综合评价GPM-IMERG、CMORPH TMPA降水产品测量降雨量大陆

文摘

集成的综合评估因检索对全球降水测量(IMERG) V05B是重要的标杆产品的持续改进和未来发展。产品的性能IMERG V05B降水系统地评估使用542年降水指标在不同时空尺度上从2014年3月到2017年2月在中国。此外,IMERG V05B与IMERG V04A,热带降雨测量任务(TRMM) 3 b42和气候预测中心变形技术(CMORPH) crt在这项研究中。分类验证技术和统计方法是用来量化他们的表现。结果说明如下。(1)除了IMERG V04A严重低估的青藏高原(TP)和新疆(XJ)高负相对偏差(RBs)和CMORPH-CRT高估XJ积极RB,高四个卫星降水产品通常捕获相同的降水对中国的空间模式。(2)在年度规模在中国,IMERG产品没有显示优于其前身(TRMM 3 b42) rms,推定,和Rs;同时,IMERG产品的性能比TRMM 3 b42春季和夏季根据RMSE,推定R指标。两国IMERG产品,IMERG V05B显示预期的改善(超过IMERG V04A)和RMSE从0.4496下降到0.4097毫米/天,减少推定从16.95%提高到15.44%,并增加了R在整个研究期间从0.9689到0.9759。季节性的规模得到了类似的结果。在四个卫星产品,CMORPH-CRT显示最糟糕的季节性能最高的RMSE(0.6247毫米/天),推定(23.55%),和最低R(0.9343)。(3)在XJ和TP, IMERG V05B显然提高了强降水的低估IMERG V04A苏格兰皇家银行的5.2%比在XJ−21.8%, TP与−46%和2.78%。结果获得的年度规模类似的季节,除了夏天在XJ结果。,剩余的亚区,这两个IMERG产品有着密切的性能;同时,IMERG V04A略有改善IMERG V05B高估据苏格兰皇家银行(除了HN)在年度规模。然而,所有四个产品不可靠在XJ年度和季节性的规模。(4)所有产品,TRMM 3 b42最佳繁殖日常降水强度的概率密度函数(PDF)。(5)根据分类验证技术在这项研究中,两个IMERG产品产生更好的结果的检测降水事件的概率的基础上检测(POD)和关键成功指数(CSI)分类评估相比TRMM 3 b42 CMORPH-CRT对中国和大部分的条件。然而,所有四个产品有进一步改善的空间,特别是在高纬度地区和干燥的气候地区。这些发现提供了有价值的反馈IMERG算法开发人员和用户数据集。

1。介绍

降水是地球的一个至关重要的组成部分的水和能源循环。可靠和准确的降水信息中扮演一个重要的角色在水文、气候学和水资源管理(1- - - - - -11]。雨量计网络可以提供相对准确的降水测量但站和有限的空间代表性的不均匀分布(12]。同样地,地面天气雷达提供降水估计分辨率相对较高的时空,但有限的效用和寒冷山区(4,13]。最近,全球范围内降水估计已成为可行的通过卫星遥感技术的发展,以及一系列卫星降水产品(CMORPH [14),(TMPA) [TRMM多卫星降水分析15],IMERG [16)开发并发布。

CMORPH技术集成直接microwave-based检索云降水率与观测的顶级运动动力来自红外(IR)的数据来估计高分辨率(0.25°/ 8公里,3 h / 0.5 h)全球降水率(60°N-60°S)。许多先前的研究评估CMORPH产品的性能(14,17- - - - - -21]。这些努力是必不可少的改善检索算法和卫星传感器的发展中获益。

TRMM卫星发射以来,1997年11月27日,TRMM-based卫星降水产品经历了一系列重大的修订和广泛应用于水文应用程序(22- - - - - -25]。超过17年的丰硕的数据收集后,飞船处于关机状态,再次进入地球大气层在6月15日,2015年。TMPA产品,结合从各种无源微波遥感数据(麻省)和红外(IR)传感器计积累修正基于全球降水气候中心(GPCC)月度指标分析,旨在提供全球降水估计从50°N TRMM-era 50°S。TMPA产品已被广泛研究,获得了辉煌的成功(26- - - - - -29日]。

于2014年2月27日,美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)推出了全球降水测量(GPM)核心天文台卫星。流量的任务依赖于一个国际网络的卫星来提供更高的时空分辨率(0.1°,30分钟)全球降水估计(60°N-60°S目前和扩大到90°n - 90°S在将来的版本中)比目前TMPA产品。IMERG三级多卫星降水算法的流量,将零星降水率从微波传感器的星座,获得的估计(相对)连续的想法从地球同步卫星观测,和网格月度计降水数据。成功TRMM任务的延续,流量微波成像仪(GMI)和双频降水雷达(DPR)是一个扩展TRMM的传感器。相对于TRMM降水雷达,DPR更敏感的降雨和降雪。

之间进行了初步比较IMERG V03D和TMPA霍夫曼et al。30.]。结果发现,两种产品相媲美。IMERG产品最近发布的、更全面的评估仍必须更好地理解错误IMERG产品的特点。一些最初的评估都是在世界各地进行的,如印度(31日,32)、新加坡(33)、马来西亚(34),一个数据稀疏山区流域在缅甸(35],在东南亚湄公河流域[36),中国(4,13,37- - - - - -39]。这些研究表明,IMERG降水产品的性能因地而异。例如,IMERG V04A严重低估了降水对青藏高原寒冷地区和干旱的新疆地区在中国13),而IMERG V04A显示了良好的性能在新加坡(33]。因此,一个关键的评估基于卫星降水产品是至关重要的理解他们的能力在一个特定的区域在任何应用程序。

该算法对IMERG更新版本05 2017年11月13日(40]。以下,这个新的IMERG版本称为“IMERG V05B。“一个关键的评估IMERG V05B降水数据是必需的。大的土地面积,复杂的地形,多样的气候,中国提供了一个重要的实验评价新遥感降水产品的质量。中国的东部和北部地区的特点是平原。中国东南地区主要包括丘陵地区。主导中国西北沙漠,高海拔山区分布在中国西南高原。季风强烈季节性气候变化的影响。中国的降水机制主要是西南和东南季风的影响来自印度洋和太平洋,分别为(41]。使用卫星降水估计的准确性是高度通过地形和气候的影响。我们的目标是获得新的见解IMERG的误差特性,并提供有用的评估信息IMERG算法开发人员和用户数据。

2。研究领域,数据集和方法

2.1。研究领域

大小为960万公里²坐落在73°和135°E 18°和53°N,中国的特点是复杂和多样的气候地形和相当大的差异。研究领域包括所有中国除了南海地区(见图1)。中国南部和东部地区的降水分布是受亚洲季风的影响。一般来说,年降水量从西北到东南逐渐增加由于亚洲季风和复杂的地形。此外,鉴于中国的地理位置,中国大陆可以分为四个主要的气候区包括亚热带季风气候(SMC)、温带季风气候(MCML),高原气候,温带大陆季风气候(TCMC)。SMC涵盖了中国东南部高降水的特征。这个地区降水的空间异质性也很高。因此,为进一步分析,分为三个亚区(中国(HN)地区东南部、长江(CJ)河平原地区和西南云贵高原(YG)地区)基于平均年降水量的空间分布和山的分布。这三个条件都是特点是夏季炎热和潮湿,冬季温和干燥。中国东北地区(DB)和中国北方(HB)地区由MCML控制,属于semihumid区。然而,尽管它们都有夏季湿热,冬季干冷,DB的特点是高纬度和冰或冬天积雪。 The Xinjiang (XJ) region regarded as the arid region and the Northwestern China (XB) region known as the semiarid region are dominated by the TCMC. The Qinghai-Tibet Plateau (TP) cold region with an average elevation about 4500 m and complex terrain belongs to the plateau climate. All the eight subregions are shown in Figure1。对于条件的更详细的信息,读者可以参考相关的研究(11,13,21,37,38,42]。

2.2。计降水观测

542个独立的自动气象站的逐日降水数据集和校准提供了CMA(中国气象局)。所有气象站的空间分布如图1。这些指标是为他们选择不包含缺失值2014年3月12日至2017年2月28日。敏感的雨量数据两种液体和固体降水监测每天测量降水的24倍。每日降水累积降水深度超过24小时在当地时间晚上8点开始。国家气象信息中心(NMIC)执行严格的质量控制检查三个层次包括可疑数据的删除、屏蔽极端值,内部一致性检查(18,43]。在这项研究中,地面整个研究期间的产品数据集被下载http://data.cma.cn/。

许多卫星降水估计集成GPCC雨量计数据校准他们的产品。为了避免误导的结果,参考降水数据集用于评估任何卫星降水估计应该独立于GPCC产品。因此,在这项研究中,在中国大陆,雨站用于构造GPCC产品已经明确地排除在参考指标用于验证。因此,我们参考指标(542仪表)可以被认为是完全独立于gauge-adjusted卫星降水估计如IMERG和TRMM 3 b42产品。

2.3。卫星降水数据集

2.3.1。CMORPH-CRT

CMORPH产品生成的NOAA(美国国家海洋和大气管理局气候预测中心的变形技术。最近,美国国家海洋和大气管理局气候预测中心(CPC)再加工CMORPH产品。原CMORPH版本叫做0。x,再加工CMORPH版本叫做1.0版本。1.0版本产品含有三次降雨产品:(i)生(CMORPH-RAW), (2) bias-corrected产品(CMORPH-CRT)和(3)gauge-satellite混纺产品(CMORPH-BLD)。CMORPH-RAW产品是satellite-only降水产品基于麻省理工数据(high-temporal-resolution)红外图像用于在连续PMW-derived降雨强度之间插入字段。概率密度函数匹配,减少执行偏差函数,应用于CMORPH-RAW生成CMORPH-CRT产品。CMORPH-CRT降水估计,然后进一步通过计校准分析使用一个可选的插值技术来生成CMORPH-BLD产品。这里,0.25°/ 3小时CMORPH-CRT产品(00 z, 03 z, 06 z, 09年z, 12个z, 15 z, 18 z, 21 z)从2014年3月到2017年2月被利用,和三个小时降水数据积累日常值。向前的CMORPH-CRT 3小时降水文件小时给定的文件名。 For example, a “00z” –hour file represents accumulation of rainfall from 0:00 to 2:59. For a full description of the CMORPH algorithm and its applications, the reader is referred to Joyce et al. [44和哈比卜等。45]。获得每日最CMORPH-CRT产品符合日常收集降水的时间跨度在当地气象站(1200 - 1200 UTC),我们指定一个完整的体重(1.0)的“12 z,”“15 z,”“18 z”和“z”21日文件当前日期和“00 z,”“03 z,”“06 z,”和“09年z”文件。在这项研究中,整个研究期间的CMORPH-CRT产品数据下载ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/precip/。

2.3.2。TRMM 3 b42

TMPA算法是由NASA戈达德太空飞行中心的设计(戈达德宇航中心)。当前TMPA version 7生产两个标准降水产品(gauged-adjusted,发布实时研究产品(TRMM 3 b42),和接近实时的产品(TRMM 3 b42rt))。TRMM 3 b42rt TRMM适用于微波成像仪(剧情)数据集的校准而TRMM 3 b42结合仪器(TCI)估计和GPCC月度计降水产品利用校准TRMM卫星降水估计3 b42更好。在这里,3小时TRMM 3 b42产品空间分辨率为0.25°×0.25°(00 z, 03 z, 06 z, 09年z, 12 z, 15 z, 18 z,和21 z)从2014年3月到2017年2月。TRMM 3 b42 3小时降水文件集中在小时给定的文件名。例如,“十二z”小时文件代表数据从1030 UTC 1330 UTC。获得每日最TRMM 3 b42产品符合日常收集降水的时间跨度在当地气象站(1200 - 1200 UTC),我们分配一半的体重(0.5)的“十二z”文件当前和下一天,定义一个完整的体重(1.0)为“15 z,”“18 z”和“z”21日文件当前日期和“00 z,”“03 z,”“06 z,”和“09年z”文件。

2.3.3。IMERG V04A和IMERG V05B

流量的任务,这是一个合作努力由美国国家航空航天局JAXA,提供全球降水估计和重点是提供一种改进的理解(因此预测)的极端天气事件和天气系统。IMERG产生三种不同类型的产品,包括早期运行(接近实时的延迟4 h),后期运行(再加工接近实时的延迟12 h),和最后一个产品(gauged-adjusted延迟约4个月)。一边和月度IMERG最终运行产品已经发布了0.1°×0.1°空间网格。如前所述,IMERG算法最近升级到版本05。IMERG V04A和IMERG V05B降水产品已经发布2017年3月和2017年11月,分别。关于IMERG的更详细的信息,读者被称为IMERG算法理论基础文献[16,30.,40,46]。在这项研究中,TRMM 3 b42 IMERG产品数据集的整个研究期间被下载https://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/gpm。

相对于版本04、05版(1)使用新的GPROF(流量分析算法)来计算降水估计所有微波传感器作为输入;(2)提供GPROF估计所有星座成员microwave-only降水领域(高质量的降水)完全全球域;(3)包括这些完全完成全球GPROF估计降水字段(瞬时precipitation-calibrated和瞬时precipitation-uncalibrated)以外的标准红外光谱域(60°n),虽然没有变形或红外填写;(4)改进计误差估计提供适当的权重与satellite-only估计相结合;(5)添加所有一边和月度产品质量指标;(6)不包括三里岛事故(TRMM微波成像仪)数据。附加信息在不同版本之间可以找到04和05年在V05 IMERG最终运行发布说明(40]。

这里,一边忙最后运行IMERG V04A和IMERG V05B产品检查2014年3月至2017年2月。每日IMERG产品生成的求和所有48个一边降水估计。然后,累积金额乘以0.5倍,因为一边产品的单位是毫米/小时。

为了进行公平的比较中卫星降水估计,同时两个IMERG产品(IMERG V04A和IMERG V05B)被重新取样0.1°×0.1°到0.25°×0.25°利用反距离加权插值法(IDW) (47]。重新取样的IMERG产品现在称为R-IMERG V04A和R-IMERG V05B,分别。IDW插值方法被用来获取空间雨量分布在先前的研究4,26,48]。关于重采样的更详细的信息,读者被称为魏et al。4]。然而,它应该认识到,应用程序可能会导致更多的不确定性。

CMORPH-CRT,总的来说,R-IMERG V05B, R-IMERG V04A, TRMM 3 b42检查。任何比较之前,所有四个卫星降水估计是聚合每天0.25°的空间和时间分辨率。

2.4。方法

2.4.1。统计分析

许多先前的研究利用地面雨量计观测验证的准确性GPM-IMERG产品(4,13,32,37- - - - - -39,49,50]。在这项研究中,每日从542个独立的数据集自动气象监测站(图1)在中国大陆进行分析评估的准确性的四个卫星降水产品期间2014年3月——2017年2月。卫星降水估计获得0.25°grid-boxes包含地面站与从降水观测。在这种情况下,卫星网格中心接近地面车站,直接比较。然而,在这种情况下,地面站周围四个网格细胞但不是特别接近其中任何一个,平均站周围的四个卫星网格点作为比较的基础。评估四个卫星降水估计进行了基于连续统计指标和分类统计指标。首先,执行年度日均降水分析。其次,为了研究季节性影响,评价分析分别为每个四季:春天(3月至5月),夏季(6月到8月),秋季(9月至11月),和冬季(12月至2月)。regional-based分析,整个中国大陆分为八个亚区。

全面评估使用测量降水观测卫星降水产品,四个错误索引:皮尔森的线性相关系数(R),均方根误差(RMSE),相对均方根误差(推定)和相对偏差(RB)。这些指标的定义中可以找到陈和李37和魏et al。4]。

R措施之间的线性协议和雨量计观测卫星降水估计。一个完美的积极配合是反映在一个R值为1,而弱线性相关的指示R这是接近于零。RMSE措施绝对平均误差大小。小的RMSE值反映卫星降水估计接近观测。推定(5,51- - - - - -53)可实现日常降水RMSE的每日平均降雨量测量站。推定超过50%时,这种卫星降水产品被认为是不可靠的。这个特定的阈值被采用在以前的降水评估研究(4,37]。积极的价值观RB表示降水数量的高估,而负描述一个低估。我们参考读者元et al。35),陈和李37,宁等。54]这些统计指标的更详细的描述。

2.4.2。分类统计数据

另一种评估技术的卫星降水估计使用列联表反映了下雨的频率/没有雨估计卫星和从产品(表1)。

评价降水探测能力,三个广泛应用分类统计指标,检测的概率(POD),假警报率(远),和关键成功指数(CSI)。豆荚被称为命中率,这表示降水事件正确的分数卫星在所有检测到的实际降水事件。一个完美的圆荚体分数是1。远表示错误事件的比例在所有卫星探测到的事件。理想的分数是0。CSI描述降水事件的整体比例正确检测到的卫星。最优值是1。POD、远和CSI计算如下: 在哪里H代表的次数,观察雨是正确地检测到的卫星;米的次数,观察雨不是卫星探测到;和F下雨的次数是卫星探测到但不遵守规。POD、远和CSI只计算在grid-boxes地面站。0.5毫米/天的阈值是用来确定降雨的发生对于任何给定的天,计算分类统计。

3所示。结果和分析

3.1。年度日均降水分析

图2显示每日平均降雨量估计来自地面雨量数据和四个卫星降水估计在中国。降水累积捕获由地面观测通常从西北(每日平均降水增加< 1毫米/天)东南(日平均降水量> 3毫米/天)。R-IMERG V05B TRMM 3 b42, CMORPH-CRT通常表现良好在捕捉这没模式。然而,finer-scale差异三个卫星产品。特别是,TRMM 3 b42 CMORPH-CRT显示很高的积累在零星的每个像素最大值。这些孤立的网格点的异常高降水比TRMM 3 b42 CMORPH-CRT身上更加明显。同时,R-IMERG V05B有一个顺畅的降雨模式,可以归因于IMERG产品的精细时空分辨率(0.1°/半小时)。IMERG产品也有更多时间样本的平均降水有效异常值(37]。根据图2和平均面雨量值采样/ TP(即。,1.1108 mm/day for R-IMERG V05B, 0.5553 mm/day for R-IMERG V04A, 1.2498 mm/day for TRMM 3B42, 1.2515 mm/day for CMORPH-CRT, respectively), R-IMERG V04A is significantly underestimating precipitation over the TP. The underestimation of IMERG V04A over the TP has been noted previously by Wei [4和赵13]。

图3显示了R-IMERG散点图和健康指标V05B, R-IMERG V04A, TRMM 3 b42, CMORPH-CRT产品和地面雨量计观测定量比较的每日平均降雨量超过中国大陆在整个研究期间。根据R、RMSE和推定指标数据绘制3(一个)和3 (b)产品的性能R-IMERG V05B通常优于R-IMERG V04A在中国大陆整个研究期间。相比R-IMERG V04, R-IMERG V05B产品更高R0.9689 (0.9759 R-IMERG V05B与R-IMERG V04A),一个较小的RMSE(0.4097毫米/天R-IMERG V05B与0.4496毫米/天R-IMERG V04A),较低的推定(15.44% R-IMERG V05B与16.95毫米/天R-IMERG V04A),和一个劣质RB (5.53% R-IMERG V05B vs 2.14% R-IMERG V04A)。与TRMM 3 b42产品相比的继任者(R-IMERG V05B), TRMM 3 b42胜过R-IMERG V05B基于所有统计指标。在四个卫星降水估计,CMORPH-CRT最低的最差表现R最大的RMSE(0.9343),(0.6247毫米/天)和推定最高(23.55%)。推定的所有四个卫星降水产品远远低于50%,因此所有四个卫星降水估计可以被认为是可靠的在中国大陆我们研究期间。

表2列表RRB、RMSE和推定指标日均降水在整个研究期间的四个卫星降水估计在我们八个亚区。R-IMERG V04A改善R-IMERG V05B对XB的高估与苏格兰皇家银行(RBs)从8.71%下降到1.66%。同时,R-IMERG V05B略有高估了降水对DB和HB亚区与RB的值为15.56%和10.57%,分别。尽管这种情况改善R-IMERG V04A,苏格兰皇家银行在DB仍约12.48%和9.08%乙肝,而CMORPH-CRT显示相对较小的苏格兰皇家银行(0.7% / DB和4.36% / HB)。的R-IMERG V04A大大低估了降水估计XJ和TP亚区与苏格兰皇家银行(−−21.8%,46%)。然而,这大大提高了低估R-IMERG V05B与苏格兰皇家银行在TP XJ降至5.2%和2.78%,分别。所以,R-IMERG V05B产品演示了一个更好的性能比R-IMERG V04A XJ和TP亚区。的R-IMERG V05B产品展览稍微差的性能比R-IMERG V04A XB, DB, HB,和CJ稍大的苏格兰皇家银行、rms和推定。TRMM 3 b42略有优势两个IMERG产品相对较小的rms和推定XB, YG、HB。然而,R-IMERG V05B展示更好的性能比TRMM 3 b42略高R和相对较小的RB、RMSE和XJ的推定。CMORPH-CRT产品最大的rms和推定和最低Rs在四个卫星产品在XJ, XB, YG, CJ, HN。除了XJ和R-IMERG V04A / TP,推定所有四个卫星降水估计条件远远低于50%。相反,所有四个卫星对干旱的XJ地区降水估计是不可靠的基于相互推定值(54.91% R-IMERG V05B, 69.78% R-IMERG V04A, CMORPH-CRT TRMM 3 b42为57.87%和116.7%,分别)。这种不可靠背后的原因可能与高纬度或穷人检测能力浅地形降水的被动微波和红外卫星(13,38]。

3.2。降水季节性规模分析

在中国,空间格局的日均R-IMERG V05B, R-IMERG V04A, TRMM 3 b42, CMORPH-CRT降水估计为每个赛季期间(2014年3月- 2017年2月),如图所示4。一般来说,所有四个卫星产品捕获一般四季降水模式在中国的大部分地区。在夏季降水率峰值略低,落在秋天。TRMM 3 b42(数据4(我)- - - - - -4(左))和CMORPH-CRT(数字4(米)- - - - - -4 (p))包含独立电网的反常地沉淀在每个季节,就像以前在年降水量的结果。

在春天,两个IMERG产品(数字4(一)和4 (e))表现出更多的降水比另两个卫星产品(数字4(我)和4(米)对DB东部地区)。同样在冬季,两IMERG产品(数字4 (d)和4 (h))也表现出更多的降水比其他两个卫星产品(数字4(左)和4 (p)CJ, HN接壤地区。相比R-IMERG V05B和从产品,R-IMERG V04A低估降水在所有季节的XJ地区除了夏天基于每日平均降水累积(每天0.464毫米、0.468毫米/天,0.31毫米/天在春天;0.53毫米/天,0.49毫米/天,0.32毫米/天在秋天;0.22毫米/天,0.2毫米/天,0.04毫米/天冬天R-IMERG V05B,测量,和R-IMERG V04A,分别)。相对于R-IMERG V05B, R-IMERG V04A产品展览的降水严重低估TP的数据显示在每一个季节4(一)- - - - - -4 (h),4(问)- - - - - -4 (t)和表面平均降雨量(1.04毫米/天,1毫米/天,0.29毫米/天在春天;3.14毫米/天,3.17毫米/天,2.04毫米/天在夏天;1.32毫米/天,1.33毫米/天,0.61毫米/天在秋天;0.09毫米/天,0.12毫米/天,0.01毫米/天冬天R-IMERG V05B,衡量和R-IMERG V04A,分别)。

季节性降水估计的差异来源于R-IMERG V05B, R-IMERG V04A, TRMM 3 b42, CMORPH-CRT产品中国大陆对雨量计观测总结在图5。在一年一度的每日平均降水分析显示在图3,R-IMERG V04A证明性能比R-IMERG V05B在中国大陆。同样,在季节性的规模,而R-IMERG V05B, R-IMERG V04A展品贫穷的性能与雨量计观测与更大的rms(每天0.54毫米和0.6毫米/天在春天;每天0.88毫米和0.95毫米/天在夏天;每天0.48毫米和0.53毫米/天在秋天;和每天0.257毫米和0.26毫米/天冬天R-IMERG V05B,和R-IMERG V04A,分别),相对较高的推定(20.05%比22.15%在春天;在夏天19%比20.66%;在秋天20.1%比22%;29.45%比30.26%在冬天R-IMERG V05B和R-IMERG V04A,分别),和相对较低的Rs (0.979 vs 0.973在春天;0.95和0.94在夏天;0.95和0.94在秋天R-IMERG V05B和R-IMERG V04A,分别)。 Based on RMSE, RRMSE, andR度量结果,TRMM 3 b42显示最佳的性能和CMORPH-CRT给最差表现在四个卫星降水估计在中国大陆在一年一度的规模。

季节性的规模,在四个卫星降水估计,TRMM 3 b42最小均方根(0.53毫米/天春天,夏天0.82毫米/天),最低的推定(夏天春天为19.75%,17.84%)和Rs最高(0.96 0.981春天,夏天)在春季和夏季CMORPH-CRT最大的rms(冬天夏天从22.75%到102.58%不等),最高推定(从0.71毫米/天在秋天到1.05毫米/天在夏季),和最低Rs在春天冬天(从0.66到0.95)在每一个季节。同时,降水估计R-IMERG V05B高于该指数观察和展览持续积极的苏格兰皇家银行(在秋天冬天从4.27%到6.12%)。降水估计R-IMERG V04A TRMM 3 b42低于计观测只在冬天的苏格兰皇家银行(RBs)的基础上,同时,CMORPH-CRT降水估计高于计观测根据苏格兰皇家银行只有在春天。低估的卫星产品可能存在的影响在冬天雪和冰雪覆盖的表面,这削弱了PMW-based检索算法的性能(55]。

除了CMORPH-CRT冬天,所有推定四个卫星降水估计不到50%。冬天被移除,推定都不到30%。因此,除了上面提到的具体实例,所有四个卫星降水估计通常是可靠的和可以有效地捕捉降水的季节性模式。

表3列表R,RMSE RB和推定值(由季节细分)日均降水来自四个卫星降水估计对雨量计观测八个亚区。的R-IMERG V04A产品显示了严重低估XJ和TP (RB从春天到−−31.41% 77.79%在冬天在XJ,从冬天夏天−−33.99% 89.63% / TP,分别)在每个季节(夏天在XJ除外)。然而,R-IMERG V05B产品显然提高了这低估在每个赛季早些时候这两个亚区。例如,R-IMERG V05B减少绝对RB XJ 30.61%和65.83% / TP在春天。在每个季节的低估R-IMERG V04A XJ, TP也与之前的结果一致在年度日均降水分析(见部分3.1)。的R-IMERG V05B产品一贯演示了一个更好的性能比R-IMERG V04A与更高的Rs,较小的苏格兰皇家银行(夏天在XJ除外),rms,和更低的推定在XJ和TP在所有季节。年度期间每日平均降水分析TRMM 3 b42胜过R-IMERG V05B基于规模较小的RMSE, RB,推定指标(数据3(一个)和3 (c))。在区域范围内,除了XJ和HN TRMM 3 b42显示了一个更好的性能比R-IMERG V05B rms和推定(较低的表2)在所有条件。季节性的规模,TRMM 3 b42优于R-IMERG V05B和演示了较小的rms和推定在表3(CJ / TP, DB, HN HN春天;在七个亚区除了HB在夏天;TP, XB, YG,环在秋天,分别)。然而,在冬天,TRMM 3 b42不如R-IMERG V05B rms和推定(表3)所有的条件(XJ和XB除外)。

XJ地区,卫星降水估计所有季节根据推定是不可靠的(50%以上)在表3。这个结果不可靠符合年度期间每日平均降水分析(见部分3.1)。除了XJ,所有地区的所有卫星降水估计是可靠的推定不到50%(除了R-IMERG V04A TP)在春天,夏天,秋天。然而,在冬天,在XJ IMERG产品都是不可靠的,TP, XB和推定从57.91%到115.7%不等,TRMM 3 b42不可靠在XJ, TP, YG,和DB推定从53.99%到91.39%不等,在八个亚区和CMORPH-CRT是不可靠的(除了HN)推定从65.05%到276.6%不等。一般来说,推定结果(表3)表明,所有的卫星降水估计冬天有一个相对低性能与其他三个季节。

3.3。降水强度分析的概率分布函数

rain-rate免职的概率分布函数(PDFc)可以揭示降水事件的时空不均匀性的详细信息,并提供洞察估计错误的依赖降水率和这些错误在水文应用的潜力。因此,降雨的分布频率不同降雨强度是用在许多研究来评估卫星降水产品的质量(13,38,39]。这里,R-IMERG V05B, R-IMERG V04A, TRMM 3 b42, COMRPH-CRT比较从降水估计在中国大陆和中国八个亚区在整个研究期间(图6)。

如图6IMERG产品和CMORPH-CRT高估弱降水的频率(< 1毫米/天)和销售略有低估雨率箱/ 2毫米/天。这个结果可能与这一事实有关IMERG PMW -(基于被动微波-)算法擅长估计重,对流降水事件和挣扎的检测浅和温暖的降水。而R-IMERG V05B, R-IMERG V04A略有高估了弱降水事件(< 1毫米/天)和低估降水事件为雨率垃圾箱大于10毫米/天/ XJ, TP, YG,和接下来的。与此同时,R-IMERG V05B接近标准的PDF,表明改进的检测能力R-IMERG V05B R-IMERG相比V04A。此外,这两个IMERG产品进一步性能XB, DB, HB, CJ。的中国大陆,TRMM 3 b42同意最好的PDFc每日雨量计估计在所有四个卫星降水产品(图6(一))。

3.4。应急数据

图7比较圆荚体的空间分布、远和CSI统计对所有四个卫星降水产品在中国大陆。这些产品的POD和CSI显示一个类似的空间格局,他们通常从西北向东南缓慢增加的中国大陆。相比之下,目前显示了从西北向东南缓慢减少。换句话说,四个卫星降水估计与测量数据吻合较好中国大陆的东部和南部地区,因为这些地区相对更为温和的和相对平坦地形和极端降水事件。四个卫星降水估计显示性能略差在中国北部和西部地区。这个结果可能与多种因素有关,包括复杂的地形、气候、海拔的山地地形,稀疏和雨量计不均匀分布在山区,特别是我们的可选的插值技术。此外,finer-scale仍然存在差异的四个卫星产品。例如,在XJ, R-IMERG V05B有优势R-IMERG V04A基于各自的豆荚的结果(数据7(一)和7 (d))。

图8圆荚体相比,到目前为止,和CSI性能统计数据样本估计卫星降水和降水指标之间在中国大陆和八个亚区。一般来说,所有的四个卫星降水估计豆荚较低(< 0.66)和战略与国际研究中心(< 0.44)和高法尔斯(> 0.4)在各种条件,尤其是在XJ, XB, DB,和HB。在区域范围内,所有四个卫星降水估计有更好的性能对YG, CJ, HN比另一个亚区(TP除外)。在TP,相比之下,其他三个卫星降水估计,R-IMERG V04A有一个糟糕的性能较低舱图8(一个)。例如,POD增加了48.4% R-IMERG V04A, R-IMERG V05B, 13.6%来自R-IMERG V04A TRMM 3 b42,和27.6% R-IMERG V04A CMORPH-CRT。这个结果符合降水发生上面图中所示的结果6 (c)。两个IMERG产品展示类似的性能在所有八个亚区(除了XJ和TP)更紧密的豆荚,法尔斯,战略与国际研究中心。XJ和TP,而R-IMERG V04A, R-IMERG V05B演示了改进的一种改进的能力检测降水事件,表明其更大的豆荚(0.4213 vs 0.2839在XJ和0.6364和0.458 / TP)。

4所示。讨论

许多研究已经评估了卫星降水的产品质量在中国4,13,37- - - - - -39]。然而,IMERG V05B最近发布于2017年11月,尚未广泛评估与之前可用卫星降水产品。在这里,两个IMERG V05B V04A降水估计评估与他们的前任产品(TRMM 3 b42和CMORPH-CRT)。

CMORPH-CRT和TRMM 3 b42降水估计都是bias-corrected使用雨量计分析。还应该指出,TRMM的算法3 b42并不在整个研究期间保持不变。而是在转向后的流量卫星观测TRMM卫星2015年3月退役。此外,我们的研究重叠之间的过渡时期TRMM和流量输入TRMM 3 b42数据集。因此,在2015年3月,本研究比较不同的检索算法,相对于不同的数据集。

的性能IMERG V04A算法在这项研究在中国早期的发现是一致的(13和在青藏高原4]。有趣的是,这两个IMERG降水产品不演示胜过他们的前任(TRMM 3 b42)。而IMERG V04A, IMERG V05B产品显示预期的性能优越。在四个卫星降水产品,CMORPH-CRT已经在中国最糟糕的表现。IMERG产品略有改善日常POD和CSI值相对于TRMM 3 b42和CMORPH-CRT。这个结果可能是由于这一事实的DPR IMERG更敏感的光雨。此外,IMERG 30分钟的短时间分辨率是有用的在捕捉短暂的降水事件。最后,IMERG有一个更好的空间分辨率(0.1°),增加其检测的精细降水事件的能力。

这里给出比较反对542个独立的自动气象监测站。这是一个相对较小的数量来评估卫星产品的性能在整个中国大陆的程度。这当然小数量也增加抽样的不确定性在我们的评估。然而,随着IMERG配备双频降水雷达、IMERG性能比较及其前任,TMPA CMORPH,在高度可变的气候地区中国是必要的。此外,评估两个IMERG产品IMERG产品的进一步细化算法是至关重要的。然而,我们应该强调,需要额外的工作来评估IMERG使用更广泛的地面测量。

5。摘要和结论

IMERG算法结合了GPCC计分析和各种降水观测相关卫星传感器生产网格降水估计为0.1°×0.1°空间和一边忙时间分辨率。在这里,我们评估最新IMERG版本的质量(V05B)所有中国大陆和中国八个亚区。作为一个参考点,IMERG V04A, CMORPH-CRT, TRMM 3 b42降水估计也评估与IMERG V05B产品。定量分析是基于与地面雨量计测量。

本研究的主要发现如下:(1)的IMERG V05B产品没有显示优势其前身(TRMM 3 b42) RB, RMSE和推定结果如图3和表2在中国和大部分的八个亚区(除了XJ, TP和HN)在每年的规模。在XJ, TP,接下来,IMERG V05B RBs TRMM 3 b42相比较小的性能更好;特别是在XJ IMERG V05B增加R从0.69到0.72,减少RMSE从0.3到0.29 mm /天,减少绝对RB从7%提高到5.2%,并减少推定从57.87%到54.91在一年一度的规模。然而,所有的四个卫星降水产品在干旱/半干旱XJ是不可靠的;因此,算法开发人员应该优先考虑努力改善干旱地区的降雨量的检索。在所有的中国大陆,TRMM 3 b42略微优于其他三个卫星降水产品最低的RMSE(0.3947毫米/天),推定(14.88%),和最高R在一年一度的时间尺度(0.9759)。其他产品(从最好到最差)列为IMERG V05B, IMERG V04A,和CMORPH-CRT。(2)总的来说,IMERG V05B产品演示了其对中国较低的预期性能优越RMSE(0.4097毫米/天),推定(15.44%),甚至更高R图(0.9759)3而IMERG V04A每日平均降水分析。与此同时,在季节性,IMERG V05B也有一个优势IMERG V04A较小的rms (0.54 vs 0.6毫米/天在春天,0.88与0.95毫米/天在夏天,0.48与0.53毫米/天在秋天,冬天,0.257与0.26毫米/天,分别),推定(20.05%比22.15%在春天,夏天19%比20.66%,20.1%比22%在秋天,冬天和29.45%和30.26%,分别)和更高的Rs (0.979 vs 0.973在春天,0.95和0.94在秋天,冬天和0.95和0.94,分别)。在春季和夏季,在四个卫星降水估计,TRMM 3 b42显示最低的最佳性能rms(0.53和0.82毫米/天),最小的推定(19.75%和17.84%),和最高的Rs(0.981和0.96)。然而,CMORPH-CRT最大的rms的最差表现,推定,最低的Rs在每一个季节。(3)在年度日均降水分析,IMERG V04A严重低估了中国西部地区的平均降水(XJ和TP);然而,IMERG V05B演示了RB性能优于IMERG V04A(5.2%比在XJ−21.8%, 2.78%比在TP−46%,分别)。相比IMERG V05B和TRMM 3 b42 IMERG V04A显示降水水平相当的低估在XJ RB−31.41%较低(−−34.01% 77.79%)基于spring(秋、冬)每日平均降水和一个更糟糕的性能/ TP与更低的RB−69.78%(−−33.99% 52.7%,−89.63%)基于春天(夏天、秋天和冬天)每天平均降水。相比之下,CMORPH-CRT高估了降水在XJ RB(21.9%)报告。(4)所有的四个卫星降水估计显示明显高估基于计算苏格兰皇家银行在表2YG XB, DB, HB, CJ, HN (CMORPH-CRT / HN除外)。例如,IMERG V05B高估了降水的RB 8.71%(15.6%和10.57%)XB (DB和HB)。这三个亚区,苏格兰皇家银行的其他三个卫星降水估计低于相应的苏格兰皇家银行IMERG V05B,尤其是CMORPH-CRT提高高估与苏格兰皇家银行(RBs)降至0.7%在HB DB和4.36%,分别。据苏格兰皇家银行列入表中3,相比之下,IMERG V05B,所有这三个卫星降水估计较低苏格兰皇家银行在XB, DB, HB在春天和秋天。(5)在中国大陆,在所有四个季节,这四个卫星降水产品都表现出他们最大的推定(图5在冬季)。类似的结果在所有八个亚区,除了见过CMORPH-CRT XJ。因此,在一般情况下,卫星降水估计相对于其他季节在冬季表现更糟。(6)从PDFc结果,IMERG产品和CMORPH-CRT高估弱降水的频率(小于1毫米/天)和显示降雨率略微低估垃圾箱大于2毫米/天/所有中国大陆和在每一个我们的八个亚区。一般来说,在四个卫星降水产品,TRMM 3 b42同意最好PDFc雨量数据的结果。(7)所有四个卫星降水产品展示低POD(< 0.66)和CSI(< 0.44)分数和高价值的(> 0.4)在中国和在每一个我们的八个亚区。然而,IMERG产品POD和CSI的分数比其他两个卫星降水产品在中国和大部分的条件除了IMERG V04A XJ, TP, XB(图8)。(8)IMERG消除异常值TRMM 3 b42 CMORPH-CRT独立电网框中找到。这可能是由于高时空分辨率(30分钟/ 0.1°)IMERG产品。

这种分析提供了重要的洞察力有关的时空错误特征IMERG V05B, IMERG V04A, CMORPH-CRT, TRMM 3 b42降水产品在中国和这里的八个条件检查。因此,这些结果提供卫星降水的用户提供一个增强理解最新的适用性V05 IMERG, V04 IMERG, TRMM 3 b42 CMORPH-CRT降水估计,水资源管理、水文气象灾害预报、水文模拟。此外,结果可能IMERG生产有关未来的改进算法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者造成了广泛的工作了。朱Haishen Lu,韦德·t·克劳,陈会昌设计本研究的框架。光华魏进行实验。手稿被Haishen由光华魏和修订,韦德·t·克劳,陈会昌朱。光华魏所提供的数据和建斌苏。Jianqun王提供一些有用的建议。

确认

这项研究是由国家重点支持研究和发展计划(批准号2016 yfc0400909和2016 yfa0601504);NNSF(批准号。41830752,41571015,41371049,41323001,,51539003);和项目的国家重点实验室Hydrology-Water资源和水利工程,中国(批准号20165042612)。

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