和水资源管理有何帮助？4)这项研究的结果对未来的GPM算法有什么影响？

接下来的部分讨论了本研究使用的研究区域、数据和水文模型(第二节)，以及对TMPA产品的详细评价(第三节)。在第四节中，我们利用变入渗量水文模型进一步考察了两种地面观测TMPA产品的水文效用。摘要及说明载于第5条。

2．研究流域、数据和方法

2.1 老哈河流域

老哈河流域拥有兴隆平水文站以上18112平方公里流域，位于中国东北河北省、辽宁省和内蒙古自治区省的交界处(图1)。流域位于西辽河上游，北纬41°～42.75°，东经117.25°～120°处，气候典型。 1964-2005年期间的年平均温度、降水量和径流分别为14°C、430.9 mm和46.1 mm.。流域海拔范围从出水口海拔400米到2000米以上的上游山区，地形由西向东明显下降。我们选择这一流域的原因是基于以下几点：1)在过去的15年里它有着良好的地面观测网2）这个流域经历了人口增加、干旱和根据几十年的观测水文状况可能发生的变化；3)这个流域位置很好，倾向TRMM轨道纬度带(36°N)；更重要的是，4）地面观测网络(特别是雨量计数据)是与Huffman[2007]用于对3B42V6表校正无关。从1964年到现在，共有53个雨量计均匀分布在整个流域记录着每天的降水数据。

2.2 NASA TMPA

在目前的实施中，TMPA是作为TRMM常规处理的一部分计算两次的，首先是作为一个近实时产品(3B42RT)在观察时间后6-9h计算的，第二次计算作为一个后实时研究产品(3B42V6)，在月末15天用每月地面雨量计数据进行计算。3B42RT作为一种体验性效果佳的实时产品，3B42RT是由两个主要来源生成，微波和最终校准的红外线，TMI。极地轨道微波信息是由各种低地球轨道卫星收集的，包括国防气象卫星计划(DMSP)卫星上专用传感器微波成像仪(SSM/I)、高级微波扫描辐射计-地球观测系统(AMSR-E)和国家海洋局的微波探空仪-B(AMSU-B)和大气管理局(NOAA)-15、16和17号卫星。3B42RT的第二个数据源是基于间隙填充的红外(IR)数据源将五颗地球同步轨道(GEO)卫星的估计值合并为每半小时4公里times;4公里等温线---经度网格[[Janowiak等人，2001]。3B42V6使用的另外三个资料来源为:利用TMI和TRMM PR的数据作为校准来源的TCI估计值（TRMM产品2B31[Haddad等人，1997 a，1997 b]）。由全球降水气候学中心(GPCC)编制的全球月雨计量分析进展[Rudolf，1993]；由CPC开发的气候评估和监测系统(CAMS)每月雨强分析[Xie and Arkin，1996]。两个雨表分析数据集用于校正每个日历月的实时、TCI校准、多卫星融合微波-红外降水估计值中的偏差。然后使用偏差校正率来缩放月份中的每个3小时的场，生成最终的3B42V6产品。

图1.本研究采用了老哈河流域地图、雨量计、气象站、流站、地形图和取样策略。黑色方格代表16个选定的0.25°times;0 .25°网格，用于降水比较。数字是网格ID(例如，0301表示包含3个量规的第一个网格，0302表示包含3个轨距站的第二网格，等等)。中国地图上的阴影代表纬度低于TRMM卫星最北端轨道(36°N)的区域。

总之，地面观测的TMPA降水数据可在近实时(3B42RT，约在实时后9h)和后实时(3B42V6，大约在每个月末10-15天)获得每 3小时0.25°分辨率的全球纬度带50°NS(为了简洁，这些也将分别称为RT和V6)。从理论上讲，RT和V6之间有两个重要的区别 ：(1)RT使用TMI作为校准器，而V6使用TCI(包括TMI和降水雷达)，这比TMI单独使用更好，但实时不可使用；(2)只有V6后实时产品从GPCC和CMAS采用雨计量分析，而RT是纯卫星衍生。

[9]自2002年1月以来，RT数据已经能够生成并且可以从网站上获取，而V6则从1998年1月开始提供，记录总数超过10年，并且还在继续增长。然而，在目前的研究流域中，RT数据仅在2002以后才能使用，V6数据到2000三月才可用。从 1990年1月至2005年12月的表面观测性数据包括雨量、流量、风速、气温等资料已经收集。因此，为了充分利用现有的数据，我们在20世纪90年代对水文模型进行标定，并对2000至2005年底前后的两种卫星产品进行评价。

2.3水文模型与观测资料

采用三层可变入渗能力模型[Liang等人，1994，1996]，对RT和V6在水文模拟中的应用进行了评价。 VIC-3L模型是一种基于网格的陆面过程方案，它考虑了水和能量平衡的动态变化。它的垂直土柱由三层组成，其中顶部薄层代表表层土壤对小降雨事件的快速蒸发和水分响应，上层代表土壤水分对风暴事件的动态响应和较低层来描述季节性土壤水分行为[Liang等人，1996]。VIC-3L模型的一个显著特点是它使用了一个起源于新安江模型的空间变化的入渗ca。[Zhao等人，1980]用于表示土壤、地形和植被特性中的亚网格尺度，从而在水分储存、蒸发、径流属。VIC-3L模型已成功地应用于许多流域的水文模拟和预报[Nijssen等人， 2001]，[Maurer等人，2002]，[SU等人，2005]，[Woo D和LettenMaier，2006]，以及[SU等人，2008]，除其他外)。

表1.用于比较基于TRMM的降水产品和地面观测数据的验证统计指标清单a

Qi，观测或重建流；qo，观测平均 年径流；H，观测到的雨被正确探测；M，观测到的雨没

注：n，样本数；Si，卫星降水(例如，3B42RT和3B42V6)；GI，测量观测；QSI，模拟流；有被探测到；F，探测到了但没有观测到的雨(POD，Far，和CSI；参考[Ebert等人,2007]详细说明)。

在本研究中，从1990年1月到2005年12月，VC-3L模型的空间分辨率为0.0625°times;0.0625°。地表和地下径流采用离线的角周路由模式。 L.[Lohmann等人，1996，1998]，在老河流域出口产生模拟流模型。VC-3L模型数据包括降水、日最高温度和最低气温，平均风速和日平均风速。利用老哈河流域内分布的53个雨量计记录了1990-2005年的日降水观测资料。每日流通量用于验证 e在位于流域出口的兴隆坡水文站的模拟结果(图1)。1990年至2005年，日最高气温和最低气温10米，平均风速为10米。 10个气象站的执行局，如图1所示。还从地方当局和公共来源检索了其他几套地面数据集。例如，来自美国地质调查局(USGS)的 1 DEM(GTOPO 30)经常被用来计算大规模水文模型的地形信息[Yong等人，2009]；[Li等人，2009]。在本研究中，GTO 将PO 30重定向到0.0625°times;0.0625°分辨率，以获得运行VC-3L模型所需的高程数据、流向、流域和分布区。

2.4验证统计指数

为了定量比较TMPA降水预报值与雨量计观测值，我们使用了三种不同类型的统计措施，包括一致性相关(定义如下)、误差 和偏差，以及应急表统计(表1)。符合程度通过皮尔逊相关系数(CC)表现，它反映了卫星降水与观测数据之间的线性相关程度。在误差和偏差方面，我们考虑了四个不同的验证统计指标。平均误差（ME）只是简单地衡量遥感估计和观测之间的平均差，而平均绝对误差（MAE）代表平均误差的大小。虽然均方根误差（RMSE）也测量的平均误差的大小，但是相对于MAE它能更好的衡量较大的误差。相对误差(BIAS)描述卫星降水估计的系统偏差。对于应变表统计量，我们计算了检测概率(POD)、虚警率(Far)和临界值(CSI)，以检验估计的降雨事件和观察到的降雨事件之间的对应关系(见 Wilks [2006] and Ebert et al. [2007]详细说明)。此外，我们 选择偏差和纳什-萨特克利夫效率系数(NSCE)这两个常用的统计标准，来评价水文模型的性能。NSCE是模拟和观察到的河川流量之间模型拟合度的一个指标。

3.TMPA产品与地面观测数据的比较

首先，通过目视检查和系统评价，对地面观测进行质量控制评估，以检测和纠正数据记录中的少数极端异常值。当人工输入观测数据时，我

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