陳愛軍 吳雪菲,2 楚志剛
(1 南京信息工程大學 大氣物理學院,南京 210044;2 福建省大氣探測技術(shù)保障中心,福州 350008)
繼熱帶降水觀測任務(wù)TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission)之后,美國航空航天局NASA (National Aeronautics and Space Administration)聯(lián)合日本宇航開發(fā)局JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)于2014年啟動了全球降水觀測GPM (Global Precipitation Measurement)計劃:聯(lián)合GPM核心觀測平臺(Core Observatory)搭載的雙頻(Ka和Ku波段)降水雷達DPR (Dual-frequency Precipitation Radar)和GPM微波成像儀GMI (GPM Microwave Imager),以及來自歐盟、俄羅斯和中國等多個國家和地區(qū)約10顆GPM伙伴衛(wèi)星搭載的多種被動微波和紅外探測器,進一步提高全球降水的觀測能力和精度[1]。
2014年4月,NASA公開發(fā)布GPM多星降水反演產(chǎn)品IMERG (Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM),時間分辨率為30 min,空間分辨率為0.1°×0.1°。IMERG采用改進的多通道物理反演算法GPROF (Goddard Profiling) 2014 (可以反演星載降水及其垂直結(jié)構(gòu)信息)融合多星降水估計結(jié)果。然后,采用基于拉格朗日時間插值技術(shù)的變形卡爾曼濾波(Morphing-Kalman Filter)算法CMORPHKF (Climate Prediction Center Morphing-Kalman Filter)和PERSIANN (Precipitation Estimation fromRemotely Sensed Information using Artificial Neural Networks)云分類系統(tǒng)CCS (Cloud Classification System) (PERSIANN-CCS)再標定方案提高產(chǎn)品的時空分辨率。最后,采用月平均的GPCC (Global Precipitation Climatology Centre)數(shù)據(jù)對融合后的降水估計結(jié)果進行偏差訂正,提高降水產(chǎn)品的精度[2]。
目前,已有大量研究評估IMERG降水估計的精度,大多采用地面雨量計觀測數(shù)據(jù),以小時、日、月或季節(jié)為時間尺度評估IMERG的降水估計精度。例如:ZHANG, et al[3]以小時和日為時間尺度評估了IMERG在青藏高原地區(qū)的降水估計精度,并比較了IMERG與TRMM多星降水分析產(chǎn)品TMPA (TRMM Multisatellite Precipitation Analysis)的差異。XU, et al[4]以日為時間尺度評估了IMERG和TRMM降水產(chǎn)品3B42V7在青藏高原南部的降水估計精度,重點分析了它們與海拔高度的關(guān)系。HE, et al[5]以日時間尺度評估了IMERG和TRMM 3B42V7在湄公河流域上游的降水估計精度。TIAN, et al[6]以小時和日時間尺度研究了IMERG在中國大陸的降水估計精度及海拔高度的影響。CHEN, et al[7]分析了中國大陸地區(qū)IMERG和TRMM 3B43月降水產(chǎn)品的精度。任英杰等[8]分析了不同版本IMERG降水產(chǎn)品在中國大陸地區(qū)日和月時間尺度下的反演精度。陳愛軍等[9]利用地面雨量日分析產(chǎn)品CGDPA (China Gauge-based Daily Precipitation Analysis)研究了IMERG在中國大陸日和季節(jié)降水的精度差異。此外,也有研究采用地面雨量計校準的雷達降水產(chǎn)品評估IMERG的精度。例如:Gaona, et al[10]采用這種方法評估了IMERG Day 1產(chǎn)品的降水估計能力。LI, et al[11]也采用雨量計校準后的雷達估計降水產(chǎn)品和加密雨量計觀測數(shù)據(jù),評估了IMERG在我國贛江流域的1 h降水估計精度。
臺風是熱帶海洋中形成的一種暖性氣旋[12],成熟臺風的直徑可達100~2 000km[13]。登陸臺風給沿海地區(qū)帶來極端降水,極易引發(fā)山體滑坡、泥石流和城市內(nèi)澇等次生災(zāi)害,準確監(jiān)測臺風降水強度,具有重要的社會價值和科學意義[14]。受觀測范圍和地形阻擋等因素的限制[15],天氣雷達(即使組網(wǎng)觀測)也很難完整地監(jiān)測影響范圍較大的臺風降水。比較而言,GPM/IMERG對于監(jiān)測大范圍臺風降水顯然具有較突出的優(yōu)勢。受風切變、海面溫度、邊界層摩擦等環(huán)境因素,以及臺風強度、位置和移動速度等因素的影響,臺風降水強度的時空分布及其變化十分復(fù)雜[16],必然給GPM/IMERG準確監(jiān)測臺風降水帶來較大的挑戰(zhàn)。
目前,已有不少研究關(guān)注IMERG監(jiān)測臺風降水的能力。例如:WANG, et al[17]以日為時間尺度對比分析了2014—2015年IMERG和TMPA 3B42V7在我國沿海地區(qū)8次臺風的降水估計精度,認為IMERG雖然與地面雨量計的一致性更好,但往往低估暴雨中心的降水強度。Omranian, et al[18]以日為時間尺度評估了IMERG在颶風“哈維”影響期間監(jiān)測的降水空間分布特征,認為能夠較好地監(jiān)測暴雨的空間變異性。另外,HUANG, et al[19]評估了2016—2017年我國廣東地區(qū)6次臺風過程中IMERG的降水精度,不過其研究重點是分析被動微波探測器和紅外探測器對IMERG降水反演的影響。不難發(fā)現(xiàn),IMERG對臺風降水中不同強度降水的監(jiān)測能力還有待進一步研究。另外,由于臺風移速各不相同,影響范圍內(nèi)降水的持續(xù)時間必然不同。除了以日為時間尺度,在其它時間尺度上進一步評估IMERG的臺風降水監(jiān)測能力也顯得十分必要。
2016年8月1日19時35分(世界時,下同),第4號臺風“妮妲”在廣東省深圳市大鵬半島以強臺風級別登陸,先后影響我國廣東、湖南、廣西、貴州、云南5省(自治區(qū))33市(自治州)94個縣(市、區(qū))。本文將利用地面加密雨量計觀測數(shù)據(jù),從多個時間尺度分別評估IMERG在臺風“妮妲”影響期間對不同降水強度的估計能力。研究有助于深入了解IMERG在不同時間尺度上的降水監(jiān)測能力,深入了解IMERG監(jiān)測不同降水強度的能力,對于改進IMERG算法,提高其對包括臺風在內(nèi)的降水估計的能力和精度,具有重要的科學意義。
GPM/IMERG包括兩種準實時產(chǎn)品和一種經(jīng)過后期處理的“終級產(chǎn)品”。兩種準實時產(chǎn)品中,一種是觀測后4 h內(nèi)生成的“初期產(chǎn)品”,另一種是觀測后大約12 h提供的“后期產(chǎn)品”。IMERG“終級產(chǎn)品”是觀測后大約兩個半月提供的經(jīng)過全球降水氣候?qū)W中心月度雨量計資料校準的高質(zhì)量再分析產(chǎn)品,是科學研究的首選產(chǎn)品[20]。研究所用IMERG數(shù)據(jù)為NASA提供的IMERG“終極產(chǎn)品”V5B,時間分辨率為30 min,空間分辨率為0.1°×0.1°,采用hdf5格式存儲(http://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm)。
研究選擇臺風影響區(qū)域的地面加密雨量計觀測數(shù)據(jù)評估IMERG不同時長、不同雨強的精度(圖1)。地面加密雨量計觀測數(shù)據(jù)由國家氣象信息中心提供。臺風影響范圍由臺風中心位置和臺風外圍閉合等壓線的半徑確定。臺風中心位置由中國天氣臺風網(wǎng)(http://typhoon.weather.com.cn/)提供的臺風路徑信息獲得,該信息每小時提供一次臺風中心經(jīng)緯度。臺風外圍閉合等壓線的半徑來自美國臺風聯(lián)合預(yù)警中心(Joint typhoon warning center) (https://www.metoc.navy.mil/jtwc/jtwc.html),每6 h提供一次。
圖1 研究區(qū)域示意圖(紅線為2016年8月1日21時—2日21時 臺風“妮妲”的移動路徑;淺藍色小圓點為區(qū)域氣象站站點;深藍色 大圓點為國家氣象站站點;灰色網(wǎng)格為IMERG的格點分布圖)Fig.1The schematic diagram of the study area (The red line shows the moving tracks of typhoon Nida from 21∶00 UTC on 1 to 21∶00 UTC on 2 August 2016; The light blue dot is the site of the regional station; The dark blue dot is the site of the national station; The gray grid is the grid distribution of IMERG)
根據(jù)美國臺風聯(lián)合預(yù)警中心提供的臺風“妮妲”的外圍閉合等壓線半徑,2016年8月2日00時、06時和12時的半徑均為370.4 km。日本新一代靜止氣象衛(wèi)星Himawari-8提供的紅外云圖顯示臺風“妮妲”的影響范圍穩(wěn)定少變,故各時刻均以此作為臺風“妮妲”影響范圍的半徑。
按1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個時間尺度,研究將臺風影響范圍內(nèi)的地面加密雨量計觀測數(shù)據(jù)和IMERG分別處理成對應(yīng)的累計降水量。然后,參照國家氣象中心[21]提供的累計降水量分級標準(表1),將地面加密雨量計觀測的累計降水量分為四個級別:小雨、中雨、大雨和暴雨。
表1 累計降水量分級標準Table 1 The criteria for the cumulative precipitation classification
為了既能最大限度地保持地面雨量計觀測極端降水的時空分布信息,又能獲得足夠的分析樣本,研究采用最近鄰插值法,將IMERG資料插值到與其經(jīng)緯度距離小于0.05°的地面雨量計站點上。不同時間尺度、不同降水量級的實際有效樣本數(shù)如表2所示。
表2 不同時間尺度、不同降水量級的有效樣本數(shù)Table 2 Number of valid samples at different time scales and different rain intensity
圖2 累計降水量和降水量絕對偏差的空間分布:(a) 地面雨量計累計降水量;(b) IMERG累計降水量;(c)累計降水量的絕對偏差Fig.2 Spatial distribution of total rainfall plotted for (a) ground-based gauges,(b) the IMERG, and (c) Bias
研究選擇相關(guān)系數(shù)CC(Correlation coefficient)分析IMERG與地面加密雨量計觀測結(jié)果的時空一致性,并以絕對偏差Bias和相對偏差RB(Relative bias)來定量評估兩者的差異。它們的計算公式如下:
(1)
Biasi=Si-Gi,
(2)
(3)
圖2給出的是2016年8月1日21時—2日21時臺風“妮妲”的累計降水量和絕對偏差的空間分布。臺風“妮妲”24 h累計降水量超過120 mm的強降水中心出現(xiàn)在深圳到江門市的沿海一帶,以及廣西省東南部的梧州、貴港、玉林市的部分地區(qū)。地面雨量計觀測顯示這兩個強降水中心的24 h累計降水量最大超過了200 mm(圖2a)。然而,IMERG觀測到的這兩個強降水中心的24 h累計降水量最大不超過180 mm,顯然,IMERG低估了這兩個區(qū)域累計降水量超過200 mm時的強降水中心(圖2b、c)。另外,結(jié)合圖2c可以看出,IMERG低估降水的區(qū)域主要集中在廣西省的中偏南部地區(qū)和福建省的最南部地區(qū),IMERG高估降水的區(qū)域主要集中在廣東與廣西省的交界線一帶和廣東省的東莞、廣州市地區(qū)。
(1)相關(guān)性分析
圖3 IMERG與地面雨量計不同時長累計降水量的相關(guān)性(黑色實線為1:1線; 紅色實線為一階擬合線):(a) 1 h;(b) 3 h;(c) 6 h;(d) 12 h;(e) 24 hFig.3 The correlation between the cumulative precipitation over different durations from IMERG and the ground rain gauge (a-e are the analysis results of 1, 3, 6, 12 and 24 h, respectively; The black solid line is 1:1 line, and the red solid line is the first-order linear fitting line.)
圖3給出的是臺風“妮妲”影響期間IMERG與地面雨量計不同時長累計降水量的相關(guān)性分析結(jié)果。降水累計時長為1 h、3 h、6 h、12 h和24 h時,兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.36、0.52、0.63、0.72和0.75。這說明IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果的相關(guān)性隨降水累計時長的增加逐漸變好。其次,降水累計時長為1 h、3 h、6 h、12 h和24 h時兩者對應(yīng)的一階擬合系數(shù)分別為0.27、0.45、0.58、0.72和0.81,說明隨著降水累計時長的增加,IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果的一致性越來越好,這意味著,降水累積時長會影響IMERG降水產(chǎn)品的估計精度。同時注意到,降水強度較小時,擬合線均位于對角線上方,說明此時IMERG存在一定程度的高估;降水強度較大時,擬合線位于對角線下方,說明此時IMERG低估了地面雨量計的降水強度。這說明IMERG產(chǎn)品算法仍需要改進以更準確的觀測到微量降水和強降水事件。(2)偏差分析
圖4給出的是IMERG與地面雨量計不同時長累計降水量的相對偏差分析結(jié)果。降水累計時長為1 h時,IMERG與地面雨量計的相對偏差極大值接近400%,上四分位數(shù)(75%)約為160%,下四分位數(shù)(25%)約為-15%,中位數(shù)約為45%,說明兩者不僅相對偏差嚴重,而且隨機誤差較大。隨著降水累計時長的增加,兩者相對偏差的極大值、上四分位數(shù)和中位數(shù)均逐漸減小,降水累計時長為3 h、6 h、12 h和24 h時,兩者相對偏差的極大值分別為370%、358%、329%和210%,上四分位數(shù)分別為139%、134%、124%和75%,中位數(shù)分別為39%、38%、34%和20%。由于不同時長累計降水量相對偏差的下四分位數(shù)和極小值基本不變,兩者相對偏差的極差、四分位距和中位數(shù)隨降水累計時長的增加均呈顯著減小的趨勢。這說明隨降水累計時長的增加,IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果的相對偏差逐漸減小,相對偏差的隨機性也越來越小。
圖4 IMERG與地面雨量計不同時長累計降水量的相對偏差Fig.4 The bias between the cumulative precipitation over different durations from IMERG and the ground rain gauge
(1)偏差分析
臺風“妮妲”影響期間地面雨量計觀測結(jié)果和IMERG不同雨強相對偏差的分析結(jié)果(圖略)表明,小雨時,兩者1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計降水量相對偏差的極差、四分位距、中位數(shù)差別不大,大約為21%、8%和3%。中雨和大雨時, 1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計降水量相對偏差的極差、四分位距和中位數(shù)差別更小,基本都低于4%,表明小雨、中雨和大雨時,IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果的相對偏差不大,且與累計降水時長的關(guān)系也不大。暴雨時,兩者相對偏差的極差、四分位距和中位數(shù)隨降水累計時長的增加卻顯著增大,1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計降水量相對偏差的極差分別為38%、70%、97%、140%和170%,四分位距分別約為10%、18%、25%、36%和45%,中位數(shù)分別為-14%、-13%、-10%、-5%和2%。另外,小雨時IMERG和地面雨量計觀測結(jié)果1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計降水量相對偏差的中位數(shù)略大于0,中雨和大雨時約為0,暴雨時明顯小于0。上述結(jié)果表明小雨時IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果存在輕微的正偏差,中雨和大雨時無顯著差異,暴雨時則存在一定程度的負偏差。地面雨量計降水觀測結(jié)果代表的是站點附近小尺度的降水特征,而IMERG的空間分辨率為0.1°×0.1°,它觀測到的是較大區(qū)域范圍內(nèi)的平均降水情況,使得IMERG降水產(chǎn)品會丟失很多細節(jié)尺度的降水特征。另外,IMERG降水產(chǎn)品校正過程所使用的地面觀測數(shù)據(jù)的時空分辨率要低于IMERG本身的時空分辨率,因此校正過程雖然修正了降水量的整體偏差,但同時也進一步使得IMERG丟失了捕捉到的更精細尺度下的降水變異特征[19,22]。這兩點原因使得IMERG對于容易發(fā)生在精細尺度的小雨以及暴雨的觀測精度會降低。
臺風“妮妲”影響期間地面雨量計和IMERG對不同量級降水觀測結(jié)果的絕對偏差分析(圖略)表明:小雨時,兩者1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計降水量絕對偏差的極差為8.3、15.4、20.1、29.4和39.4 mm,絕對偏差的四分位距為2.7、5.0、6.5、9.7和12.1 mm,絕對偏差的中位數(shù)為1.1、1.6、2.1、3.9和4.0 mm。無論小雨、中雨、大雨和暴雨,地面雨量計觀測結(jié)果和IMERG絕對偏差的極差和四分位距均隨降水累計時長的增加而增大,而且降水強度越大,增大的速度越快。降水累計時長為1 h和3 h時,IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果絕對偏差的中位數(shù)在中雨和暴雨時均呈減小的趨勢,但是降水累計時長為6 h、12 h和24 h時,兩者絕對偏差的中位數(shù)又呈增加的趨勢,暴雨時這種增加的趨勢更加顯著。至于小雨和中雨,隨著降水累計時長的增加,兩者絕對偏差的中位數(shù)大致呈由0轉(zhuǎn)負且略有減小的趨勢。(2)小時平均降水量的時序變化
圖5給出的是2016年8月1日21時至2日21時臺風“妮妲”的地面雨量計與IMERG的小時平均降水量的對比分析。IMERG小時平均降水量與地面雨量計觀測結(jié)果存在一定的差異,尤其是在21—22時、02—03時、06—08時、10—12時;但總體趨勢較為一致(圖5a)。分析地面雨量計在不同雨強時與其對應(yīng)的IMERG的小時平均降水量變化:小雨時地面雨量計的小時平均降水量約為0.5 mm,而對應(yīng)的IMERG的小時平均降水量大多約為2.0 mm甚至更高,06—08時、11—12時甚至超過3.0 mm(圖5b);中雨時,地面雨量計觀測的小時平均降水量一般在3.0~4.0 mm,而對應(yīng)的IMERG的小時平均降水量大多超過4.0 mm,兩者僅有少數(shù)時段的小時平均降水量大致相當,其余絕大多數(shù)時段存在較大的差異,尤其22—00時、01—03時超過5.0 mm,06—07時甚至超過7.0 mm(圖5c);大雨時,地面雨量計觀測的小時平均降水量約為10 mm,IMERG小時平均降水量除個別時段與之較為接近外,其余時段大多存在低估,21—22時、03—05時、08—10時、12—13時、14—21時低估尤為嚴重,與地面雨量計觀測的小時平均降水量相差約6~8 mm(圖5d);暴雨時,地面雨量計觀測的小時平均降水量一般都在20 mm以上,09—10時甚至接近30 mm,而IMERG小時平均降水量大多在10 mm左右甚至更低(圖5e)。總的來說,與地面雨量計觀測的小時平均降水量相比,IMERG小時平均降水量在小雨和中雨時明顯偏高,在大雨和暴雨時則明顯偏低。(3)降水概率分布
圖5 地面雨量計與IMERG不同量級降水的小時平均降水量的時序變化:(a)所有站點;(b)小雨;(c)中雨;(d)大雨;(e) 暴雨(a為所有站點;b—e依次為地面雨量計為小雨、中雨、大雨和時的站點)Fig.5 Hourly variation of rainfall of different rain intensity(a-e are the analysis results of all stations, light rain, the moderate rain, the heavy rain and the rainstorm, respectively)
降水以小雨或短時暴雨形式出現(xiàn)的相同降水量將產(chǎn)生不同的洪水模式,因此,了解降水過程中不同強度降水的分布情況是非常必要的[23]。概率分布圖能夠提供地面雨量計和IMERG降水在不同強度的概率分布,可以用來評價衛(wèi)星降水產(chǎn)品質(zhì)量(圖6)。臺風“妮妲”期間,降水累計時長1h時,IMERG觀測到小雨(中雨)的概率比地面雨量計偏低(高)超過0.1,觀測到暴雨(大雨)的概率略微偏低(高)約0.05(圖6a)。降水累計時長3 h時,與地面雨量計觀測的概率值相比,IMERG的概率值在小雨(大雨)時略低(高)出約0.1,在中雨和暴雨時幾乎完全一致(圖6b)。降水累計時長6 h時,IMERG觀測的概率值在小雨時比地面雨量計偏低約0.8,中雨時較為一致,大雨和暴雨時偏高約0.4(圖6c)。降水累計時長12 h時,IMERG觀測的概率值在小雨時比地面雨量計低出0.1以上,在中雨、大雨和暴雨時則略高(圖6d)。降水累計時長24 h時,小雨(暴雨)時IMERG的概率值略微偏低(高),中雨和大雨時的概率值基本一致(圖6e)。總體而言,IMERG觀測到的小雨概率值始終低于地面雨量計的觀測結(jié)果,這是因為GPM核心觀測平臺觀測降水的靈敏度為0.2 mm·h-1[21],使得GPM降水產(chǎn)品IMERG對于小雨發(fā)生概率的估計存在偏差。除小雨以外,降水時長為6 h、12 h和24 h時,IMERG的中雨、大雨和暴雨概率值與地面雨量計的觀測結(jié)果相差較小。
圖6 地面雨量計和IMERG不同量級降水的概率分布:(a) 1 h;(b) 3 h;(b) 6 h;(b)12 h;(b) 24 h;Fig.6 Probability distribution as a function of (a)1 h,(b)3 h,(c)6 h,(d)12 h and(e)24 h rainfall
以2016年8月登陸我國華南地區(qū)的臺風“妮妲”帶來的極端降水事件為例,對比地面加密雨量計和IMERG提供的1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個不同時長的累計降水量,分析IMERG對小雨、中雨、大雨和暴雨等不同量級降水的估計精度,結(jié)果表明:(1)降水累積時長會影響IMERG降水產(chǎn)品的估計精度。對于此次臺風降水來說,隨著降水累計時長的增加,IMERG與地面雨量計觀測結(jié)果的一致性越來越好,相對偏差逐漸減小,相對偏差的隨機性也越來越小。(2)IMERG觀測1 h時間尺度臺風降水的精確度還有待改善。降水累計時長1 h時,IMERG明顯高估了地面雨量計小雨和中雨時的小時平均降水量,顯著低估了大雨和暴雨時的小時平均降水量;IMERG與地面雨量計不同量級降水的概率分布情況在小雨、中雨、大雨和暴雨時也都存在偏差。(3)IMERG降水產(chǎn)品對于小雨等級降水的觀測能力還有待提高。IMERG會高估小雨時地面雨量計的降水量,且低估小雨事件發(fā)生的概率。(4)IMERG能較好地觀測到暴雨降水的空間分布區(qū)域,但對暴雨的估計量級會明顯偏低。IMERG低估了累計降水量超過200 mm的兩個強降水中心的降水量;暴雨時,IMERG與地面雨量計降水的相對偏差和絕對偏差的中位數(shù)均為負數(shù),呈現(xiàn)顯著的負偏差。