卫星降水产品在陇东2022年7月特大暴雨事件中的适用性评估

以地面雨量站观测数据、中国气象局多源融合降水数据（CMPAS）为基准,通过定量、分类、结构相似度3种方法综合评估8种卫星降水产品（FY-4A、CMOPRH-RT、IMERG-Early、IMERG-Late、GSMaP-Now、GSMaP-Gauge、PERSIANN-Now、PERSIANN-CCS）在甘肃陇东2022年7月一次破历史记录的极端性强降水过程中的适用性。结果表明：（1）8种卫星降水产品基本反映降水中东部大、西北小的空间分布特征,除GSMaP-Now产品外,其余7种产品均低估暴雨中心降水量。（2）8种卫星降水估算产品对于强降水峰值的描述能力较好,强降水过程的2个峰值阶段均有体现,但均严重低估大暴雨及以上量级降水。（3）GSMaP-Gauge对暴雨以下量级降水估算最优,而CMOPRH-RT对暴雨及以上量级降水估算最优,所有产品对特大暴雨量级降水均无法正确命中。（4）CMOPRH-RT产品能从降水总量、降水量级、形态分布三方面最好地表现降水过程的结构分布。对本次降水事件,CMOPRH-RT降水产品在各方面表现综合最优。     

IMERG卫星降水产品在我国梅雨极端降水期的适用性评估

为考察GPM卫星降水产品IMERG在梅雨极端降水期的适用性,以中国自动气象站观测数据与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集资料作为参考,采用均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE统计指标,对IMERG卫星降水产品在长江中下游地区2020年梅雨极端降水期的适用性进行评估。结果表明:IMERG卫星降水产品整体上与实测结果趋势一致,对于12 h和24 h累计降水,在强降水区域易出现高估。反演的3 h累计降水与实际降水一致性较好,累计降水量大于20、50、80、100 mm四种情况下的RMSE和MAE平均值均为10 mm左右。     

中国首颗降水测量卫星(风云三号G星)的探测能力概述与展望

2023年4月16日09时36分(北京时)中国首颗降水测量卫星—风云三号G星(FY-3G)成功发射,本文在介绍风云三号降水星技术特征的基础上,着重分析FY-3G降水探测能力及在暴雨监测中的应用前景。结果表明：卫星轨道高度407 km、倾角50°,装载了Ka/Ku双频降水测量雷达、微波和光学成像仪的FY-3G卫星,可对影响中国大部分地区的台风、暴雨、强对流等灾害性天气系统三维结构进行探测。FY-3G在设计层面上,降水探测能力与目前美国第二代全球降水测量计划(GPM)核心星(GPMCO)相当,在载荷类型、数量、通道设置等方面优于GPMCO卫星。FY-3G业务运行后将与风云三号上午、下午和黎明星等其他极轨气象卫星以及风云高轨静止卫星组成风云降水探测星座体系,提升风云卫星星座的降水总体探测能力,为气象防灾减灾提供更强的基础支撑。     

星载降水测量雷达降水产品研究进展

利用星载技术获得的降水信息与其他常规观测手段得到的信息相比,具有更广的空间覆盖性。星载产品的研究对降水微观信息的认识、数值预报的改进和水文农业的发展都有十分重要的意义。本文对美国宇航局NASA和日本宇航局JAXA联合开发的气象卫星降水产品,即第1部TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星的降水雷达(PR))和GPM(Global Precipitation Measurement)卫星的双频降水雷达(DPR)的降水产品,从评估验证、统计分析和个例分析的角度分类阐述了目前对TRMM和GPM降水产品的相关研究工作,最后提出了目前星载降水产品存在的一些问题、星载仪器的局限性以及对未来星载降水产品发展的展望。     

FY-3气象卫星降水探测能力分析与展望

降水是全球能量/水循环中的重要过程。本文着重分析 FY-3 气象卫星降水探测能力,展望风云卫星后续规划中降水探测技术的发展前景。分析表明,以 FY-3 降水星为主星,与其他 FY-3 极轨卫星组成的 FY-3 气象卫星降水探测体系,在设计层面上,从载荷类型、数量、通道设置等方面均优于由美国发起并已在轨运行的全球降水测量(Global Precipitation Measurement,GPM)计划核心星的设计性能。FY-3 降水星设计装载 Ka / Ku 双频降水测量雷达,卫星轨道设计覆盖南北纬 50°范围内的中低纬地区,对影响我国区域的台风暴雨等强对流天气系统结构具有三维探测能力。FY-3 气象卫星星座的降水探测能力为气象防灾减灾提供了基础支撑。     

降水云团移动速度对风云四号A星降水反演误差的影响

针对FY-4A卫星降水反演产品GPM-SCaMPR中的误差,提出台风区域降水云团移动速度的计算方法并用于误差改进,以全球降水观测计划(Global Precipitation Mission,GPM)的IMERG(the Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)降水产品为参照、以台风"罗莎"、"利奇马"和"白鹿"降水反演为例进行误差影响研究。结果表明,其误差随降水云团移动速度的增大而增大,降水率均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)在台风成熟阶段比其他阶段大20%左右,在衰亡阶段最小。采用GPM/IMERG降水产品作校准数据,对3个台风初期、成熟和衰亡阶段的降水反演结果进行误差订正,台风"罗莎"初期、成熟及衰亡阶段订正后的降水率RMSE由5.81、7.07、5.51 mm·h^-1减小到5.54、6.16、5.27 mm·h^-1(分别减小0.27、0.91、0.24 mm·h^-1)。     

GPM日降水产品在中国大陆的准确性评估

以中国2423个地面气象站点的降水传感器观测数据为基准,采用定量统计指标（相关系数R、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、相对误差RE）以及分类统计指标（探测率POD、误报率FAR、虚报漏报率Bias、风险评分ETS）,从不同空间尺度、不同时间尺度和不同降水强度三个维度,分析了GPM降水产品的观测准确性,以探究GPM卫星降水产品在中国大陆的适用性。结果表明：从不同空间尺度特征看,GPM降水在全国范围均呈现较高的观测准确性,72%的站点R值超过0.7,在华东地区最好,西北区相对较差;全国大部分区域都为正的相对误差,各区RE集中分布在0～20%。不同高程带内的准确性显示,GPM产品对降水的高估情况在低海拔（＜2000 m）、高海拔（＞4000 m）地区较为明显,在中海拔地区（2000~4000 m）GPM降水数据适用性相对较好。从不同时间尺度特征看,GPM降水产品与降水传感器实测降水年总量分布上较为一致,两者的R为0.75,但在量值上存在一定程度的偏差,RMSE为6.15 mm·d-1。从逐月结果看,GPM降水产品与地面降水传感器的一致性在1—10月表现较好,R均在0.7以上,11、12月略低,夏季误差值比冬季大。从不同降水强度特征看,POD随着降水强度的增加而降低,GPM降水产品对“中雨”强度降水事件的整体探测能力较优,而在“小雨”和“暴雨”的探测能力稍弱。     

基于机器学习算法的多源月尺度融合降水产品在中国区域的检验评估

栅格格式降水产品相对于地面气象站观测资料有更好的空间监测能力,但是不同产品性能存在显著差异。本文评估了9种月尺度格栅降水产品TRMM、GPM、CMORPH、CHIRPS、ERA5、ERA5-Land、PERSIANN、PERSIANN-CDR、PERSIANN-CCS在中国的精度,从中择优选取5种较好的降水产品,利用XGBoost、随机森林和多元线性回归3种机器学习算法分别进行数据融合。研究发现,TRMM、GPM、CMORPH、CHIRPS、PERSIANN-CDR 5种产品具有相对较好的精度;在高海拔与干旱区域,降水产品的误差均明显增大。经过机器学习算法融合后,最优的XGBoost算法模型产品相关系数明显提升,均方根误差和偏差明显降低。3种算法各月均表现较高精度,其中XGBoost算法模型产品在夏季表现较好,而随机森林算法模型产品在冬季表现较好,且3种算法模型产品在不同区域均表现较高精度。和融合之前的5种原始产品比较,3种算法模型产品的精度均有提升。经过XGBoost算法融合后的产品在空间上相比较最优的原始GPM产品与气象站点插值产品具有更多的变化和局部降水细节信息。     

GPM卫星DPR和GMI探测的2018年5月重庆超级单体云团降水结构特征分析

目前人们对超级单体云团降水回波结构的认知仍有限。本文采用GPM (Global Precipitation Measurement)卫星搭载的测雨雷达DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和微波成像仪GMI (GPM Microwave Imager)的探测结果,结合FY-4A静止卫星多通道扫描成像辐射计(AGRI)的热红外10.8μm通道观测结果、探空站的温湿风观测结果及欧洲天气预报中心再分析数据,利用雷达回波剖面和回波反射率因子概率密度随高度分布的方法,分析了2018年5月重庆地区超级单体云团的降水结构特征。结果表明:该超级单体云团由西北向东南运动的冷空气与暖湿空气交汇而引发;超级单体云团内存在对流降水和层状降水等次尺度系统;强降水区位于云贵高原与四川盆地交界处至盆地的西南部;超级单体暴雨云中冰相粒子多;对流降水的回波顶高度超过12 km,且最大回波强度多数位于地面上空4—5 km;对流降水比层状降水拥有更高的降水粒子浓度,而粒子大小却小于后者;对流降水的粒子尺度随着高度下降而明显增大,反映了其明显碰并增长过程。     

“21·7”河南暴雨环境场及云的宏微观特征

利用FY-4A静止气象卫星、FY-3D极轨气象卫星资料和ERA5再分析资料,深入分析“21·7”河南暴雨环境场及云宏微观特征,首次利用FY-4A观测研究此次事件对流云微物理特征。结果表明:“21·7”河南暴雨是一次极端强降水事件,河南省位于大陆高压和副热带高压之间的鞍型场内,有利于其上空低涡云系的发展和维持。2021年7月20日两股水汽输送交汇于河南中北部,为郑州极端降水提供了有利条件。20日14:00—16:00（北京时,下同）郑州长时间位于对流云团冷云区边界亮温梯度大值区,该时段对流发展旺盛;12:00—14:00云光学厚度跃增,且在15:00仍维持较大值,表明该时段云中液态粒子大量合并,液态水含量丰富,光学厚度峰值出现时间先于降水量峰值出现时间,FY-4A云光学厚度跃增且维持较大值对强降水出现时间及量级有重要的预警意义。对流云粒子有效半径（r_e）随温度（T）的增长曲线（T-r_e关系）表明:20日16:00河南上空的雨胚形成区最为深厚,云中不同高度的r_e整体维持在20~25 μm,表明云中上升气流较强,有利于地面强降水发生。     

精细化评估GPM/IMERG产品对台风“妮坦”降水的观测精度

采用地面加密雨量计观测资料，以1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等多个时间尺度分别评估了全球降水观测GPM （Global Precipitation Measurement）计划降水产品IMERG （Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM）对台风"妮妲"降水中小雨、中雨、大雨和暴雨等不同量级降水的估计能力，主要结论如下：（1）降水累积时长会影响IMERG降水产品的估计精度。随着降水累计时长的增加，IMERG与地面雨量计观测结果的一致性加大，相对偏差和偏差的随机性均减小；（2）降水累计时长1 h时，IMERG对不同量级降水的观测精度均存在较大偏差；（3） IMERG降水产品会高估小雨时地面雨量计的降水量，且低估小雨事件发生的概率，对于小雨等级降水的观测能力还有待提高；（4） IMERG能较好地观测到暴雨降水的空间分布区域，但对暴雨的估计量级会明显偏低。     

基于卫星资料的西北地区高原涡强降水分析

GPM(Global Precipitation Measurement)卫星目前被广泛应用于对流系统的研究中,但受限于卫星轨道扫描方式,在中纬度青藏高原东部区域,GPM轨道观测数据捕获完整的强对流系统较为困难。本文利用全球降雨观测GPM卫星资料、FY-4A卫星资料、NCEP-FNL和ERA-Interim再分析资料,结合地面观测资料,研究了2018年7月1日发生在高原东坡的一次暴雨强降水系统结构。结果表明:层云降水和对流性降水组成的混合性降水云团中,对流云样本数只有层云的1/5,但平均降水率是层云的14倍,对总降水的贡献达到75%,对流性降水贡献远高于南方强降水系统;强降水质心离地高度约2 km,具有比我国南方同类强对流系统更明显的低质心特征;对流云内云滴谱较宽,云粒子半径差异较大,2～5 km高度出现明显的粒子累积带,与层云系统具有显著差异。在副高外围西南气流的引导下,来自孟加拉湾的水汽通道打通,甘肃省南部700 hPa比湿可达16 g·kg~(-1),大气可降水量普遍达到40 kg·m~(-2)以上,加之大气不稳定能量较高,高原涡和700 hPa切变线合并触发了此次对流性强降水。受云团前侧高压脊阻挡,暴雨云团从高原东部初生至发展旺盛阶段用时接近4 h,自西向东移动约3个经度,属于准静止型暴雨云团,暴雨云团移速缓慢是导致此次局地极端强降水的重要原因。     

风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用

风云三号(03)批是我国第二代极轨业务气象卫星的第三个批次,由上午、下午、晨昏和降水测量四颗业务卫星组成。其中,我国首发的降水测量卫星计划装载双频降水测量雷达、微波成像仪、GNSS掩星探测仪和光学成像仪。通过仿真技术,分析风云三号降水测量卫星的功能、性能和设计指标,探讨其降水探测能力。分析表明,风云三号降水测量卫星装载的降水测量雷达从设计层面分析,与美日第二代降水测量卫星GPM搭载的降水雷达DPR性能相当;风云三号降水测量卫星的轨道设计覆盖了南、北纬50°范围内的热带和中纬地区,对影响我国区域的台风系统结构具有三维探测能力;风云三号降水测量卫星上装载的被动微波辐射计相比GPM搭载的微波成像仪增加了50~60和118GHz双氧吸收通道,对陆地弱降水反演等具有应用潜力。总之,风云三号降水测量卫星加上同星配置的其他载荷,整星的降水探测能力优于美日第二代降水测量卫星GPM。     

卫星遥感反演降水研究进展简述

高质量的降水数据是开展天气、气候、水文、生态等研究的重要基础。由于传统地面雨量计站观测和地基雷达观测受站点数量和地形条件的限制,很难实现大范围降水的均匀观测,而卫星反演降水能有效弥补传统观测站网的缺点。根据卫星反演降水的原理,简要概述了可见光、红外、微波、多种传感器组合的卫星降水反演算法、总结了5种不同卫星数据反演产品的优点和适用性。改进降水反演算法和加强多种传感器反演降水产品的融合,才能获得更高精度和更大覆盖范围的降水产品,这也是未来一段时间内卫星遥感反演降水的趋势。     

葵花8号卫星在暴雨对流云团监测中的应用分析

高时空分辨率的葵花8号卫星(简称H8卫星)2016年在我国得到应用,而该年是我国暴雨过程频繁、极端性强的一年,H8卫星到底在暴雨对流云团监测方面有何优势也是预报员所关心的。目前的业务中H8、FY-2卫星和雷达资料到达业务平台的平均延迟时间分别为15、35、6 min左右。本文利用H8卫星红外云图结合地面降水,在2016年汛期27次暴雨过程中每个过程选定一个主要的目标对流云团分析其初生情况,并与FY-2卫星和雷达探测的情况进行对比,结果表明:H8和FY-2卫星在同时刻云顶黑体亮温(TBB)观测数值上差别不大,时间变化趋势也基本一致,但H8卫星由于高频次观测的优势对暴雨对流强弱的变化刻画得更加细致,在监测暴雨对流云团方面具有明显时间上的优势,即H8卫星较FY-2卫星平均提前23 min发现对流云团,较雷达平均提前达33 min。通过结合地面小时和10 min降水量对2016年华北"7·20"极端暴雨过程进行分析,发现TBB与地面降水量之间有很好的反相关关系,同时降水量的变化幅度明显大于TBB的变化;当TBB峰值向低温一侧移动时,与之对应的地面降水量级也增大,降水逐渐转为冷云降水为主。     

基于江西省水文资料对中国融合降水产品的质量评估

利用江西省2015年4月至2016年3月水文站观测降水数据,在小时尺度上,对中国国家气象信息中心研制的5和10 km融合降水产品进行质量评估,同时与美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水产品(CMORPH)、中国国家气象信息中心研制的东亚区域多卫星集成降水产品(EMSIP)两套卫星降水产品进行对比评估。研究分析各类降水产品的数据误差及其时空变化规律,验证融合降水产品在特征区域的适用性。研究结果表明:融合降水和卫星降水均能较好地反映年内小时降水的变化趋势,与水文站观测降水相比,四套降水资料均存在一定程度低估,其中卫星降水产品低估较大。融合降水产品的数据质量较高,其中5 km融合降水产品的数据精度(R=0.81,RMSE=2.12 mm·h~(-1),RE=-5.4%)基本优于10 km融合降水产品(R=0.78,RMSE=2.3 mm·h~(-1),RE=-5.1%),卫星降水产品与水文站观测降水存在较大的偏差,CMORPH和EMSIP的相关系数分别仅为0.19和0.24。各降水产品误差具有相同的月变化趋势,融合降水产品的误差变化幅度明显要小于卫星降水产品。四套降水产品的相关性随着降水量级增大而增加,融合降水产品能够准确反映降水的空间结构和中心位置,5 km融合降水产品对强降水的监测能力更具有优势。     

基于卫星降水和WRF预报降水的“6.18”门头沟泥石流事件的回报检验研究

2017年6月18日北京门头沟地区突发泥石流,造成6人伤亡。短时强降水是这起事件的主要诱发因素,但常规气象观测并没有很好地观测到此次降水过程,可见降水数据的准确性对于滑坡泥石流的实时预警及预报至关重要。近年来,卫星遥感估算降水发展迅速,WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式关于降水的预报技巧也逐渐提高。本文以自动站降水资料为参考,首先利用定性方法和泰勒图、TS（Threat Score）评分等定量的方法比较了CMORPH（CPC MORPHing technique）、GPM（Global Precipitation Measurement）和PERSIANN-CCS（Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks-Cloud Classification System）三种卫星降水资料以及不同起报时间的WRF预报降水对此次降水过程的表现能力,然后利用降水数据驱动滑坡泥石流统计预报模型,对此次事件进行了回报,分析不同降水数据在模型中的实际应用效果,最终为滑坡泥石流实时预警和预报系统的构建提供参考。结果表明,三种卫星降水资料基本上能反映出此次降水过程东北—西南向的带状空间分布形态,其中,CMORPH与自动站资料的空间相关性最好,命中率也最高,但对降水量有一定的高估,GPM对平均降水量的时间变化有较好的反映,体现了卫星降水在观测较少地区的良好利用价值,PERSIANN-CCS的表现则相对差些。WRF模式能预报出此次降水的带状空间分布特征,但降水中心的位置与实际有所偏差;此外,预报的最大降水量的峰值出现时间比实际上晚。由于此次降水的强局地性,只有空间分辨率均匀且质量相对较好的CMORPH卫星降水驱动模型可以回报出此次事件,而自动站点资料由于空间分布不均,则没有回报出此次事件,这表明了卫星降水在滑坡泥石流实时预警系统的构建中具有一定的优势。WRF模式降水驱动模型可以提前做出预警,虽然预报的事件发生时间与实际相比偏晚3~5 h,但WRF可以较好地预报72 h内的降水,因而可以延长灾害的可预见期。WRF模式预报降水的时间和空间精度都需要进一步提高,但是仍具有很好的参考意义。     

MWHS/FY-3资料同化在四川盆地暴雨预报中的应用研究

为了研究同化风云三号B星(FY-3B)和C星(FY-3C)的微波湿度计(MWHS及MWHS-2)观测资料在四川暴雨数值预报中的影响,本文基于Weather Research and Forecasting Model(WRF)及其三维变分同化系统Weather Research Forecast Variatinal Data Assimilation System(WRFDA),实现了对MWHS/FY-3B和MWHS-2/FY-3C观测资料的直接同化。针对2018年7月的一次四川盆地区域性暴雨过程的同化试验结果表明:同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对试验开始时刻均有改善,对相对湿度和矢量风场等物理量场有一定的正向调整作用,尤其是同化MWHS-2/FY-3C资料对风场的调整较为明显。同化试验对龙门山北部降水有较明显的改善作用,改善了降水的分布与落区,其中同化MWHS/FY-3B对盆地中部到东北部的降水量级的预报更接近实况,雨区更为连续。同化试验证明了同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对于四川盆地暴雨数值预报有一定的业务应用价值。      

GPM反演降水数据IMERG在浙江省的适用性研究

【目的】为了研究全球降水测量计划（GPM）综合多卫星检索降水产品（IMERG）在浙江省的适用性。【方法】以浙江省为研究区域,基于浙江省自动观测站降水数据,利用相关系数、均方根误差、相对偏差、分类指数统计法分别从年尺度、季尺度、月尺度、日尺度以及小时尺度GPM在浙江省的适用性。【结果】（1）春、秋、冬季的GPM和自动站对应效果远好于夏季,月尺度、日尺度、小时尺度下GPM和自动站降水数据对应效果较好,但整体上存在高值区略低估、低值区略高估现象;（2）年尺度与季尺度下GPM与自动站降水平均值的变化趋势一致,但GPM降水平均值较高,其中秋季表现最好;（3）年、月、日3个尺度下,尺度越精细化,相关系数越高、相对偏差越小,均方根误差越小;小时、日、月3个尺度下,降水阈值越低,产品尺度越粗糙,估测能力越高;降水阈值越低,产品尺度越精细,误报降水的比例越低;降水阈值越低,综合探测能力越高;（4）在小时尺度下,在0.5~1 mm·h-1区间,GPM虽然对降水事件略有高估,但拟合效果较好。【结论】综合来看,GPM日尺度降水数据产品精度在浙江省有较大应用潜力。     

新疆哈密“7·31”极端大暴雨过程成因分析

2018年7月31日哈密市出现了一次极端大暴雨天气过程,持续强降雨造成了重大人员伤亡和财产损失。利用NCEP再分析资料、地面常规气象观测资料、区域加密自动站降水资料和FY-2G红外云图TBB资料,对此次极端大暴雨进行诊断分析。结果表明:极端大暴雨发生在有利的大尺度环流背景下,南亚高压双体型建立,东部中心强且位置偏北,西太平洋副热带高压较常年明显偏西偏北;高低空急流在暴雨区上空垂直方向形成耦合形势,加强了暴雨区上升运动的维持和水汽的垂直输送;850～200 hPa强盛的偏南暖湿气流为暴雨提供了充足的水汽和动力条件;低层高温高湿,强风速辐合及特殊地形抬升触发对流不稳定产生,为极端大暴雨提供热力和不稳定能量条件;强降水发生在对流云团边缘TBB等值线密集的梯度最大区域,越接近TBB中心梯度最大处,雨强也越大。数值预报产品具有一定的预报能力,但对于降水落区及量级预报偏弱。