精細(xì)化評(píng)估GPM/IMERG產(chǎn)品對(duì)臺(tái)風(fēng)“妮坦”降水的觀測(cè)精度

陳愛軍 吳雪菲,2 楚志剛

(1 南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，南京 210044；2 福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，福州 350008)

引 言

繼熱帶降水觀測(cè)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(dòng)了全球降水觀測(cè)GPM (Global Precipitation Measurement)計(jì)劃：聯(lián)合GPM核心觀測(cè)平臺(tái)(Core Observatory)搭載的雙頻(Ka和Ku波段)降水雷達(dá)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(gè)國家和地區(qū)約10顆GPM伙伴衛(wèi)星搭載的多種被動(dòng)微波和紅外探測(cè)器，進(jìn)一步提高全球降水的觀測(cè)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(shí)間分辨率為30 min，空間分辨率為0.1°×0.1°。IMERG采用改進(jìn)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(jì)結(jié)果。然后，采用基于拉格朗日時(shí)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(biāo)定方案提高產(chǎn)品的時(shí)空分辨率。最后，采用月平均的GPCC (Global Precipitation Climatology Centre)數(shù)據(jù)對(duì)融合后的降水估計(jì)結(jié)果進(jìn)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(píng)估IMERG降水估計(jì)的精度，大多采用地面雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，以小時(shí)、日、月或季節(jié)為時(shí)間尺度評(píng)估IMERG的降水估計(jì)精度。例如：ZHANG， et al[3]以小時(shí)和日為時(shí)間尺度評(píng)估了IMERG在青藏高原地區(qū)的降水估計(jì)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(shí)間尺度評(píng)估了IMERG和TRMM降水產(chǎn)品3B42V7在青藏高原南部的降水估計(jì)精度，重點(diǎn)分析了它們與海拔高度的關(guān)系。HE， et al[5]以日時(shí)間尺度評(píng)估了IMERG和TRMM 3B42V7在湄公河流域上游的降水估計(jì)精度。TIAN， et al[6]以小時(shí)和日時(shí)間尺度研究了IMERG在中國大陸的降水估計(jì)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(shí)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(jì)校準(zhǔn)的雷達(dá)降水產(chǎn)品評(píng)估IMERG的精度。例如：Gaona， et al[10]采用這種方法評(píng)估了IMERG Day 1產(chǎn)品的降水估計(jì)能力。LI， et al[11]也采用雨量計(jì)校準(zhǔn)后的雷達(dá)估計(jì)降水產(chǎn)品和加密雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了IMERG在我國贛江流域的1 h降水估計(jì)精度。

臺(tái)風(fēng)是熱帶海洋中形成的一種暖性氣旋[12]，成熟臺(tái)風(fēng)的直徑可達(dá)100～2 000km[13]。登陸臺(tái)風(fēng)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(zhǔn)確監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度，具有重要的社會(huì)價(jià)值和科學(xué)意義[14]。受觀測(cè)范圍和地形阻擋等因素的限制[15]，天氣雷達(dá)(即使組網(wǎng)觀測(cè))也很難完整地監(jiān)測(cè)影響范圍較大的臺(tái)風(fēng)降水。比較而言，GPM/IMERG對(duì)于監(jiān)測(cè)大范圍臺(tái)風(fēng)降水顯然具有較突出的優(yōu)勢(shì)。受風(fēng)切變、海面溫度、邊界層摩擦等環(huán)境因素，以及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、位置和移動(dòng)速度等因素的影響，臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度的時(shí)空分布及其變化十分復(fù)雜[16]，必然給GPM/IMERG準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)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(cè)臺(tái)風(fēng)降水的能力。例如：WANG， et al[17]以日為時(shí)間尺度對(duì)比分析了2014—2015年IMERG和TMPA 3B42V7在我國沿海地區(qū)8次臺(tái)風(fēng)的降水估計(jì)精度，認(rèn)為IMERG雖然與地面雨量計(jì)的一致性更好，但往往低估暴雨中心的降水強(qiáng)度。Omranian， et al[18]以日為時(shí)間尺度評(píng)估了IMERG在颶風(fēng)“哈維”影響期間監(jiān)測(cè)的降水空間分布特征，認(rèn)為能夠較好地監(jiān)測(cè)暴雨的空間變異性。另外，HUANG， et al[19]評(píng)估了2016—2017年我國廣東地區(qū)6次臺(tái)風(fēng)過程中IMERG的降水精度，不過其研究重點(diǎn)是分析被動(dòng)微波探測(cè)器和紅外探測(cè)器對(duì)IMERG降水反演的影響。不難發(fā)現(xiàn)，IMERG對(duì)臺(tái)風(fēng)降水中不同強(qiáng)度降水的監(jiān)測(cè)能力還有待進(jìn)一步研究。另外，由于臺(tái)風(fēng)移速各不相同，影響范圍內(nèi)降水的持續(xù)時(shí)間必然不同。除了以日為時(shí)間尺度，在其它時(shí)間尺度上進(jìn)一步評(píng)估IMERG的臺(tái)風(fēng)降水監(jiān)測(cè)能力也顯得十分必要。

2016年8月1日19時(shí)35分(世界時(shí)，下同)，第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”在廣東省深圳市大鵬半島以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)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(gè)縣(市、區(qū))。本文將利用地面加密雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從多個(gè)時(shí)間尺度分別評(píng)估IMERG在臺(tái)風(fēng)“妮妲”影響期間對(duì)不同降水強(qiáng)度的估計(jì)能力。研究有助于深入了解IMERG在不同時(shí)間尺度上的降水監(jiān)測(cè)能力，深入了解IMERG監(jiān)測(cè)不同降水強(qiáng)度的能力，對(duì)于改進(jìn)IMERG算法，提高其對(duì)包括臺(tái)風(fēng)在內(nèi)的降水估計(jì)的能力和精度，具有重要的科學(xué)意義。

2 數(shù)據(jù)

GPM/IMERG包括兩種準(zhǔn)實(shí)時(shí)產(chǎn)品和一種經(jīng)過后期處理的“終級(jí)產(chǎn)品”。兩種準(zhǔn)實(shí)時(shí)產(chǎn)品中，一種是觀測(cè)后4 h內(nèi)生成的“初期產(chǎn)品”，另一種是觀測(cè)后大約12 h提供的“后期產(chǎn)品”。IMERG“終級(jí)產(chǎn)品”是觀測(cè)后大約兩個(gè)半月提供的經(jīng)過全球降水氣候?qū)W中心月度雨量計(jì)資料校準(zhǔn)的高質(zhì)量再分析產(chǎn)品，是科學(xué)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(shí)間分辨率為30 min，空間分辨率為0.1°×0.1°，采用hdf5格式存儲(chǔ)(http://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm)。

研究選擇臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的地面加密雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估IMERG不同時(shí)長、不同雨強(qiáng)的精度(圖1)。地面加密雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)由國家氣象信息中心提供。臺(tái)風(fēng)影響范圍由臺(tái)風(fēng)中心位置和臺(tái)風(fēng)外圍閉合等壓線的半徑確定。臺(tái)風(fēng)中心位置由中國天氣臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(http://typhoon.weather.com.cn/)提供的臺(tái)風(fēng)路徑信息獲得，該信息每小時(shí)提供一次臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度。臺(tái)風(fēng)外圍閉合等壓線的半徑來自美國臺(tái)風(fēng)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(shí)—2日21時(shí) 臺(tái)風(fēng)“妮妲”的移動(dòng)路徑；淺藍(lán)色小圓點(diǎn)為區(qū)域氣象站站點(diǎn)；深藍(lán)色 大圓點(diǎn)為國家氣象站站點(diǎn)；灰色網(wǎng)格為IMERG的格點(diǎn)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)

3 資料與方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)美國臺(tái)風(fēng)聯(lián)合預(yù)警中心提供的臺(tái)風(fēng)“妮妲”的外圍閉合等壓線半徑，2016年8月2日00時(shí)、06時(shí)和12時(shí)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(tái)風(fēng)“妮妲”的影響范圍穩(wěn)定少變，故各時(shí)刻均以此作為臺(tái)風(fēng)“妮妲”影響范圍的半徑。

按1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個(gè)時(shí)間尺度，研究將臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)的地面加密雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和IMERG分別處理成對(duì)應(yīng)的累計(jì)降水量。然后，參照國家氣象中心[21]提供的累計(jì)降水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，將地面加密雨量計(jì)觀測(cè)的累計(jì)降水量分為四個(gè)級(jí)別：小雨、中雨、大雨和暴雨。

表1 累計(jì)降水量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)觀測(cè)極端降水的時(shí)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(jì)站點(diǎn)上。不同時(shí)間尺度、不同降水量級(jí)的實(shí)際有效樣本數(shù)如表2所示。

表2 不同時(shí)間尺度、不同降水量級(jí)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(jì)降水量和降水量絕對(duì)偏差的空間分布：(a) 地面雨量計(jì)累計(jì)降水量;(b) IMERG累計(jì)降水量;(c)累計(jì)降水量的絕對(duì)偏差Fig.2 Spatial distribution of total rainfall plotted for (a) ground-based gauges，(b) the IMERG， and (c) Bias

3.2 定量評(píng)估方法

研究選擇相關(guān)系數(shù)CC(Correlation coefficient)分析IMERG與地面加密雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的時(shí)空一致性，并以絕對(duì)偏差Bias和相對(duì)偏差RB(Relative bias)來定量評(píng)估兩者的差異。它們的計(jì)算公式如下：

(1)

Biasi=Si-Gi,

(2)

(3)

4 結(jié)果

4.1 空間分布

圖2給出的是2016年8月1日21時(shí)—2日21時(shí)臺(tái)風(fēng)“妮妲”的累計(jì)降水量和絕對(duì)偏差的空間分布。臺(tái)風(fēng)“妮妲”24 h累計(jì)降水量超過120 mm的強(qiáng)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(jì)觀測(cè)顯示這兩個(gè)強(qiáng)降水中心的24 h累計(jì)降水量最大超過了200 mm(圖2a)。然而，IMERG觀測(cè)到的這兩個(gè)強(qiáng)降水中心的24 h累計(jì)降水量最大不超過180 mm，顯然，IMERG低估了這兩個(gè)區(qū)域累計(jì)降水量超過200 mm時(shí)的強(qiáng)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)。

4.2 不同時(shí)長累計(jì)降水量的精度評(píng)估

(1)相關(guān)性分析

圖3 IMERG與地面雨量計(jì)不同時(shí)長累計(jì)降水量的相關(guān)性(黑色實(shí)線為1:1線; 紅色實(shí)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(tái)風(fēng)“妮妲”影響期間IMERG與地面雨量計(jì)不同時(shí)長累計(jì)降水量的相關(guān)性分析結(jié)果。降水累計(jì)時(shí)長為1 h、3 h、6 h、12 h和24 h時(shí)，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(jì)觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性隨降水累計(jì)時(shí)長的增加逐漸變好。其次，降水累計(jì)時(shí)長為1 h、3 h、6 h、12 h和24 h時(shí)兩者對(duì)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(jì)時(shí)長的增加，IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的一致性越來越好，這意味著，降水累積時(shí)長會(huì)影響IMERG降水產(chǎn)品的估計(jì)精度。同時(shí)注意到，降水強(qiáng)度較小時(shí)，擬合線均位于對(duì)角線上方，說明此時(shí)IMERG存在一定程度的高估；降水強(qiáng)度較大時(shí)，擬合線位于對(duì)角線下方，說明此時(shí)IMERG低估了地面雨量計(jì)的降水強(qiáng)度。這說明IMERG產(chǎn)品算法仍需要改進(jìn)以更準(zhǔn)確的觀測(cè)到微量降水和強(qiáng)降水事件。(2)偏差分析

圖4給出的是IMERG與地面雨量計(jì)不同時(shí)長累計(jì)降水量的相對(duì)偏差分析結(jié)果。降水累計(jì)時(shí)長為1 h時(shí)，IMERG與地面雨量計(jì)的相對(duì)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(duì)偏差嚴(yán)重，而且隨機(jī)誤差較大。隨著降水累計(jì)時(shí)長的增加，兩者相對(duì)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(jì)時(shí)長為3 h、6 h、12 h和24 h時(shí)，兩者相對(duì)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(shí)長累計(jì)降水量相對(duì)偏差的下四分位數(shù)和極小值基本不變，兩者相對(duì)偏差的極差、四分位距和中位數(shù)隨降水累計(jì)時(shí)長的增加均呈顯著減小的趨勢(shì)。這說明隨降水累計(jì)時(shí)長的增加，IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的相對(duì)偏差逐漸減小，相對(duì)偏差的隨機(jī)性也越來越小。

圖4 IMERG與地面雨量計(jì)不同時(shí)長累計(jì)降水量的相對(duì)偏差Fig.4 The bias between the cumulative precipitation over different durations from IMERG and the ground rain gauge

4.3 不同量級(jí)降水的精度評(píng)估

(1)偏差分析

臺(tái)風(fēng)“妮妲”影響期間地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果和IMERG不同雨強(qiáng)相對(duì)偏差的分析結(jié)果(圖略)表明，小雨時(shí)，兩者1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計(jì)降水量相對(duì)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(shí)， 1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計(jì)降水量相對(duì)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(shí)，IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的相對(duì)偏差不大，且與累計(jì)降水時(shí)長的關(guān)系也不大。暴雨時(shí)，兩者相對(duì)偏差的極差、四分位距和中位數(shù)隨降水累計(jì)時(shí)長的增加卻顯著增大，1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計(jì)降水量相對(duì)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(shí)IMERG和地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計(jì)降水量相對(duì)偏差的中位數(shù)略大于0，中雨和大雨時(shí)約為0，暴雨時(shí)明顯小于0。上述結(jié)果表明小雨時(shí)IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果存在輕微的正偏差，中雨和大雨時(shí)無顯著差異，暴雨時(shí)則存在一定程度的負(fù)偏差。地面雨量計(jì)降水觀測(cè)結(jié)果代表的是站點(diǎn)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(cè)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(huì)丟失很多細(xì)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(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率要低于IMERG本身的時(shí)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(shí)也進(jìn)一步使得IMERG丟失了捕捉到的更精細(xì)尺度下的降水變異特征[19，22]。這兩點(diǎn)原因使得IMERG對(duì)于容易發(fā)生在精細(xì)尺度的小雨以及暴雨的觀測(cè)精度會(huì)降低。

臺(tái)風(fēng)“妮妲”影響期間地面雨量計(jì)和IMERG對(duì)不同量級(jí)降水觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差分析(圖略)表明：小雨時(shí)，兩者1 h、3 h、6 h、12 h和24 h累計(jì)降水量絕對(duì)偏差的極差為8.3、15.4、20.1、29.4和39.4 mm，絕對(duì)偏差的四分位距為2.7、5.0、6.5、9.7和12.1 mm，絕對(duì)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(jì)觀測(cè)結(jié)果和IMERG絕對(duì)偏差的極差和四分位距均隨降水累計(jì)時(shí)長的增加而增大，而且降水強(qiáng)度越大，增大的速度越快。降水累計(jì)時(shí)長為1 h和3 h時(shí)，IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果絕對(duì)偏差的中位數(shù)在中雨和暴雨時(shí)均呈減小的趨勢(shì)，但是降水累計(jì)時(shí)長為6 h、12 h和24 h時(shí)，兩者絕對(duì)偏差的中位數(shù)又呈增加的趨勢(shì)，暴雨時(shí)這種增加的趨勢(shì)更加顯著。至于小雨和中雨，隨著降水累計(jì)時(shí)長的增加，兩者絕對(duì)偏差的中位數(shù)大致呈由0轉(zhuǎn)負(fù)且略有減小的趨勢(shì)。(2)小時(shí)平均降水量的時(shí)序變化

圖5給出的是2016年8月1日21時(shí)至2日21時(shí)臺(tái)風(fēng)“妮妲”的地面雨量計(jì)與IMERG的小時(shí)平均降水量的對(duì)比分析。IMERG小時(shí)平均降水量與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果存在一定的差異，尤其是在21—22時(shí)、02—03時(shí)、06—08時(shí)、10—12時(shí)；但總體趨勢(shì)較為一致(圖5a)。分析地面雨量計(jì)在不同雨強(qiáng)時(shí)與其對(duì)應(yīng)的IMERG的小時(shí)平均降水量變化：小雨時(shí)地面雨量計(jì)的小時(shí)平均降水量約為0.5 mm，而對(duì)應(yīng)的IMERG的小時(shí)平均降水量大多約為2.0 mm甚至更高，06—08時(shí)、11—12時(shí)甚至超過3.0 mm(圖5b)；中雨時(shí)，地面雨量計(jì)觀測(cè)的小時(shí)平均降水量一般在3.0～4.0 mm，而對(duì)應(yīng)的IMERG的小時(shí)平均降水量大多超過4.0 mm，兩者僅有少數(shù)時(shí)段的小時(shí)平均降水量大致相當(dāng)，其余絕大多數(shù)時(shí)段存在較大的差異，尤其22—00時(shí)、01—03時(shí)超過5.0 mm，06—07時(shí)甚至超過7.0 mm(圖5c)；大雨時(shí)，地面雨量計(jì)觀測(cè)的小時(shí)平均降水量約為10 mm，IMERG小時(shí)平均降水量除個(gè)別時(shí)段與之較為接近外，其余時(shí)段大多存在低估，21—22時(shí)、03—05時(shí)、08—10時(shí)、12—13時(shí)、14—21時(shí)低估尤為嚴(yán)重，與地面雨量計(jì)觀測(cè)的小時(shí)平均降水量相差約6～8 mm(圖5d)；暴雨時(shí)，地面雨量計(jì)觀測(cè)的小時(shí)平均降水量一般都在20 mm以上，09—10時(shí)甚至接近30 mm，而IMERG小時(shí)平均降水量大多在10 mm左右甚至更低(圖5e)?？偟膩碚f，與地面雨量計(jì)觀測(cè)的小時(shí)平均降水量相比，IMERG小時(shí)平均降水量在小雨和中雨時(shí)明顯偏高，在大雨和暴雨時(shí)則明顯偏低。(3)降水概率分布

圖5 地面雨量計(jì)與IMERG不同量級(jí)降水的小時(shí)平均降水量的時(shí)序變化：(a)所有站點(diǎn)；(b)小雨；(c)中雨；(d)大雨；(e) 暴雨(a為所有站點(diǎn)；b—e依次為地面雨量計(jì)為小雨、中雨、大雨和時(shí)的站點(diǎn))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(shí)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(qiáng)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(jì)和IMERG降水在不同強(qiáng)度的概率分布，可以用來評(píng)價(jià)衛(wèi)星降水產(chǎn)品質(zhì)量(圖6)。臺(tái)風(fēng)“妮妲”期間，降水累計(jì)時(shí)長1h時(shí)，IMERG觀測(cè)到小雨(中雨)的概率比地面雨量計(jì)偏低(高)超過0.1，觀測(cè)到暴雨(大雨)的概率略微偏低(高)約0.05(圖6a)。降水累計(jì)時(shí)長3 h時(shí)，與地面雨量計(jì)觀測(cè)的概率值相比，IMERG的概率值在小雨(大雨)時(shí)略低(高)出約0.1，在中雨和暴雨時(shí)幾乎完全一致(圖6b)。降水累計(jì)時(shí)長6 h時(shí)，IMERG觀測(cè)的概率值在小雨時(shí)比地面雨量計(jì)偏低約0.8，中雨時(shí)較為一致，大雨和暴雨時(shí)偏高約0.4(圖6c)。降水累計(jì)時(shí)長12 h時(shí)，IMERG觀測(cè)的概率值在小雨時(shí)比地面雨量計(jì)低出0.1以上，在中雨、大雨和暴雨時(shí)則略高(圖6d)。降水累計(jì)時(shí)長24 h時(shí)，小雨(暴雨)時(shí)IMERG的概率值略微偏低(高)，中雨和大雨時(shí)的概率值基本一致(圖6e)?？傮w而言，IMERG觀測(cè)到的小雨概率值始終低于地面雨量計(jì)的觀測(cè)結(jié)果，這是因?yàn)镚PM核心觀測(cè)平臺(tái)觀測(cè)降水的靈敏度為0.2 mm·h-1[21]，使得GPM降水產(chǎn)品IMERG對(duì)于小雨發(fā)生概率的估計(jì)存在偏差。除小雨以外，降水時(shí)長為6 h、12 h和24 h時(shí)，IMERG的中雨、大雨和暴雨概率值與地面雨量計(jì)的觀測(cè)結(jié)果相差較小。

圖6 地面雨量計(jì)和IMERG不同量級(jí)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

5 結(jié)論

以2016年8月登陸我國華南地區(qū)的臺(tái)風(fēng)“妮妲”帶來的極端降水事件為例，對(duì)比地面加密雨量計(jì)和IMERG提供的1 h、3 h、6 h、12 h和24 h等5個(gè)不同時(shí)長的累計(jì)降水量，分析IMERG對(duì)小雨、中雨、大雨和暴雨等不同量級(jí)降水的估計(jì)精度，結(jié)果表明：(1)降水累積時(shí)長會(huì)影響IMERG降水產(chǎn)品的估計(jì)精度。對(duì)于此次臺(tái)風(fēng)降水來說，隨著降水累計(jì)時(shí)長的增加，IMERG與地面雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果的一致性越來越好，相對(duì)偏差逐漸減小，相對(duì)偏差的隨機(jī)性也越來越小。(2)IMERG觀測(cè)1 h時(shí)間尺度臺(tái)風(fēng)降水的精確度還有待改善。降水累計(jì)時(shí)長1 h時(shí)，IMERG明顯高估了地面雨量計(jì)小雨和中雨時(shí)的小時(shí)平均降水量，顯著低估了大雨和暴雨時(shí)的小時(shí)平均降水量；IMERG與地面雨量計(jì)不同量級(jí)降水的概率分布情況在小雨、中雨、大雨和暴雨時(shí)也都存在偏差。(3)IMERG降水產(chǎn)品對(duì)于小雨等級(jí)降水的觀測(cè)能力還有待提高。IMERG會(huì)高估小雨時(shí)地面雨量計(jì)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(cè)到暴雨降水的空間分布區(qū)域，但對(duì)暴雨的估計(jì)量級(jí)會(huì)明顯偏低。IMERG低估了累計(jì)降水量超過200 mm的兩個(gè)強(qiáng)降水中心的降水量；暴雨時(shí)，IMERG與地面雨量計(jì)降水的相對(duì)偏差和絕對(duì)偏差的中位數(shù)均為負(fù)數(shù)，呈現(xiàn)顯著的負(fù)偏差。