GPM和TRMM衛(wèi)星與海洋定點(diǎn)浮標(biāo)觀(guān)測(cè)降水日變化的比較

汪亦蕾

(自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

降水是全球水循環(huán)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[1]，可以通過(guò)潛熱交換影響云層、水汽及大氣，通過(guò)稀釋海水鹽度影響大洋環(huán)流，可以調(diào)節(jié)積雪覆蓋影響地面反射率[2]，在全球能量平衡中扮演著重要的角色。準(zhǔn)確的降水觀(guān)測(cè)是更好地了解地球水圈及能量平衡系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是提高天氣、氣候及災(zāi)情監(jiān)控預(yù)報(bào)的前提。

傳統(tǒng)的地面直接觀(guān)測(cè)降水方式之一是雨量器觀(guān)測(cè)，雨量器能夠提供高精度的地面定點(diǎn)觀(guān)測(cè)降水，但是在世界上許多地方包括海洋、山地和一些人口稀少的地區(qū)，地面的降水觀(guān)測(cè)資料并不完整[3]。尤其對(duì)于海洋而言，雨量器依托浮標(biāo)布設(shè)在海上，而浮標(biāo)布設(shè)密度小、分布不均勻，只依靠浮標(biāo)雨量器觀(guān)測(cè)難以捕捉到全球海洋降水的時(shí)空分布特征。因此，利用衛(wèi)星觀(guān)測(cè)降水成為目前系統(tǒng)了解全球降水情況及其變化的最重要的手段[4]。

在過(guò)去20 a里，TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星數(shù)據(jù)被認(rèn)為是相對(duì)準(zhǔn)確的一套衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，在各種研究中被廣泛使用。隨著TRMM衛(wèi)星計(jì)劃的終結(jié)，GPM(Global Precipitation Measurement)接替了TRMM的觀(guān)測(cè)，GPM不僅是作為T(mén)RMM數(shù)據(jù)的延續(xù)，更是在TRMM的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)降水觀(guān)測(cè)的時(shí)間和空間分辨率都有了提高[5-6]。作為新一代的衛(wèi)星降水觀(guān)測(cè)手段，GPM是否能比TRMM有更好的表現(xiàn)需要驗(yàn)證比較來(lái)得出結(jié)論。LIU[7]基于浮標(biāo)定點(diǎn)觀(guān)測(cè)比較了黑潮延伸體區(qū)域TRMM和GPM衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)降水的觀(guān)測(cè)能力，發(fā)現(xiàn)GPM衛(wèi)星觀(guān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更為接近；PRAKASH et al[8]則在北印度洋區(qū)域做了類(lèi)似的研究，發(fā)現(xiàn)GPM衛(wèi)星對(duì)日降水的觀(guān)測(cè)能力比TRMM衛(wèi)星更強(qiáng)；WU et al[9]針對(duì)氣候態(tài)降水在熱帶海洋做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)GPM和TRMM衛(wèi)星對(duì)平均降水觀(guān)測(cè)能力在不同區(qū)域有不同的表現(xiàn)。

日變化是地球天氣和氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)是否能夠很好地捕捉降水的日變化信息也是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一個(gè)非常重要的方面。在陸地上，白天太陽(yáng)輻射對(duì)地表和行星邊界層的加熱作用會(huì)使對(duì)流性降水極大值出現(xiàn)在午后到傍晚時(shí)分[9]。在大部分海洋上，對(duì)流以及降水極大值出現(xiàn)在早晨，極小值出現(xiàn)在下午到傍晚，降水的日變化大小比陸地小[10]。 海洋上的降水極大值出現(xiàn)在早上的原因有幾種解釋?zhuān)篏RAY et al[11]認(rèn)為這種日變化特征是對(duì)流區(qū)域和周?chē)鸁o(wú)云區(qū)域輻射加熱差異引起了水平輻散場(chǎng)日變化并調(diào)節(jié)了對(duì)流的動(dòng)力學(xué)結(jié)果；COX et al[12]和WEBSTER et al[13]將海洋午后出現(xiàn)的降水極小值解釋為對(duì)流云上部吸收短波輻射的結(jié)果，認(rèn)為這增強(qiáng)了多云區(qū)域的靜力穩(wěn)定性、減弱了垂直運(yùn)動(dòng)；DUDHIA[14]和TAO et al[15]則認(rèn)為夜間長(zhǎng)波冷卻可以增加海洋上空的相對(duì)濕度，減少夾卷的效果，有利于云在夜間的發(fā)展；也有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象更復(fù)雜的形成機(jī)制可能和海洋表層的日變化有關(guān)，如SUI et al[16]和CHEN et al[17]的研究結(jié)果顯示，在太平洋暖池區(qū)，下午海洋表層溫度極大值往往與新的對(duì)流相繼出現(xiàn)，而極小值則與第2天由于局地濕靜能耗散和短波通量遮蔽海洋造成的對(duì)流尾流相繼出現(xiàn)。

現(xiàn)有的研究工作集中于比較GPM衛(wèi)星和TRMM衛(wèi)星在氣候態(tài)降水方面的差異，但是在日變化尺度，這2種衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)還存在哪些差異，有待進(jìn)一步研究。本研究利用太平洋、大西洋及印度洋三大洋熱帶區(qū)域每小時(shí)的海洋定點(diǎn)浮標(biāo)降水?dāng)?shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估GPM衛(wèi)星和TRMM衛(wèi)星對(duì)熱帶降水日變化的觀(guān)測(cè)能力。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)

1.1.1 TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)

TRMM衛(wèi)星由NASA和JAXA合作開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，主要用于監(jiān)測(cè)和研究熱帶地區(qū)降水。衛(wèi)星于1997年11月28日在日本發(fā)射，2015年6月15日終結(jié)任務(wù)。TRMM衛(wèi)星屬于近地軌道衛(wèi)星，傾角約為35°，覆蓋范圍為35°N—35°S。它是第1顆專(zhuān)門(mén)用于觀(guān)測(cè)熱帶、亞熱帶降水的氣象衛(wèi)星，搭載了微波成像儀TMI、降雨雷達(dá)PR、可見(jiàn)/紅外輻射儀VIRS、雷電探測(cè)器LIS、地球輻射能量探測(cè)器CERES等傳感器[17-18]?；赥RMM衛(wèi)星的TMPA(TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis)產(chǎn)品以多個(gè)現(xiàn)代衛(wèi)星降水傳感器以及地面雨量器網(wǎng)絡(luò)的觀(guān)測(cè)為基礎(chǔ)，計(jì)劃產(chǎn)生自TRMM以來(lái)“最好”的降水產(chǎn)品。本研究中使用的是TMPA 3B42數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h。選取時(shí)間為2014年4月1日—2018年4月30日。

1.1.2 GPM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)

GPM衛(wèi)星于2014年2月發(fā)射，TRMM衛(wèi)星的成功及其對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品獨(dú)特的組合成為了這個(gè)計(jì)劃得以延伸的主要原因。GPM擴(kuò)展了TRMM傳感載荷，提升了降水觀(guān)測(cè)能力，觀(guān)測(cè)范圍也延伸至南北極圈。GPM核心觀(guān)測(cè)臺(tái)(GPMCO)搭載的雙頻雷達(dá)可探最小回波強(qiáng)度較低，并且可以采用高敏感度模式交錯(cuò)采樣；同時(shí)GPMCO的微波輻射計(jì)與TRMM衛(wèi)星相比多出4個(gè)高頻段，增強(qiáng)了對(duì)微量降水及固態(tài)降水的觀(guān)測(cè)能力[19]。

GPM能夠統(tǒng)一其衛(wèi)星群框架內(nèi)各衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)成果，提升微波降水觀(guān)測(cè)能力，其觀(guān)測(cè)方法及降水反演也為太空衛(wèi)星降水觀(guān)測(cè)設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。GPM降水產(chǎn)品主要具有以下3方面特征：(1)對(duì)瞬時(shí)降水估計(jì)更加準(zhǔn)確，尤其是微量降水及冷季固態(tài)降水；(2)在統(tǒng)一框架內(nèi)對(duì)衛(wèi)星輻射計(jì)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行交互校準(zhǔn)；(3)使用GPM核心傳感器觀(guān)測(cè)得到全球水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，取代以往依靠模型產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)一各類(lèi)微波探測(cè)儀的降水反演算法[20]。GPM衛(wèi)星以多種方式改進(jìn)了TRMM的功能，其搭載的用于降水觀(guān)測(cè)的主要傳感器為雙頻降水雷達(dá)(DPR)以及GPM微波成像儀(GMI)。DPR是太空中唯一的雙頻雷達(dá)，它能夠提供從液態(tài)到固態(tài)降水的三維剖面和強(qiáng)度估計(jì)[21]。而GMI傳感器的頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TRMM上的傳感器頻率[22]，這使得GPM能夠使用更寬的數(shù)據(jù)帶來(lái)測(cè)量所有云層的降水強(qiáng)度和類(lèi)型。

本研究中使用的是IMERG(Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，版本為05B，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為0.5 h。選取時(shí)間為2014年4月1日—2018年4月30日。

1.2 海洋浮標(biāo)降水?dāng)?shù)據(jù)

熱帶是構(gòu)成地球氣候系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，要研究熱帶海洋海-氣相互作用的過(guò)程就需要對(duì)其進(jìn)行持續(xù)、系統(tǒng)和全面的觀(guān)測(cè)。為了滿(mǎn)足這些觀(guān)測(cè)需要，NOAA在3個(gè)熱帶大洋上開(kāi)發(fā)了系泊浮標(biāo)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)：位于太平洋的TAO/TRITION、位于大西洋的PIRATA和位于印度洋的RAMA。這些陣列共同組成了全球熱帶系泊浮標(biāo)陣列GTMBA[23]。

圖1 太平洋(a)，大西洋(b)和印度洋(c)降水浮標(biāo)的位置分布Fig.1 Locations of the rain gauge buoys in the Pacific Ocean(a), the Atlantic Ocean(b) and the Indian Ocean(c)

GTMBA有以下特點(diǎn)：(1)可以用來(lái)測(cè)量海-氣相互作用所涉及的上層海洋和海表面氣象變量；(2)可以提供時(shí)間分辨率較高的(分至小時(shí))時(shí)間序列測(cè)量結(jié)果，以避免高頻海洋大氣波動(dòng)被化作低頻氣候信號(hào)；(3)可以被放置和維持在固定的臺(tái)站網(wǎng)格上，這樣測(cè)量時(shí)就不需要考慮時(shí)空變化[23]。

本研究選取了3個(gè)浮標(biāo)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)在2014年4月1日—2018年4月30日期間可獲得的共23個(gè)(TAO、PIRATA和RAMA分別為9個(gè)、6個(gè)和8個(gè))浮標(biāo)小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)。3個(gè)大洋上的浮標(biāo)分布情況如圖1所示，圖2給出了3個(gè)大洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)的有效時(shí)間(已剔除浮標(biāo)陣列中有效測(cè)量時(shí)間少于半年的點(diǎn))。

1.3 研究方法

由于TMPA衛(wèi)星數(shù)據(jù)集得到的是3 h降水?dāng)?shù)據(jù)，故將浮標(biāo)降水?dāng)?shù)據(jù)(1 h)以及IMERG衛(wèi)星數(shù)據(jù)集降水?dāng)?shù)據(jù)(0.5 h)平均到3 h，并將TMPA和IMERG衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)作5°×5°的平均得到對(duì)應(yīng)浮標(biāo)位置的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，從而使三者可以進(jìn)行比較。

日變化模型的一個(gè)合理出發(fā)點(diǎn)是，假定日變化由兩部分組成：太陽(yáng)輻射日周期強(qiáng)迫的規(guī)則(確定性)分量和由內(nèi)部非線(xiàn)性引起的不規(guī)則(隨機(jī))分量。忽略降水的半日變化，只關(guān)注降水的日變化比較，所以，有以下日變化諧波公式[24]：

(1)

圖2 TAO(a)， PIRATA(b)和RAMA(c)浮標(biāo)的有效時(shí)間Fig.2 TAO(a), PIRATA(b) and RAMA(c) buoys’ data availability for each location

由于浮標(biāo)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)是站點(diǎn)數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)是格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且存在抽樣的局限性，所以需要將衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用空間平均的方法來(lái)得到對(duì)應(yīng)浮標(biāo)位置的降水?dāng)?shù)據(jù)，從而使兩者更好地進(jìn)行比較。BOWMAN et al[24]在研究TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)太平洋熱帶降水日變化的過(guò)程中，分別將衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行1°×1°、2°×2°、5°×5°以及10°×5°的平均，發(fā)現(xiàn)隨著空間取樣面積變大，得到的降水日變化曲線(xiàn)越趨平滑。所以為了得到更有效的降水日變化結(jié)果，本研究對(duì)衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)采用了5°×5°的空間平均。同時(shí)，浮標(biāo)觀(guān)測(cè)、IMERG和TMPA數(shù)據(jù)分別使用1 h、0.5 h和3 h的時(shí)間分辨率進(jìn)行日變化分析，其中，IMERG數(shù)據(jù)時(shí)間精度最大。

2 結(jié)果

利用衛(wèi)星和海洋浮標(biāo)降水?dāng)?shù)據(jù)和諧波公式，得到了3個(gè)大洋上共23個(gè)浮標(biāo)位置的降水日變化曲線(xiàn)(圖3～圖5，圖中時(shí)間皆表示當(dāng)?shù)貢r(shí)間)，圖中實(shí)線(xiàn)表示不同數(shù)據(jù)的降水日變化，虛線(xiàn)是通過(guò)公式(1)得出的擬合結(jié)果，黑色、紅色和藍(lán)色分別代表海洋浮標(biāo)、IMERG和TMPA數(shù)據(jù)。表1～表3則定量給出了在這些浮標(biāo)位置由3種不同數(shù)據(jù)得出的平均降水量、降水量日變化大小以及降水量極大/極小值出現(xiàn)時(shí)間，其中日變化大小定義為平均日降水量極大值和極小值之差，相對(duì)日變化大小定義為日變化大小除以平均降水量。

圖3 太平洋上所選浮標(biāo)位置3種資料的降水日變化及擬合情況Fig.3 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Pacific Ocean (實(shí)線(xiàn)表示觀(guān)測(cè)的降水量大小，虛線(xiàn)表示擬合的降水量大小，后圖同。) (Observed rainfalls are represented in solid lines, and the fitting results are represented in dashed lines. The following figures are the same.)

表1 太平洋所選浮標(biāo)位置3種資料得到的平均降水、日變化大小以及降水量極大/極小值出現(xiàn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間Tab.1 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Pacific Ocean

2.1 太平洋降水日變化

結(jié)合圖3和表1可以發(fā)現(xiàn)，在太平洋所選取的9個(gè)浮標(biāo)位置，除了靠近島嶼的浮標(biāo)9之外，其余位置3種數(shù)據(jù)得到的日變化大小都較小，絕對(duì)日變化不超過(guò)2.5 mm/d，相對(duì)日變化不超過(guò)35%。其中海洋浮標(biāo)降水顯示的日變化大小變化范圍要大于2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由圖3也可以看出衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的降水日變化曲線(xiàn)相對(duì)比較平滑，可能原因是對(duì)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)采用了5°×5°的區(qū)域平均來(lái)代替某一點(diǎn)的降水。浮標(biāo)觀(guān)測(cè)降水日變化大小在一些位置與衛(wèi)星觀(guān)測(cè)結(jié)果差異較大，尤其是在浮標(biāo)5位置，與IMERG和TMPA測(cè)得的相對(duì)降水日變化相差分別達(dá)到18%和21%。2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間降水日變化大小數(shù)值比較接近，只在個(gè)別點(diǎn)有較明顯差異，如浮標(biāo)2位置，TMPA日變化大小比IMERG高出約0.5 mm/d，相對(duì)日變化大小則高出大約4%，在這一位置上IMERG對(duì)降水日變化大小的捕捉更接近浮標(biāo)觀(guān)測(cè)值。

對(duì)于IMERG和TMPA來(lái)說(shuō)，不僅得到的降水日變化大小接近，其降水極大、極小值出現(xiàn)的時(shí)間也基本一致，出現(xiàn)時(shí)間差不超過(guò)1.5 h。2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)得的日降水極大值出現(xiàn)的時(shí)間大都在早上4時(shí)—9時(shí)、極小值出現(xiàn)在下午16時(shí)—21時(shí)，這與此前的研究結(jié)果[9]吻合。而浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果與衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果則有較大差距，只有浮標(biāo)5和浮標(biāo)9位置測(cè)得日降水極大值出現(xiàn)在早上8時(shí)、極小值出現(xiàn)在晚上20時(shí)，其余位置都與衛(wèi)星測(cè)得結(jié)果相差較大，其中有4個(gè)點(diǎn)測(cè)得降水極大值出現(xiàn)在凌晨左右。

2.2 大西洋降水日變化

圖4和表2給出了大西洋上浮標(biāo)和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的降水日變化特征，可以發(fā)現(xiàn)3種數(shù)據(jù)得到的降水日變化大小都較小，但日變化的相對(duì)大小較太平洋而言偏大。由于大西洋所選浮標(biāo)位置降水量普遍偏小(圖1b)，因此在大西洋區(qū)域關(guān)注降水日變化的相對(duì)大小更有意義。與太平洋情況相似的是，大西洋上大部分浮標(biāo)位置IMERG和TMPA得到的降水日變化相對(duì)大小比較接近，但它們和浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果出入較大，差別可以達(dá)到5%～28%。其中浮標(biāo)2和浮標(biāo)6與其他浮標(biāo)位置情況不同，TMPA對(duì)這2個(gè)點(diǎn)降水日變化相對(duì)大小的捕捉與浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果十分相似，而IMERG的結(jié)果則與其相差較大。

就日變化曲線(xiàn)形狀來(lái)看，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到的降水極大/極小值時(shí)間仍比較接近，降水極大值依舊主要出現(xiàn)在早晨、極小值出現(xiàn)在下午到傍晚。而與太平洋情況不同的是，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到的大西洋降水日變化極大值出現(xiàn)時(shí)間的變化范圍更大，出現(xiàn)在早上4時(shí)—10時(shí)。大西洋上浮標(biāo)觀(guān)測(cè)到的降水極大值大多出現(xiàn)在下午，只有浮標(biāo)4測(cè)得的降水極大值出現(xiàn)在早上6時(shí)左右，這與衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的結(jié)果以及前人的經(jīng)驗(yàn)完全相反。觀(guān)察表2可以發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)4相對(duì)來(lái)說(shuō)平均降水量較大，所以初步推測(cè)在海洋小降水區(qū)域降水日變化并不具備普遍的海洋降水日變化特征。

圖4 大西洋上所選浮標(biāo)位置3種資料的降水日變化及擬合情況Fig.4 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Atlantic Ocean

表2 大西洋所選浮標(biāo)位置3種資料得到的平均降水、日變化大小以及降水量極大/極小值出現(xiàn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間Tab.2 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Atlantic Ocean

2.3 印度洋降水日變化

印度洋浮標(biāo)和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)降水的日變化如圖5和表3所示，印度洋和太平洋所選浮標(biāo)位置平均降水大小比較相近，而不同方法觀(guān)測(cè)到的兩個(gè)大洋降水日變化大小也比較相近，除浮標(biāo)1、浮標(biāo)5和浮標(biāo)6之外，其余位置3種數(shù)據(jù)得到的降水日變化大小之差都不超過(guò)20%。衛(wèi)星數(shù)據(jù)在浮標(biāo)1、5、6位置觀(guān)測(cè)的降水日變化與實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果相差較大可能和該點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)有效時(shí)間較短(296、477和462 d)有關(guān)(圖2c)。就降水日變化大小而言，在印度洋同樣是IMERG和TMPA兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的結(jié)果十分相近，而浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的降水日變化大小在大多數(shù)浮標(biāo)位置大于衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果，只有在浮標(biāo)2和浮標(biāo)7位置有相反的情況。

觀(guān)察印度洋降水極大/極小值出現(xiàn)時(shí)間，除了浮標(biāo)6外，其余浮標(biāo)位置由2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的日降水極大值出現(xiàn)時(shí)間都在早上4時(shí)—10時(shí)之間。在浮標(biāo)6位置，衛(wèi)星測(cè)得日降水極大值出現(xiàn)在11時(shí)左右，而浮標(biāo)雨量器觀(guān)測(cè)結(jié)果更晚，出現(xiàn)在下午18：30。由圖1c可見(jiàn)，浮標(biāo)6位置靠近島嶼陸地，這可能是該點(diǎn)日降水極大值出現(xiàn)在下午的原因，由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)作了區(qū)域平均，導(dǎo)致其極大值出現(xiàn)時(shí)間早于浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果。

圖5 印度洋上所選浮標(biāo)位置3種資料的降水日變化及擬合情況Fig.5 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Indian Ocean

表3 印度洋所選浮標(biāo)位置3種資料得到的平均降水、日變化大小以及降水量極大/極小值出現(xiàn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間Tab.3 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Indian Ocean

3 討論與結(jié)論

日變化是地球天氣和氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要特征，所以模擬降水對(duì)日照變化響應(yīng)的能力是對(duì)氣候模式性能的重要檢驗(yàn)。如今衛(wèi)星觀(guān)測(cè)成為海洋降水觀(guān)測(cè)的重要手段，本文利用2014年4月1日—2018年4月30日期間TAO、PIRATA和RAMA海洋浮標(biāo)雨量器數(shù)據(jù)以及TMPA和IMERG兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通過(guò)計(jì)算日諧波來(lái)分析3個(gè)大洋熱帶區(qū)域降水的日變化。衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)5°×5°的空間平均后，減小了取樣誤差，使其日變化曲線(xiàn)更加平滑，相比之下，定點(diǎn)浮標(biāo)觀(guān)測(cè)到的降水日變化大小的變化范圍更大。

在3個(gè)大洋上共選取的23個(gè)浮標(biāo)位置，2種衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的降水日變化都呈現(xiàn)峰值出現(xiàn)在早晨、谷值出現(xiàn)在午后到傍晚的特征，與前人對(duì)海洋降水日變化研究結(jié)果吻合。然而就海洋浮標(biāo)而言，雖然在大部分位置浮標(biāo)觀(guān)測(cè)降水也呈現(xiàn)極大值出現(xiàn)在早上、極小值出現(xiàn)在傍晚的特征，但也有一些區(qū)域，尤其是在大西洋，大部分浮標(biāo)測(cè)得的降水日變化呈現(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)相反的結(jié)果，其極大值出現(xiàn)在傍晚甚至凌晨、極小值出現(xiàn)在早晨。這種現(xiàn)象可能和大西洋所選浮標(biāo)平均降水量較少有關(guān)，在降水較少的區(qū)域，就不再具備海洋對(duì)流過(guò)程降水日變化的一般特征。而TMPA和IMERG兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品并沒(méi)有捕捉到這一特殊情況，造成差異的原因可能為浮標(biāo)觀(guān)測(cè)的是定點(diǎn)的降水量，而衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的是一個(gè)區(qū)域的降水量。在一些靠近大陸或島嶼位置的浮標(biāo)處呈現(xiàn)類(lèi)似大陸的降水日變化規(guī)律可能和海岸線(xiàn)效應(yīng)及近陸地重力波強(qiáng)迫的日變化有關(guān)[25-26]。當(dāng)然，浮標(biāo)觀(guān)測(cè)本身受所在位置風(fēng)場(chǎng)或其他因素影響較大，尤其對(duì)小降水區(qū)域會(huì)存在更嚴(yán)重的誤差，本研究中數(shù)據(jù)資料有效時(shí)間較短，也在一定程度上影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

總體而言，除了大西洋小降水區(qū)域，在其余2個(gè)大洋大多數(shù)浮標(biāo)位置上，無(wú)論是TMPA還是IMERG都能較好地捕捉降水的日變化，且降水日變化大小及降水極大、極小值出現(xiàn)時(shí)間基本吻合，而IMERG得到的平均降水總體較TMPA平均降水偏小。兩種衛(wèi)星雖然對(duì)氣候態(tài)降水觀(guān)測(cè)能力不同，但對(duì)熱帶大洋降水日變化特征的捕捉能力基本一致，但其值普遍小于浮標(biāo)觀(guān)測(cè)結(jié)果，且在小降水區(qū)域衛(wèi)星對(duì)降水日變化特征觀(guān)測(cè)的偏差更大。