梁娟

【摘 ? 要】 本研究以2016.3-2019.3月中國(guó)氣象局提供的自動(dòng)氣象站融合降水?dāng)?shù)據(jù)為參考，利用4種評(píng)估指標(biāo)分析了不同氣候區(qū)視角下傳感器反演降水誤差特征。

【關(guān)鍵詞】 GPM;誤差特征;衛(wèi)星降水產(chǎn)品;小時(shí)降水

中圖分類號(hào)：TP212.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-1073（2020）10-0053-54

[Abstract] This study takes the automatic weather station fusion precipitation data provided by China Meteorological Administration in March 2016.3-2019.3 as a reference， and analyzes the error characteristics of sensor inversion precipitation from the perspective of different climatic regions by using four evaluation indexes.

[Key words] GPM; error characteristics; satellite precipitation products; hourly precipitation

1 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日前，獲取高精度的降水產(chǎn)品是衛(wèi)星降水領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題。雖然前人在衛(wèi)星降水產(chǎn)品評(píng)估，傳感器誤差溯源和誤差訂正上做了大量的工作，但具體的研究中仍存在諸多理論和方法問(wèn)題亟待完善。下面將從衛(wèi)星降水評(píng)估，誤差溯源等角度詳細(xì)闡述相關(guān)的研究進(jìn)展，存在的問(wèn)題以及需要解決的潛在問(wèn)題。衛(wèi)星降水的傳感器誤差溯源

由于傳統(tǒng)衛(wèi)星降水在產(chǎn)品層面的評(píng)估研究大大限制了誤差訂正的有效性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)始把目光聚焦在從傳感器層面上評(píng)估分析衛(wèi)星降水反演的誤差特性。Tan et al （2016） ?提出了一種識(shí)別IMERG降水產(chǎn)品在傳感器層面上的誤差構(gòu)成方法。該方法根據(jù)反演系統(tǒng)中的衛(wèi)星標(biāo)識(shí)符信息，以格網(wǎng)為單位按系統(tǒng)在不同時(shí)間使用不同的傳感器進(jìn)行IMERG數(shù)據(jù)的劃分。然后利用地面站點(diǎn)觀測(cè)資料對(duì)來(lái)源不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估研究，分離出不同傳感器的誤差。研究肯定了被動(dòng)微波傳感器在降水反演中的可靠性，且morph算法也具有良好的一致性，但I(xiàn)R數(shù)據(jù)的誤差較大，相關(guān)的研究表明，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星降水的傳感器誤差溯源，可以為衛(wèi)星降水反演誤差訂正提供最基礎(chǔ)的一手資料（Chen et al.， 2019） 。

2 ?論文的主要研究?jī)?nèi)容

2.1 ?中國(guó)大陸氣候區(qū)的劃分

根據(jù)中國(guó)大陸1961-2010年的降水?dāng)?shù)據(jù)，按年平均降水將中國(guó)大陸劃分為四個(gè)氣候區(qū)，即濕潤(rùn)區(qū)，半濕潤(rùn)區(qū)，半干旱區(qū)和干旱區(qū)。

2.2 ?衛(wèi)星降水反演在不同氣候區(qū)的誤差特征

在不同氣候區(qū)中分別用4種指標(biāo)評(píng)價(jià)11種傳感器的誤差，分析傳感器誤差特征。

3 ?數(shù)據(jù)與方法

3.1 ?數(shù)據(jù)

3.1.1 地面參考降水?dāng)?shù)據(jù) ?本論文選擇中國(guó)氣象局研發(fā)的中國(guó)地面與CMORPH融合逐小時(shí)降水產(chǎn)品（1.0版）作為地面參考數(shù)據(jù)（時(shí)間跨度為：2016.3-2019.3），數(shù)據(jù)覆蓋中國(guó)大陸地區(qū)，分辨率達(dá)到逐小時(shí)0.1°×0.1°，數(shù)據(jù)誤差低，是國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上最好的高分辨率降水觀測(cè)資料。

3.1.2 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù) ?GSMap是由日本航宇局負(fù)責(zé)研發(fā)的高分辨率全球降水產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品包括近實(shí)時(shí)產(chǎn)品GSMap_NRT;微博紅外融合產(chǎn)品GSMap_MVK以及采用CPC全球雨量站點(diǎn)、地形和氣候等信息校正后的GSMap_MVK產(chǎn)品，其主要特征參數(shù)如下：

GPM-GSMap的微波數(shù)據(jù)來(lái)源于GPM星座中11顆衛(wèi)星上搭載的被動(dòng)微波傳感器，類型包括：GMI、TMI（2015年后已停止工作）、AMSR2、SSMIS、AMSU-/MHS。

3.2 ?衛(wèi)星降水傳感器數(shù)據(jù)源識(shí)別方法

本文借鑒Tan等（2016）針對(duì)IMERG提出的衛(wèi)星降水誤差源識(shí)別方法，在此基礎(chǔ)上，將同種微波傳感器的誤差進(jìn)一步按其來(lái)源的衛(wèi)星不同進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)所有單個(gè)傳感器的誤差溯源[1]。

具體方法如下，GPM星座群所有衛(wèi)星的掃描信息被存儲(chǔ)在“衛(wèi)星掃描信息標(biāo)識(shí)符”文件中，與其降水?dāng)?shù)據(jù)一樣，可從其網(wǎng)站上下載獲取。在標(biāo)識(shí)符文件中，利用變量標(biāo)識(shí)了GPM-GSMap小時(shí)尺度網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)值的衛(wèi)星和傳感器來(lái)源，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)傳感器誤差源識(shí)別的目的。

3.3 ?誤差分析方法

本文借鑒Zhu et al （2018） ?提出的降雨事件劃分方法，以0.1mm/h降雨強(qiáng)度作為劃分降雨和非降雨時(shí)間的閾值，將降雨事件劃分為以下4種：命中（Hit）事件表示衛(wèi)星和地面都觀測(cè)到了降雨;漏報(bào)（Miss）事件表示地面觀測(cè)到了降雨而衛(wèi)星沒(méi)有;誤報(bào)（False）事件表示衛(wèi)星觀測(cè)到了降雨而地面沒(méi)有觀測(cè)到;零（Nonevent）事件表示地面和衛(wèi)星都沒(méi)有檢測(cè)到降雨。

利用命中率（HR）、誤報(bào)率（FR）、漏報(bào)率（MR）、零事件率（NR）等4項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)傳感器對(duì)降雨事件的探測(cè)能力，公式如下：

HR=H/（H+M+F+N）×100% ? ? ? ?（1）

FR=F/（H+M+F+N）×100% ? ? ? ? （2）

MR=M/（H+M+F+N）×100% ? ? ? （3）

3.4 ?研究區(qū)

中國(guó)大陸地區(qū)幅員遼闊，地形復(fù)雜，氣候類型多樣。本文根據(jù)中國(guó)大陸的1961-2010年的年平均降水計(jì)算，通過(guò)年平均降水量將中國(guó)大陸劃分為四個(gè)氣候區(qū)，分別是濕潤(rùn)區(qū)（年平均降水量大于800mm/yr），半濕潤(rùn)區(qū)（年平均降水量介于400-800mm/yr），半干旱區(qū)（年平均降水量介于200-400mm/yr）和干旱區(qū)（年平均降水量小于200mm/yr）。

4 ?結(jié)果分析

圖所示為11種傳感器在中國(guó)大陸4個(gè)氣候區(qū)（濕潤(rùn)區(qū)Humid、半濕潤(rùn)區(qū)Semi-humid、半干旱區(qū)Semi-arid、干旱區(qū)Arid）對(duì)四種事件（命中、漏報(bào)、誤報(bào)、零事件）的探測(cè)能力。顯然，各種傳感器在濕潤(rùn)區(qū)的命中率比其它三個(gè)氣候區(qū)高得多，與此同時(shí)，誤報(bào)率和漏報(bào)率也非常高。所有傳感器在濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)的誤報(bào)率相近，但命中率和漏報(bào)率卻相差很大。從濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)到干旱區(qū)，各種傳感器的命中率明顯大幅降低，DMSP-F19搭載的SSMIS傳感器在除濕潤(rùn)區(qū)之外的其它三個(gè)氣候區(qū)則幾乎沒(méi)有命中率。在半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)中，其它10種傳感器的漏報(bào)率在兩個(gè)氣候區(qū)表現(xiàn)一致，除DMSP-F19攜帶的SSMIS傳感器外（0.3%、0.4%），在兩個(gè)氣候區(qū)均維持在2.2±0.2%范圍內(nèi)。

在濕潤(rùn)區(qū)，NOAA-18攜帶的AMSU-/MHS命中率達(dá)到最高（5.9%），DMSP-F19搭載的SSMIS傳感器則達(dá)到最低（3%），而與其搭載同種傳感器的DMSP-F16、DMSP-F18卻達(dá)到了5.2%、5.3%的較高命中率，不過(guò)誤報(bào)率高于DMSP-F19的1.6%-2.0%，較之與其命中率相近的IR、MetOp-A和MetOp-B 上搭載的AMSU-/MHS傳感器，在誤報(bào)事件上表現(xiàn)更好。在漏報(bào)事件中，DMSP-F19攜帶的SSMIS傳感器占最高（6.4%），MetOp-B攜帶的AMSU-/MHS傳感器最低，為5.1%。

在半濕潤(rùn)區(qū)，各種傳感器的命中率都在2.5±0.2%范圍內(nèi)，其中NOAA-18攜帶的AMSU-/MHS同樣為最高（3.0%），各種傳感器保持近似的漏報(bào)率，均在2.2±0.2%范圍內(nèi)，其中DMSP-F17攜帶的SSMIS為 最低命中率（2.3%）和誤報(bào)率（2.7%），總體上，DMSP-F18攜帶的SSMIS傳感器、GPM的主觀測(cè)衛(wèi)星上的GMI、FCOM-W1上的AMSR2傳感器表現(xiàn)最好，在保持最高命中率的同時(shí)，保持較低的誤報(bào)率。

在半干旱區(qū)，注意到DMSP-F18上攜帶的SSMIS傳感器的命中率幾乎落到最低（在濕潤(rùn)區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)其命中率均在前列），且NOAA-18上攜帶的AMSU-/MHS在命中捕捉上仍表現(xiàn)最佳。

在干旱區(qū)，所有傳感器的命中率都比較低（<1%），其中MetOp-A上攜帶的AMSU-/MHS傳感器的命中率最高，但其誤報(bào)率也最高（2.9%），而NOAA-19攜帶的AMSU-/MHS及GPM主觀測(cè)衛(wèi)星上的GMI則能在保持相對(duì)較高命中率（0.5%）的同時(shí)保持較低的誤報(bào)率（2.2%左右）。

5 ?總結(jié)

在濕潤(rùn)區(qū)中，4個(gè)不同衛(wèi)星上的AMSU-/MHS傳感器均擁有較高的命中能力，但在誤報(bào)事件中同樣都擁有很高的占比，漏報(bào)率整體偏低，且隨命中率降低而降低，綜合來(lái)看，傳感器AMSU-/MHS性能較穩(wěn)定;從濕潤(rùn)區(qū)到半濕潤(rùn)區(qū)，隨著降雨量的減少，SSMIS傳感器對(duì)降水的命中率發(fā)生不同程度的降低，且4個(gè)不同衛(wèi)星上的SSMIS傳感器命中率差異較大，但其在誤報(bào)事件中表現(xiàn)普遍較好;GPM主觀測(cè)衛(wèi)星上的GMI在干旱區(qū)誤報(bào)率低，但命中率有待進(jìn)一步提高;IR在四個(gè)氣候區(qū)都表現(xiàn)出較好的探測(cè)能力，但其受誤報(bào)和漏報(bào)影響，導(dǎo)致整體優(yōu)勢(shì)不明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張寶貴，杜建雙，李衛(wèi)敏，包玉龍，孫麗華.秦皇島降水酸堿性 ? ? ? 及其對(duì)環(huán)境的影響[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào) 2019，29 ? ? ? ? （06），73-77.

（編輯：赫亮）