GPM降水產品在中國大陸地區(qū)傳感器誤差分析

梁娟

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

【關鍵詞】 GPM;誤差特征;衛(wèi)星降水產品;小時降水

中圖分類號：TP212.1 ? ? ? ? 文獻識別碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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 ?國內外研究現(xiàn)狀

日前，獲取高精度的降水產品是衛(wèi)星降水領域研究的前沿和熱點問題。雖然前人在衛(wèi)星降水產品評估，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題亟待完善。下面將從衛(wèi)星降水評估，誤差溯源等角度詳細闡述相關的研究進展，存在的問題以及需要解決的潛在問題。衛(wèi)星降水的傳感器誤差溯源

由于傳統(tǒng)衛(wèi)星降水在產品層面的評估研究大大限制了誤差訂正的有效性，國內外研究學者開始把目光聚焦在從傳感器層面上評估分析衛(wèi)星降水反演的誤差特性。Tan et al （2016） ?提出了一種識別IMERG降水產品在傳感器層面上的誤差構成方法。該方法根據反演系統(tǒng)中的衛(wèi)星標識符信息，以格網為單位按系統(tǒng)在不同時間使用不同的傳感器進行IMERG數(shù)據的劃分。然后利用地面站點觀測資料對來源不同傳感器的數(shù)據進行評估研究，分離出不同傳感器的誤差。研究肯定了被動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IR數(shù)據的誤差較大，相關的研究表明，通過對衛(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的一手資料（Chen et al.， 2019） 。

2 ?論文的主要研究內容

2.1 ?中國大陸氣候區(qū)的劃分

根據中國大陸1961-2010年的降水數(shù)據，按年平均降水將中國大陸劃分為四個氣候區(qū)，即濕潤區(qū)，半濕潤區(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種指標評價11種傳感器的誤差，分析傳感器誤差特征。

3 ?數(shù)據與方法

3.1 ?數(shù)據

3.1.1 地面參考降水數(shù)據 ?本論文選擇中國氣象局研發(fā)的中國地面與CMORPH融合逐小時降水產品（1.0版）作為地面參考數(shù)據（時間跨度為：2016.3-2019.3），數(shù)據覆蓋中國大陸地區(qū)，分辨率達到逐小時0.1°×0.1°，數(shù)據誤差低，是國內乃至國際上最好的高分辨率降水觀測資料。

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

GPM-GSMap的微波數(shù)據來源于GPM星座中11顆衛(wèi)星上搭載的被動微波傳感器，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)據源識別方法

本文借鑒Tan等（2016）針對IMERG提出的衛(wèi)星降水誤差源識別方法，在此基礎上，將同種微波傳感器的誤差進一步按其來源的衛(wèi)星不同進行分類，實現(xiàn)所有單個傳感器的誤差溯源[1]。

具體方法如下，GPM星座群所有衛(wèi)星的掃描信息被存儲在“衛(wèi)星掃描信息標識符”文件中，與其降水數(shù)據一樣，可從其網站上下載獲取。在標識符文件中，利用變量標識了GPM-GSMap小時尺度網格降水數(shù)據值的衛(wèi)星和傳感器來源，據此可以實現(xiàn)傳感器誤差源識別的目的。

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降雨強度作為劃分降雨和非降雨時間的閾值，將降雨事件劃分為以下4種：命中（Hit）事件表示衛(wèi)星和地面都觀測到了降雨;漏報（Miss）事件表示地面觀測到了降雨而衛(wèi)星沒有;誤報（False）事件表示衛(wèi)星觀測到了降雨而地面沒有觀測到;零（Nonevent）事件表示地面和衛(wèi)星都沒有檢測到降雨。

利用命中率（HR）、誤報率（FR）、漏報率（MR）、零事件率（NR）等4項指標評價傳感器對降雨事件的探測能力，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)

中國大陸地區(qū)幅員遼闊，地形復雜，氣候類型多樣。本文根據中國大陸的1961-2010年的年平均降水計算，通過年平均降水量將中國大陸劃分為四個氣候區(qū)，分別是濕潤區(qū)（年平均降水量大于800mm/yr），半濕潤區(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 ?結果分析

圖所示為11種傳感器在中國大陸4個氣候區(qū)（濕潤區(qū)Humid、半濕潤區(qū)Semi-humid、半干旱區(qū)Semi-arid、干旱區(qū)Arid）對四種事件（命中、漏報、誤報、零事件）的探測能力。顯然，各種傳感器在濕潤區(qū)的命中率比其它三個氣候區(qū)高得多，與此同時，誤報率和漏報率也非常高。所有傳感器在濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)的誤報率相近，但命中率和漏報率卻相差很大。從濕潤區(qū)、半濕潤區(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傳感器在除濕潤區(qū)之外的其它三個氣候區(qū)則幾乎沒有命中率。在半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)中，其它10種傳感器的漏報率在兩個氣候區(qū)表現(xiàn)一致，除DMSP-F19攜帶的SSMIS傳感器外（0.3%、0.4%），在兩個氣候區(qū)均維持在2.2±0.2%范圍內。

在濕潤區(qū)，NOAA-18攜帶的AMSU-/MHS命中率達到最高（5.9%），DMSP-F19搭載的SSMIS傳感器則達到最低（3%），而與其搭載同種傳感器的DMSP-F16、DMSP-F18卻達到了5.2%、5.3%的較高命中率，不過誤報率高于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，在誤報事件上表現(xiàn)更好。在漏報事件中，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%。

在半濕潤區(qū)，各種傳感器的命中率都在2.5±0.2%范圍內，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率，均在2.2±0.2%范圍內，其中DMSP-F17攜帶的SSMIS為 最低命中率（2.3%）和誤報率（2.7%），總體上，DMSP-F18攜帶的SSMIS傳感器、GPM的主觀測衛(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，保持較低的誤報率。

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（在濕潤區(qū)和半濕潤區(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，但其誤報率也最高（2.9%），而NOAA-19攜帶的AMSU-/MHS及GPM主觀測衛(wèi)星上的GMI則能在保持相對較高命中率（0.5%）的同時保持較低的誤報率（2.2%左右）。

5 ?總結

在濕潤區(qū)中，4個不同衛(wèi)星上的AMSU-/MHS傳感器均擁有較高的命中能力，但在誤報事件中同樣都擁有很高的占比，漏報率整體偏低，且隨命中率降低而降低，綜合來看，傳感器AMSU-/MHS性能較穩(wěn)定;從濕潤區(qū)到半濕潤區(qū)，隨著降雨量的減少，SSMIS傳感器對降水的命中率發(fā)生不同程度的降低，且4個不同衛(wèi)星上的SSMIS傳感器命中率差異較大，但其在誤報事件中表現(xiàn)普遍較好;GPM主觀測衛(wèi)星上的GMI在干旱區(qū)誤報率低，但命中率有待進一步提高;IR在四個氣候區(qū)都表現(xiàn)出較好的探測能力，但其受誤報和漏報影響，導致整體優(yōu)勢不明顯。

參考文獻：

[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 ? ? ? 及其對環(huán)境的影響[J].中國環(huán)境管理干部學院學報 2019，29 ? ? ? ? （06），73-77.

（編輯：赫亮）