CMORPH和TRMM 3B42降水估计产品的评估检验

文章利用2007-2010年中国2447个站点的逐小时降水观测数据对同期CMORPH和TRMM 3B42卫星降水估计产品进行了检验和评估。经过对比分析得出:CMORPH和TRMM 3B42卫星降水资料与地面台站资料的日平均降水量空间分布具有较好的相似性,3 h降水量的相关系数在大部分地区分别在0.5和0.4以上;偏差均在±0.25 mm之间,但CMORPH存在显著的南北差异;平均绝对误差、相对误差和均方根误差均存在明显的季节周期性变化;两种卫星资料能够较好反映我国大部分区域夏季降水日变化特征,但在部分地区存在大的偏差;CMORPH和TRMM 3B42总空演率分别为7.23%和2.63%,总漏演率分别为3.25%和5.50%。     

6种卫星降水产品在中国区域的精度特征评估

采用2012—2013年国家气象信息中心2419个国家级地面气象站格点化数据和TRMM(3B40RT、3B41RT、3B42RT)、CMORPH、GSMaP、HYDRO共6种0.25°×0.25°卫星反演降水数据,从中国区域、中国东部区域及中国西部区域3种空间尺度综合验证和比较了日尺度上卫星反演降水产品的精度。结果表明：春、夏、秋季卫星反演降水产品对降水描述的准确性高于冬季。相关性、均方根误差等指标随季节变化明显,且差异较大,夏季每种降水产品的评估指标均优于冬季。不同区域之间定量评估指标差异明显,具有月尺度变化特征。卫星反演降水产品对冬季小降水及固态降水的反演能力有限。对于中国区域的大范围降水事件,每种降水产品可以较好进行再现,但均以多传感器联合后的产品质量较高,单一微波、红外或可见光的效果较差。TRMM的3B42RT在夏季对降水反演的落区较好,但极值偏大,CMORPH的综合评价较好。卫星降水产品精度的空间分布与地形有一定的关系。     

基于时空结构指标的中国融合降水资料质量评估

引入空间、时间技巧评分以及结构函数3种指标,通过对比中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料和美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水资料(CMORPH)、热带测雨卫星反演降水资料(TRMM)在中国区域的适用性和误差分布,着重考察融合降水资料的质量。结果表明,中国区域平均的融合降水资料时空精度远高于CMORPH和TRMM卫星降水资料,且融合资料和卫星资料在夏季的质量优于冬季;在中国东南区域的模拟精度普遍好于西部地区,融合降水质量最高的两个区域为江淮和华南,较差的区域则在青藏高原和西北地区。融合后降水资料比融合前CMORPH卫星降水在空间及时间技巧评分均有较大提高,其提高幅度冬季大于夏季。通过计算结构函数,发现在中国江淮、华南、华北和东北等地区,随着网格区域内任意两点距离的增大,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近。在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数则偏离较大。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,高密度观测资料尤为重要。江淮、华南、华北地区的融合降水结构函数曲线增长率大于东北,也从侧面反映江淮、华南、华北地区降水分布的非均一性比东北强,降水可能受中小尺度天气系统影响较大。     

中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission, 3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project, 1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008—2010年5—9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP 三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。     

四川省2013年夏季卫星降雨数据的对比研究

选取2013年5 8月CMORPH version1.0、TRMM3B42 version6两种卫星降雨产品,分别在3 h,1天及1个月三种不同时间尺度上,结合同时段四川省157个地面站点观测的降雨数据,对比评估了两种卫星降水数据对降雨量和降雨事件探测的效果。对比研究中,根据站点的位置选择与之空间距离最近的卫星降雨格点作为对比对象,选用相关系数评估卫星数据的同步效果,选用偏差BIAS评估卫星降雨的系统误差和相关程度,选用均方根误差RMSE评估卫星数据的偏差。结果表明,3 h时间尺度上,两种降雨产品与地面站点的同步效果都很差,都不能很好地反映四川省降雨信息,但TRMM3B42 V6的系统误差比CMORPH小,与站点相关程度更高;在1天的时间尺度上,两种卫星降雨数据与站点数据的同步效果都有所增加,TRMM3B42 V6降雨产品与站点降雨量偏差更小,相关程度更高,表现出更强地一致性;在1个月的时间尺度上,TRMM3B42 V6对降雨量的探测表现出一定程度的低估,但同CMORPH产品相比,TRMM3B42 V6降雨产品仍表现出与站点降雨更高的一致性,而CMORPH对降雨量的探测则明显偏高,可能原因是由于CMORPH产品利用红外数据进行了移动矢量计算,而对流云对云顶亮度温度有较大影响,从而导致CMORPH探测的降雨量偏高。研究还选用了发生概率和部分分数及Heidke评分标准来确认卫星降雨产品能否反映降雨的发生,发现CMORPH在探测降雨事件发生时优于TRMM3B42 V6降雨产品。     

不同降水卫星数据反演降水量精度评价——以雅鲁藏布江流域为例

利用多种定量指标和分类指标,评估PERSIANN-CDR(Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Netw orks-Climate Data Record)和TRM M 3B42 V7 (Tropical Rainfall M easuring M ission 3B42 V7)两种降水卫星产品在雅鲁藏布江流域的反演精度,并首次在雅鲁藏布江流域使用降水量体积分类指标对卫星数据的适用性进行评价。结果表明:(1)降水卫星数据的偏差主要表现在微量和重度降水的偏差上,两种降水卫星数据总是高估了弱降水,低估了强降水,PERSIANN降水卫星要比TRM M降水卫星对降水数据偏离程度小;(2) PERSIANN-CDR降水卫星数据与地面实测数据的相关系数为0. 663,偏差为0. 845,TRMM 3B42 V7降水卫星数据与地面实测数据的相关系数为0. 666,偏差为0. 579。只考虑定量指标的评价体系,两个降水卫星数据的精度差异相对较小;(3) PERSIANN-CDR卫星数据在各站点的各分类指标数值范围均比TRMM 3B42 V7卫星数据的指标数值范围大,PERSIANN-CDR卫星数据对降水事件和降水量的反演精度要高于TRMM 3B42 V7卫星数据。考虑降水量分类指标的评价指标体系比单纯使用传统定量指标评价降水卫星数据更能有效地反映出降水卫星对资料稀缺的高寒地区地面降水特征的捕捉能力。     

TRMM和CMORPH卫星资料对三峡库区降水的评估分析

利用1998—2016年TRMM和CMORPH两种遥感卫星资料降水和同期三峡库区气象观测站数据,通过比较干、支流和远、近库区气象站点的降水变化和蓄水前后降水量、雨日、降水强度和频率等变化特征,分析评估了基于两种卫星遥感降水和测站降水的三峡库区局地降水变化。结果表明:库区TRMM和CMORPH卫星降水年际变化特征总体上与气象观测站相符,反演效果在日尺度TRMM略逊于CMORPH,在季尺度CMORPH略逊于TRMM;两种卫星资料对冬季降水反演效果都偏弱。三峡库区干流和支流站点的降水变化总体一致,干、支流各站点降水量均具有较强的年际变化特征。TRMM相比CMORPH更能重现干、支流测站降水的年际变化特征,CMORPH降水年际波动振幅总体上比测站偏大。蓄水前后时段(1998—2003年与2004—2016年)对比,从不同等级降水的强度和雨日、季节降水频率和总量等变化反演效果来看,CMORPH资料分布相比TRMM更接近测站的变化趋势,反演效果略优于TRMM;但两种卫星资料的降水频率和降水量分布与测站的误差在蓄水前后变化都不明显。此外,气象测站、TRMM、CMORPH资料都表现出蓄水后三峡远、近库区年降水量的比值呈平稳波动状态,表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化。     

CMPA降水资料在中国地区不同地形下的精度评价研究

以2001—2010年中国地面自动站降水资料为基准,对中国大陆范围内CMPA(CMPA_Daily)降水资料进行精度评价研究,并与CMORPH1.0(CPC MORPHing technique gauge-satellite)、TRMM3B43V7(Tropical Rainfall Measuring Mission 3B43)降水资料精度进行对比,并进一步结合高程、坡度、坡向、坡向修正因子分析地形因子对数据质量的影响并探讨不同地貌类型下数据的精度。结果显示:CMPA在年、月尺度上均能较好地反映降水的多寡,与站点实测数据具有较高的相关性,误差波动较为平稳,数据质量及稳定性优于CMORPH与TRMM;从时间序列曲线显示CMPA的精度呈现较为明显的季节性差异,均方根误差夏季高于冬季,相关系数、百分比偏差、平均相对误差冬季高于夏季,总体而言CMPA夏季的误差高于冬季,由于夏季降水的基数大而导致了百分比偏差以及平均相对误差较低;分析地形的影响表明,高程、坡度对数据质量的影响大于坡向与坡向修正因子;在复杂地形下,高海拔与高坡度地区CMPA精度均有所降低,但降水资料的精度仍然优于CMORPH与TRMM。     

怒江上游TRMM 3B42V7降水产品资料时空验证及降水特征分析

利用1998-2013年热带测雨卫星TRMM 3B42V7降水数据产品和18个气象站点观测数据对怒江上游进行了降雨时空分布特征的对比分析,研究了TRMM 3B42V7数据产品在该区域的精度。结果显示:研究区内TRMM 3B42V7数据和站点数据相关性月尺度最强(R0.9),年尺度次之(R0.5),日尺度较差(R0.5);流域面雨量两组数据在月尺度上有极强的相关性(R≈0.98),时间序列拟合较好,但在降水量大的月份TRMM 3B42V7数据较站点观测数据略偏大;不同时间尺度下两组数据的空间分布特征总体具有较好的一致性,局部分布特征有差异;流域西北和东南局部区域TRMM降水分别有低估和高估趋势,其他大部区域相当。利用TRMM 3B42V7数据对流域降水进行季节占比分析,结果显示,流域降水季节分配不均匀,夏季(6-8月)降水占全年降水总量的比例较大,高达42%~72%;其他春(3-5月)、秋(9-11月)、冬(12月至次年2月)三季节降水整体较少,总占比为28%~58%。     

近实时卫星降水数据对南京“20170610”极端性强降水过程的监测分析

以高密度的地面雨量站网观测数据为基准,综合分析了TRMM 3B42RT V7、IMERG Early、IMERG Late、GSMaP NRT、GSMaP NRT Gauge共5种近实时卫星降水数据对南京及周边地区2017年6月10日一次破历史记录的极端性强降水过程的监测能力。结果发现,在累积雨量方面,2种GSM aP数据有比较明显的低估,但基本再现了雨量中部高、南北低的空间分布格局;而3B42RT V7和2种IMERG对累积雨量的主要空间分布特征的辨识性较差。在降水强度时序变化方面,所有卫星数据均能正确探测到南京全市与江宁区的"20170610"降水过程,但在区域和网格尺度上对降水强度变化的动态跟踪能力明显不足,定量误差比较突出。5种数据中,GSMaP NRT的综合精度相对较高,而2种IMERG数据的表现尚不及3B42RT V7。总体上,近实时卫星降水数据对中小尺度极端性强降水过程的监测已展现了一定的积极效果,但捕捉降水落区及追踪降水动态变化的能力尚需大力改进。