朝鲜半岛应用全球降水测量(GPM)地面验证(GV)系统原型外文翻译资料

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朝鲜半岛应用全球降水测量(GPM)地面验证(GV)系统原型

济州岛，韩国气象管理局 ，国家气象研究机构，

J I -H YE K IM

韩国，首尔，Yonsei大学，大气科学系

M I -L IM O U

济州岛，韩国气象管理局 ，国家气象研究机构，

J UN -D ONG P ARK

韩国镇川，韩国气象管理局 ，国家气象卫星中心

和 跨学科地球系统科学中心

马里兰大学

K ENNETH R. M ORRIS AND M ATHEW R. S CHWALLER

马里兰，绿带，美国航空航天局戈达德太空飞行中心,

D AVID B. W OLFF

维吉尼亚，瓦洛普斯岛，美国航空航天局瓦洛普斯飞行基地,

(2013年9月初稿, 2014年3月13日定稿)

摘要：2009年以来，韩国气象局（KMA）通过GPM框架内的国际合作伙伴关系参加进了GV项目。这项工作的目的是评估朝鲜半岛上地基测量仪器的可靠性，并以之为验证由卫星微波传感器数据反演得的降水产品的方法，侧重于东亚地区的降水事件。KMA拥有一套由气象雷达、密集的雨量计网以及自动气象站组成的发展良好的可运作的气象服务基础系统。包括四部地基雷达（GRs）数据在内的以上系统的测量结果与来自热带降水测量计划（TRMM）降水雷达（PR）的卫星数据相结合并作为朝鲜半岛GPM GV的代表。仅层状云和仅零度层亮带以上的数据的主反射率差异（GR-PR）的时间序列表明在这项研究中四部GR的时间平均差异在-2.0到 1.0dBZ之间。为这些有关联的重要偏差做出的依站点的特殊调整被应用于GR反射率因子上，并且得出了详细的PR和经过偏差调整的GR之间反射率因子和降水率的统计对比。在降水率比较中加入了TRMM微波成像仪（TMI）和雨量计的地表面降水，并且比较结果取决于降水类型。误差校准在GR降水率与PR及雨量计降水率的对比中对GR有着积极的作用。这项研究证实了在官方给出的框架下为朝鲜半岛的GPM GV系统做出的进一步准备得到优化。

1.介绍

自1977年11月以来，热带降水测量计划始终在利用主动和被动式微波传感器监测热带和亚热带的降水系统。TRMM卫星包括工作在13.8GHz（Ku波段）的降水雷达以及工作在10.65~85.5GHz的拥有九个水平及垂直的极化通道的TRMM微波成像仪（TMI）。GPM基于TRMM，拥有一个国际化的研究和运行中的卫星的群集。GRM核心卫星的设计与TRMM相似，但是多了一个主动式双频降水雷达（DPR）和一个被动式GRM微波成像仪（GMI）。GMI拥有13个工作在10.65~183GHz的垂直和水平极化通道；DPR包括一个Ku波段（13.60GHz）雷达和一个Ka波段（35.5GHz）雷达。GMI和DPR上附加的更高频通道增加了这些仪器观测作为由GPM核心卫星在其65rsquo;高纬度倾斜轨道上观测的降水的重要组成部分的弱降水和降雪的能力。

GPM卫星观测将与一系列来自国际资源的地面验证（GV）观测相关联。GV数据源包括国家气象网络的长期观测以及相关联的短期气象场观测。GV的总体目标是促进GPM降水算法的发展以及核实降水反演。GPM GV附带的目标是支持降水反演整合进水文学的应用

韩国气象局（KMA）运营着建设良好的能够对GPM GV起促进作用的地基雷达（GRs）、一个密集的雨量计网络以及自动天气系统（AWSs）。KMA运营11个雷达站，包括8部S波段（2.0~4.0GHz）以及三部C波段（4.0~8.0GHz）雷达。这些雷达站的地理位置见图1.KMA同时运营着空间分辨率为13km的由698部AWS站点组成的网络，并且每个站点以1分钟的间隔报告经过自动质量控制系统处理的降水观测数据。此外，KMAy在Boseong和Daegwallyeong有两个主动观测站点，分别位于34.763rsquo;N,127.212rsquo;E以及37.677rsquo;N,128.718rsquo;E。每个主动观测站点都有一部微波降水雷达、两部光学雨量计、一个全天候观测仪、一部微波辐射计。目前共有93个地面常规观测站、9个高层大气站、13个云廓线站、21个闪电观测站、264个雪深观测站（包括73个自动站）、3个激光雷达站以及8个系泊浮标，还有23个天气雷达站，包括两个WER-88D站点、9个韩国空军站，以及1个有11部KMA雷达的研究站。

图1 朝鲜半岛KMA国家雷达网覆盖范围：KMA运作的雷达站（小黑点）和覆盖范围（白色区域）。

作为国际GPM GV力量的一部分，以下描述的这项研究开展并用以比较由KMA国家S波段雷达和AWS雨量计观测网的一部分收集的数据集和TRMM收集的卫星数据。由于TRMM和GPM测量手段的相似性，这项工作被认为是将在GPM时代大显身手的直接统计验证的原型。先前的研究已经使用地面观测比较了TRMM PR反射率因子和降水率，并且证明了GR在测试PR探测准确性方面的效用以及PR衰减校正算法的表现。此外，雨量计已经被用于对TRMM TMI、其他星载微波仪器以及来自这些仪器的降水产品的降水回波进行验证。在这方面，KMA地面验证数据特别倾向于改善东亚及周边地区GPM降水反演的表现

这篇论文的表格1描述了朝鲜半岛GPM GV的基本概念，并且提供了KMA数据集的背景信息。表格2提供了卫星、地基雷达、雨量计数据源以及数据处理的细节；GR和雨量计降水率的计算；以及PR-GR反射率和PR-GR-TMI-测量仪器的降水率重采样算法。表格3描述了PR-GR反射率之间的比较以及按TMI视场比例分配的PR、TMI、GR和雨量计数据集之间降水率的对比。表格4总结了统计结果并且表述了未来工作的大纲。

表1：四座S波段雷达特征

1.数据源

这项研究使用了2006年8月至2010年8月间所收集当卫星掠过KMA国家网络内所选择的四部S波段地基雷达时降水事件期间TRMM第6版2A25PR反射率因子数据以及TMI 2A12降水率数据。降水率比较中使用的雨量计数据源自取自地基雷达周围AWS站点的1分钟时间分辨率的数据。接下来的表格中给出了以相互比较为目的的用于时空匹配的数据集和方法的描述。该项研究中对第6版TRMM产品而非现在的第7版产品的使用允许我们对先前得出的结果进行比较。KMA已经使用同时期第6版和第7版数据分析了PR和GR反射率和降水率的对比，并且使用了和本文相同的匹配方法。因此，两个版本间的反射率分布有一点显著的区别。在降水率方面，第7版PR数据与GR的比较表明比移除了对PR过度估计的第6版结果更好一些。Zagrodnik和Jiang已经表明对第6版和第7版TRMM PR和TMI与美国东南部周围三种地表类型（陆地、海洋和海岸）之上的第四级产品的对比的统计分析。通过这些结果，我们确定当算法中版本改变时降水产品得到改善，但是该项研究中两版本之间没有能够颠覆验证结果的巨大区别。

a.TRMM PR反射率数据

TRMM PR的测量返回来自海洋和地球表面的雷达信号并且提供热带和亚热带降水系统的三维信息。降水雷达在其取样领域内任意给定位置上空进行每天1到3次的观测基于其轨道的纬度。

PR输出的两种数据产品中可获得两种雷达反射率因子——测量的未经校准的雷达反射率因子（1C21）以及衰减校准的雷达反射率（2A25）——每种的水平分辨率为5km，垂直分辨率为250m。在未处理的1C21反射率中，回波信号中云中的液态水和水汽造成的衰减影响是固有的。对于经过衰减订正的2A25反射率，包括Hitschfeld-Bordan以及一种表面参考技术在内的按路径衰减订正方法被用于未处理反射率。多种研究已经通过地表附近测量的未衰减的GR雷达反射率和经过衰减订正的PR反射率之间的比较来提高TRMM PR衰减订正算法的稳定性。在2A25产品生产的过程中进行了质量控制、波束充塞订正以及杂波抑制，但这些订正没有应用于1C21数据。

b.地基雷达反射率数据

GR在某个固定位置对空间某一区域进行三维提扫。S波段雷达被认为适合在密集的分辨率和近似连续模式下区分近地面瞬时降水，因为S波段的衰减比C波段小得多。在这项研究中，选定了四部近海岸的处于所选PR覆盖范围内的S波段雷达。表格1呈现了所选四部GR的地理位置和特性。请注意RJNI和RPSN工作在2.9和2.7GHz，而RGSN和RSSP工作在2.75GHz。每个雷达站每10分钟进行质量控制反射率的提扫。

c.PR和GR反射率数据匹配

一种由Schwaller和Morris描述的GR和PR匹配方法已经被用于在同一整合方式下合并区域性的、同时的卫星和雷达数据。为了支持这种暂时的PR和GR数据匹配，TRMM经过GR100km范围内时轨道号、日期和时间将被NASA的TRMM OverflightFinder程序计算出来。 /-5分钟内的PR扫描数据和GR体扫数据将使用GPM的验证网络的软件在空间上匹配起来。VN方法通过计算PR波束和单独的GR俯仰扫描的地理交集中的平均PR反射率和GR反射率来匹配PR和GR数据。这种算法因此平均了所需的最小PR和GR取样体积来进行空间对应的PR和GR数据类型的匹配。这种技术的结果是一套对给定降水事件沿PR波束的垂直廓线，在其中PR和GR样本通过有GR波束宽度和俯仰扫描策略决定的廓线在指定高度上匹配。这种方法在与使用统一空间网格对PR-GR比较的方法相比提供了对PR-GR的偏差更准确的估计。

只有在定义为在GR100km范围内层状云和对流性降水的PR元数据中有100或更多被辨别成“确定性降水”的样本的情况下合适的PR和GR数据才被用在这项研究中。

TRMM PR最小可检测信号为18dBZ，而KMA的GR能在更高的灵敏度下探测更小的信号。GR探测的人工阈值被限定为15dBZ以在校准过程中限制在低于PR阈值时PR和GR的偏差。对于所有对比中的分析数据,匹配量在大于90%时超前雷达范围接收器观察到的反射率ge;18dBZ（GR扫描）和ge;15dBZ（GR扫描）。PR/GR同步情况的次数达到确定性降水标准，同时出现了一个或多个匹配量达到90%标准临界值以上，标准临界值的数据在2006年8月至2010年8月间分别为291（于RJNI），215（于RPSN），211（于RGSN）,213(于RSSP)。

图2 RJNI站点单个降水个例（2007年9月）的可视统计分析。（左上）0.19°仰角全分辨率GR的PPI，（左中）1.2°仰角GR和PR体积匹配数据。PR（右中）GR反射率（右下）和PR-GR反射率差值（右上）的垂直剖面。没有达到阈值90%以上的样本以灰色色块呈现。粗黑虚线指示了平均零度层亮带高度

d.TRMM PR降水率

根据定义，TRMM PR降水率来自2A25产品中的未区分的近地面降水率变量，并且作为体积匹配数据他们有相同水平分辨率和位置。

e.GR降水率

GR降水率R（mm/h）使用Z=关系来进行计算。数值源自帕尔默降水尺度分布的求和，用于层状云和混合形式的降水：a=200，b=1.6。对于连续性降水使用WSR-88D连续Z-R关系：a=300，b=1.4。GR的降水类型取自匹配PR体积，调整和描述见本文3a部分。通过应用PR分辨率和在1.5km高度AGL CAPPI表层计算得到的体积匹配GR反射率因子值各自的Z-R关系来得到每个层状云和连续样本的GR降水率。得到的GR降水率样本与PR2A25近地面降水率有一一对应关系，但是应用于在大范围卫星覆盖区域下与PR分辨率相等的GR反射率的Z-R关系可能引起部分的波束充塞错误。根据Durden等人，由于波束充塞错误在PR分辨率（~4km）下通过Z-R关系得出的模拟降水率被高估了大约3%，计算中忽略了降水回波的衰减。由于该研究考虑的四部雷达大多不熟衰减影响，这项结果看上去合乎GR降水率的计算

f.TRMM TMI降水率

TMI测量取样范围为760km，三倍于PR。对于2A12标准产品，使用GPROF算法将TMI传感器9个通道探测的微波辐射量转换成连续降水廓线和地表降雨。降水廓线以垂直14层5km水平分辨率比例网格化，在TMI扫描区域中地表降水率以大约150平方千米的水平分辨率分布。GPROF可运行的2A12第6版降水算法，在不同的表面微波辐射物理假设下对海洋、海岸和陆地应用不同方法进行降水率反演。在海洋上GPROF应用了基于利用来自低频放射通道的辐射信号的Bayesian定理的物理算法。但是，增长的辐射在降水率大于20mm/h时趋近饱和。在大陆上空被区分为匹配点的地方，降雨算法在85.5GHz频道注意由冰冻层之上过冷水散射引起的辐射衰减，由于来自液态水的辐射信号被较高的地表背景温度覆盖因此忽略低频信号。Spencer证明在85.5GHz下亮带温度和表面降水率的衰减量之间存在经验关系。GPROF现在应用一种由Ferraro和McCollum描述的陆地上空的降雨算法。但是在四部GR所在的海岸区域，在海洋和陆地间由于不同辐射分布因而在TMI的扫描范围内存在大量水平变量。在该案例中，这项研究所用的TMI扫描范围内的降水率将从Ferraro和McCollum证明的经验关系来定义。

g.雨量计降水率

雨量计降水率由系统和取样误差引起，包括机械和电子方面的故障。但是，雨量计为GV雷达及相关卫星观测的验证提供了直接点重要的测量。安装在自动气象系统的雨量计装有0.5mm精度的量杯，它们以一分钟的取样频率估测一天累计降水量。连续降水率使用TRMM-guage软件打包算法通过1分钟取样的雨量计数据进行10分钟间隔估测。雨量计降水率受到由雨量杯两连续刻度间粗糙的时间间隔引起的测量仪器取样关联误差的影响，以及不同降水类型变化带来的误差。例如，在小于1.0~2.0mm/h的弱降水中，相邻刻度的间隔时间远大于1分，测量仪器的降水率观测更可能包含重大误差。

h.降水率匹配

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