GPM和TRMM卫星与海洋定点浮标观测降水日变化的比较

汪亦蕾

(自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

降水是全球水循环过程中的重要环节[1]，可以通过潜热交换影响云层、水汽及大气，通过稀释海水盐度影响大洋环流，可以调节积雪覆盖影响地面反射率[2]，在全球能量平衡中扮演着重要的角色。准确的降水观测是更好地了解地球水圈及能量平衡系统的关键，也是提高天气、气候及灾情监控预报的前提。

传统的地面直接观测降水方式之一是雨量器观测，雨量器能够提供高精度的地面定点观测降水，但是在世界上许多地方包括海洋、山地和一些人口稀少的地区，地面的降水观测资料并不完整[3]。尤其对于海洋而言，雨量器依托浮标布设在海上，而浮标布设密度小、分布不均匀，只依靠浮标雨量器观测难以捕捉到全球海洋降水的时空分布特征。因此，利用卫星观测降水成为目前系统了解全球降水情况及其变化的最重要的手段[4]。

在过去20 a里，TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星数据被认为是相对准确的一套卫星观测数据，在各种研究中被广泛使用。随着TRMM卫星计划的终结，GPM(Global Precipitation Measurement)接替了TRMM的观测，GPM不仅是作为TRMM数据的延续，更是在TRMM的基础上进行了改进，对降水观测的时间和空间分辨率都有了提高[5-6]。作为新一代的卫星降水观测手段，GPM是否能比TRMM有更好的表现需要验证比较来得出结论。LIU[7]基于浮标定点观测比较了黑潮延伸体区域TRMM和GPM卫星数据对降水的观测能力，发现GPM卫星观测结果与实际结果更为接近；PRAKASH et al[8]则在北印度洋区域做了类似的研究，发现GPM卫星对日降水的观测能力比TRMM卫星更强；WU et al[9]针对气候态降水在热带海洋做了相关研究，发现GPM和TRMM卫星对平均降水观测能力在不同区域有不同的表现。

日变化是地球天气和气候系统的一个重要特征。卫星观测数据是否能够很好地捕捉降水的日变化信息也是检验数据准确性的一个非常重要的方面。在陆地上，白天太阳辐射对地表和行星边界层的加热作用会使对流性降水极大值出现在午后到傍晚时分[9]。在大部分海洋上，对流以及降水极大值出现在早晨，极小值出现在下午到傍晚，降水的日变化大小比陆地小[10]。 海洋上的降水极大值出现在早上的原因有几种解释：GRAY et al[11]认为这种日变化特征是对流区域和周围无云区域辐射加热差异引起了水平辐散场日变化并调节了对流的动力学结果；COX et al[12]和WEBSTER et al[13]将海洋午后出现的降水极小值解释为对流云上部吸收短波辐射的结果，认为这增强了多云区域的静力稳定性、减弱了垂直运动；DUDHIA[14]和TAO et al[15]则认为夜间长波冷却可以增加海洋上空的相对湿度，减少夹卷的效果，有利于云在夜间的发展；也有观点认为这个现象更复杂的形成机制可能和海洋表层的日变化有关，如SUI et al[16]和CHEN et al[17]的研究结果显示，在太平洋暖池区，下午海洋表层温度极大值往往与新的对流相继出现，而极小值则与第2天由于局地湿静能耗散和短波通量遮蔽海洋造成的对流尾流相继出现。

现有的研究工作集中于比较GPM卫星和TRMM卫星在气候态降水方面的差异，但是在日变化尺度，这2种卫星的观测还存在哪些差异，有待进一步研究。本研究利用太平洋、大西洋及印度洋三大洋热带区域每小时的海洋定点浮标降水数据，来评估GPM卫星和TRMM卫星对热带降水日变化的观测能力。

1 数据介绍

1.1 卫星降水数据

1.1.1 TRMM卫星降水数据

TRMM卫星由NASA和JAXA合作开发设计，主要用于监测和研究热带地区降水。卫星于1997年11月28日在日本发射，2015年6月15日终结任务。TRMM卫星属于近地轨道卫星，倾角约为35°，覆盖范围为35°N—35°S。它是第1颗专门用于观测热带、亚热带降水的气象卫星，搭载了微波成像仪TMI、降雨雷达PR、可见/红外辐射仪VIRS、雷电探测器LIS、地球辐射能量探测器CERES等传感器[17-18]。基于TRMM卫星的TMPA(TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis)产品以多个现代卫星降水传感器以及地面雨量器网络的观测为基础，计划产生自TRMM以来“最好”的降水产品。本研究中使用的是TMPA 3B42数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为3 h。选取时间为2014年4月1日—2018年4月30日。

1.1.2 GPM卫星降水数据

GPM卫星于2014年2月发射，TRMM卫星的成功及其对数据产品独特的组合成为了这个计划得以延伸的主要原因。GPM扩展了TRMM传感载荷，提升了降水观测能力，观测范围也延伸至南北极圈。GPM核心观测台(GPMCO)搭载的双频雷达可探最小回波强度较低，并且可以采用高敏感度模式交错采样；同时GPMCO的微波辐射计与TRMM卫星相比多出4个高频段，增强了对微量降水及固态降水的观测能力[19]。

GPM能够统一其卫星群框架内各卫星的观测成果，提升微波降水观测能力，其观测方法及降水反演也为太空卫星降水观测设立了新标准。GPM降水产品主要具有以下3方面特征：(1)对瞬时降水估计更加准确，尤其是微量降水及冷季固态降水；(2)在统一框架内对卫星辐射计获取的亮温数据进行交互校准；(3)使用GPM核心传感器观测得到全球水文气象数据库，取代以往依靠模型产生数据库的方式，在此基础上统一各类微波探测仪的降水反演算法[20]。GPM卫星以多种方式改进了TRMM的功能，其搭载的用于降水观测的主要传感器为双频降水雷达(DPR)以及GPM微波成像仪(GMI)。DPR是太空中唯一的双频雷达，它能够提供从液态到固态降水的三维剖面和强度估计[21]。而GMI传感器的频率范围远远大于TRMM上的传感器频率[22]，这使得GPM能够使用更宽的数据带来测量所有云层的降水强度和类型。

本研究中使用的是IMERG(Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM)数据产品，版本为05B，数据空间分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为0.5 h。选取时间为2014年4月1日—2018年4月30日。

1.2 海洋浮标降水数据

热带是构成地球气候系统的一个关键区域，要研究热带海洋海-气相互作用的过程就需要对其进行持续、系统和全面的观测。为了满足这些观测需要，NOAA在3个热带大洋上开发了系泊浮标观测系统：位于太平洋的TAO/TRITION、位于大西洋的PIRATA和位于印度洋的RAMA。这些阵列共同组成了全球热带系泊浮标阵列GTMBA[23]。

图1 太平洋(a)，大西洋(b)和印度洋(c)降水浮标的位置分布Fig.1 Locations of the rain gauge buoys in the Pacific Ocean(a), the Atlantic Ocean(b) and the Indian Ocean(c)

GTMBA有以下特点：(1)可以用来测量海-气相互作用所涉及的上层海洋和海表面气象变量；(2)可以提供时间分辨率较高的(分至小时)时间序列测量结果，以避免高频海洋大气波动被化作低频气候信号；(3)可以被放置和维持在固定的台站网格上，这样测量时就不需要考虑时空变化[23]。

本研究选取了3个浮标观测系统在2014年4月1日—2018年4月30日期间可获得的共23个(TAO、PIRATA和RAMA分别为9个、6个和8个)浮标小时降水数据。3个大洋上的浮标分布情况如图1所示，图2给出了3个大洋浮标数据的有效时间(已剔除浮标阵列中有效测量时间少于半年的点)。

1.3 研究方法

由于TMPA卫星数据集得到的是3 h降水数据，故将浮标降水数据(1 h)以及IMERG卫星数据集降水数据(0.5 h)平均到3 h，并将TMPA和IMERG卫星降水数据作5°×5°的平均得到对应浮标位置的卫星降水数据，从而使三者可以进行比较。

日变化模型的一个合理出发点是，假定日变化由两部分组成：太阳辐射日周期强迫的规则(确定性)分量和由内部非线性引起的不规则(随机)分量。忽略降水的半日变化，只关注降水的日变化比较，所以，有以下日变化谐波公式[24]：

(1)

图2 TAO(a)， PIRATA(b)和RAMA(c)浮标的有效时间Fig.2 TAO(a), PIRATA(b) and RAMA(c) buoys’ data availability for each location

由于浮标观测数据是站点数据，而卫星观测数据是格点数据，并且存在抽样的局限性，所以需要将卫星数据采用空间平均的方法来得到对应浮标位置的降水数据，从而使两者更好地进行比较。BOWMAN et al[24]在研究TRMM卫星数据观测太平洋热带降水日变化的过程中，分别将卫星降水数据进行1°×1°、2°×2°、5°×5°以及10°×5°的平均，发现随着空间取样面积变大，得到的降水日变化曲线越趋平滑。所以为了得到更有效的降水日变化结果，本研究对卫星观测数据采用了5°×5°的空间平均。同时，浮标观测、IMERG和TMPA数据分别使用1 h、0.5 h和3 h的时间分辨率进行日变化分析，其中，IMERG数据时间精度最大。

2 结果

利用卫星和海洋浮标降水数据和谐波公式，得到了3个大洋上共23个浮标位置的降水日变化曲线(图3～图5，图中时间皆表示当地时间)，图中实线表示不同数据的降水日变化，虚线是通过公式(1)得出的拟合结果，黑色、红色和蓝色分别代表海洋浮标、IMERG和TMPA数据。表1～表3则定量给出了在这些浮标位置由3种不同数据得出的平均降水量、降水量日变化大小以及降水量极大/极小值出现时间，其中日变化大小定义为平均日降水量极大值和极小值之差，相对日变化大小定义为日变化大小除以平均降水量。

图3 太平洋上所选浮标位置3种资料的降水日变化及拟合情况Fig.3 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Pacific Ocean (实线表示观测的降水量大小，虚线表示拟合的降水量大小，后图同。) (Observed rainfalls are represented in solid lines, and the fitting results are represented in dashed lines. The following figures are the same.)

表1 太平洋所选浮标位置3种资料得到的平均降水、日变化大小以及降水量极大/极小值出现的当地时间Tab.1 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Pacific Ocean

2.1 太平洋降水日变化

结合图3和表1可以发现，在太平洋所选取的9个浮标位置，除了靠近岛屿的浮标9之外，其余位置3种数据得到的日变化大小都较小，绝对日变化不超过2.5 mm/d，相对日变化不超过35%。其中海洋浮标降水显示的日变化大小变化范围要大于2种卫星数据产品，由图3也可以看出卫星数据得到的降水日变化曲线相对比较平滑，可能原因是对卫星降水数据采用了5°×5°的区域平均来代替某一点的降水。浮标观测降水日变化大小在一些位置与卫星观测结果差异较大，尤其是在浮标5位置，与IMERG和TMPA测得的相对降水日变化相差分别达到18%和21%。2种卫星数据之间降水日变化大小数值比较接近，只在个别点有较明显差异，如浮标2位置，TMPA日变化大小比IMERG高出约0.5 mm/d，相对日变化大小则高出大约4%，在这一位置上IMERG对降水日变化大小的捕捉更接近浮标观测值。

对于IMERG和TMPA来说，不仅得到的降水日变化大小接近，其降水极大、极小值出现的时间也基本一致，出现时间差不超过1.5 h。2种卫星数据测得的日降水极大值出现的时间大都在早上4时—9时、极小值出现在下午16时—21时，这与此前的研究结果[9]吻合。而浮标观测结果与卫星测量结果则有较大差距，只有浮标5和浮标9位置测得日降水极大值出现在早上8时、极小值出现在晚上20时，其余位置都与卫星测得结果相差较大，其中有4个点测得降水极大值出现在凌晨左右。

2.2 大西洋降水日变化

图4和表2给出了大西洋上浮标和卫星观测的降水日变化特征，可以发现3种数据得到的降水日变化大小都较小，但日变化的相对大小较太平洋而言偏大。由于大西洋所选浮标位置降水量普遍偏小(图1b)，因此在大西洋区域关注降水日变化的相对大小更有意义。与太平洋情况相似的是，大西洋上大部分浮标位置IMERG和TMPA得到的降水日变化相对大小比较接近，但它们和浮标观测结果出入较大，差别可以达到5%～28%。其中浮标2和浮标6与其他浮标位置情况不同，TMPA对这2个点降水日变化相对大小的捕捉与浮标观测结果十分相似，而IMERG的结果则与其相差较大。

就日变化曲线形状来看，卫星观测到的降水极大/极小值时间仍比较接近，降水极大值依旧主要出现在早晨、极小值出现在下午到傍晚。而与太平洋情况不同的是，卫星观测到的大西洋降水日变化极大值出现时间的变化范围更大，出现在早上4时—10时。大西洋上浮标观测到的降水极大值大多出现在下午，只有浮标4测得的降水极大值出现在早上6时左右，这与卫星观测的结果以及前人的经验完全相反。观察表2可以发现，浮标4相对来说平均降水量较大，所以初步推测在海洋小降水区域降水日变化并不具备普遍的海洋降水日变化特征。

图4 大西洋上所选浮标位置3种资料的降水日变化及拟合情况Fig.4 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Atlantic Ocean

表2 大西洋所选浮标位置3种资料得到的平均降水、日变化大小以及降水量极大/极小值出现的当地时间Tab.2 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Atlantic Ocean

2.3 印度洋降水日变化

印度洋浮标和卫星观测降水的日变化如图5和表3所示，印度洋和太平洋所选浮标位置平均降水大小比较相近，而不同方法观测到的两个大洋降水日变化大小也比较相近，除浮标1、浮标5和浮标6之外，其余位置3种数据得到的降水日变化大小之差都不超过20%。卫星数据在浮标1、5、6位置观测的降水日变化与实际观测结果相差较大可能和该点降水数据有效时间较短(296、477和462 d)有关(图2c)。就降水日变化大小而言，在印度洋同样是IMERG和TMPA两种卫星数据产品的结果十分相近，而浮标观测的降水日变化大小在大多数浮标位置大于卫星测量结果，只有在浮标2和浮标7位置有相反的情况。

观察印度洋降水极大/极小值出现时间，除了浮标6外，其余浮标位置由2种卫星数据得到的日降水极大值出现时间都在早上4时—10时之间。在浮标6位置，卫星测得日降水极大值出现在11时左右，而浮标雨量器观测结果更晚，出现在下午18：30。由图1c可见，浮标6位置靠近岛屿陆地，这可能是该点日降水极大值出现在下午的原因，由于卫星数据作了区域平均，导致其极大值出现时间早于浮标观测结果。

图5 印度洋上所选浮标位置3种资料的降水日变化及拟合情况Fig.5 Rainfall diurnal cycles and fits from three datasets for selected buoys’ positions in the Indian Ocean

表3 印度洋所选浮标位置3种资料得到的平均降水、日变化大小以及降水量极大/极小值出现的当地时间Tab.3 Mean precipitation, diurnal variation and the local time of the maximum/minimum precipitation in a day from three datasets for selected buoys’ positions in the Indian Ocean

3 讨论与结论

日变化是地球天气和气候系统的一个重要特征，所以模拟降水对日照变化响应的能力是对气候模式性能的重要检验。如今卫星观测成为海洋降水观测的重要手段，本文利用2014年4月1日—2018年4月30日期间TAO、PIRATA和RAMA海洋浮标雨量器数据以及TMPA和IMERG两种卫星数据产品，通过计算日谐波来分析3个大洋热带区域降水的日变化。卫星降水数据在经过5°×5°的空间平均后，减小了取样误差，使其日变化曲线更加平滑，相比之下，定点浮标观测到的降水日变化大小的变化范围更大。

在3个大洋上共选取的23个浮标位置，2种卫星数据得到的降水日变化都呈现峰值出现在早晨、谷值出现在午后到傍晚的特征，与前人对海洋降水日变化研究结果吻合。然而就海洋浮标而言，虽然在大部分位置浮标观测降水也呈现极大值出现在早上、极小值出现在傍晚的特征，但也有一些区域，尤其是在大西洋，大部分浮标测得的降水日变化呈现与经验相反的结果，其极大值出现在傍晚甚至凌晨、极小值出现在早晨。这种现象可能和大西洋所选浮标平均降水量较少有关，在降水较少的区域，就不再具备海洋对流过程降水日变化的一般特征。而TMPA和IMERG两种卫星数据产品并没有捕捉到这一特殊情况，造成差异的原因可能为浮标观测的是定点的降水量，而卫星观测的是一个区域的降水量。在一些靠近大陆或岛屿位置的浮标处呈现类似大陆的降水日变化规律可能和海岸线效应及近陆地重力波强迫的日变化有关[25-26]。当然，浮标观测本身受所在位置风场或其他因素影响较大，尤其对小降水区域会存在更严重的误差，本研究中数据资料有效时间较短，也在一定程度上影响了结果的准确性。

总体而言，除了大西洋小降水区域，在其余2个大洋大多数浮标位置上，无论是TMPA还是IMERG都能较好地捕捉降水的日变化，且降水日变化大小及降水极大、极小值出现时间基本吻合，而IMERG得到的平均降水总体较TMPA平均降水偏小。两种卫星虽然对气候态降水观测能力不同，但对热带大洋降水日变化特征的捕捉能力基本一致，但其值普遍小于浮标观测结果，且在小降水区域卫星对降水日变化特征观测的偏差更大。