（水文学及水资源专业论文）trmm卫星测雨产品精度检验及其应用.pdf

摘要 摘要 卫星遥感资料在水文中的应用是目前水文学研究领域的热点问题之一。 t i m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ) 卫星测雨产品的出现，弥补了无资料 或资料稀缺地区雨量信息的不足，为无资料地区的水文研究提供了良好的契机。 鉴于此，本文检验了t i 蝴m 卫星测雨产品的精度，研究了将其应用于流域降雨 量估算、无资料地区水文模拟等领域的应用潜力，以期为流域降雨量估算和无资 料地区的水文模拟提供新途径。本文主要研究以下内容： ( 1 ) 对比分析了列联表法、模糊加权评分法、模糊综合评分法和统计学评 价法等4 种常用的降水精度评分方法的原理、适用范围和优缺点。针对t i 洲m 卫星测雨产品的特点，结合各种评分方法的优点，提出了t i 洲m 卫星测雨产品 分级评分法，并用该法检验了t r m m 卫星测雨产品3 8 4 2 的测雨精度，分析了 其误差产生的原因。 ( 2 ) 结合雨量计点雨量数据精度高和t 蹦m 卫星数据空间分布合理的优 点，提出了估算流域降雨量的t - g 联合法( 即t r m m 卫星一雨量计联合法) ，并 与三角剖分线性插值法、距离反比加权法和普通k r i g i n g 法等基本空间降水插值 算法进行了对比分析，结果表明：t - g 联合法具有较好的插值精度。 ( 3 ) 以淮河息县以上流域为研究区域，分别采用t r m m 卫星资料、雨量站 资料和t g 联合资料驱动新安江模型进行了流域水文模拟研究，并将其模拟效果 进行了对比分析，结果表明：基于t - g 联合法的模拟效果较好，取得了令人满意 的模拟精度。 ( 4 ) 以无资料的甘肃西营河流域为试验区，采用t 蹦m 卫星资料计算降水， 移植流域邻近的气象站蒸发资料，采用高程插值算法计算蒸发，并用两者驱动 s i m h y d 模型，研究了t r m m 卫星测雨产品在无资料地区水文模拟中的应用潜 力。结果表明：采用t r m m 卫星资料对无资料地区进行月径流模拟是可行的， 并取得了较好的模拟效果。 关键词：t i 洲m ；测雨精度检验；降雨量估算；无资料地区：s i m h y d 模型； 水文模拟； a b s 仃a c t a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n g 出l t ai nt h eh y d r o l o g yi so n eo ft h eh o t t e s ti s s u e s i nt h e f i e l do fh y d m l o g yr e s e a r c h t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ) s a t e l l i t ep r e c i p i t a t i o n p r d d u c t sm a _ k eu pf o rt h ed a t ao fp r e c i p i t a t i o ni nu n g a u g e dr i v e rb a s i n sa n dp r o v i d eag o o d o p p o r t u n i 够f o rh y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o ni nu n g a u g e dr i v e rb a s i n s s o ，t h ep r e c i s i o no ft rm m s a t e l l i t ep r o d u c t3 8 4 2w a sv e r 讯e dn r s t l y ，a n dt h e nt h et r m ms a t i e i i i t e p r o d u c t3 8 4 2w e r e 锄a l y z e db ys e v e r a ls t a t i s t i cm e t h o d sf o rh y d r 0 1 0 9 i c a ls i m u la t i o ni nu n g a u g e dr i v e r b a s i n s t h u s ， t h et e c h n i q u ep r o v i d e sap o t e n t i a lw a yf o rh y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o ni n u n g a u g e dr i v e rb a s i n s s t u d i e so f t h i sp a p e ri n c l u d et h ef b l l o w i n gs p e c i 6 ce l e m e n t s ： ( 1 ) c o n t i n g e n c yt a b l ea p p m a c h ，f u z z yw e i g h t e ds c o r ea p p r o a c h ，f u z 巧s y n t h e t i cs c o r e a p p r o a c ha n ds t a t i s t i c a le v a l u a t i o na p p r o a c h ，w h i c hw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r m ms a t e l l i t ep r o d u c t s ，t rm l 、，ls a t e l l i t e p r e c i p i t a t i o np m d u c t s c l a s s i f i c a t i o ns c o r ea p p r o a c hw a sp r o p o s e d ，t h ep r e c i s i o no ft r m ms a t e l l i t ep r o d u c t3 8 4 2w a s v e r i 6 e da n di t se r r o r sc a u s e sa r ea n a l y z e d ( 2 ) a c c o r d i n gt oh i g hp r e c i s i o no fr a i ng a u g e sd a t aa n dr e a s 0 n a b l es p a t i a ld i s t 舶u t i o no f t i 洲ms a t e l l i t e d a t a ，t gm e t h o d ( t r m ms a t e l l i t e r a i ng a u g e ) w a sp r o p o s e dt oe s t i m a t e r a i n f a l li nt h er i v e rb a s i n s 1 r a d i t i o n a lp r e c i p i t a t i o ni n t e r p o l a t i o nm e t h o d sa n dt h et - gm e t h o d w e r e 印p l i e dt oc a l c u l a t et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h er a i n f a l l t h ec r o s sv a l i d a t i o nm e t h o di s u s e dt oe x a m i n et h ep r e c i s i o na n da p p l i c a b i l i t ) ，o ft h e s e 印p r o a c h e s f i n a l l y ，t h er e s e a r c hr e s u l t s h o w st h a tt h et gm e t h o dh a sb e t t e rp r e c i s i o nf o rp r e c i p i t a t i o ni n t e r p o l a t i o n ( 3 ) t r m md a t a ，g a u g ed a t aa n dt gd a t aw e r eu s e dr e s p e c t i v e l yt ob ea p p l i e dt ot h e x i n a n j i a n gm o d e lt os i m u l a t ed i s c h a r g ea tx i x i a ns t a t i o no ft h eu p p e rh u a i h er i v e rb a s i n a n d t h e nt h es i m u l a t i o ne f 诧c t sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h et - gd a t ah a d b e n e r s i m u l a t i o nr e s u l ta n da c h i e v e ds a t i s f l a c t o 叫s i m u l a t i o na c c u r a c y ( 4 ) t a l ( i n gx i y i n g h er i v e r b a s i na st h eu n g a u g e dr i v e rb a s i n ，u s i n gt r m ms a t e l l i t ed a t at o c a l c u l a t ep r e c ip i t a t i o n ，t r a n s p l a n t i n ge v a p o r a t i o no ft h ew e a t h e rs t a t i o nn e a r b yr i v e rb a s i na n d u s i n ge l e v a t i o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rc a l c u l a t i n ge v a p o r a t i o no ft h er i v e rb a s i n ，a n dt h et w o d a t aw a su s e dt od r i v es i m h y dm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a t ：3 8 4 2c a nb eu s e dt os i m u l a t e m o n t h l yd i s c h a 玛ei nu n g a u g e dr i v e r b a s i n sa n dc a na c h i e v eg o o ds i m u l a t i o ne f f e c t s k e yw o r d s ：t r m m ；p r e c i s i o nv | e r i f i c a t i o no fr a i n f a l l ；e s t i m a t i o no fp r e c i p i t a t i o n ；i nu n g a u g e d r i v e r b 确n s ；s i m h y dm o d e l ；h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o n ； i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：劢d8 年么月j 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：叠劫谚年月j 日 第一章绪论 1 1 选题的背景 第一章绪论 进入2 l 世纪后，全球水资源、水环境遭遇着前所未有的危机，水资源供应 不再安全，洪水风险不断增加【l j 。目前解决这一具有挑战性的任务，遭遇的主要 困难是这些流域仅有少量或根本没有水文资料。这些流域主要位于发展中国家， 地区气候可变性及流域发展采用的数据资料有限，导致这些地区水资源损耗、生 态系统退化、生活质量较低。目前，在发展中国家的水资源评价和有效规划管理 中，急需大量的水文资料来帮助我们分析决策，而在非洲、中亚、东南亚和其他 一些地区，水文数据却因观测站网的减少而面临着同益贫乏的威胁。我国几乎包 括了世界所有的气候和下垫面条件，尚存在较多的无资料和资料稀缺流域，水文 资料的缺乏，严重影响了这些地区的水文预报、水资源管理和旱涝灾害分析【2 】。 可以预见，无资料地区的水文预测问题将日趋增多和普遍，已成为目前国际水文 学研究领域的热点和难点问题之一。 鉴于上述种种原因，国际水文科学协会i a h s ( i n t e m a t i o n a la s s o c i a t i o no f h y d r o l o g i c a ls c i e n c e s ) 于2 0 0 3 年7 月正式启动了p u b ( p r e d i c t i o ni nu n g a u g e d b a s i n s ) 研究计划，用以解决无资料地区的水文预测问题【引。该计划以减少水文预 报中的不确定性为核心，汇集水文理论、遥感、对地观测以及水量水质等多方面 成果，旨在探索水文模拟的新方法、实现水文理论的重大突破，并极大地满足特 别是发展中国家的生产和社会需要。p u b 研究计划指出，无水文资料地区水文 模拟的出路在于充分利用计算机技术和遥感手段，揭示地表信息流的动力学机制 与时空分布特性，最终做到对流域水文性状的数值模拟【4 】。近年来，新的观测手 段( 卫星遥感技术) 、先进的数据处理手段以及可视化技术的出现，为无资料地区 水文科学的研究提供了良好的契机1 5 】。 19 9 7 年，热带降水测量计划t 蹦m ( t r o p i c a lr a i n f a um e a s u r i n gm i s s i o n ) 卫星 发射成功。近l o 年中，一系列的高分辨率、准全球、近实时的t 1 w m 测雨产品 被免费提供给各研究团体【6 】。t i w m 卫星测雨产品的出现，弥补了无资料地区雨 量信息的不足，为水文模型提供了可供选择的降水信息。故而，当前正是运用卫 星遥感资料来进行无资料地区水文模拟研究的大好时机。即将实施的多卫星全球 降雨观测计划g p m ( g l o b a lp r e c i p i t a t i o nm e a s u r e m e n t ) 是t i 洲m 的后续计划， 河海大学硕士论文t r m m 卫星测雨产品精度检验及其应用 将提供比t i 蝴m 更完善、更准确的降雨资料，这些资料不仅可用于天气预报， 还可用于洪水预测和全球洪水预警等领域7 1 。因此，研究卫星测雨产品在水文领 域的应用具有重要的现实意义。 1 2t r m m 卫星测雨产品在水文中的应用进展 1 2 1 国内外研究现状 目前，t r m m 卫星测雨产品主要应用于气象学领域，在降水测量、降水预 报、暴雨研究、资料同化等多个领域被广泛应用【8 1 。就1 i 洲m 卫星测雨产品在 水文领域的应用而言，国内外学者的相关研究较少。 就国外而言，2 0 0 0 年，s o r o o s h i a i l 等利用t r m m 资料研究了美国及其邻近 地区海洋和陆地降水的微波特性【9 1 。2 0 0 1 年，k f i s h i l a m u n i 利用t r m m 卫星资 料计算出了亚洲夏季季风的日变化分布酣1 0 1 。2 0 0 1 年，h o u 等把t r m m 微波成 像仪测得的降水和湿度资料加入到全球分析和预报模式中，结果证明，降水和可 降水总量资料在提高气候分析和天气预报的精度方面有很大的潜在应用价值。 2 0 0 2 年，r e r g 等利用t i 洲m 雷达资料研究了1 9 9 9 年1 2 月到2 0 0 0 年2 月东、 西太平洋赤道轴合带的降水结构，结果表明，两者之间有明显的地区差异，并且 这种地区差异有一定的季节和年际变化【1 2 1 。2 0 0 2 年，m a r s l l a l ls h e p h e r d 等利用 t 蹦m 雷达资料研究了大城市对降水分布的影响【1 3 】。2 3 年，m a r e c a l 和 m a h f o u f 利用t r m m 资料估计所得的地表降水率进行了四维变分同化试验，结 果表明，在同化进了t 刚m 资料后，降水预报的精度显著提高【1 4 】。2 0 0 6 年， m d n a z n l l i s l a m 利用实测雨量站资料验证了t i t m m 测雨产品3 8 4 2 在孟加拉国 的测雨精度，结果表明，t r m m 测雨资料在季风期之前的测量值偏小，在季风 期之后的测量值偏大，对暴雨的测量值明显偏小【15 1 。2 0 0 7 年，a n a i l 等利用t i w m 卫星测雨产品3 8 4 2 驱动分布式水文模型模拟了尼罗河和湄公河的径流过程，研 究证明t r m m 卫星测雨资料在率定模型参数、进行水文模拟中具有一定的潜力 【1 6 1 。2 0 0 7 年，f e n g g es u 等利用t r m m 卫星资料驱动v i c 水文模型，模拟了站 网覆盖比较稀疏的南美洲拉普拉塔流域的径流模拟效果，并与传统的雨量站资料 的模拟效果进行了对比分析，结果表明，t i 泓m 卫星资料对月流量具有较好的 模拟效果【1 7 1 。 就国内而言，2 0 0 0 年，何会中等将t r m m 测雨资料和香港雷达测雨资料进 2 第一章绪论 行了对比分析，结果表明，t r m m 卫星测量的降水与地面雷达测量的降水具有 很好的一致性【1 8 】。2 0 0 1 年，程明虎等利用t r m m 资料研究了1 9 9 8 年长江流域 的特大暴雨，并与雨量计、地面雷达资料进行了对比分析，结果表明，t r l 、噍m 资料非常适合于暴雨监测研究【1 9 1 。2 0 0 2 年，李万彪等利用t r m m 微波成像仪资 料研究了1 9 9 8 年我国江淮流域的洪涝灾害，结果表明，利用微波成像仪亮温资 料监测地面洪涝灾害是可行的l 删。2 0 0 2 年，傅云飞等利用t r m m 雷达资料对 1 9 9 8 年东亚降水的季节性特征进行了研究，结果表明，东亚地区降水的季节性 变化表现为降水垂直廓线的变化，除冬季外，南海地区降水垂直结构呈现热带特 型2 。2 0 0 3 年，吴庆梅等利用t r m m 微波成像仪资料和t i 洲m 雷达资料联合 反演的地面瞬时降水产品研究了我国华南、江淮降水的微波特性【2 引。2 0 0 5 年， 陈举等利用t r m m 雷达资料对南海及周边区域降雨的空间分布和季节特征进行 了研究，结果表明，南海地区的降雨在空间分布上很不均匀，同时具有显著的季 节变化【2 3 1 。2 0 0 5 年，徐枝芳等研究了t r m m 卫星资料在暴雨数值模拟中的应用， 结果表明，t i 蝴m 资料能够较好的反映中小尺度系统的空问结构【2 4 j 。2 0 0 6 年， 金君良利用t r m m 卫星测雨产品3 8 4 2 和少量站点实测资料，采用倍比算法， 提出了资料稀缺地区的降水空间插值方法，取得了较好的插值效果1 2 引。 1 2 2 已有研究中存在的问题 目前，国内外学者对t 刚m 卫星测雨产品的研究主要集中于降水测量、降 水预报等气象学领域，研究t r m m 卫星资料应用于水文领域的文章较少。国内 尚未发现对t r m m 卫星测雨产品3 8 4 2 进行精度检验和评价的文献，也未发现 利用t r m m 卫星资料进行流域降雨量估算的相关报道。检验和评价t r m m 卫星 测雨产品在中国的测雨精度，可以为t i 洲m 资料的提供者提供借鉴，在分析测 雨误差产生原因的基础上，可以进一步提高t i m m 卫星的测雨精度。研究，n 洲m 卫星资料用于流域降雨量估算的潜力，可以为流域降雨量估算提供新途径。 无资料地区的径流模拟是目前水文研究领域的热点和难点问题。t 蹦m 卫 星测雨产品的出现，弥补了无资料地区雨量信息的不足，为无资料地区的水文研 究提供了良好的契机。然而，国内外有关t i w m 资料应用于无资料地区水文模 拟的研究极少。在国内文献中，尚未发现利用t r m m 资料进行无资料地区水文 模拟的报道。目前国际上对于无资料地区的研究方法主要有三类【2 6 】：一是通过内 河海大学硕士论文n 洲m 卫星测雨产品精度检验及其应用 插和外延将已有测站资料流域的流域响应信息推到无资料流域；二是利用雷达卫 星等遥感先进手段获取无资料流域情况；三是建立具有物理机制的水文模型，削 弱模型对资料的依赖性。因此，研究t i 蝴m 卫星资料在无资料地区水文模拟中 的应用可以为无资料地区的水文模拟提供新方法。 1 3 论文的目的和意义 流域降雨量是影响流域水循环最为重要的因素，也是洪水预报系统的重要输 入场，研究流域降雨量的空间分布，对于流域水文预报、水资源管理、早涝灾害 分析等都具有重要意义。传统的流域降雨量均是通过空间插值方法得到的，然而 对于地形起伏较大、站网布设稀疏的流域，空间插值方法的插值精度往往比较低。 1 9 9 7 年，热带降水测量计划t r m m ( 1 、r o p i c a lr a i n f a l lm e a s 嘶n gm i s s i o n ) 卫星发射 成功，一系列的高分辨率、准全球、近实时的t r m m 卫星测雨产品被免费提供 给各研究团体。t r m m 卫星测雨产品具有覆盖范围广、空间分辨率高、资料一 致性好等优点，可以弥补站网稀疏地区雨量信息的不足。因此，本文首先对 t i 洲m 卫星测雨产品的精度进行评价，然后采用t r m m 卫星资料联合雨量站资 料进行流域降雨量的估算，以期为流域降雨量的估算提供新途径。 对于无资料地区而言，水文资料的缺乏，严重影响了这些地区的水文预报、 水资源管理和旱涝灾害分析，是目前世界各国，尤其是水文资料严重缺乏的发展 中国家亟待解决的问题。t r m m 卫星测雨产品的出现，弥补了无资料地区雨量 信息的不足，为无资料地区的水文模拟和预报提供了良好契机。鉴于此，本文研 究将其应用于无资料地区水文模拟的潜力，以期为无资料地区的水文模拟提供新 经验。随着计算机技术和遥感技术的迅猛发展，在未来几年里，t r m m 卫星测 雨资料的空间分辨率将越来越好，提供的降水数据也将越来越精确。因此，研究 t 1 w m 卫星测雨产品在水文领域的应用，具有十分重要的现实意义。 1 4 论文研究的主要内容和技术路线 1 4 1 主要内容 t l 洲m 卫星测雨产品具有覆盖范围广、资料一致性好等优点，可以弥补无 资料地区雨量信息的不足，在水文领域具有极其重要的研究意义，本文针对 t i 蝴m 卫星测雨产品的特点，主要进行了以下几个方面的研究： 4 第一章绪论 ( 1 ) 提出t 蹦m 卫星测雨产品分级评分法，对t r m m 卫星测雨产品的精 度进行检验和评价，并对其误差进行分析。 ( 2 ) 提出估算流域降雨量的t - g 联合法，并和传统的降水空间插值方法进 行对比分析，检验所提方法的插值效果。 ( 3 ) 用校准后的t 蹦m 卫星测雨资料驱动新安江模型，验证t l 洲m 卫星 测雨资料在流域水文模拟中的应用潜力。 ( 4 ) 选取无资料地区，用t r m m 卫星资料驱动s i m h y d 模型，研究t i 之m m 卫星资料在无资料地区水文模拟中的应用效果。 河海大学硕士论文t r m m 卫星测雨产品精度检验及其应用 1 4 2 技术路线 本论文研究的逻辑框架、步骤和研究方法如图1 1 所示。 l 梭准后t f m m 日降雨量p i 2 5 。o 2 5 。的栅格上) 阿圈 图1 1 论文研究的技术路线图 6 河海大学硕士论文t r m m 卫星测雨产品精度检验及其应用 第二章t r m m 卫星测雨产品精度检验及误差分析 t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ) 卫星所搭载的测雨雷达p r ( p r e c i p i t a t i o nr a d a r ) 是世界上首部星载测雨雷达，也是人类第一次从太空探测 到降水的三维资料。它可以得到丰富的降水信息( 如降水强度和分布、降水类型、 暴雨高度及固态降水粒子融化高度等) 【2 7 1 。但是，由于把雷达放在卫星上测量降 水还是第一次尝试，而且降水的时空分布变化存在很大的不确定性，因此有必要 对t i 洲m 卫星测雨产品的准确性和可靠性进行检验和评价。目前，t 蹦m 卫星 资料的检验评价和处理分析已成为卫星、雷达和气象领域重点研究的课题。 2 1t r m m 卫星简介 t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s 嘶n gm i s s i o n ) 卫星是在1 9 9 7 年1 1 月2 7 日 发射、由美国日家宇航局n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i ca n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 和日本国家空间发展局n a s a d ( n a t i o n a ls p a c ed e v e l o p m e n t a g e n c y ) 共同研制、 第一颗专门用于定量测量热带亚热带地区降雨的气象卫星。t i w m 卫星高度为 3 5 0 公里，轨道范围位于3 5 0 s 3 5 0 n 之间，轨道周期约为9 0 分钟，平均每天运 行1 5 7 轨道。t r m m 卫星的运行为近赤道非太阳同步轨道，卫星经过同一地点 的当地时间不同，有利于研究降水的日变化情况。由于其性能稳定，为了增加卫 星的使用寿命，在2 0 0 1 年8 月2 4 同以后卫星高度被调整到4 0 2 5 公里，相关参 数也略有调整。在这项合作计划中，美国负责提供微波辐射计和红外探测器，日 本负责星载降水雷达的设计和卫星的发射【2 8 。3 0 】。 2 1 1 发射的背景和意义 地球表面2 3 的降水发生在热带地区，而驱动大气循环的3 4 能量就来自于 降水所释放的潜热。但是由于热带地区观测站点少，大部分地区是海洋，并且只 具备很少的观测船，因此，热带地区的降水资料非常缺乏。目前降水的检测手段 主要有三种，即地面雨量计、地面雷达和卫星。雨量计可以直接测量降水，具有 较高的精度，但是只能得到一个点的降水，空间代表性不足。雷达可以间接地得 到时空分辨率较高的降水分布，但是它是建立在许多假定基础上的，其覆盖面积 也很有限，尤其对海洋上的降水无法进行测量。气象卫星则可克服这些观测方式 7 第二章t i t m m 卫星测雨产品精度检验及误差分析 的局限性。通过卫星能够获取占地球4 5 的海洋以及沙漠、高原等地区的资料， 实现对全球的观测。 基于以上原因，并考虑到地面观测的局限性，利用主动、被动微波仪器从空 中进行降水观测的科学思想从上个世纪8 0 年代就开始产生了，t i w m 卫星的发 射正是该思想的具体实施。根据t r m m 科学指导小组的介绍，该卫星的主要发 射目的和意义有【3 1 】： ( 1 ) 研究热带降水的日变化情况。 ( 2 ) 通过提供降水和潜热分布来改进2 4 小时预报及短期气候模式。 ( 3 ) 通过卫星资料可以更好地研究厄尔尼诺、南方涛动和热带地区的3 0 6 0 天震荡，改进各种中短期预报和诊断模式。 ( 4 ) 提高气候模式的精度。 ( 5 ) 测量全球范围内热带地区的降水，通过对热带地区的降水和潜热的研 究提供对全球能量和水循环的进一步了解。 2 1 2 搭载的仪器 t 刚m 上共携带五种科学测量仪器，分别为可见光和红外扫描仪v i r s ( s i b l ea i l di n f l m e ds c a i l i l e r ) 、t r m m 微波l 訇像仪t m i ( t r m mm i c r o w a v e i m a g e r ) 、降水雷达p r ( p r e c i p i t a t i o nr a d a r ) 、闪电图像仪l i s ( l i 曲t i n gi m a g i n g s e n s o r ) 以及云和地球辐射能量系统c e r e s ( c l o u d sa l l dt h ee a n h sr a d i a i l te n e 嗡r s y s t e m ) ，其中v i r s 、t m i 和p r 可以用来测量降水吲。表2 1 和图2 1 分别为 这三种测雨仪器的微波特性表和扫描方式示意图，下面主要介绍这三种仪器： 表2 1t r m m 卫星搭载仪器的微波特性 8 河海大学硕上论文 郇m 蹦卫星测雨产品精度检验及其应用 图2 1t r m m 扫描方式不意图 v 限s 共有5 个通道，中心波长分别为0 6 3 、1 6 l 、3 7 5 、1 0 8 和1 2 o 岫， 依次是可见光、近红外、中红外和两个远红外波段。它的扫描范围是7 2 0 k m ，星 下点的水平分辨率是2 2 k m 。v i r s 的通道位置与美国国家海洋和大气局n o a a 极轨卫星上的a v h r r ( a d v a n c e dv e r yl l i g l lr e s o l u t i o nr 刁l d i o m e t e r ) 的通道基本相 同，与日本静止卫星g m s ( g e o 删i o n a 巧m e t e o r o l o g i c a ls a t e l l i t e ) 辐射计的可见 光及两个远红外通道也相近。 t m i 有5 个频率9 个通道，频率分别为1 0 6 5 、1 9 3 5 、2 1 0 、3 7 0 和8 5 5 g h z ， 它与美国国防气象卫星d m s p 上的s s m i 仪器相近，但比s s m i 多一个1 0 6 5 g h z 频率。除了2 1 o g h z 外，其余频率都是双极化的。不同频率具有不同分辨率， 最高为5 1 公里( 8 5 5 g h z ) ，最低为4 4 公里( 1 0 6 5g h z ) ，扫描宽度为7 6 0 k m 。 p r 是当前第一部星载雷达，工作频率是1 3 8g h z ，扫描宽度约为2 2 0 k m ， 星下点分辨率为4 3 公里，卫星调整高度以后，扫描宽度约为2 4 7 k m ，星下点分 辨率约为5 0 k m ，垂直分辨率2 5 0 m ，它的最大特点是进行体积扫描，能提供2 0 l ( 1 1 1 高度范围内降水的三维结构，包括雨区分布、降水强度、降水类型、风暴高度和 亮带高度等信息p 3 。5 1 。 2 1 3t 础m 卫星测雨产品分类 t r m m 卫星资料的接收、实时处理和后处理工作是由n 洲m 科学数据信息 系统t s d i s ( t i 泓ms c i e n c ed a t a i n f o 肌a t i o ns y s t e m ) 承担的，然后由分布式主 9 第二章删m 卫星测雨产品精度检验及误差分析 动存储中心( d a a c ) 负责存档和免费分发。t s d i s 接收t i 洲m 卫星观测的原 始资料几乎与卫星扫描同步运行。n a s a 官方首次发布t r m m 资料是在1 9 9 8 年5 月。资料非实时，可获得的最近资料是2 3 天以前的。资料分为原始分辨率 的轨道资料、降低分辨率的格点资料以及每一经纬度上低分辨率的气候格点资 料，图2 2 为资料处理流程。 t r m m 测雨产品共分为三级。一级产品是将原始资料转化成h d f 格式；二 级产品是对一级产品进行处理之后的产品；三级产品则是针对二级产品中的降水 强度和三维反射率处理后形成的5 天、3 0 天的降水图像和降水的三维结构。三 级产品提供给各研究机构进行进一步的分析并作为存档资料。分析软件采用 n a s t s d i s ( t r m ms c i e n c ea 1 1 dd a t ai n f o n n “o ns y s t e m ) 提供的、从网络下 载的名为”0 r b i tv i e w e r ，软件，它能够分析和显示t i 湖m 的一、二、三级产品， 但它必须以商业软件i d l ( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ) 为基础【3 6 1 。 检验站点 原始数据 t r m m 办公室 雷达资料 雨量计资料 软件库 软件库 一级产品 转换成h d f 格式 t s d i s 麴框蒋岳| 密剿i 。娥掘小生】工巾o i 降水 降水 一一叫对流雨卜_ 。叫廨识别 卜 强度图 二级产品 d a a c 1r 1r 1r 5 天降水图3 0 天降水图三维结构 三级产品 上上山 j i ，一，川一 t i u l | i i m 科学组u j t u ，u a a u 气候研究模式大学 政府 l 检验l l 公众 l 图2 2t r m m 测雨产品处理流程 l o 河海大学硕士论文t r m m 卫星测雨产品精度检验及其应用 表2 2 为t r m m 主要3 级测雨产品统计表，本文主要研究删m 测雨产品 3 8 4 2 。该产品主要由星载雷达p r 的测雨资料计算所得，并用t m i 、v i r s 等测 雨资料和其他卫星资料进行校正。3 8 4 2 测雨产品的空间分辨率为0 2 5 0 o 2 5 0 ， 时间分辨率为3 小时，覆盖全球纬度5 0 0 s 5 0 0 n 。逐日3 8 4 2 资料由3 小时累积 降水相加得到，3 8 4 2 在t r m m 发射后的全部时间段内( 1 9 9 8 年1 月至今) 进 行计算l ”j 。本文选用3 8 4 2 逐同测雨资料，水平分辨率0 2 5 0 o 2 5 0 ，版本号为 v e r s i o n6 ，测雨数据给出o 2 5 0 0 2 5 0 栅格的面平均雨量值。 表2 2t r m m 主要3 级测雨产品 2 2t r m m 卫星测雨产品精度评价方法研究 卫星估测降水的精度检验与评价是当前气象学领域的研究热点。对t r m m 卫星测雨精度进行检验与评价具有以下两点重要意义：一是可以检验t i 蝴m 卫 星估测降水的准确程度，及时纠正测雨误差，从而进一步提高测雨精度；二是可 以通过降水预报精度评估，对不同的评分方法进行对比分析，从而优选出评价 t m m 卫星测雨产品的最优的评分方法。本文对偶发事件表法、模糊加权评分 法、模糊综合评分法和统计学评分法等4 种常用的降水精度评分方法的原理、适 用范围和优缺点进行了对比分析。针对t 1 w m 卫星测雨产品的特点，结合各种 评分方法的优点，提出了t r m m 卫星测雨产品分级评分法，从而为t l w m 卫星 测雨产品的精度评价提供了新经验。 2 2 1 列联表法 列联表法【3 8 】( c o n t i n g e n c yt a b l ea p p r o a c h ，c t a ) 是将雨量站观测值作为真 值对预报值进行评估的一种评分方法。列联表如图2 3 所示，代表一个2 2 的矩 阵。这里，矩阵的每个元素代表某时段内观测值和t r m m 值是否达到或超过某 阈值。例如，如果在某一点的观测值和t i 蝴m 值都达到或超过了某一阈值，则 ”处的数目增加1 。 第二章t r m m 卫星测雨产品精度检验及误差分析 雨量站：y e s雨量站：n o t r m m ：y e ， t r m m ：y e 5 _ 么 雨量站：y e 5雨量站：n o t r m m ：n ot 砌d m ：n o 图2 3 列联表布局 根据列联表，可计算得到偏差例评分( f r e q u e n c yb i a si n d e x ) 、预报准确 率p d d 评分( p r o b a b i l i t yo f d e t e c t i o n ) 和误报率励月评分( f a l s ea l a n i lr a t e ) 。 偏差f 酣评分定义为： 聊= 吾2 糕 亿t ， on 。+ n ? j 式中：f 表示t i w m 估测值等于或超过给定阈值的数目，d 为雨量站测值等于 或超过给定阈值的数目，偏差评分反映了t l 洲m 值相对于雨量站观测值的系统 偏高( 船p 1 ) 或系统偏低( f 脉1 ) ，它的变化范围为从o 到无穷大，最优值为 l 。 准确率尸表示降水估测正确的概率，其变化范围是0 l ，最优值为l 。误 报率尉r 表示降水估测错误的概率，其变化范围也为0 1 ，最优值为o 。尸和 尉r 评分定义如下： 尸= 煮 亿2 ， n + nr 、 础= 击 亿3 ， n a + nb 、。 为了检验t r m m 对于不同雨量级的测雨精度，本文对脚、尸和剧r 进 行分级统计计算，按照国家气象部门的分级标准【3 9 1 ，日雨量o 1 l o m m 为小雨， l o 2 4 9 m m 为中雨，2 5 4 9 9 m m 为大雨，大于5 0 n l i i l 为暴雨，本文所选阈值为 o 1 ，0 5 ，l ，2 ，5 ，l o ，2 5 和5 0 1 1 u i l 。由于基于列联表的上述评分只能反映在某 一阈值以上t r m m 值的偏离程度，而不能确定t i w m 测量降水的误差大小。因 此，还必须计算相对误差绝对值的平均值脚e ( m e a nr e l a t i v ee n o r ) 来评价 t r m m 估测降水的误差大小。对于某一给定阈值，脚e 定义为： 脚e ：三争 刀智 1 2 ( 2 4 ) 河海人学硕士论文t r m m 卫星测雨产品精度检验及其应用 式中：乃为t r m m 测雨值，g f 为雨量站测雨值， 疗为测雨次数。 c t a 法是目前国内外最常用的降水精度评价方法【4 叫1 1 。该法适合于大样本 降水数据的评估。它可以对测雨产品进行分级评价，可计算得到偏差f 甜、准确 率p 、误报率尉r 和相对误差绝对值的平均值脚e ，可以从不同的角度定量 的对n 洲m 测雨产品进行评价，是一种较好的测雨产品评分方法。然而该法的 缺点是各评价公式中都没有包括d 项，这在一定程度上，影响了对测雨精度的 评价效果。 2 2 2 模糊加权评分法 模糊加权评分法是根据评判对象的影响因素( 或指标) 撕( 卢1 ，2 ，门) 所处的 地位或所起的作用不同，引入权重的概念，采用加权评价法求各因素( 指标) 评 分s ，( 产l ，2 ，玎) 加权和s 的一种降水预报评估方法【4 2 1 。s 的计算公式为： s = c ，量 ( 2 5 ) 其中c ，为第f ( 卢1 ，2 ，挖) 个因素( 指标) 的权重。在降水预报中，以雨量预报的 准确率瓦，绝对误差既和相对误差毋作为影响因素进行评分。各影响因素的计 算公式为： t ：丝 ( 2 6 ) p o e = i p 。一p 。i ( 2 7 ) e ，：划( 2 8 ) p 。 式中：仇为每场降雨的预报值，肋为每场降雨的实测值。考虑公众对预报结果的 感受，取准确率、绝对误差、相对误差的权重为c = ( 0 8 ，0 1 ，0 1 ) ，则模糊评 价的计算公式为： s = c ， ( 2 9 ) 式中f ( c l ，q ，白) ，咖7 为“o 的转置矩阵，矩阵材定义如下： 正1玩le r l 疋2e 2e ，2 t me me ， 1 3 ( 2 1 0 ) 第二章t r m m 卫星测雨产品精度检验及误差分析 将矩阵“线性归一化得矩阵甜o ，甜。定义为： 丁。1 丁s 2 ： 丁。 e 口1 e 口2 e 。 er l er 2 em ( 2 1 1 ) 模糊加权评分法比较适合于小样本降水预报的评估。因为在对小样本降水进 行评估时，由于样本较少，难以获得不利事件和发生概率间的精确关系，即得到 的关系通常是不精确的，为了保留分析结果中的不精确信息，最好的途径是使用 模糊关系进行评估。然而该法也有不足之处，对于模糊加权评分法而言，各评价 指标权重的计算比较困难，需要考虑众多影响因素，且具有一定的人为主观性， 影响了降水评估的精度。 2 2 3 模糊综合评分法 模糊综合评分法是中国气象局2 0 0 2 年9 6 号文件关于下发全国七大江河流 域面雨量预报业务暂行规定的通知中提供的一种降水预报评分方法【4 3 1 。该方法 根据模糊综合评定原理，考虑公众的感受程度，建立了模糊评分分值与预报等级 、预报误差历和等级级差m a x 之间的关系，可以较为客观地评定面雨量的精 确度，第