遥感反演降水精度检验之直接检验

针对遥感反演的降水数据，直接检验是指采用地面雨量计或雨滴谱仪等观测仪器获得的地面观测数据，对遥感反演降水的真实性进行精度评估，获得降水反演误差的时空分布规律，为把握误差影响和改进反演算法等提供科学分析的依据。

用于检验遥感降水反演结果的参考数据，主要来自地面雨量计或雨滴谱仪观测数据。全球多达5万余家降水观测站，主要分布在陆地上，而海洋地区较少，且更为稀疏。其中，WMO通过GTS网络共享来自全球主要国家的近万家气象站降水数据。隶属于欧洲气象卫星应用组织的面向水文水资源管理的卫星应用机构（Satellite Application Facility on Support To Operational Hydrology and Water Management，H-SAF），一方面生产了卫星降水产品数据，同时也汇集了欧洲4000余家降水观测站和59架天气雷达的观测资料（http:/hsafmeteoam.it）。在中国，中国气象数据网（htp:/data.cma.gov.cn/）提供国家级地面气象站的每小时降水数据，以及700余家国家级地面气象站的逐日降水历史数据。在美国，NOAA（htp:/www.noaa.gov/）提供美国3600个站点每15分钟、小时、日、月和年的降水数据。在澳大利亚，国家气象局（htp:/www.bom.gov.auw）提供5600个站点每日降水数据。从全球来看，每个国家或地区的观测基础和数据共享程度不同。若获取当地的降水资料，具体情况可访问该气象站所在国家的气象部门网站，或直接与当地气象部门联系。关于雨滴谱仪观测资料，目前尚未形成网络规模，需要在收集相关信息的基础上，与所属单位或相应的部门负责人联系。

直接检验的基本依据是物质守恒原理，即在给定时段上，在地面观测仪器所观测范围内的降水量等于遥感影像对应范围内的降水量。在通常情况下，雨量计和雨滴谱仪等仪器的降水观测截面较小（不足0.1m2），仅能代表小范围的降水状况；遥感观测虽然能反映大范围的降水分布情况，但其空间分辨率往往有限，数千米或更低，而且遥感观测对同一地区在时间上并不连续。在进行直接检验时，需要遵循时空匹配的原则，同时考虑地面观测方式和遥感检测方式的各自特点，采取不同检验方法。一方面，可以根据降水时段的长短，进行有针对性的检验，例如单次降水事件、日降水、月降水、年降水、年际降水、年代际降水等。另一方面，可从根据降水在不同空间尺度的分布特性，如遥感像元、中小天气系统、流域、区域、海陆和全球等，考虑直接检验的充分性和有效性。从空间尺度上来看，己有的多数研究案例可分为基于遥感像元尺度和基于整体空间概念的检验方法。

在遥感像元尺度上，雨量计所代表的空间范围非常有限，远小于遥感像元。在开展真实性检验工作时，除要保证地面观测站点位于遥感像元所覆盖的空间范围内，也要考虑地面站点的空间代表性问题，即像元内的观测站点能在多大程度上反映像元尺度的降水真值。Ciach（2003）研究表明，2个雨量计可以有效地降低单个雨量计所代表空间的误差。若同一像元内存在多个地面站点，将有助于增强站点降水观测的代表性。同时，随着累积降水观测时间（间隔）增加，如从数分钟间隔增加到数小时，由空间采样不足所导致的观测误差会随之减小。采用合理的时空采样方法，是保证直接检验有效性的基本前提。利用鄱阳湖流域内13个雨量站点降水数据，对TRMM降水产品的检验案例。结果表明，TRMM降水量在月尺度和年尺度上与站点观测数据都吻合得较好，R2分别为0.9029和0.8786，均方根误差分别为36.79mm/month和175.92mm/y。需要指出的是，遥感降水检验指标除了包括平均误差、绝对平均误差、均方根误差和相关系数等常用指标外，还经常采用误检率和漏检率等度量指标。

概括而言，开展直接检验的基本流程包括站点实测降水数据的获取、实测站点与遥感像元的匹配以及遥感数据的精度评估等三大步骤。首先，利用前述的相关气象网站所提供的信息或其他相关渠道，获取所在研究区域、相应时段内地面站点的降水数据。由于常规地面站点在山区等人迹罕至地区往往布设得十分稀疏，可能难以满足研究需求，这时需要根据采样策略，合理地设置降水监测系统，以获取理想的观测资料。其次，根据实测站点的空间坐标，确定其所在遥感像元的位置。在遥感数据的空间分辨率较低的情况下，譬如0.25°×0.25°，同一像元内可能会存在多个地面站点。在这种情况下，可考虑采用简单的算术平均法或较为复杂的空间加权平均法，获得对应遥感像元所处的均值。在时间上，应尽量选取卫星过境时刻的观测数值，或相应时段内反演结果的累计值，例如3hr、日、月、年等。对于中小天气系统降水分布或流域尺度的降水检验，需要运用遥感影像处理和空间分析等方法，获得对应区域的统计特征值。最后，运用均方根误差等评价指标，将降水观测值与遥感反演数值进行分析比较，综合评价遥感反演精度。