GPM双频降水测量雷达对降雪的探测能力分析

以双频降水测量雷达为主载荷的GPM卫星于2014年2月发射升空。由于轨道倾角以及仪器通道的设置,大大提升了对弱降水和降雪的探测能力。通过四次降雪个例,分析比较了双频降水测量雷达的三种扫描模式(Ku,KaMS和KaHs)对降雪探测能力的差异。结果表明:DPR相态产品和地面实际观测结果比较一致,固态降雪温度<-0.5℃并且降雪发生时的风暴顶高度大多<6 km。Ku波段雷达由于仪器灵敏度的大幅提高.对降雪的综合探测能力最强,而KaMs和KaHS也具有特定的作用。此外,为了保证衰减订正的精度,和非降雪部分的衰减相比,需要主要提高降雪衰减尤其是混合相态湿雪的衰减订正精度。

一种星载降水测量雷达和地基天气雷达的频率修正方法

通过结合全球降水测量卫星(GPM)反演算法中用到的0℃层亮带模型以及米散射计算,生成了固态、液态以及混合相态3种降水情况下的散射函数查算表;通过与GPM实测数据的对比,验证了查算表的精度,表明散射计算的最大偏差小于0.5 dB。基于该查算表,完成了星载Ku波段雷达到S波段雷达的频率修正。对散射函数的分析表明:Ku波段到S波段的频率修正取决于相态以及谱参数(D_(m))。其中,液态降水的频率修正量以负为主,最大不超过-3 dB。混合相态降水的频率修正量随着0℃层亮带高度的不同差异非常明显。固态降水的频率修正在不存在0℃层亮带时均为正,存在0℃层亮带时则随着温度的变化而显著变化。该方法可用于实现星、地不同波段雷达之间的频率修正,为星载雷达探测精度的一致性检验提供有效支撑。

基于MGWR模型的黄河流域GPM卫星降水数据降尺度研究

黄河流域地域广阔,但气象站点分布较少,导致气象资料短缺。卫星降水可以作为气象站点观测的重要补充,但其空间分辨率有限,导致其在区域研究中作用有限。以黄河流域作为研究区域,针对全球降水观测计划(GPM)卫星降水产品,以2002、2012年和2020年降水数据作为干旱年、标准年以及湿润年3个典型气候年份,在综合考虑归一化植被指数(NDVI)、数字高程模型(DEM)、坡度(Slope)、地表温度(LST)和风速(WDS)多种反映降水量空间分布特征的影响因子及其空间非平稳性特征的基础上,采用地理加权回归(GWR)模型、混合地理加权回归(MGWR)模型2种降尺度方法,得到了黄河流域1 km空间分辨率的降尺度降水数据,并进一步通过地面气象站点数据对降尺度结果进行验证。结果表明:(1)GPM年降水数据与地面气象站点观测数据在2002、2012年和2020年的黄河流域地区具有较高的相关性。(2)经MGWR模型降尺度的降水数据空间分辨率得到了显著提高,且在降水变化的空间细节表达方面较GWR模型更优。(3)在3个典型气候年份中,MGWR模型在降水量标准年中相对于GWR模型具有更高的准确性。研究结果能够为相关区域范围的降水降尺度研究提供宏观参考与借鉴,促进区域气候水文研究。

2001–2020年中国广西及东盟区域1 km分辨率降尺度月度降水数据集

中国广西及东盟区域位于亚洲东南部,同属亚热带季风气候,降水充沛,洪涝灾害频发,直接影响社会经济活动,高分辨率、高精度降水资料可有效支撑区域水资源、农业、灾害及生态等管理和研究。本研究以2001–2020年全球降水观测计划降水数据(GPM IMERG)为因变量,结合中分辨率成像光谱仪(MODIS)增强植被指数(EVI)、地表蒸散发(ET)、地表温度(LST)、先进星载热发射和反射辐射仪(ASTER)海拔(ELV)等解释变量,引入考虑变量随地理环境影响变化的地理加权回归(GWR)模型,构建空间分辨率为10 km的年尺度模型,经过测试选取验证精度良好的指数核函数。通过回代,基于空间分辨率为1 km的解释变量,构建了2001–2020年中国广西及东盟区域1 km年度降水数据集,并进一步采用比例指数法获得研究区2001–2020年1 km月度降水数据集。采用2001–2020年2679个地面观测站点数据对降尺度数据集进行验证,相关系数、均方根误差和偏差分别为0.792、74.610mm、-0.122%。本数据集能够有效反映1 km分辨率下的降水时空分布及其差异性,可广泛应用于水资源、农业、生态环境、灾害模拟等研究领域。

GPM卫星降水数据在广东的适用性分析

为评估全球降水观测(GPM)卫星降水数据在广东地区的适用性,利用广东省86个国家地面站点实测降水数据,选用5个评价指标从降水误差、季节平均降水量等方面进行精度验证。结果表明:(1)GPM卫星降水数据与站点实测数据相关性随时间尺度增加呈递增趋势,探测能力在月尺度上表现较好。(2)GPM卫星降水数据在季节尺度上对平均降水量有一定的表征能力,但季节间有明显差异,在夏季表现较差。(3) GPM降水数据受气候、地理位置和地形等因素影响较大,降水精度易受影响。

利用地面双偏振雷达检验GPM_DPR降水测量华北地区适用性初探

全球降水测量(GPM)计划核心观测卫星已于2014年7月发射升空,地面验证是验证卫星探测能力的必备工作。主要是利用北京顺义地区的双偏振X波段雷达,并结合地面雨滴谱仪观测,对GPM双频雷达数据进行地面验证。实验着重于GPM卫星数据和地面X波段双偏振雷达数据之间进行交叉对比,利用地面雷达产生的降水测量评估卫星降水测量。结果表明,卫星和地面雷达反射率因子有较好的一致性,但降水产品存在明显的差异,有待进一步分析研究。

1998～2010年全球中低纬度降水时空特征分析

基于1998～2010年热带降雨测量(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星3B43资料在像元尺度进行Mann-Kendall非参数检验,计算Hurst指数,绘制降水"月历"与演化态势图谱。分析全球中低纬度降水时空特征,结果表明:全球中低纬度降水主要集中在夏季和冬初且各月降水的年际波动比较明显;全球中低纬度降水呈现由低纬向中纬递减的趋势,海洋降水明显多于陆地,海陆梯度特征显著;月尺度降水大部分地区为增加(或减少)但统计不显著的趋势,同时绝大部分地区具有显著的长程自相似性;12月份降水变化态势的空间差异明显强于其它月份,而3月份则最不明显;季节尺度98%以上的地区降水具有显著的长程自相似性,季节演化态势表现出极强的空间差异性。

台风“温比亚”影响山东期间GPM资料的降水分析

为研究GPM(Global Precipitation Measurement)资料对台风雨带降水结构的探测能力,利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。结果表明:台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水;台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度,基本在7 km以上,最大雨顶高度达到15 km;台风螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主,其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系,对流云的平均降水率是层云的3倍左右,对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区;台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比,具有数量多、密度大、高度高的特点,这与台风螺旋雨带中对流发展旺盛有关;2A-DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。研究结果为用GPM产品估测降水结构提供了参考依据。

我国首颗降水星——风云三号G星任务概况

1引言,2023年4月16日,我国首颗降水测量卫星风云三号G星(又称降水星)搭乘长征四号乙遥五十一运载火箭,在酒泉卫星发射中心成功发射,标志着我国成为全球唯一同时业务运行上午、下午、晨昏、倾斜4条轨道极轨卫星的国家。降水是地球气候系统能量和水循环的重要过程,对降水系统瞬时结构和全球分布特征的认识,是人们理解全球气候变化的重要内容。地球气候系统的降水过程主要发生在热带,气象卫星是实现热带降水探测唯一有效的技术手段。

多种特征因子结合GBDT的降水数据降尺度方法研究

结合增强型植被指数(EVI)、大气可降水量(PWV)、地表温度(LST)、坡度(Slope)、坡向(Aspect)、海拔(Altitude)及经纬度(LON,LAT)提出了一种基于机器学习算法结合站点数据校正的降尺度框架.分析了前馈神经网络(FNN)、随机森林(RF)、梯度提升决策树(GBDT)在长江流域GPM IMERG数据空间降尺度过程中的鲁棒性差异;考虑了2001—2019年不同季节植被对降水降尺度结果的时滞效应;探究了降尺度数据对GPM的校正效果与降水量的关系.通过站点实测数据对模拟结果进行精度分析,结果表明:3种降尺度结果在得到1km空间分辨率降水数据的同时,也不同程度提高了数据的精度.其中,GBDT模拟结果对降水细节特征表达更明显,可以很好地反应降水的空间异质性.并且它在年、季时间尺度上模拟的结果在各研究区内的精度均为最优(年R^(2)=0.748~0.958,季R^(2)=0.518~0.909),有更好的降水捕获能力和更强的模型鲁棒性;春冬季植被的滞后性对GPM降尺度结果的响应最为敏感,最佳滞后期分别为1个月和2个月,夏秋季时滞效应不明显,基本无滞后期;降尺度数据相比原始数据提高的R^(2)与降水量呈正相关,相关系数达到0.630~0.844.

Ku频段星载降水测量雷达脉冲压缩峰值旁瓣电平指标要求的分析研究

根据全球地表后向散射系数的概率统计分布,定量分析Ku频段星载降水测量雷达脉冲压缩峰值旁瓣电平与其干扰距离单元数之间的关系,提出通过倾斜雷达天线波束扫描平面来降低系统对峰值旁瓣电平指标要求的方法。数值仿真结果表明,当雷达天线波束扫描平面倾角为0°时,脉冲压缩的峰值旁瓣电平(PSL)应小于-70dB;当倾角为2°～3°时,PSL应小于-60dB。

多时间尺度下遥感降水产品与再分析降水产品在海河流域适用性对比分析

为了综合评估热带降雨测量卫星(tropical rainfall measuring mission,TRMM)、全球降水测量计划(global precipitation measurement,GPM)遥感降水产品和MERRA-2再分析降水产品在海河流域的适用性,基于流域内57个气象站点2014年3月—2018年2月期间的逐日实测降水数据,选用相关系数、均方根误差、平均绝对误差、相对误差等评价指标,对比分析三者在海河流域年、季、月多时间尺度观测精度。结果表明:在年、季、月时间尺度上,GPM数据与站点实测数据的相关性均为最优,TRMM相关性均最弱。在3种时间尺度下,MERRA-2再分析数据在海河流域的数据精度最高,GPM次之,TRMM数据误差最为明显。TRMM、GPM在年度、季度降水量上均存在一定的高估现象,TRMM表现出对降水的高估现象更加明显,但是夏季GPM相对误差略高于TRMM数据。总体上,3种降水产品在海河流域均具有较好的适用性,但MERRA-2与GPM在海河流域的适用性较好且优于TRMM,GPM在弱降水观测能力方面较TRMM明显增强,但强降水监测能力仍有待提升。

基于地理加权回归模型的典型山地卫星反演降水产品降尺度研究

降水是陆地水循环的关键变量,高分辨率降水数据的获取是准确模拟陆地水循环过程的前提。虽然卫星反演降水产品具有较强的空间代表性和连续性,但其空间分辨率较低的问题限制了它的应用。以太行山、横断山和喀斯特山区为研究对象,基于降水与高程(DEM)、植被指数(NDVI)之间存在较好相关关系的假设,构建了GPM降水(Global Precipitation Measurement Mission)与高程、植被指数的地理加权回归模型,得到了2014—2016年研究区1km分辨率GPM降水数据。研究结果表明:地理加权回归模型能有效地提高GPM数据的空间分辨率。降尺度后,GPM数据精度在太行山和横断山区略有提高。年尺度上,相比于原始GPM数据,太行山和横断山区降尺度数据站点实测数据的确定系数分别提高了0.06和0.08,RMSE分别降低了0.45%和3.89%,MAE分别降低了0.16%和1.70%;月尺度上,太行山区67%的月份,横断山区83%的月份GPM产品降尺度后更加接近于站点实测数据。喀斯特地区GPM数据降尺度后精度略有下降,降尺度后,年尺度的降雨数据与实测数据的RMSE和MAE分别增加了10.00%和8.00%,R^2降低了0.06,月尺度上仅8月和9月降尺度后的精度更高。降雨与地形和NDVI的关系较弱是喀斯特地区降尺度效果较差的主要原因。

卫星遥感降水的反演、验证与应用综述

降水是全球水和能量循环中最重要的变量之一,利用卫星遥感技术获得大范围、高质量的降水产品成为近几年的研究热点和难点,而目前国内还缺少系统性介绍卫星遥感降水反演、验证与应用的成果。回顾了各类卫星降水传感器,对其特点及相应的经典反演算法进行详细描述;总结了包括TMPA、IMERG在内的典型降水产品,并对其在全球和区域性的效果评估进行了展示。最后介绍了卫星降水产品在洪水监测和预报上的应用案例,并对卫星遥感降水产品的未来发展方向进行了展望。在过去几十年,基于卫星遥感的全球降水产品的生产与应用已经有了较为成熟和稳定的发展,相关研究还将继续着重在获取更高时空分辨率的降水产品、复杂地区的适应性、雨雪相态划分等方面。研究成果旨在促进国内相关研究领域的发展。

GPM双频测雨雷达与C波段雷达资料对比研究

对全球降水测量卫星(GPM)双频测雨雷达(DPR)和C波段双线偏振多普勒天气雷达反射率因子数据进行分类型降水对比研究,以更好地了解二者的差异性和相似性。采用几何匹配法将二者的观测数据进行时空匹配,选取典型个例进行层状云和对流性分类型降水对比研究,并对2016年15对匹配数据进行统计对比分析。通过研究发现,C波段双偏振多普勒雷达与GPM星载双频雷达的相关性很好,总体相关系数达0.81,降水回波基本一致,探测差异较小,其中层状云降水相对对流性降水,两部雷达相关性更好。

长三角地区常用遥感降水产品质量评估

长三角地区是中国经济最发达地区之一,选定较好的卫星降水产品是进行科学防灾减灾的重要环节。基于地面气象站降水实测数据,采用7种指标对目前中外常用遥感降水产品热带降水任务卫星(tropical rainfall measurement mission,TRMM)、气候预测中心校正产品(climate prediction center morphing technique,CMORPH)、全球降水计划数据集(global precipitation measurement,GPM)以及中国自动站与CMORPH降水产品融合数据集(China merged precipitation analysis,CMPA)在长三角地区的适用性进行评估。结果表明:在年尺度,CMPA产品质量最优,相关系数达到0.95;在季节尺度,冬季GPM最优,夏季TRMM最优;平原地区比山区地区的产品质量要好。融合多降水产品的高精度产品未来将成为科学防灾减灾的重要数据。

华南地区几种降水产品的对比分析

对华南地区3种比较常用的降水产品(CMAP、GPCP、TRMM)进行了比较和分析。结果表明,在华南地区,这3种降水产品测出的降雨量在空间上具有一致的大尺度分布特征,在时间演变上具有一致的演变趋势,都能很好地反映雨带的季节性迁移特征和华南汛期的降雨特征;但是在不同的具体区域,三者的细节特征差异还是比较显著的,相比较而言,GPCP和TRMM具有更为一致的空间分布特征;在地形复杂的区域,TRMM具有更良好的表现能力。

CYGNSS信号对降水的时空响应及其驱动因子分析

近年来,星载全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术被广泛应用于地表水文监测,但针对降水,特别是其与飓风全球导航卫星系统(cyclone global navigation satellite system,CYGNSS)信号的响应机制研究仍有限。以中国广东省为研究区域,基于距平指数和相关分析方法,探究不同尺度下研究区2019—2020年逐月的CYGNSS反射率和降水的时空响应关系,综合考虑驱动因子如数字高程模型(digital elevation model,DEM)、坡度、土壤类型、土地覆盖类型和归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),并基于地理探测器分析各驱动因子对CYGNSS信号与降水响应关系的影响力。研究发现:(1)在2019—2020年内,月平均CYGNSS反射率值和降水量均呈现明显的季节性差异,并且二者变化趋势近乎保持同步,这验证了CYGNSS信号在监测降水方面的潜力。(2)随着空间尺度的增大,CYGNSS信号和降水呈现的正相关性逐渐增强。(3)在不同空间尺度下,DEM和坡度较小(地势较平坦)的地区、土地覆盖类型为耕地的区域,以及较低到中等植被覆盖地区的CYGNSS信号和降水之间的正相关性更强。而不同尺度下土壤类型对CYGNSS信号和降水响应关系的影响存在差异。(4)各驱动因子对CYGNSS信号与降水响应关系的影响力按大小依次排序为DEM>NDVI>坡度>土地覆盖类型>土壤类型,并且随着尺度越大,各驱动因子的影响力越强。该研究有助于对地表水文变化进行准确评估,为降水监测和水资源管理提供决策支持。

基于MODIS与GPS的D-InSAR大气延迟改正量提取

受GPS站点密度的限制,利用GPS数据改正D-InSAR中大气延迟误差往往达不到很好的效果。为此,研究了GPS与MODIS联合实现大气延迟改正量提取方法,利用两期GPS观测数据及相应时间的MODIS数据分析GPS-PWV与MODIS-PWV的关系,进一步得到MODIS水汽的校正模型。经过GPS+MODIS算法改正后,大气延迟改正精度为3.618mm,满足形变测量的要求。实验结果表明:在大气状态变化缓慢时,利用GPS结合MODIS数据对D-InSAR大气延迟改正有一定的效果。

基于GPM卫星双频降水雷达的地面降雪识别算法

继搭载在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星上的降水雷达PR(Precipitation Radar)之后,GPM(Global Precipitation Measurement)核心观测平台搭载了全球首个双频降水雷达DPR(Dual-Frequency Precipitation Radar),其对降雪的探测能力备受人们关注.本文基于GPM双频降水雷达的探测数据,以三次降水过程(包含降雪、积层混合性降雨和冬季层状云降雨)为例,利用Ku和Ka双波段三个参量(即测量双频比DFRm垂直廓线斜率、回波顶高、垂直方向上Ku波段最大反射率因子)计算的降雪指数SI(Snow Index)来识别地面降水相态.结果表明,若不使用辅助信息(0℃等温线高度等),利用SI原计算公式能很好地区分夏季降雨和降雪,但较难区分冬季降雨和降雪.为了提高冬季降雨和降雪的分辨效果,改进了反射率因子的质量控制方法,用最小二乘法计算DFRm垂直廓线的斜率,结果显示改进后地面降雪识别结果与地面自动站观测结果有较好的一致性.