GPM降水產品評估研究綜述

陳漢清，鹿德凱，周澤慧，朱自偉，任英杰，雍 斌

(1．河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 211100;2．河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，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、暴風雪等對社會經濟產生重大的影響;農業灌溉、淡水資源管理與利用需要更精確地獲取降水事件發生的時間、地點、強度等重要信息[1-2]。因此，在水文學、氣候學和氣象學方面，降水都具有重要的理論和實踐意義[3]。精確的降水測量及其在全球范圍的時空分布已成為當前研究前沿和熱點問題[4]。

隨著測量技術的發展，目前主要的降水測量設備有雨量計、地基雷達和搭載各種傳感器的遙感衛星等。雨量計和地基雷達給出的降水數據精度較高，一般情況下視為“真值”，并作為衛星降水產品評估的參考資料[5-9]，但不適用于全球范圍的降水研究以及監測。衛星技術的出現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合作開發設計的TRMM(tropical rainfall measuring mission)衛星在日本成功發射，該衛星主要用于監測和研究熱帶和亞熱帶地區的降水[10]，已在2015年4月15日正式停止運行。在TRMM時代涌現出了多種降水產品，如 TPMA[11]、CMORPH[12]、PERSIANN[13]和GSMaP[14]等降水產品。國內外學者對TRMM各版本降水產品進行了大量的評估工作[15-19]，并得到了廣泛的應用[20-22]。盡管通過TRMM衛星獲取了大量的降水觀測資料，但它在固態降水(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，遠不能滿足人們的現實需求。針對TRMM衛星的不足，NASA和JAXA聯合發起了全球降水觀測(global precipitation measurement，GPM)計劃。2014年2月28日，GPM計劃核心觀測平臺成功發射。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據源，可為進一步理解降水對地球水資源、氣候和地球能量循環等方面的影響提供數據支持。衛星降水產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衛星降水產品提供參考，同時也為基于衛星降水反演算法和傳感器的改進提供可靠的信息。而衛星降水產品評估方法對定量化衛星降水產品的誤差至關重要。

針對衛星降水產品評估工作的需求，衛星降水產品的評估方法也有所區別。應用較為廣泛成熟的為統計分析方法[11-12]。Li等[23]提出采用面向對象的方法評估衛星降水產品的性能，該方法主要揭示衛星降水產品的幾何和空間特征。Tan等[24]提出衛星降水產品誤差溯源的方法，從傳感器層面對衛星降水產品展開評估。綜合研究發現大部分的衛星降水產品評估均以統計分析方法評估衛星降水產品的性能。隨著GPM核心觀測平臺的成功發射以及降水產品的開放共享，國內外的研究者對GPM降水產品展開了一系列的評估工作。評估主要有兩種形式：一是利用衛星降水產品與地面觀測資料直接比較;二是將衛星降水產品作為水文模型的輸入參數，以此評估衛星降水產品的表現。但目前尚未有相關文獻對已有的GPM降水產品評估工作進行梳理和歸納。

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

1 與地面資料直接比較評估

1.1 IMERG降水產品評估

1．1．1 全球尺度

在全球尺度下對衛星降水產品的評估工作，有利于在粗尺度下了解IMERG降水產品在各地區的表現，也為進一步細分各地區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降水產品進行了評估，分析發現在捕捉強降水能力方面，IMERG-Final降水產品比TMPA(3B43)更為合理地捕捉到南北半球主要的強降水地區，兩種衛星降水產品之間的差異隨著地表類型和雨率的變化而變化。進一步分析發現因為兩種衛星降水產品的陸地部分均使用地面雨量站點數據進行了校準，因此陸地上的系統偏差比海洋上的偏差要小得多，正相對偏差主要發生在低雨強，而負相對偏差主要發生在高雨強。但在海洋上，所有的雨強均為負相對偏差。Liu[25]同時對IMERG和TMPA的被動微波和紅外降水產品進行了分析，發現IMERG和TMPA降水產品在熱帶海洋地區的系統偏差與被動微波降水產品有密切的關系，兩種產品的偏差主要來自被動微波。

盡管Liu[25]在全球尺度下對GPM主要降水產品IMERG與TRMM時代的TMPA進行了比較分析，但缺乏與地面站點數據的比較分析，GPM降水產品在全球尺度下的評估工作仍需要進一步研究。

1．1．2 地區尺度

評估某地區的衛星降水產品對產品在該地區水文應用、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，各地區的降雨量差異較大，同時也存在地形復雜的地區以及高海拔的山區，因此GPM降水產品在中國山區的精度表現得到了廣泛的研究和關注。金曉龍等[26]針對衛星降水產品在天山山區適用性具有不確定性的問題，對GPM降水產品在天山山區適用性進行了研究，結果表明IMEGR降水產品比TPMA與CORMP降水產品的精度要高，但在地形復雜的天山中心區表現較差，同時發現低海拔高估降水，在中海拔地區降水估計能力較好，高海拔低估降水且表現最差，主要的原因可能是因為DPR對高海拔地區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。Ma等[27]評估了IMERG降水產品在青藏高原上的表現，IMERG降水產品表現較好，但存在高海拔地區命中降水事件偏低的問題。

干旱地區總降水量相對較少，而中高緯度區域主要為微量降水和固態降水。傳統的衛星降水產品一般存在低雨強高估、對微量降水和固態降水敏感度不強的問題。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降水而設計，為干旱和中高緯度地區的降水高精度估計帶來了希望。GPM降水產品在中國干旱區以及中高緯度地區的表現至關重要。Tang等[28]對中國大陸的IMERG和TMPA降水產品，基于地面雨量站點的降水數據進行了相互的交叉驗證，結果表明IMERG降水產品在所有的時空尺度下均明顯優于3B42 V7，特別是在中高緯度干旱地區的表現更為突出;IMERG降水產品雖然相對較好地捕捉到降水的日變化情況，但仍有進一步提高的空間，特別是在干旱氣候和高緯度地區。

GPM降水產品在中國地區各季節的表現也得到了廣泛的研究。金曉龍等[26]分析發現衛星降水產品的估測能力隨著季節變化而變化，在夏秋兩季表現較好，但在春冬兩季表現相對較差。Guo等[29]對中國地區的校準與未校準的IMERG降水產品進行了評估，結果表明校準的IMERG降水產品改善明顯，但兩種IMERG降水產品在冬季的表現均相對不佳，并存在對西南地區微量降水高估的問題。Chen等[30]評估了IMERG降水產品在中國大陸的表現，總體上IMERG降水產品較傳統衛星降水產品更優，相對來說IMERG降水產品在冬季的表現不夠理想，在新疆和青藏高原地區并不可靠，大陸北部的大部分地區在冬季也存在IMERG降水產品不可靠的問題。

GPM降水產品在其他國家或地區的表現也得到了廣泛的研究和關注。印度主要受到季風季節氣候的影響，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季節地區的IMERG降水產品表現，得到了IMERG降水產品在捕捉強降水能力方面較TMPA降水產品有了顯著的提升，但存在印度東北部地區暴雨發生頻率被低估的結果。隨后，Prakash等[32]在初步評估的基礎上進一步對受季風季節影響的印度西南部地區日尺度下的IMERG和GSMaP降水產品進行了評估，結果表明IMERG降水產品更能反映研究區的季風降雨特征，其變化也更符合實際情況，但IMERG降水產品的均方根比GSMaP降水產品大，特別是在低雨強和西海岸地區;進一步采用一種基于熵的方法去評估這幾種降水產品，發現IMERG和GSMaP降水產品性能有顯著提高，特別是在低雨強下表現突出，同時IMERG降水產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季節氣候的影響。Kim等[33]對東亞部分地區的IMERG和TMPA降水產品以季風季節角度進行了分析，發現在季風前和季風季節期間，IMERGFinal降水產品比TRMM 3B42 V7降水產品性能有微量的提升，而在降水的空間分布方面，IMERGFinal降水產品比TRMM 3B42 V7降水產品具有更高的精度，這是因為GPM降水產品的時空分辨率更加精細，相對具有一定的優勢。

不同的地形具有不同的降雨特征，特別是相比于背風坡，迎風坡的降雨較為豐富。傳統的衛星降水產品在復雜地形區的精度并不理想，特別是難以準確地探測到較精確的降雨量。針對GPM降水產品在復雜地形區的表現，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和降水極少的東南半島，得到了所有的衛星降水產品均表現不佳的結果。Kim等[33]對遠東地區的IMERG和TMPA降水產品，基于地面雨量站點數據對這兩種衛星降水產品在不同地形情況下的表現進行了分析，結果表明在山區和海岸地區，IMERGFinal降水產品均比TRMM 3B42 V7降水產品表現要好，但也存在因地形引起的對流以及反演算法的問題而導致衛星降水產品具有不確定性的問題。衛星降水產品在地形復雜多變的安第斯山脈的表現同樣受到了科研人員的廣泛關注。Manz等[34]在多時空尺度下對安第斯山脈的IMERG降水產品進行了評估工作，結果表明IMERG降水產品在探測能力和定量化降水強度能力上比TMPA降水產品表現更優，特別是在安第斯山脈的高海拔地區，在獨立的降水探測或雨率方面，IMERG降水產品均能更好地表達地面降水觀測特征;進一步研究發現IMERG降水產品在屬于干旱地區的秘魯海岸沿線在降水探測和雨率估計方面均沒有改進。Sharifi等[35]在不同地形條件下，對伊朗IMERG降水產品進行評估，得到了IMERG表現較好，但仍存在輕微低估的結果。

Gaona等[36]基于被視為降水“真值”的雷達降雨地圖，對中緯度區域的荷蘭第一年的 IMERGFinal降水產品進行了評估，結果表明在總體上IMERG-Final降水產品存在輕微低估的問題，但可作為降水數據的一個可靠來源，特別是在地面雨量站點稀疏的地方，同時驗證了IMERG降水產品在中緯度地區的潛力。Asong等[37]針對IMERG降水產品在中高緯度的加拿大地區的表現進行了評估，發現IMERG降水產品均能很好地捕捉到大部分區域的潮濕或干旱的時間長度分布。GPM降水產品在美國地區的表現也得到了學者的研究和關注。Tan等[38]對美國東南部地區的IMERG-Final降水產品進行了評估，結果表明隨著時間和空間尺度的增大，IMERG和TMPA降水產品均能更好地識別降雨事件的發生，同時改善了雨強的隨機誤差和系統誤差，在大部分情況下IMERG降水產品優于TMPA降水產品。Tan等[24]進一步評估了美國中部大西洋地區的IMERG降水產品，結果表明IMERG降水產品的隨機誤差較大，存在低雨強高估、高雨強低估的問題。

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

綜上所述，在地區尺度上，IMERG降水產品表現總體上要優于其他衛星降水產品(TMPA、GSMaP)。在中高緯度地區，IMERG降水產品相比傳統的衛星降水產品有所改進，具有一定的應用潛力，但仍有待進一步的提升和改善。在具有復雜地形或高海拔的地區，IMERG降水產品的表現相對來說有一定的提升，但仍表現不佳，甚至出現數據不可靠的問題。因此針對地形復雜、高海拔、干旱以及中高緯度地區降水產品評估工作還需要進行更細致的研究，以分析其誤差的來源及其成因，為傳感器的改進和算法反演的進一步完善提供可靠的參考信息。與此同時，GPM降水產品還表現出明顯的季節性特征，夏秋兩季表現較好，春冬兩季相對較差。值得注意的是，在冬季甚至可能出現降水產品不可靠的問題，推測可能為春冬兩季主要為微量降水和固態降水，而GPM未能對這兩種降水類型精確探測所導致。

1．1．3 流域尺度

針對典型流域降水產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害的預報，以便在防災減災中起到重要的作用。同時，流域尺度的衛星降水產品評估工作是進行水文模擬的前提步驟之一，國內外學者有針對性地在流域尺度下做了大量的降水產品評估工作。Tang等[41]對中國贛江流域的IMERG降水產品進行了一系列的評估，結果表明IMERG降水產品在干旱區域存在高估的問題，總體上IMERG降水產品基本可取代TMPA降水產品。Wang等[42]評估了中國北江流域的IMERG降水產品(包括IMERG-Final、IMERGLate和IMERG-Early)，分析發現IMERG-Final降水產品與地面觀測數據具有較高的相關性以及相對較低的相對偏差，而IMERG-Late和IMERG-Early降水產品表現相對較差，與地面站點觀測數據相關性均較低，IMERG降水產品相對TRMM 3B42 V7降水產品表現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降水產品進行了精度分析，發現在總體上IMERG降水產品略優于TRMM 3B43降水產品，且在高分辨率水文分析方面具有較高的應用前景。但兩種衛星降水產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，容易引發洪水等自然災害。傳統的衛星降水產品一般存在高雨強低估的問題。GPM降水產品在雨季的表現對自然災害預報等具有重要的作用，一系列的評估工作已經展開。Sahlu等[44]選取了尼羅河流域上游雨季時間段校準與未校準的IMERG降水產品與對應的CMORPH降水產品進行了比較分析，發現所有的IMERG降水產品在每小時或日尺度下的相關系數和偏差率均比CMORPH降水產品表現要好，而在探測降水能力方面，IMERG降水產品比CMORPH降水產品僅有輕微的提高，但存在衛星降水產品在該地區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星降水產品(IMERG-Final、TRMM 3B42 V7)與地面雨量站點降水數據進行了分析研究，評估了日尺度下的衛星降水產品在該地區的精度，結果表明IMERG降水產品改善了中強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降水產品更能捕捉到降雨的變化，但高估了極端降水事件的數量。

相比TRMM時代的降水產品，IMERG降水產品表現較好，特別是在中強度降水事件和極端降水的探測和降雨估計上有了一定的提高，但仍存在高估極端降水、探測能力不足的問題，這會對后續洪水的預報以及防災減災工作帶來潛在的危害。

1.2 DPR降水產品評估

改善微量降水和固態降水的觀測是DPR的任務之一，相關研究對DPR的表現進行了評估。考慮到地形和氣候對DPR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的DPR降水產品了進行評估，結果表明在探測和降水估計方面存在比較突出的特征：夏季明顯的好于冬季，液態降水好于固態降水，平原地區好于復雜地形區域，但存在一致低估的問題。Casella等[47]以CloudSat-CPR產品為參考數據，對DPR的降雪探測能力進行了評估，分析發現DPR探測到降雪發生事件與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59%。吳瓊等[48]利用4次降雪實例分析比較了DPR的3種掃描模式(KaMS、KaHS和Ku)對降雪探測能力的差異，結果表明DPR降水產品與地面雨量站點數據結果較為一致，具備對雨雪進行區分的能力，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。

DPR是GPM時代的主要優勢之一，與IMERG降水產品類似，DPR降水產品同樣存在季節性特征，即夏季的表現明顯優于冬季，同時表現出液態降水優于固態降水、平原地區優于復雜地形地區的特點。DPR的3種掃描模式相對來說Ku模式的綜合表現最優。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，這可能是因為DPR對大雪事件不敏感或是對降雪量存在嚴重低估，還需要對傳感器和算法反演作進一步的調整和改進。

2 水文模擬評估

降水是水文模型最為重要的輸入參數之一。最大可能地發揮水文模型對洪水、泥石流等災害的預測和評估能力，衛星降水產品的精度是保證。相比于TRMM等以往的衛星降水產品，GPM降水產品精度更高，能滿足水文模型對降水產品精度的高要求，理論上GPM降水產品相對傳統的衛星降水產品在水文模型應用上具有更廣闊的前景。隨著GPM降水衛星產品的發布，國內外學者對GPM降水產品在水文模擬上的表現展開了一系列的研究。

Tang等[41]利用CREST水文模型預測徑流，結果表明IMERG降水產品與地面站點降水參考數據相當，在大部分情況下，IMERG降水產品的表現優于TMPA降水產品，認為該產品在水文應用方面具有較為廣闊的前景。He等[45]將IMERG-Final降水產品和TRMM 3B42 V7降水產品應用到中國西南部湄公河流域上游中，分析發現兩種衛星產品的日徑流模擬相當，但在驅動水文模擬方面，以IMERG降水產品率定的結果優于TRMM 3B42降水產品。Sharif等[49]利用IMERG降水產品，以GSSHA水文模型模擬了哈費爾巴廷市近期發生的一個洪水事件，徑流模擬結果發現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%)產生的洪水量可忽略不計;而中間子流域產生的洪水約占總洪水量的13%。TANG等[50]將 IMERG-Late、PERSIANN、GSMaP NRT 和3B42RT 4種降水產品應用于中國南方2016年6月的洪水預警，結果表明IMERG-Late降水產品為最適合的產品。Wang等[42]以北江流域作為研究區域，以VIC水文模型分別采用兩種率定形式驗證IMERG-Early、IMERG-Late 和 IMERG-Final降水產品在水文應用方面的性能，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，綜合各衛星降水產品的表現，實時性較高的IMERG-Early降水產品在洪水預測方面具有較高的應用前景。Zubieta等[51]在秘魯-厄瓜多爾亞馬孫河流域地區進行了水文模擬實驗，以IMERG降水產品和TMPA(V7和RT)降水產品分別作為分布式水文模型的降水輸入數據進行實驗，結果表明IMERG降水產品在南部地區(烏卡亞利河流域)較為實用，但在缺乏充足降雨資料的北部地區(馬拉尼翁河和納波流域)，3種衛星降水產品均不能給出實際徑流情況。Yuan等[52]利用IMERG和TRMM 3B42 V7降水產品在緬甸數據點稀疏的山區進行了水文模擬實驗，結果表明兩種衛星降水產品均存在高估的問題，同時驗證了兩種衛星降水產品均適用于研究區的徑流模擬，值得注意的是，TRMM 3B42 V7降水產品比IMERG降水產品更適用于該地區的徑流模擬。

衛星降水產品精度的進一步提高，使得其在水文等應用領域上較以往的衛星降水產品有更大的優勢。相比傳統的衛星降水產品，GPM降水產品在水文模擬評估中的表現相對較好。在所有的IMERG降水產品中，總體上IMERG-Final降水產品在水文模擬中的表現相對更優，但在洪水預報以及考慮實時性等方面，IMERG-Late和IMERG-Early有一定的優勢。不可忽略的是，在局部地區存在TRMM降水產品比GPM降水產品效果更好的情況(如Yuan等[52]的研究成果)，這還需要進一步研究。

3 研究展望

GPM是建立在TRMM成功經驗基礎上的，解決了TRMM的關鍵局限性問題，同時統一了GPM衛星群的觀測成果，為衛星降水產品設立了新標準，進一步提高了各類傳感器的性能，尤其是對中高緯度地區微量降水和固態降水的估計能力，并帶來了更高的精度和時空分辨率。大量的評估工作結果表明，GPM降水產品較以往的衛星降水產品精度更高，適用性更強，更能反映降水的時空特征。GPM雖然帶來了新一代的降水產品，特別是在著重解決中高緯度的微量降水和固態降水觀測的問題方面，相比以往的衛星降水產品有一定的改進，但在以下方面仍有待進一步的提升和改善：

a.在復雜地形和高海拔的地區，GPM降水產品表現還不穩定，甚至出現不可靠的情況，特別是在天山和青藏高原地區。針對復雜地形和高海拔地區的衛星降水評估仍需進一步做更細致化的研究，以分析其誤差的來源及其成因，為傳感器的改進和算法反演的進一步完善提供可靠的參考信息。

b.衛星降水產品具有季節性的特征，夏秋兩季的表現較好而春冬兩季的表現相對較差，在冬季甚至可能出現不可靠的情況，可能因為GPM對微量降水和固態降水的觀測仍然不足，對微量降水和固態降水的探測仍需進一步提高。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降水產品比GPM降水產品效果更好的問題，具體的情況仍需進一步的研究。

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