中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission, 3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project, 1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008—2010年5—9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP 三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。     

GPCP和TRMM PR热带月平均降水的差异分析

文中利用GPCP(Global Precipitation Climatology Project)和TRMM(Tropical Rainfall Measuring Missio) PR(Precipitation Radar)资料,分析了1998～2002年热带地区月平均降水的差异及其主要原因.结果表明,GPCP和TRMM PR资料能一致地反映热带降水的主要分布特征,但降水的强度和范围存在着差异;两种资料的差异与雨强有密切关系;平均而言,洋面上的降水差异(0.5 mm/d)大于陆地上的差异(0.1 mm/d).微波发射信号(SSM/I E)的反演结果对洋面降水的高估和地面雨量计的缺乏,是造成两种资料间差异的主要原因.分析结果还表明,洋面上GPCP降水相对于PR降水的最大概率差异随雨强增大呈线性增大;陆地上这种差异则呈非线性关系.文中最后还利用最大概率函数对1979～1997年GPCP气候平均降水的误差进行了分析.     

6种卫星降水产品在中国区域的精度特征评估

采用2012—2013年国家气象信息中心2419个国家级地面气象站格点化数据和TRMM(3B40RT、3B41RT、3B42RT)、CMORPH、GSMaP、HYDRO共6种0.25°×0.25°卫星反演降水数据,从中国区域、中国东部区域及中国西部区域3种空间尺度综合验证和比较了日尺度上卫星反演降水产品的精度。结果表明：春、夏、秋季卫星反演降水产品对降水描述的准确性高于冬季。相关性、均方根误差等指标随季节变化明显,且差异较大,夏季每种降水产品的评估指标均优于冬季。不同区域之间定量评估指标差异明显,具有月尺度变化特征。卫星反演降水产品对冬季小降水及固态降水的反演能力有限。对于中国区域的大范围降水事件,每种降水产品可以较好进行再现,但均以多传感器联合后的产品质量较高,单一微波、红外或可见光的效果较差。TRMM的3B42RT在夏季对降水反演的落区较好,但极值偏大,CMORPH的综合评价较好。卫星降水产品精度的空间分布与地形有一定的关系。     

基于TRMM卫星探测的夏季青藏高原降水和潜热分析

青藏高原对东亚大气环流、气候变化及灾害性天气的形成和发展都有重要的影响。本文利用热带测雨卫星（TRMM）探测结果、GPCP降水资料,研究了夏季青藏高原降水和潜热特点。GPCP资料分析结果表明,夏季青藏高原降水主要集中在它的东南部,7月和8月雅鲁藏布河谷及其以东的横断山脉地区降水显著,平均最大雨强达7mm／h;而TRMM测雨雷达（PR）探测结果指出念青唐古拉山北侧存在一降水大值区,强度近3mm／h;GPCP给出的地表降水率较TRMM测雨雷达探测结果高出一倍以上;夏季高原西部的平均降水率小于4mm／h（GPCP）／2mm／h（TRMM PR）。TRMMPR探测的统计结果分析表明,高原降水云“雨顶”（Storm Top）较周边地区高出2km～4km,如同“塔”状分布。研究结果还指出因地表海拔高,TRMM PR的降水类型分类方法不适用于青藏高原地区;根据降水廓线的特征,文中定义了青藏高原三种降水类型：深厚强对流、深厚降水和浅薄对流,并通过标准化廓线方法,指出了不同类型降水廓线之间的差异及其与周边地区降水廓线的差异。文中还给出了高原夏季总潜热分布及平均廓线,指出了高原潜热平均廓线与周边地区的差异;研究结果表明夏季高原降水具有强烈的日变化,降水峰值出现在午后地方时16点左右,这些降水多以零散块状水平分布,而在垂直剖面上呈“馒头”状分布。统计结果还发现青藏高原上对流活动较周边地区活跃,高耸的对流活动所形成的“云塔”如同“天梯”,使得低层大气中的高水汽含量和低臭氧含量空气向高空输送,进而造成对流层上部和平流层低层水汽大值区和臭氧低值区。     

TRMM 卫星降水数据在商洛地区的精度分析及订正

利用商洛地区193 个国家和区域气象站点实测降水数据，从时间和空间尺度，运用相关分析、偏差、均方根误差等统计分析方法对 TRMM 卫星 3B43 v7降水数据在商洛地区的适用性进行了分析，在此基础上采用比值系数法对TRMM 卫星月降水产品进行订正。结果表明：①在时间尺度上，TRMM 月降水数据与站点实测月降水数据线性高度相关，TRMM 降水数据低估站点实测降水数据。②对月、季和年尺度的TRMM和站点降水量进行比较，决定系数R２均在0.8以上，拟合优度较高，季降水量结果拟合结果较月降水量有所提高。③利用比值系数法对TRMM降水量产品进行偏差订正，验证结果表明，订正后的TRMM 3B43月降水结果偏差更小，决定系数更高。TRMM 降水精度与降水强度和地形有关，TRMM月降水量与实测月降水量时间序列趋势一致，拟合性较高，分布规律相一致。总体上，降水量多的年份，TRMM 数据倾向于低估降水量，反之，高估站点降水量。通过对TRMM 卫星降水产品在商洛地区的精度评估和订正，为该地区地面降水数据提供有效补充。     

多套格点降水资料在云南及周边地区的对比

利用1979—2006年云南及周边地区148个测站月降水资料 (简称为STN) 与APHRO (日本APHRODITE高分辨率逐日亚洲陆地降水数据集)、GPCC (全球降水气候中心的月降水合成数据)、CRU (英国East Anglia大学提供的月降水要素数据集)、CMAP (雨量资料与卫星估计及NCEP/NCAR再分析降水场合并分析月数据)、GPCP (全球降水气候中心研制的全球陆地雨量计观测分析月数据) 5套格点降水资料,分析了云南及周边地区气候特征。结果表明:5套格点降水资料空间分布与STN基本一致。EOF第1模态空间场分布也表明:这5套格点降水资料与STN空间分布特征较为一致,但5套格点降水资料在滇南、滇西北、滇川黔交界的3个区域的分布与STN有较大不同,各套资料的EOF第1模态时间序列、与STN的相关系数及均方根误差均随时间不同呈较为一致的波动性;在降水空间分布、相关系数及均方根误差3个方面,APHRO适用性最好,GPCC次之,CMAP与GPCP无明显差别,CRU最差,其中APHRO,GPCC在对降水估计偏低,CRU对降水估计总体略高,CMAP略低,GPCP对降水估计则明显偏高。     

基于时空结构指标的中国融合降水资料质量评估

引入空间、时间技巧评分以及结构函数3种指标,通过对比中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料和美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水资料(CMORPH)、热带测雨卫星反演降水资料(TRMM)在中国区域的适用性和误差分布,着重考察融合降水资料的质量。结果表明,中国区域平均的融合降水资料时空精度远高于CMORPH和TRMM卫星降水资料,且融合资料和卫星资料在夏季的质量优于冬季;在中国东南区域的模拟精度普遍好于西部地区,融合降水质量最高的两个区域为江淮和华南,较差的区域则在青藏高原和西北地区。融合后降水资料比融合前CMORPH卫星降水在空间及时间技巧评分均有较大提高,其提高幅度冬季大于夏季。通过计算结构函数,发现在中国江淮、华南、华北和东北等地区,随着网格区域内任意两点距离的增大,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近。在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数则偏离较大。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,高密度观测资料尤为重要。江淮、华南、华北地区的融合降水结构函数曲线增长率大于东北,也从侧面反映江淮、华南、华北地区降水分布的非均一性比东北强,降水可能受中小尺度天气系统影响较大。     

TRMM和CMORPH卫星资料对三峡库区降水的评估分析

利用1998—2016年TRMM和CMORPH两种遥感卫星资料降水和同期三峡库区气象观测站数据,通过比较干、支流和远、近库区气象站点的降水变化和蓄水前后降水量、雨日、降水强度和频率等变化特征,分析评估了基于两种卫星遥感降水和测站降水的三峡库区局地降水变化。结果表明:库区TRMM和CMORPH卫星降水年际变化特征总体上与气象观测站相符,反演效果在日尺度TRMM略逊于CMORPH,在季尺度CMORPH略逊于TRMM;两种卫星资料对冬季降水反演效果都偏弱。三峡库区干流和支流站点的降水变化总体一致,干、支流各站点降水量均具有较强的年际变化特征。TRMM相比CMORPH更能重现干、支流测站降水的年际变化特征,CMORPH降水年际波动振幅总体上比测站偏大。蓄水前后时段(1998—2003年与2004—2016年)对比,从不同等级降水的强度和雨日、季节降水频率和总量等变化反演效果来看,CMORPH资料分布相比TRMM更接近测站的变化趋势,反演效果略优于TRMM;但两种卫星资料的降水频率和降水量分布与测站的误差在蓄水前后变化都不明显。此外,气象测站、TRMM、CMORPH资料都表现出蓄水后三峡远、近库区年降水量的比值呈平稳波动状态,表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化。     

基于TRMM PR探测的夏季合肥地区降水特征分析

利用热带测雨卫星TRMM搭载的测雨雷达（PR）1998-2012年的观测资料,研究了合肥地区夏季（6、7、8月）不同类型降水的降水强度和频次的水平空间分布、降水垂直结构、日变化特征以及气候变化等特征,揭示了城市化效应造成城市及其周边区域降水特征在时空上的分布差异。研究结果表明,（1）主城区对流和层云降水强度低于周边区域,对流降水频次也低于周边区域,但层云降水频次则相反。可见城市化发展是改变降水的空间分布的因素之一,且对不同的降水类型空间分布影响不同。（2）主城区降水回波信号高度高于周边区域,而降水强度低于周边区域,表明城市效应促进降水云发展而未造成降水强度增强。（3）合肥地区对流和层云降水的强度和频次日循环存在时空分布不均匀性,其中城区的对流降水强度和频次日循环与城市热岛效应日循环具有一致性。总体来看,城市化对局地降水强度影响较大,而对局地降水频次的总体影响不是很明显。（4）通过降水气候变化分析表明,城区两种类型降水强度和频次均呈逐年下降趋势,周边区域降水强度呈不显著上升趋势,降水频次呈逐年下降趋势,其中层云降水频次下降趋势较显著。城市化进程使得城市及其周边区域降水不均匀性逐年增强。极端降水空间分布特征分析表明,城市周边区域强降水频次高于主城区,尤其在城市的下风区高出主城区75%;而周边区域弱降水发生的频次低于主城区,城市下风区最低,低于主城区约18%。     

华南后汛期极端降水特征及变化趋势

利用中国国家气象信息中心提供的华南89个代表站1969-2008年逐日降水资料,对华南后汛期（7-月）极端降水时空演变特征进行研究。结果表明：多年平均总降水量、强降水量、降水频率、强降水频率以及暴雨频率与强降水量阈值空间分布一致,广东和广西的南部及福建西南部为大值区;强降水量、降水频率及暴雨频率很大程度影响着华南后汛期总降水量的空间分布。强降水量、强降水频率、暴雨频率对后汛期总降水量的时间变化有很好的指示意义。华南后汛期极端降水在1992--1993年发生一次明显的年代际转折,1993年以来各指标的均值（除降水频率外）和方差均显著增加,华南发生极端旱涝的情况增多。另外,转折前后两个时段的总降水量、降水频率均呈减小趋势,但减小显著的区域有一定差异。     

雨量计与星载测雨雷达资料结合的降水估算方法

利用华东地区97个气象站点,1998—2012年逐月降水资料和TRMM卫星降水产品,基于卫星结合雨量计降水估算方法,并考虑海拔高度对降水的影响,对华东地区的降水进行估算,得到研究区域降水的时空分布情况。通过误差验证,发现估算值与站点实测值之间具有较好的一致性,并且1、4、10月的估算值要好于7月的估算值。总体而言,该方法能够对华东地区进行较好的降水估算,并且能够反映研究区域的降水空间分布情况。     

中国中东部区域TRMM降水产品降尺度研究及其时空特征分析

该研究以中国中东部区域(17°～50°N,98°～135°E)为研究范围,在前人研究基础上,根据水汽与降水之间的关系,基于MOD05水汽产品,采用偏最小二乘法,对中国中东部区域2001—2010年10 a平均TRMM3B43_V 7月降水产品进行降尺度,旨在得到空间分辨率为1 km×1 km的月降水空间分布。通过比较分析,发现该降尺度模型能大幅提高TRMM产品空间分辨率,估算结果平均相对误差为15.35%,与地面观测较接近,能体现中国中东部区域降水宏观分布趋势,且估算结果精度高于前人基于归一化植被指数(NDVI)的降尺度模型,能满足降水产品的精细化需求。     

Evaluating the performance of remote sensing precipitation products CMORPH,PERSIANN, and TMPA,in the arid region of northwest China

The arid region of northwest China is a large area with complex topography. Hydrological research is limited by scarcity and uneven distribution of rain gauges. Satellite precipitation products provide wide coverage and high spatial–temporal resolutions, but the accuracy needs to be evaluated before application. In this paper, the reliability of four satellite precipitation products (CMORPH [Climate Prediction Center’s morphing technique], PERSIANN [Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks], TRMM [Tropical Rainfall Measuring Mission] 3B42, and TRMM 3B43) were evaluated through comparison with ground data or reported values on daily, monthly, and annual scales from 2003 to 2010. Indices including frequency bias index, probability of detection, and false alarm ratio were used to evaluate recorded precipitation occurrences; relative mean bias, the correlation coefficient, and the Nash coefficient were used to assess precipitation amount. Satellite precipitation products were more accurate in the warm than in the cold season, and performed better in northern Xinjiang than in other regions during the cold season. CMORPH and PERSIANN tended to overestimate precipitation. TRMM 3B42 and TRMM 3B43 performed best because the former most accurately detected precipitation occurrences on a daily scale, and both produced accurate space–time distribution of precipitation and the best consistency with rain gauge observations. Only a few monthly precipitation values for TRMM 3B42 and TRMM 3B43, and annual precipitation values for TRMM 3B42 were with satisfactory precision. TRMM3B42 and TRMM 3B43 are therefore recommended, but correction will be needed before application. Factors including elevation, relative relief, longitude, and latitude had significant effects on the performance of satellite precipitation products, and these factors may be helpful in correcting satellite precipitation.     

Accuracy of TRMM precipitation data in the southwest monsoon region of China

Accurate, high-resolution precipitation data is important for hydrological applications and water resource management, particularly within mountainous areas about which data is presently scarce. The goal of the this study was to assess the accuracy of TRMM 3B43 precipitation data from the southwest monsoon region of China between 1998 and 2011 based on the correlation coefficients, regression, and geostatistical methods. We found a strong correlation between TRMM 3B43 data and observational data obtained from meteorological stations, but the TRMM 3B43 precipitation data was consistently lower than that obtained from the weather stations. The TRMM 3B43 data was significantly different from the data obtained by weather stations located in the northwest and northeast regions of the Hengduan Mountains. The spatial distribution of precipitation obtained from TRMM 3B43 was also different from meteorological data, but the deviation was predominantly distributed along the northern longitude and southern latitude. In addition, the TRMM data more accurately reflected the regional precipitation patterns. Our results indicate that the TRMM 3B43 data should be used for hydrological applications and water resource management at meteorological stations that have a sparse and uneven distribution of observation stations in the southwest monsoon region.

     

广西TRMM降雨产品多时间尺度精度评估

集合不同观测降水数据优势,获取更为精细化降水产品,可以更好地再现区域降水时空异质性,这也使得多源降水数据精度评估、校正及融合应用成为当前研究热点。从降雨时空一致性、降雨量误差、日降雨事件探测能力方面对广西TRMM降雨产品进行了精度评估,并对比分析了TRMM对干旱的评估效果。结果表明:（1）广西TRMM降雨产品与气象站观测降雨存在显著的时空相关性,日尺度相关系数最低为0.5~0.6,月、年尺度相关系数则均在0.7以上;（2）广西TRMM降雨量总体略偏大,其相对偏差主要在0~10%;（3）TRMM产品在广西地区的日降雨事件探测能力优于全国平均水平,尤其在强降雨月份POD>0.75,但也存在降雨量较少的冬季月份准确率显著下降的现象。（4）TRMM降雨产品在广西干旱强度监测方面,能够揭示区域干旱的时空尺度效应和强度累积效应,具有比有限地面站点数据更精细化的空间异质性表达。相关成果有望促进区域多源降雨数据的校正及融合应用研究,为区域更有效的旱涝灾害评估、预报预警等提供科学支撑。      

基于TRMM数据的秦巴山区降水特征分析

本文利用1998～2015年TRMM卫星3B42的日降水资料，对秦巴山区的年降水量、季降水量、各个等级降雨日数、整个区域降水量的年际变化和季节变化进行了统计，同时还对各个不同降水类型的倾向率进行了统计，再根据他们的时空分布进行分析。结果表明:1)1998～2015年秦巴山区年平均降水量从东南到西北呈现依次递减的变化特征且呈带状分布, 山区南部的降水量明显高于北部，山区东西部降水差别不大；2)四个季节的平均降水均呈现“南高北低”的空间分布特征；3)无雨日数在整个山区呈增大的趋势，小雨日数在整个山区呈减少的趋势，中雨日数除山区东南外呈增大的趋势，大雨日数除重庆、河南、四川北部外基本呈增大的趋势，暴雨日数除山区东西部暴雨日数减少外其他地方都呈增加的趋势；4)整个山区年降水量随着时间的增长在缓慢的增多。      

A new method to compare hourly rainfall between station observations and satellite products over central-eastern China

This study employs a newly defined regional-rainfall-event (RRE) concept to compare the hourly characteristics of warm-season (May-September) rainfall among rain gauge observations, China merged hourly precipitation analysis (CMPA-Hourly), and two commonly used satellite products (TRMM 3B42 and CMORPH). By considering the rainfall characteristics in a given limited area rather than a single point or grid, this method largely eliminates the differences in rainfall characteristics among different observations or measurements over central-eastern China. The results show that the spatial distribution and diurnal variation of RRE frequency and intensity are quite consistent among different datasets, and the performance of CMPA-Hourly is better than the satellite products when compared with station observations. A regional rainfall coefficient (RRC), which can be used to classify local rain and regional rain, is employed to represent the spatial spread of rainfall in the limited region defining the RRE. It is found that rainfall spread in the selected grid box is more uniform during the nocturnal to morning hours over central-eastern China. The RRC tends to reach its diurnal maximum several hours after the RRE intensity peaks, implying an intermediate transition stage from convective to stratiform rainfall. In the afternoon, the RRC reaches its minimum, implying the dominance of local convections on small spatial scale in those hours, which could cause large differences in rain gauge and satellite observations. Since the RRE method reflects the overall features of rainfall in a limited region rather than at a fixed point or in a single grid, the widely recognized overestimation of afternoon rainfall in satellite products is not obvious, and thus the satellite estimates are more reliable in representing sub-daily variation of rainfall from the RRE perspective. This study proposes a reasonable method to compare satellite products with rain gauge observations on the sub-daily scale, which also has great potential to be used in evaluating the spatiotemporal variation of cloud and rainfall in numerical models.     

Ground-Based Radar Reflectivity Mosaic of Mei-yu Precipitation Systems over the Yangtze River–Huaihe River Basins

The 3D radar reflectivity produced by a mosaic software system, with measurements from 29 operational weather radars in the Yangtze River–Huaihe River Basins(YRHRB) during the mei-yu season of 2007, is compared to coincident TRMM PR observations in order to evaluate the value of the ground-based radar reflectivity mosaic in characterizing the 3D structures of mei-yu precipitation. Results show reasonable agreement in the composite radar reflectivity between the two datasets,with a correlation coefficient of 0.8 and a mean bias of -1 dB. The radar mosaic data at constant altitudes are reasonably consistent with the TRMM PR observations in the height range of 2–5 km, revealing essentially the same spatial distribution of radar echo and nearly identical histograms of reflectivity. However, at altitudes above 5 km, the mosaic data overestimate reflectivity and have slower decreasing rates with height compared to the TRMM PR observations. The areas of convective and stratiform precipitation, based on the mosaic reflectivity distribution at 3-km altitude, are highly correlated with the corresponding regions in the TRMM products, with correlation coefficients of 0.92 and 0.97 and mean relative differences of -7.9% and -2.5%, respectively. Finally, the usefulness of the mosaic reflectivity at 3-km altitude at 6-min intervals is illustrated using a mesoscale convective system that occurred over the YRHRB.