多衛(wèi)星遙感降水反演誤差解譯及其質(zhì)量改進(jìn)研究

陳漢清

廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006

降水在全球水循環(huán)和能量循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，也是全球氣候變化最為敏感的關(guān)鍵參數(shù)之一。多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的出現(xiàn)為大尺度氣候研究提供了機(jī)會(huì)。論文以主流多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品為研究對(duì)象，針對(duì)多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的誤差、誤差解譯結(jié)果的不確定性和多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的誤差校正開(kāi)展研究工作，論文的主要研究工作和研究結(jié)論如下：

(1)首次從傳感器層面上揭示了搭載在不同衛(wèi)星上的12種傳感器輸入源的降水反演誤差與關(guān)鍵地理氣候因子(地形、氣候區(qū)和季節(jié))之間的關(guān)系。研究了6種主流的多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的精度與降水強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了所有多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的精度與降水強(qiáng)度對(duì)數(shù)存在明顯的冪函數(shù)關(guān)系。

(2)首次解譯了目前主流的5種多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品在全球陸地上的誤差組分。發(fā)現(xiàn)了這些多衛(wèi)星遙感降水產(chǎn)品的誤差在全球陸地大部分地區(qū)主要來(lái)源于命中和/或誤報(bào)誤差組分。它們的系統(tǒng)誤差占比在全球陸地大部分地區(qū)低于20%，漏報(bào)降水是引起較大系統(tǒng)誤差的決定性因子。發(fā)現(xiàn)了相似地區(qū)之間的誤差解譯結(jié)果無(wú)法相互推廣。提出了標(biāo)準(zhǔn)化誤差組分(normalized error component，NEC)指標(biāo)，研究了單一地形因子對(duì)系統(tǒng)誤差的影響。

(3)提出采用站點(diǎn)密度不同的兩種地面降水觀測(cè)產(chǎn)品作為參考的方法研究誤差解譯結(jié)果的不確定性。研究結(jié)果表明，相比濕潤(rùn)區(qū)，誤差解譯結(jié)果更傾向在半濕潤(rùn)區(qū)發(fā)生不確定性。誤差解譯結(jié)果的不確定性與降水強(qiáng)度有關(guān)，不確定性隨著降水強(qiáng)度的增加而快速降低。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)偏差(relative bias,RBIAS)和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(normalized root-mean-square error,NRMSE)的結(jié)果在微量降水事件(1～5 mm/d)上隨著站點(diǎn)密度的增加而增加，這說(shuō)明了誤差解譯結(jié)果在微量降水事件上更容易發(fā)生不確定性。討論了不同誤差解譯指標(biāo)和不同降水強(qiáng)度下獲取可靠的誤差解譯結(jié)果所需要的最小雨量計(jì)密度。

(4)在中國(guó)大陸區(qū)域研究了GSMaP-NRT降水誤差與4個(gè)關(guān)鍵影響因子(地形、氣候區(qū)、季節(jié)和降水強(qiáng)度)之間的綜合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了它們之間存在明顯的空間平面函數(shù)關(guān)系?；谠摪l(fā)現(xiàn)，提出一種顧及關(guān)鍵四要素的誤差實(shí)時(shí)校正方法校正小時(shí)時(shí)間尺度的GSMaP-NRT降水估計(jì)。通過(guò)原始產(chǎn)品GSMaP-NRT、地面校正產(chǎn)品GSMaP-Gauge-NRT和論文的ILSF-RT產(chǎn)品在中國(guó)大陸上的性能比較，驗(yàn)證了所提方法可以明顯降低GSMaP-NRT在不同地形、不同季節(jié)、不同氣候區(qū)和不同降水強(qiáng)度上的誤差。ILSF-RT的性能整體上明顯優(yōu)于GSMaP-NRT和GSMaP-Gauge-NRT。

(5)提出了一種考慮季節(jié)性影響的多源降水?dāng)?shù)據(jù)融合算法(multi-source precipitation data fusion,MPDF)。根據(jù)融合過(guò)程所使用的降水?dāng)?shù)據(jù)數(shù)量上的差異，利用MPDF算法生成了兩套高時(shí)空分辨率(0.25°，1 h)的全球降水產(chǎn)品MGP-6P和MGP-3P。中國(guó)大陸區(qū)域的驗(yàn)證結(jié)果表明：MPDF算法可充分集合衛(wèi)星、再分析和地面降水產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，明顯提高降水產(chǎn)品的降水探測(cè)能力和降水精度。整體上，MGP-3P降水產(chǎn)品的性能優(yōu)于MGP-6P、多源降水?dāng)?shù)據(jù)融合產(chǎn)品MSWEP、衛(wèi)星校正產(chǎn)品(IMERG-Final和GSMaP-Gauge)和再分析降水產(chǎn)品ERA5。MGP-3P降水產(chǎn)品(2000—2020年)已發(fā)布在Zenodo共享平臺(tái)，數(shù)據(jù)下載地址為：https:∥zenodo.org/record/7386441#.Y4r8_8tBxD9。本研究研制的MGP-3P可為水文、氣象、氣候、生態(tài)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供精度可靠的降水產(chǎn)品。