IPCC报告指出， 近百年来全球气温升温达0.85 ℃^［1］。随之而来的冰川消融， 海表温度上升及温室气体含量变化已经对全球的水循环产生了重要影响^［2］。降水是水循环和气候变化的重要组成部分。随着近年来全球变暖日趋剧烈， 全球范围内的降水分布呈分极化趋势， 干旱和半干旱地区变得更加干旱^［3］。水循环的变化， 包括降水、 蒸发、 径流， 已经被证明是深刻影响着全球气候变化的要素^［4］。青藏高原被称为“第三极”， 是亚洲许多大江大河的发源地， 有“亚洲水塔”之称^［5］。有许多学者致力于从不同角度探究气候变化对于青藏高原水分循环的影响^［6-8］。在陆地水循环中， 降水是最为重要的大气输入， 对于理解局地水循环过程有着举足轻重的作用。黄河作为我国的第二长河， 其源头位于青藏高原的东北部。作为黄河的主要产流区之一， 黄河源区贡献了黄河总径流量的35%以上， 被誉为“黄河水塔”^［9］。然而， 黄河源区位于高寒地区， 这里地形复杂， 生态环境恶劣， 气象台站分布稀疏， 降水的站点观测资料缺乏已成为目前理解黄河源区局地水循环过程的重要限制因素。

自21世纪以来， 基于卫星观测的降水产品逐渐发展完善， 在台站和气象雷达观测资料不足的地区， 卫星观测降水产品逐渐成为重要的降水数据来源。卫星降水产品有许多优点， 例如覆盖范围广、 观测时间连续、 数据获取便捷等， 且不同的卫星降水产品有着不同的时间和空间分辨率， 可以很好地满足不同用户的需求。然而， 卫星降水估计同样存在许多误差， 例如重访周期的差异、 遥感信号和降水率之间的弱差异和大气效应等都是误差的来源^［10］。因此， 对卫星降水产品的精度评价和性能评估显得尤为重要。The Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）由美国航空航天局（NASA）和日本宇宙航空开发局（JAXA）合作发起， 于1997年11月28日发射升空， 并于2015年6月15日返回大气层。在其观测的17年间， TRMM测雨产品为全球无降水资料地区提供了新的数据源。TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis（TMPA）产品是TRMM卫星的三级降水产品。基于前人校准集的基础， TMPA旨在成为“最好”的准全球卫星估计降水产品^［11］。TMPA提供两种产品： 实时产品（3B42RT）和分析产品（3B42）。在过去的十余年间， 许多学者从统计学和水文学方面对TMPA产品在我国， 特别是青藏高原地区的适用性进行了分析^［12-17］。研究指出， 在众多同时期的卫星降水产品中， TMPA 3B42产品的误差最小， 与观测数据更一致， 特别是在暖季和潮湿地区。全球降水观测计划（Global Precipitation Measurement， GPM）是继TRMM之后的新一代全球卫星降水产品。GPM的核心观测平台于2014年2月28日发射升空， 标志着TRMM观测时代向GPM观测时代的转变。与TRMM卫星相比， GPM核心观测平台上搭载的仪器更先进， 且覆盖范围更广。IMERG（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM）产品是GPM的三级融合产品， 是通过多卫星融合算法后得到的结果， 其对于水文、 气象、 气候变化等研究具有重要意义^［18］。

虽然TRMM卫星已终止接收数据， TMPA产品仍在继续生成， 其校准方式发生了变化， 即仅通过被动微波进行降水估计。尽管这种处理方式可能会导致数据的不均一， 但考虑到TMPA产品和IMERG产品的对接， TMPA数据集仍有其存在的意义。根据IMERG发展的时间线， TMPA产品会与IMERG并行运行直至2018年中期^［19］， 在此期间评价TMPA产品和IMERG产品的适用性是很有意义的， 可以为IMERG产品的后续应用和研究提供宝贵的经验。目前已有学者致力于这方面的研究： Tang等^［20］和Guo等^［21］分别对IMERG产品和TMPA 3B42V7（version 7）在中国的适用性进行了评价， 结果指出IMERG产品的性能明显优于TMPA产品， 尤其是在气候相对干燥的西北地区。研究者们同样对两种卫星产品在青藏高原地区的表现能力进行了评价， 研究指出， 虽然两者在降水的空间格局方面表现出了相似的特征^［22］， 但在所有空间尺度和高程范围内， IMERG产品都更优于TMPA产品^［23］。由于IMERG产品和TMPA产品都具有很高的时空分辨率， 其在水文模拟及气候变化研究中占有很高的地位。因此， 评价其在观测资料缺少地区， 特别是复杂地形和高海拔地区的观测能力， 是十分有意义的。李琼等^［24］评价了TRMM月降水产品在黄河源区9个台站的适用性， 虽然3B43产品与台站数据一致性较高， 但其时间分辨率太低， 无法为模式提供可靠的降水输入。因此， 在黄河源区的水文过程研究中， 我们需要一个更加精细且准确的卫星降水产品。

在本研究中， 我们选取了38个气象台站的日降水观测资料， 对五种卫星降水产品（TMPA/TMPART/IMERG-E/IMERG-L/IMERG-F）在黄河源及其周边地区的精度进行了全方面的评价， 并探究了五种降水产品精度和海拔、 雨强的关系。评估每种产品在黄河源区的适用性， 分析遥感降水产品在黄河源区的性能和误差特征。

本文选取的研究区域位于青藏高原东北部的黄河源区。根据水文学的定义， 黄河源区指的是包括龙羊峡水库唐乃亥水文站以上的集水区域（95°30′ ~ 103°30′E， 32°30′ ~ 36°00′N）， 集水面积达12.1972×10⁴ km²。但考虑到黄河源区本身覆盖面积内台站数量稀少， 文中所选的区域为黄河源及其周边区域（95° ~ 104° E， 31° ~ 37° N）， 经过对该区域站点数据的整理， 共选取38个地面台站作为研究对象（图1）。

本文选取研究区域内海拔在1 000 m以上的观测台站， 共38个（图1）。选取2014年4月1日至2017年12月31日的日降水数据为研究对象。数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn）， 所用数据均通过质量控制。具体的台站信息见表1。

TRMM卫星的产品方面， 所选取的是由TMPA 3小时降水产品（3B42）和实时TMPA 3小时降水产品（3B42RT）计算得到的日降水产品（TMPA_3B42_Daily and TMPA_3B42RT_Daily）， 其空间分辨率均为0.25°×0.25°； GPM卫星方面， 所选取的是由IMERG准实时产品（IMERG-E/IMERG-L）和分析产品（IMERG-F）计算得到的日降水产品（GPM_IMERGDE/GPM_IMERGDL/GPM_IMERGDF）， 其空间分辨率为0.1°×0.1°， 空间网格比TMPA产品更精细。上述五种卫星产品均由NASA戈达德地球科学资料和信息服务中心制作（GES DISC，https：//disc.gsfc.nasa.gov/）， 所选的时间从2014年4月至2017年12月。

在评价遥感降水数据产品时， 主要从三个方面进行分析： 遥感降水与实测降水的一致性、 遥感降水与实测降水的偏差和遥感降水对实测降水的探测能力。在分析遥感降水与实测降水的一致性时， 所选用的指标为相关系数CC（correlation coefficient）； 在分析遥感降水与实测降水的偏差时， 所选用的指标为相对误差（Relative BIAS）和均方根误差（RMSE， root-mean-square error）。相关系数方面， 考虑到日降水序列的分布特征未知， 文中使用Spearman秩相关系数表示日降水序列间的线性相关程度。上述统计量的具体信息见表2。

为了评价遥感降水的探测能力， 文中采用三个预报评分指标对卫星降水产品的准确性进行定量检测。三个指标分别是探测率POD、 误报率FAR和临界确定指数CSI。其中， POD反映了遥感降水产品探测到降水的能力的估计， FAR表示遥感降水产品误报降水的比例， CSI表示遥感降水产品探测成功的几率， 三种指标的具体解释见表2， 通过比对， 我们可以全方面地了解不同卫星产品在黄河源区的探测能力。

根据所选38个台站日降水资料和五种卫星产品的散点图和线性拟合（图2）， 可以看出资料所得到的降水估计值与站点观测值差距较大。五种卫星产品中， 仅有3B42RT产品整体上对降水的估计表现出高估， 其他产品均表现为低估。图2中还给出了所研究区域整体的相关系数、 偏差和均方根误差的平均值。IMERG产品与台站的日降水相关系数均在0.61以上， 说明其与台站资料一致性较好。整体而言， IMERG-F产品的相关性最好， IMERG-L次之， IMERG-E的相关系数最低； TRMA产品方面， 3B42产品的相关性明显优于3B42RT产品。从相对误差值可以看出， 3B42RT产品表现出对实际降水明显的高估， 平均值高达99.20%。且在某些时刻和站点出现了十分明显的高估， 甚至出现单日降水超过台站观测180 mm以上的情况（185.49 mm·d^-1）， 偏差高达843.3%， 与观测事实严重不符； IMERG-E和IMERG-L产品整体都表现出低估， IMERG-F和3B42产品表现为高估； 均方根误差（RMSE）方面， IMERG产品同样优于TMPA产品， 其中IMERG-L均方根误差最小， 表现最优； 3B42RT的表现最差。

在对每个站点和格点降水数据进行比较时我们发现， 不同卫星降水产品精度具有明显的空间差异。从图3相关系数空间分布得知， 除诺木洪站外， GPM所有卫星产品与实测资料在所有站点的相关系数均在0.50以上， 这一点要明显优于TRMM卫星产品。另外， 在空间分布上， 五种数据集计算出的相关系数均表现出明显的从东南向西北递减的趋势， 在研究区的东南部， 3B42产品的相关系数与IMERG产品基本一致， 而在中部和西北部， 3B42及3B42RT产品的相关系数明显低于IMERG产品。IMERG产品中， IMERG-F在相关性方面表现最好， 相关系数在0.70以上的站点数高达16个。图4给出了均方根误差在每个站点的空间分布情况。可以看出， 3B42RT产品的均方根误差相比于其他产品要明显偏大， 有27个台站的均方根误差在0.60以上， 占总体的71%。另外四种产品中， IMERG-L产品的均方根误差在0.30以下的台站数高达21个， 占总体的70%， 表现最优； 其次为IMERG-E和IMERG-F， 均方根误差在0.30以下的台站数分别为18个（47%）和13个（34%）； 最后为3B42， 均方根误差在0.30以下的台站数仅有四个， 占总体的11%。无论对总体和单站点而言， 三种IMERG卫星产品和3B42产品与台站资料的一致性和偏差特征都明显优于3B42RT卫星产品， 其中IMERG-F的相关系数最高， IMERG-L产品的偏差最小。

图5给出了根据五种卫星数据集和台站资料计算得到的所选参数盒须图。其中探测率（POD）和探测成功率（CSI）的分布规律较为一致： 即IMERG产品的探测能力和探测成功率都要普遍高于TMPA产品。对于POD而言， IMERG三种产品的均值都在0.7以上， 且不同台站间的差异较小。其中IMERG-F和IMERG-L的均值最大（0.80）， 探测能力最好； 其次为IMERG-E， 均值为0.79。3B42和3B42RT产品的探测能力较差， 其中3B42的探测能力要优于3B42RT， 均值分别为0.62和0.58； CSI的整体数值小于POD， 且不同卫星产品之间区别不大。IMERG三种产品的CSI均值皆在0.5以上； 3B42和3B42RT分别为0.47和0.45。在误报率（FAR）方面， 不同于POD和CSI， TMPA产品的误报率要普遍低于IMERG产品。3B42和3B42RT产品的误报率均值均为0.34， 误报率最低； 其次为IMERG-L和IMERG-F产品， 均为0.37； IMERG-E的误报率均值最高， 达0.39。另外五种产品都在个别台站出现了严重误报。其中3B42RT产品有三个站点出现了误报率超过0.5的情况， 即在这些台站有半数以上的降水被误报。

从以上分析我们可以看出， POD、 FAR、 CSI三种参数均存在一定程度上的空间差异， 其中FAR最为明显。对于POD和CSI， 在研究区的西北部， 即黄河源区内玛多站以北和兴海站以西的区域， 两者的值普遍偏低（图6）； 同样对于FAR， 上述区域显示出很高的误报率， 尤其是诺木洪站， 五种卫星产品都出现了高达0.80以上的误报率。

综上所述， 五种卫星产品中， IMERG日降水产品在研究区域内表现出更好的探测降水能力和探测成功率， 而TMPA产品的误报率相对更低； 总体来看， 五种卫星产品对日降水的探测效率普遍较高， 表现较好。但对于个别站点， 特别是位于研究区域西北部的站点的探测能力有待提高。

评价遥感降水资料精度与高度的相关关系是十分必要的， 特别是在海拔较高的青藏高原地区， 它对于我们进一步评价和改进卫星数据精度具有重要作用。Ma等^［21］在分析青藏高原区域3B42V7产品和IMERG产品精度和高度相关关系时指出， IMERG产品的POD指数在4 200 m以上较低， 且FAR在3 000 m以下较小， 而相关系数与海拔无明显的相关； Xu等^［23］对青藏高原南部站点的研究指出， 两种卫星产品的偏差与平均高度呈正相关， 而相关系数与平均高度呈负相关。目前， 这种相关性尚未得到一致的结论， 还需要更多的研究证明。

为了将海拔和遥感降水产品精度进行量化， 我们对海拔和所选参数进行相关性分析， 以得到不同参数和海拔趋势相关的程度大小（表3）。可以看出， 不同卫星降水产品的探测能力随高度的变化各不相同， 其中只有IMERG-E产品的相关系数、 3B42RT产品的偏差与均方根误差及IMERG-F产品的均方根误差同高度有显著的相关关系（图7）。所选台站的海拔均分布在1 500 ~ 4 500 m的范围内。其中IMERG-E产品的相关系数及IMERG-F产品的均方根误差与海拔表现为正相关（置信度在95%以上）， 即海拔越高， IMERG-E产品与实测资料的一致性越好， 而IMERG-F产品与实测资料的偏差越大； 3B42RT产品的偏差和均方根误差均表现为与海拔显著正相关（置信度在99%以上）， 说明在研究区域内， 海拔越高， 3B42RT产品对于降水的高估程度越大， 产品的精度越差。

对于遥感日降水产品的探测能力与海拔的相关关系而言， 五种产品的POD均与海拔变化没有明显的依赖关系。而FAR则表现出和海拔显著相关， 除3B42RT产品外， 其他四种产品的误报率均表现出与海拔显著的负相关。这说明海拔越低， 产品出现的误报率越高， 精度越差； 对于CSI、 TMPA产品的探测成功率与海拔几乎不存在相关， 而IMERG三种产品的探测成功率与海拔呈显著的正相关， 即海拔越高， 产品的探测成功率越大。

为了对不同雨强条件下的卫星降水产品精度进行评价， 首先我们将给出日降水强度的分类： 根据国家气象部门规定的降水量标准， 日降水强度介于0.1 ~ 10 mm的降水被认为是小雨； 10 ~ 25 mm的降水为中雨； 25 ~ 50 mm的降水为大雨； 日降水在50 mm以上的视为暴雨。对于所选台站和时段， 属于小雨的日数为16 270日， 约占总日数的31%； 属于中雨的日数为1 925日（4%）； 属于大雨的日数为177日， 而暴雨仅有9日。因为不同雨强的日数相差较大， 我们计算了五种产品在不同雨强下的相对偏差（BIAS）、 均方根误差（RMSE）和探测率（POD）（图8）。可以看出3B42和IMERG三种产品的相对偏差的绝对值随雨强的增大而增加， 即对于小雨的探测偏差最小， 对于暴雨的偏差最大， 且都为低估； 其中IMERG-F产品的偏差最小， 3B42次之， IMERG-E和IMERG-L偏差最大； 而3B42RT产品则是对中到大雨表现为高估， 暴雨表现为低估， 且它对于大雨的估计偏差显著低于其他四种产品； 均方根误差同样表现为随雨强的增大而增加， 与偏差相似， 3B42RT对大雨的估计偏差最低， 而对小雨的偏差最大。IMERG-F产品在除大雨外任何雨强下的均方根误差都是最小的； 最后， 对于探测率（POD）， 由于不同雨强的日数差距很大， 比较POD随雨强的横向变化是没有意义的， 只能纵向比较不同产品的区别。同样地， IMERG-F产品在任何雨强下的预报率均达到最高， 其次为IMERG-E和IMERG-L产品， 两者对于小雨的探测率不及IMERG-F； 随后是3B42和3B42RT产品。可见无论是小雨、 中雨还是大雨， TRMM卫星产品的探测率均不及GPM产品。综合来看， 对于小雨日数最多的黄河源区， IMERG-F的探测能力最强。

在本研究中， 我们分别评价了五种卫星日降水产品（包括TRMM卫星的两种产品： TMPA 3B42和3B42RT以及GPM卫星的三种产品： IMERG-E、 IMERG-L和IMERG-F）在黄河源及其周边地区的适用性， 并探究了在所选区域内卫星降水产品的精度随海拔高度和雨强的变化， 主要结论如下：

（1）在与实测资料的一致性和偏差方面， GPM卫星产品要全面优于TMPA产品。在一致性方面， IMERG-F的表现最优； 在偏差特征方面， IMERG-L产品误差最小。在TRMM卫星产品中， 3B42产品无论在一致性和偏差方面都明显优于3B42RT。卫星降水产品同实测资料的一致性和偏差特征表现出明显的空间差异， 相关系数表现出明显的从东南到西北递减的趋势。

（2）在降水的探测能力方面， 五种产品对日降水的探测效率普遍较高， 相比之下IMERG产品的探测率（POD）和探测成功率（CSI）都要普遍高于TMPA产品， 而误报率（FAR）则是TMPA 产品更低， 表现更好。五种卫星产品都在个别台站出现了严重误报， 尤其是在位于西北部的站点。

（3）GPM三种卫星产品对于海拔高度的依赖具有很强的一致性， 相比之下TRMM卫星的两种产品的差别很大。3B42RT产品的偏差随海拔的增加有明显增加， 海拔越高精度越差。IMERG三种产品对海拔的依赖均表现为海拔越高， 其与实际降水的相关性越差， 偏差也随之增大， 而误报率和探测成功率会增大。

（4）在分析不同雨强条件下的卫星产品精度时我们发现， 除3B42RT产品外， 其余四种产品的偏差均随雨强的增加而增大， 3B42RT产品对于大雨的估计偏差显著低于其他四种产品。在探测率方面， IMERG产品对小雨、 中雨和大雨的探测能力均优于TMPA产品， 其中IMERG-F产品对小雨的探测能力最强、 偏差最小。

综上所述， GPM卫星产品在黄河源区对于日降水的探测能力得到了充分肯定。作为TRMM卫星的继任者， GPM卫星产品表现出了更高的精度， 但在一些区域仍表现出探测能力的不足， 需要进一步的改进和校正。黄河源区属于高寒地区， 海拔较高且下垫面复杂。研究指出， 在近50年里， 黄河源的升温显著［0.35 ℃·（10a）^-1］， 降水和蒸发量均表现为小幅度的增加， 且有显著的空间差异^［25-27］。Iqbal等^［28］研究指出， 近54年黄河源区5 mm以下的降水事件显著减少， 而5 ~ 25 mm的降水事件增加， 使得黄河源区降水总体上表现出微弱的增加趋势。因此， 在气候变化背景下， IMERG产品， 特别是IMERG-F产品的适用性应该得到重视。目前已有研究着眼于将IMERG产品应用于水文模式的模拟^［29-31］， 结果显示IMERG产品在水文模拟方面有巨大的潜力， 然而， GPM计划的实施时间尚较短， 其在高纬度和高海拔地区的适用性还需要更多的研究以及更长的时间序列证明。