Evaluation of precipitation products over complex mountainous terrain: A water resources perspective

The availability of in situ measurements of precipitation in remote locations is limited. As a result, the use of satellite measurements of precipitation is attractive for water resources management. Combined precipitation products that rely partially or entirely on satellite measurements are becoming increasingly available. However, these products have several weaknesses, for example their failure to capture certain types of precipitation, limited accuracy and limited spatial and temporal resolution. This paper evaluates the usefulness of several commonly used precipitation products over data scarce, complex mountainous terrain from a water resources perspective. Spatially averaged precipitation time series were generated or obtained for 16 sub-basins of the Paute river basin in the Ecuadorian Andes and 13 sub-basins of the Baker river basin in Chilean Patagonia. Precipitation time series were generated using the European Centre for Medium Weather Range Forecasting (ECMWF) 40 year reanalysis (ERA-40) and the subsequent ERA-interim products, and the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research reanalysis dataset 1 (NCEP R1) hindcast products, as well as precipitation estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks (PERSIANN). The Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) 3B42 is also used for the Ecuadorian Andes. These datasets were compared to both spatially averaged gauged precipitation and river discharge. In general, the time series of the remotely sensed and hindcast products show a low correlation with locally observed precipitation data. Large biases are also observed between the different products. Hydrological verification based on river flows reveals that water balance errors can be extremely high for all evaluated products, including interpolated local data, in basins smaller than 1000 km². The observations are consistent over the two study regions despite very different climatic settings and hydrological processes, which is encouraging for extrapolation to other mountainous regions.     

中国大陆TMPA降水产品气候态的评估

利用逐日全国降水分析产品,对2012年12月下旬发布的最新版本的TRMM等多源卫星降水估算产品（TMPA）进行评估, 评估时间从2008年9月到2012年8月。从评估结果来看,研究产品3B42V7产品与CPAP产品具有高的相关性,两者的相关系数达到了0.94,相对误差在-0.11％左右,标准偏差约为0.53 mm·d-1。实时产品3B42RT产品与CPAP产品的相关性相对较差,相关系数为0.75,相对误差也上升到了39.3％,标准偏差为1.25 mm·d-1。3B42RT产品在我国西部高估了降水,全年的相对误差为116.60％（春夏秋冬四季分别为104.52%、 105.73%、117.64%和326.60%）;3B42V7产品的相对误差仅为0.82 %（春夏秋冬四季分别为2.25%、1.24%、-5.27%和-24.64%）。     

中国西北干旱区TRMM遥感降水探测能力初步评价

西北干旱区雨量站点稀少且分布不均,为水文过程研究带来一定困难。TRMM遥感降水数据覆盖范围广、时空分辨率高,是很有潜力的降水替代品,但其在西北干旱区应用的可靠性需要评价。对TRMM网格降水量与地面实测降水量在日尺度和月尺度上进行比较,通过FBI（frequency bias index）、POD（probability of detection）、FAR（false alarm ratio）、偏差和相关系数等指标分析TRMM对降水的探测能力。结果表明：TRMM对降水的探测能力因区域、海拔和冷暖季而异,月时间尺度上TRMM对降水事件的发生频率和降水量的估计比日时间尺度更为准确,但二者探测能力都非常有限;76个格点中,日降水的[FBI]值都远离最优值1,POD值和FAR值则分别在0.72以下和0.37以上,离最优值较远,相关系数几乎都在0.4以下,只有14个格点的偏差在±10%之间,其余格点最大偏差高达389%。最多有9个格点的月降水[FBI]值达最优,14个格点的POD值达最优,24个格点的FAR值达最优,67个格点的相关系数在0.4以上,14个格点的偏差在±10%之间,只有极少数格点的全部指标都在可接受范围之内,多数站点是某些指标达最优值,而某些指标在可接受范围之外。总体来讲,TRMM遥感降水数据在西北干旱区难以直接应用,需要进一步纠正处理。     

TRMM/PR资料在中尺度模式中的应用

将中尺度非静力模式MM5中的积云参数化Grell方案作了改进,使它含液态水含量,并用该模式对1998年6月29日08：00～30日08：00(北京时,下同)和7月1日08：00～2日08：00发生在淮河流域的两次特大暴雨进行数值模拟研究,同时通过采用不同高度上的Z—qr关系式将TRMM／PR(Tropical Rainfall Measuring Mission／Precipitation Radar)雷达得到的反射率资料计算出比含水量qr,然后用qv=qv qr取代原模式中的比湿qv。结果表明,将TRMM／PR雷达资料加入模式后,由于PR雷达具有较高的空问分辨率,能够很好地反映中小尺度系统的空间结构,使湿度值接近实际,缩短了中尺度系统的发展时间,使得模拟出来的降雨强度、雨量中心位置以及雨带形状更接近实况。     

闪电的光辐射能分布特征

对TRMM卫星上装载的闪电成像仪(LIS)所获取的闪电光辐射能进行了分析,发现在不同地区和不同的空间、时间尺度上闪电光辐射能都很好地遵循对数正态分布。文中利用了一个国际上公认的一维雷暴云起电和放电模式,对闪电放电中和的电荷量进行了数值模拟。蒙特卡罗算法表明,闪电放电所中和的电荷量也遵循对数正态分布,云中的软雹浓度、破碎系数、温度递减率、放电的电场阈值等参量的综合作用可以对其进行较好的解释,而其中任意一种参量的单独作用则不然。     

TRMM/PR与香港雷达资料对比分析

1999年8月23日，“Sam”台风在香港及其邻近地区造成暴雨。将热带降水测量卫星（TRMM）上降水雷达（PR）测到的降水率及雷达反射因子与香港雷达测量的相应值进行了对比分析，总的来说，它们之间有很好的一致性。在对比分析过程中，采取了两种方法：平均法和最佳匹配法。用最佳匹配法所得到的相关系数明显大于平均法。另外，当所测雨区与香港雷达距离小于100km时相关系数较大。PR测量的雷达反射因子大于香港雷达的测量值，两者的差值随距离的增加而增大。在PR测量的雷达反射因子小于20dB时，香港雷达测量值较大，反之PR测量值较大，两者之间的差值随PR测量值的增加而增大。     

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风“艾利”降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) 再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风“艾利”发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。     

TRMM 3B42降水产品在秦巴山区的适用性研究

利用1999～2016年秦巴山区范围内的81个气象站实测逐日降水资料,对TRMM 3B42卫星降水数据在秦巴山区的适用性进行了评估。结果表明:TRMM 3B42数据在月、季、年尺度上具有较高的精度,3～11月精度较高,1月略低,四季中冬季精度较低。TRMM所反映的降水变化过程与实测降水过程基本一致,但在降水量上存在一定差异,TRMM有略微高估降水的特征。按不同雨量等级对比,发现卫星资料对中雨及以上级别的降水具有较高的精度,无雨及小雨精度略低,原因是TRMM对0.1～0.9mm微量降水的探测能力较弱。无雨、小雨、暴雨日TRMM估计与站点实测具有相反的年际变化趋势,中雨、大雨日具有相同的年际变化趋势。研究结果对秦巴山区资料缺乏地区的气象过程研究具有重要的应用价值。     

中南半岛地区夏季降水日变化特征

利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)3B42RT和3G68 PR 1998-2005年8 a的观测资料,研究了中南半岛地区夏季(6-8月)降水日变化特征.结果表明:整个夏季,中南半岛西侧沿海和长山山脉西侧迎风坡为降水大值区和降水日方差大值区.陆地上平原地区和远海海面降水主要出现在16-19LST(local standard time);沿海海面在07-10LST达到降水最大值.降水在白天由沿海分别向内陆和远海海面传播;夜间,降水从远海海面向沿海地区回传,但没有发现内陆向沿海地区回传.长山山脉西侧迎风坡的一南一北两个区域,表现出明显不同的降水日变化特征,其原因与降水的传播有关.01-04LST,降水大值区出现在泰国湾东部沿海,并向中南半岛岛内传播,16-19LST在长山山脉西南侧形成降水大值区,之后降水进一步沿山脉向西北传播,并于次日01-04LST传到长山山脉西北侧区域,通过降水的这种传播特征从而导致长山山脉迎风坡一侧不同的降水日变化特征.     

地基雷达与TRMM/PR的一致性分析

天气雷达对中小尺度灾害性天气具有较强的监测预警能力,对研究中小尺度对流系统的云雨结构、理解降水内部的热力学和动力学过程有很大的帮助。单站点地基雷达受到诸如电磁波衰减、地物干扰等影响,在探测上存在一些限制。为了扩大天气雷达探测区域,需要采用多部天气雷达组网联合探测。然而雷达组网的各雷达之间没有进行统一标定,影响雷达网资料一致性、组网拼图,以及使雷达资料在数值模式同化的应用中受到限制。本文以TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的经过精确标定的测雨雷达PR(Precipitation Radar)数据产品作为标准参照源,订正地基雷达GR(Ground-based Radar)的反射率因子偏差。为了减小PR与GR之间观测值对比的不一致性,利用最佳配对数据对比法(ABCD, Available Best Comparable Dataset法),对2008年1月至2014年9月间,江苏省六部地基雷达(南京、常州、连云港、南通、徐州、盐城)的反射率因子值进行订正。最后对方法的应用范围、存在的问题及未来展望进行了讨论。