GPM降水產(chǎn)品評估研究綜述

陳漢清，鹿德凱，周澤慧，朱自偉，任英杰，雍 斌

(1．河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100;2．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

在全球變暖背景下，降水的時空分布直接影響著人類水資源的獲取;極端的降水事件，如洪水、干旱、暴風(fēng)雪等對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的影響;農(nóng)業(yè)灌溉、淡水資源管理與利用需要更精確地獲取降水事件發(fā)生的時間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等重要信息[1-2]。因此，在水文學(xué)、氣候?qū)W和氣象學(xué)方面，降水都具有重要的理論和實(shí)踐意義[3]。精確的降水測量及其在全球范圍的時空分布已成為當(dāng)前研究前沿和熱點(diǎn)問題[4]。

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，目前主要的降水測量設(shè)備有雨量計(jì)、地基雷達(dá)和搭載各種傳感器的遙感衛(wèi)星等。雨量計(jì)和地基雷達(dá)給出的降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高，一般情況下視為“真值”，并作為衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估的參考資料[5-9]，但不適用于全球范圍的降水研究以及監(jiān)測。衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)為全球范圍的降水觀測帶來了曙光。1997年11月28號由NASA和JAXA合作開發(fā)設(shè)計(jì)的TRMM(tropical rainfall measuring mission)衛(wèi)星在日本成功發(fā)射，該衛(wèi)星主要用于監(jiān)測和研究熱帶和亞熱帶地區(qū)的降水[10]，已在2015年4月15日正式停止運(yùn)行。在TRMM時代涌現(xiàn)出了多種降水產(chǎn)品，如 TPMA[11]、CMORPH[12]、PERSIANN[13]和GSMaP[14]等降水產(chǎn)品。國內(nèi)外學(xué)者對TRMM各版本降水產(chǎn)品進(jìn)行了大量的評估工作[15-19]，并得到了廣泛的應(yīng)用[20-22]。盡管通過TRMM衛(wèi)星獲取了大量的降水觀測資料，但它在固態(tài)降水(如雪和冰雹)和微量降水(＜0．5mm/h)的靈敏度方面并不令人滿意，且其全球空間覆蓋范圍也存在著局限性，遠(yuǎn)不能滿足人們的現(xiàn)實(shí)需求。針對TRMM衛(wèi)星的不足，NASA和JAXA聯(lián)合發(fā)起了全球降水觀測(global precipitation measurement，GPM)計(jì)劃。2014年2月28日，GPM計(jì)劃核心觀測平臺成功發(fā)射。該核心觀測平臺為用戶帶來了更高精度、更高時空分辨率和覆蓋更廣的數(shù)據(jù)源，可為進(jìn)一步理解降水對地球水資源、氣候和地球能量循環(huán)等方面的影響提供數(shù)據(jù)支持。衛(wèi)星降水產(chǎn)品的評估工作是其在廣泛使用前的一個必不可少的步驟，可為使用者選擇最優(yōu)衛(wèi)星降水產(chǎn)品提供參考，同時也為基于衛(wèi)星降水反演算法和傳感器的改進(jìn)提供可靠的信息。而衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估方法對定量化衛(wèi)星降水產(chǎn)品的誤差至關(guān)重要。

針對衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估工作的需求，衛(wèi)星降水產(chǎn)品的評估方法也有所區(qū)別。應(yīng)用較為廣泛成熟的為統(tǒng)計(jì)分析方法[11-12]。Li等[23]提出采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔu估衛(wèi)星降水產(chǎn)品的性能，該方法主要揭示衛(wèi)星降水產(chǎn)品的幾何和空間特征。Tan等[24]提出衛(wèi)星降水產(chǎn)品誤差溯源的方法，從傳感器層面對衛(wèi)星降水產(chǎn)品展開評估。綜合研究發(fā)現(xiàn)大部分的衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估均以統(tǒng)計(jì)分析方法評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品的性能。隨著GPM核心觀測平臺的成功發(fā)射以及降水產(chǎn)品的開放共享，國內(nèi)外的研究者對GPM降水產(chǎn)品展開了一系列的評估工作。評估主要有兩種形式：一是利用衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面觀測資料直接比較;二是將衛(wèi)星降水產(chǎn)品作為水文模型的輸入?yún)?shù)，以此評估衛(wèi)星降水產(chǎn)品的表現(xiàn)。但目前尚未有相關(guān)文獻(xiàn)對已有的GPM降水產(chǎn)品評估工作進(jìn)行梳理和歸納。

本文主要從多衛(wèi)星聯(lián)合降水反演(integrated multi-satellite retrievals for global precipitation measurement，IMERG)、雙頻降水雷達(dá)(dual-frequency precipitation radar，DPR)和水文模擬三方面綜述GPM降水產(chǎn)品的評估工作，并對GPM降水產(chǎn)品未來需要解決的問題進(jìn)行了總結(jié)，對衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估的方向進(jìn)行了展望。

1 與地面資料直接比較評估

1.1 IMERG降水產(chǎn)品評估

1．1．1 全球尺度

在全球尺度下對衛(wèi)星降水產(chǎn)品的評估工作，有利于在粗尺度下了解IMERG降水產(chǎn)品在各地區(qū)的表現(xiàn)，也為進(jìn)一步細(xì)分各地區(qū)或流域尺度下的評估工作提供參考。Liu[25]對全球尺度下的IMERG-Final降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，分析發(fā)現(xiàn)在捕捉強(qiáng)降水能力方面，IMERG-Final降水產(chǎn)品比TMPA(3B43)更為合理地捕捉到南北半球主要的強(qiáng)降水地區(qū)，兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品之間的差異隨著地表類型和雨率的變化而變化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)因?yàn)閮煞N衛(wèi)星降水產(chǎn)品的陸地部分均使用地面雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)，因此陸地上的系統(tǒng)偏差比海洋上的偏差要小得多，正相對偏差主要發(fā)生在低雨強(qiáng)，而負(fù)相對偏差主要發(fā)生在高雨強(qiáng)。但在海洋上，所有的雨強(qiáng)均為負(fù)相對偏差。Liu[25]同時對IMERG和TMPA的被動微波和紅外降水產(chǎn)品進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)IMERG和TMPA降水產(chǎn)品在熱帶海洋地區(qū)的系統(tǒng)偏差與被動微波降水產(chǎn)品有密切的關(guān)系，兩種產(chǎn)品的偏差主要來自被動微波。

盡管Liu[25]在全球尺度下對GPM主要降水產(chǎn)品IMERG與TRMM時代的TMPA進(jìn)行了比較分析，但缺乏與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)的比較分析，GPM降水產(chǎn)品在全球尺度下的評估工作仍需要進(jìn)一步研究。

1．1．2 地區(qū)尺度

評估某地區(qū)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品對產(chǎn)品在該地區(qū)水文應(yīng)用、氣候研究和淡水資源管理等方面有著積極的意義。由于中國受到多種氣候類型的影響，各地區(qū)的降雨量差異較大，同時也存在地形復(fù)雜的地區(qū)以及高海拔的山區(qū)，因此GPM降水產(chǎn)品在中國山區(qū)的精度表現(xiàn)得到了廣泛的研究和關(guān)注。金曉龍等[26]針對衛(wèi)星降水產(chǎn)品在天山山區(qū)適用性具有不確定性的問題，對GPM降水產(chǎn)品在天山山區(qū)適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明IMEGR降水產(chǎn)品比TPMA與CORMP降水產(chǎn)品的精度要高，但在地形復(fù)雜的天山中心區(qū)表現(xiàn)較差，同時發(fā)現(xiàn)低海拔高估降水，在中海拔地區(qū)降水估計(jì)能力較好，高海拔低估降水且表現(xiàn)最差，主要的原因可能是因?yàn)镈PR對高海拔地區(qū)的降雪探測能力較差。相比于天山，青藏高原為更典型也是更為熱門的研究地區(qū)。Ma等[27]評估了IMERG降水產(chǎn)品在青藏高原上的表現(xiàn)，IMERG降水產(chǎn)品表現(xiàn)較好，但存在高海拔地區(qū)命中降水事件偏低的問題。

干旱地區(qū)總降水量相對較少，而中高緯度區(qū)域主要為微量降水和固態(tài)降水。傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品一般存在低雨強(qiáng)高估、對微量降水和固態(tài)降水敏感度不強(qiáng)的問題。GPM搭載的多頻被動微波成像儀(GPM microware imager，GMI)以及DPR專門為微量降水以及固態(tài)降水而設(shè)計(jì)，為干旱和中高緯度地區(qū)的降水高精度估計(jì)帶來了希望。GPM降水產(chǎn)品在中國干旱區(qū)以及中高緯度地區(qū)的表現(xiàn)至關(guān)重要。Tang等[28]對中國大陸的IMERG和TMPA降水產(chǎn)品，基于地面雨量站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了相互的交叉驗(yàn)證，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品在所有的時空尺度下均明顯優(yōu)于3B42 V7，特別是在中高緯度干旱地區(qū)的表現(xiàn)更為突出;IMERG降水產(chǎn)品雖然相對較好地捕捉到降水的日變化情況，但仍有進(jìn)一步提高的空間，特別是在干旱氣候和高緯度地區(qū)。

GPM降水產(chǎn)品在中國地區(qū)各季節(jié)的表現(xiàn)也得到了廣泛的研究。金曉龍等[26]分析發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星降水產(chǎn)品的估測能力隨著季節(jié)變化而變化，在夏秋兩季表現(xiàn)較好，但在春冬兩季表現(xiàn)相對較差。Guo等[29]對中國地區(qū)的校準(zhǔn)與未校準(zhǔn)的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，結(jié)果表明校準(zhǔn)的IMERG降水產(chǎn)品改善明顯，但兩種IMERG降水產(chǎn)品在冬季的表現(xiàn)均相對不佳，并存在對西南地區(qū)微量降水高估的問題。Chen等[30]評估了IMERG降水產(chǎn)品在中國大陸的表現(xiàn)，總體上IMERG降水產(chǎn)品較傳統(tǒng)衛(wèi)星降水產(chǎn)品更優(yōu)，相對來說IMERG降水產(chǎn)品在冬季的表現(xiàn)不夠理想，在新疆和青藏高原地區(qū)并不可靠，大陸北部的大部分地區(qū)在冬季也存在IMERG降水產(chǎn)品不可靠的問題。

GPM降水產(chǎn)品在其他國家或地區(qū)的表現(xiàn)也得到了廣泛的研究和關(guān)注。印度主要受到季風(fēng)季節(jié)氣候的影響，給印度帶來了大量的降雨。Prakash等[31]初步評估了印度受西南季風(fēng)季節(jié)地區(qū)的IMERG降水產(chǎn)品表現(xiàn)，得到了IMERG降水產(chǎn)品在捕捉強(qiáng)降水能力方面較TMPA降水產(chǎn)品有了顯著的提升，但存在印度東北部地區(qū)暴雨發(fā)生頻率被低估的結(jié)果。隨后，Prakash等[32]在初步評估的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對受季風(fēng)季節(jié)影響的印度西南部地區(qū)日尺度下的IMERG和GSMaP降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品更能反映研究區(qū)的季風(fēng)降雨特征，其變化也更符合實(shí)際情況，但I(xiàn)MERG降水產(chǎn)品的均方根比GSMaP降水產(chǎn)品大，特別是在低雨強(qiáng)和西海岸地區(qū);進(jìn)一步采用一種基于熵的方法去評估這幾種降水產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)IMERG和GSMaP降水產(chǎn)品性能有顯著提高，特別是在低雨強(qiáng)下表現(xiàn)突出，同時IMERG降水產(chǎn)品在漏測和誤測降水偏差上相對有所改善。與印度類似，韓國和日本同樣顯著地受到季風(fēng)季節(jié)氣候的影響。Kim等[33]對東亞部分地區(qū)的IMERG和TMPA降水產(chǎn)品以季風(fēng)季節(jié)角度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在季風(fēng)前和季風(fēng)季節(jié)期間，IMERGFinal降水產(chǎn)品比TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品性能有微量的提升，而在降水的空間分布方面，IMERGFinal降水產(chǎn)品比TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品具有更高的精度，這是因?yàn)镚PM降水產(chǎn)品的時空分辨率更加精細(xì)，相對具有一定的優(yōu)勢。

不同的地形具有不同的降雨特征，特別是相比于背風(fēng)坡，迎風(fēng)坡的降雨較為豐富。傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品在復(fù)雜地形區(qū)的精度并不理想，特別是難以準(zhǔn)確地探測到較精確的降雨量。針對GPM降水產(chǎn)品在復(fù)雜地形區(qū)的表現(xiàn)，許多科研人員做了一定的研究。Prakash等[32]分析了受地形影響的印度東北地區(qū)和降水極少的東南半島，得到了所有的衛(wèi)星降水產(chǎn)品均表現(xiàn)不佳的結(jié)果。Kim等[33]對遠(yuǎn)東地區(qū)的IMERG和TMPA降水產(chǎn)品，基于地面雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)對這兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品在不同地形情況下的表現(xiàn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在山區(qū)和海岸地區(qū)，IMERGFinal降水產(chǎn)品均比TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品表現(xiàn)要好，但也存在因地形引起的對流以及反演算法的問題而導(dǎo)致衛(wèi)星降水產(chǎn)品具有不確定性的問題。衛(wèi)星降水產(chǎn)品在地形復(fù)雜多變的安第斯山脈的表現(xiàn)同樣受到了科研人員的廣泛關(guān)注。Manz等[34]在多時空尺度下對安第斯山脈的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估工作，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品在探測能力和定量化降水強(qiáng)度能力上比TMPA降水產(chǎn)品表現(xiàn)更優(yōu)，特別是在安第斯山脈的高海拔地區(qū)，在獨(dú)立的降水探測或雨率方面，IMERG降水產(chǎn)品均能更好地表達(dá)地面降水觀測特征;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)IMERG降水產(chǎn)品在屬于干旱地區(qū)的秘魯海岸沿線在降水探測和雨率估計(jì)方面均沒有改進(jìn)。Sharifi等[35]在不同地形條件下，對伊朗IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行評估，得到了IMERG表現(xiàn)較好，但仍存在輕微低估的結(jié)果。

Gaona等[36]基于被視為降水“真值”的雷達(dá)降雨地圖，對中緯度區(qū)域的荷蘭第一年的 IMERGFinal降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，結(jié)果表明在總體上IMERG-Final降水產(chǎn)品存在輕微低估的問題，但可作為降水?dāng)?shù)據(jù)的一個可靠來源，特別是在地面雨量站點(diǎn)稀疏的地方，同時驗(yàn)證了IMERG降水產(chǎn)品在中緯度地區(qū)的潛力。Asong等[37]針對IMERG降水產(chǎn)品在中高緯度的加拿大地區(qū)的表現(xiàn)進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)IMERG降水產(chǎn)品均能很好地捕捉到大部分區(qū)域的潮濕或干旱的時間長度分布。GPM降水產(chǎn)品在美國地區(qū)的表現(xiàn)也得到了學(xué)者的研究和關(guān)注。Tan等[38]對美國東南部地區(qū)的IMERG-Final降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，結(jié)果表明隨著時間和空間尺度的增大，IMERG和TMPA降水產(chǎn)品均能更好地識別降雨事件的發(fā)生，同時改善了雨強(qiáng)的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，在大部分情況下IMERG降水產(chǎn)品優(yōu)于TMPA降水產(chǎn)品。Tan等[24]進(jìn)一步評估了美國中部大西洋地區(qū)的IMERG降水產(chǎn)品，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品的隨機(jī)誤差較大，存在低雨強(qiáng)高估、高雨強(qiáng)低估的問題。

GPM降水產(chǎn)品在其他典型地區(qū)的表現(xiàn)同樣得到了廣泛的研究和關(guān)注。Siukis等[39]對伊朗西北地區(qū)的呼羅珊拉扎維省的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，得到了IMERG降水產(chǎn)品與地面雨量站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)保持較好的一致性，但仍存在低估了降雨量的結(jié)果。Asong等[37]對加拿大南部陸地不同生態(tài)區(qū)的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品與地面雨量站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)具有類似的日平均降水區(qū)域變化特征，但在太平洋海洋生態(tài)區(qū)，IMERG降水產(chǎn)品存在高估的問題，在科迪勒拉生態(tài)區(qū)的大部分地區(qū)以及只有少量地面站點(diǎn)的草原生態(tài)區(qū)，IMERG降水產(chǎn)品表現(xiàn)依然不夠理想。Sharifi等[40]對奧地利東北部地區(qū)的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了評估，得到了IMERG降水產(chǎn)品在降水頻率上均存在高估的結(jié)果。

綜上所述，在地區(qū)尺度上，IMERG降水產(chǎn)品表現(xiàn)總體上要優(yōu)于其他衛(wèi)星降水產(chǎn)品(TMPA、GSMaP)。在中高緯度地區(qū)，IMERG降水產(chǎn)品相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品有所改進(jìn)，具有一定的應(yīng)用潛力，但仍有待進(jìn)一步的提升和改善。在具有復(fù)雜地形或高海拔的地區(qū)，IMERG降水產(chǎn)品的表現(xiàn)相對來說有一定的提升，但仍表現(xiàn)不佳，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)不可靠的問題。因此針對地形復(fù)雜、高海拔、干旱以及中高緯度地區(qū)降水產(chǎn)品評估工作還需要進(jìn)行更細(xì)致的研究，以分析其誤差的來源及其成因，為傳感器的改進(jìn)和算法反演的進(jìn)一步完善提供可靠的參考信息。與此同時，GPM降水產(chǎn)品還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征，夏秋兩季表現(xiàn)較好，春冬兩季相對較差。值得注意的是，在冬季甚至可能出現(xiàn)降水產(chǎn)品不可靠的問題，推測可能為春冬兩季主要為微量降水和固態(tài)降水，而GPM未能對這兩種降水類型精確探測所導(dǎo)致。

1．1．3 流域尺度

針對典型流域降水產(chǎn)品的評估工作有利于理解該流域的降水時空分布等信息，同時也有助于對自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)，以便在防災(zāi)減災(zāi)中起到重要的作用。同時，流域尺度的衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估工作是進(jìn)行水文模擬的前提步驟之一，國內(nèi)外學(xué)者有針對性地在流域尺度下做了大量的降水產(chǎn)品評估工作。Tang等[41]對中國贛江流域的IMERG降水產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的評估，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品在干旱區(qū)域存在高估的問題，總體上IMERG降水產(chǎn)品基本可取代TMPA降水產(chǎn)品。Wang等[42]評估了中國北江流域的IMERG降水產(chǎn)品(包括IMERG-Final、IMERGLate和IMERG-Early)，分析發(fā)現(xiàn)IMERG-Final降水產(chǎn)品與地面觀測數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性以及相對較低的相對偏差，而IMERG-Late和IMERG-Early降水產(chǎn)品表現(xiàn)相對較差，與地面站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性均較低，IMERG降水產(chǎn)品相對TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品表現(xiàn)出明顯更高的降水命中概率，但同時誤測率也更高。魏志明等[43]對海河流域的 IMERG和TRMM 3B43降水產(chǎn)品進(jìn)行了精度分析，發(fā)現(xiàn)在總體上IMERG降水產(chǎn)品略優(yōu)于TRMM 3B43降水產(chǎn)品，且在高分辨率水文分析方面具有較高的應(yīng)用前景。但兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品均存在輕微的低估問題。

雨季的降水事件較多，特別是存在較多的極端降水事件，容易引發(fā)洪水等自然災(zāi)害。傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品一般存在高雨強(qiáng)低估的問題。GPM降水產(chǎn)品在雨季的表現(xiàn)對自然災(zāi)害預(yù)報(bào)等具有重要的作用，一系列的評估工作已經(jīng)展開。Sahlu等[44]選取了尼羅河流域上游雨季時間段校準(zhǔn)與未校準(zhǔn)的IMERG降水產(chǎn)品與對應(yīng)的CMORPH降水產(chǎn)品進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)所有的IMERG降水產(chǎn)品在每小時或日尺度下的相關(guān)系數(shù)和偏差率均比CMORPH降水產(chǎn)品表現(xiàn)要好，而在探測降水能力方面，IMERG降水產(chǎn)品比CMORPH降水產(chǎn)品僅有輕微的提高，但存在衛(wèi)星降水產(chǎn)品在該地區(qū)對大雨的探測能力較差的問題。He等[45]選取中國西南部湄公河流域上游的兩種雨季衛(wèi)星降水產(chǎn)品(IMERG-Final、TRMM 3B42 V7)與地面雨量站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，評估了日尺度下的衛(wèi)星降水產(chǎn)品在該地區(qū)的精度，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品改善了中強(qiáng)度降水事件的捕捉能力以及對極端降水具有的高敏感性，相比3B42降水產(chǎn)品更能捕捉到降雨的變化，但高估了極端降水事件的數(shù)量。

相比TRMM時代的降水產(chǎn)品，IMERG降水產(chǎn)品表現(xiàn)較好，特別是在中強(qiáng)度降水事件和極端降水的探測和降雨估計(jì)上有了一定的提高，但仍存在高估極端降水、探測能力不足的問題，這會對后續(xù)洪水的預(yù)報(bào)以及防災(zāi)減災(zāi)工作帶來潛在的危害。

1.2 DPR降水產(chǎn)品評估

改善微量降水和固態(tài)降水的觀測是DPR的任務(wù)之一，相關(guān)研究對DPR的表現(xiàn)進(jìn)行了評估。考慮到地形和氣候?qū)PR降水可靠性有著重要的影響，Speirs等[46]選取了阿爾卑斯山脈與高原地區(qū)的DPR降水產(chǎn)品了進(jìn)行評估，結(jié)果表明在探測和降水估計(jì)方面存在比較突出的特征：夏季明顯的好于冬季，液態(tài)降水好于固態(tài)降水，平原地區(qū)好于復(fù)雜地形區(qū)域，但存在一致低估的問題。Casella等[47]以CloudSat-CPR產(chǎn)品為參考數(shù)據(jù)，對DPR的降雪探測能力進(jìn)行了評估，分析發(fā)現(xiàn)DPR探測到降雪發(fā)生事件與CPR相比僅有微小的偏差，但該部分偏差的降雪量并不可忽略，同時指出DPR的漏測主要由DPR降噪算法部分引起，并提出了一個簡單的算法使得DPR探測到的降雪量增加高達(dá)59%。吳瓊等[48]利用4次降雪實(shí)例分析比較了DPR的3種掃描模式(KaMS、KaHS和Ku)對降雪探測能力的差異，結(jié)果表明DPR降水產(chǎn)品與地面雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果較為一致，具備對雨雪進(jìn)行區(qū)分的能力，而Ku模式能夠識別出最多的降雪事件，對降雪的綜合探測能力較強(qiáng)。

DPR是GPM時代的主要優(yōu)勢之一，與IMERG降水產(chǎn)品類似，DPR降水產(chǎn)品同樣存在季節(jié)性特征，即夏季的表現(xiàn)明顯優(yōu)于冬季，同時表現(xiàn)出液態(tài)降水優(yōu)于固態(tài)降水、平原地區(qū)優(yōu)于復(fù)雜地形地區(qū)的特點(diǎn)。DPR的3種掃描模式相對來說Ku模式的綜合表現(xiàn)最優(yōu)。值得注意的是，雖然DPR能夠精確探測到大部分降雪事件，但漏測的降雪量卻不可忽略，這可能是因?yàn)镈PR對大雪事件不敏感或是對降雪量存在嚴(yán)重低估，還需要對傳感器和算法反演作進(jìn)一步的調(diào)整和改進(jìn)。

2 水文模擬評估

降水是水文模型最為重要的輸入?yún)?shù)之一。最大可能地發(fā)揮水文模型對洪水、泥石流等災(zāi)害的預(yù)測和評估能力，衛(wèi)星降水產(chǎn)品的精度是保證。相比于TRMM等以往的衛(wèi)星降水產(chǎn)品，GPM降水產(chǎn)品精度更高，能滿足水文模型對降水產(chǎn)品精度的高要求，理論上GPM降水產(chǎn)品相對傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品在水文模型應(yīng)用上具有更廣闊的前景。隨著GPM降水衛(wèi)星產(chǎn)品的發(fā)布，國內(nèi)外學(xué)者對GPM降水產(chǎn)品在水文模擬上的表現(xiàn)展開了一系列的研究。

Tang等[41]利用CREST水文模型預(yù)測徑流，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品與地面站點(diǎn)降水參考數(shù)據(jù)相當(dāng)，在大部分情況下，IMERG降水產(chǎn)品的表現(xiàn)優(yōu)于TMPA降水產(chǎn)品，認(rèn)為該產(chǎn)品在水文應(yīng)用方面具有較為廣闊的前景。He等[45]將IMERG-Final降水產(chǎn)品和TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品應(yīng)用到中國西南部湄公河流域上游中，分析發(fā)現(xiàn)兩種衛(wèi)星產(chǎn)品的日徑流模擬相當(dāng)，但在驅(qū)動水文模擬方面，以IMERG降水產(chǎn)品率定的結(jié)果優(yōu)于TRMM 3B42降水產(chǎn)品。Sharif等[49]利用IMERG降水產(chǎn)品，以GSSHA水文模型模擬了哈費(fèi)爾巴廷市近期發(fā)生的一個洪水事件，徑流模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)該次洪水事件中城市化部分的子流域(約占流域面積的6．8%)產(chǎn)生的洪水約占此次總洪水量的85%;上游子流域部分(約占流域面積的68%)產(chǎn)生的洪水量可忽略不計(jì);而中間子流域產(chǎn)生的洪水約占總洪水量的13%。TANG等[50]將 IMERG-Late、PERSIANN、GSMaP NRT 和3B42RT 4種降水產(chǎn)品應(yīng)用于中國南方2016年6月的洪水預(yù)警，結(jié)果表明IMERG-Late降水產(chǎn)品為最適合的產(chǎn)品。Wang等[42]以北江流域作為研究區(qū)域，以VIC水文模型分別采用兩種率定形式驗(yàn)證IMERG-Early、IMERG-Late 和 IMERG-Final降水產(chǎn)品在水文應(yīng)用方面的性能，在兩種率定形式下，IMERG-Final水文模擬效果均最好，值得注意的是，在汛期時IMERG-Early和IMERG-Late水文模擬效果更好，綜合各衛(wèi)星降水產(chǎn)品的表現(xiàn)，實(shí)時性較高的IMERG-Early降水產(chǎn)品在洪水預(yù)測方面具有較高的應(yīng)用前景。Zubieta等[51]在秘魯-厄瓜多爾亞馬孫河流域地區(qū)進(jìn)行了水文模擬實(shí)驗(yàn)，以IMERG降水產(chǎn)品和TMPA(V7和RT)降水產(chǎn)品分別作為分布式水文模型的降水輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明IMERG降水產(chǎn)品在南部地區(qū)(烏卡亞利河流域)較為實(shí)用，但在缺乏充足降雨資料的北部地區(qū)(馬拉尼翁河和納波流域)，3種衛(wèi)星降水產(chǎn)品均不能給出實(shí)際徑流情況。Yuan等[52]利用IMERG和TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品在緬甸數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏的山區(qū)進(jìn)行了水文模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品均存在高估的問題，同時驗(yàn)證了兩種衛(wèi)星降水產(chǎn)品均適用于研究區(qū)的徑流模擬，值得注意的是，TRMM 3B42 V7降水產(chǎn)品比IMERG降水產(chǎn)品更適用于該地區(qū)的徑流模擬。

衛(wèi)星降水產(chǎn)品精度的進(jìn)一步提高，使得其在水文等應(yīng)用領(lǐng)域上較以往的衛(wèi)星降水產(chǎn)品有更大的優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品，GPM降水產(chǎn)品在水文模擬評估中的表現(xiàn)相對較好。在所有的IMERG降水產(chǎn)品中，總體上IMERG-Final降水產(chǎn)品在水文模擬中的表現(xiàn)相對更優(yōu)，但在洪水預(yù)報(bào)以及考慮實(shí)時性等方面，IMERG-Late和IMERG-Early有一定的優(yōu)勢。不可忽略的是，在局部地區(qū)存在TRMM降水產(chǎn)品比GPM降水產(chǎn)品效果更好的情況(如Yuan等[52]的研究成果)，這還需要進(jìn)一步研究。

3 研究展望

GPM是建立在TRMM成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，解決了TRMM的關(guān)鍵局限性問題，同時統(tǒng)一了GPM衛(wèi)星群的觀測成果，為衛(wèi)星降水產(chǎn)品設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高了各類傳感器的性能，尤其是對中高緯度地區(qū)微量降水和固態(tài)降水的估計(jì)能力，并帶來了更高的精度和時空分辨率。大量的評估工作結(jié)果表明，GPM降水產(chǎn)品較以往的衛(wèi)星降水產(chǎn)品精度更高，適用性更強(qiáng)，更能反映降水的時空特征。GPM雖然帶來了新一代的降水產(chǎn)品，特別是在著重解決中高緯度的微量降水和固態(tài)降水觀測的問題方面，相比以往的衛(wèi)星降水產(chǎn)品有一定的改進(jìn)，但在以下方面仍有待進(jìn)一步的提升和改善：

a.在復(fù)雜地形和高海拔的地區(qū)，GPM降水產(chǎn)品表現(xiàn)還不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)不可靠的情況，特別是在天山和青藏高原地區(qū)。針對復(fù)雜地形和高海拔地區(qū)的衛(wèi)星降水評估仍需進(jìn)一步做更細(xì)致化的研究，以分析其誤差的來源及其成因，為傳感器的改進(jìn)和算法反演的進(jìn)一步完善提供可靠的參考信息。

b.衛(wèi)星降水產(chǎn)品具有季節(jié)性的特征，夏秋兩季的表現(xiàn)較好而春冬兩季的表現(xiàn)相對較差，在冬季甚至可能出現(xiàn)不可靠的情況，可能因?yàn)镚PM對微量降水和固態(tài)降水的觀測仍然不足，對微量降水和固態(tài)降水的探測仍需進(jìn)一步提高。另一方面，雖然GPM在存在較多極端降水事件的夏季中表現(xiàn)相對較好，但GPM對極端降水的探測仍有待提高。

c.在水文模擬評估中，存在局部TRMM降水產(chǎn)品比GPM降水產(chǎn)品效果更好的問題，具體的情況仍需進(jìn)一步的研究。

d.目前的衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估工作主要基于衛(wèi)星降水產(chǎn)品與地面參考資料的直接比較，不能從本質(zhì)上反映誤差的來源，未來的衛(wèi)星降水產(chǎn)品評估工作應(yīng)從傳感器層面上展開。