本文描述了一个致力于统一和改善空基降水观测的国际卫星计划，该计划将在科研和社会事业得到应用。外文翻译资料

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本文描述了一个致力于统一和改善空基降水观测的国际卫星计划，该计划将在科研和社会事业得到应用。

降水影响我们生活的很多方面。降水的时空分布对淡水资源的获得、生命的维持具有重要而直接的影响(Montaigne 2002; NSTC 2004)。与飓风、洪水、干旱、泥石流等相联系的极端降水事件有着重要的社会经济作用(Futrel et al. 2005; NRC 2010)。历史上，气象学和水文学都非常重视降水的观测。水资源管理包括农业灌溉、应对洪水和干旱、管理淡水储备，它需要准确及时的获取下雨或下雪的时间、地点以及量级。

降水不仅在水资源管理中很重要，而且在地球的水循环、全球能量循环、生物化学循环中扮演着重要的角色。降水与云、水汽、大气和海洋环流（分别通过潜热释放和盐度稀释）、地表反照率(通过雪盖)相联系(Trenberth et al. 2007)。对于降水强度和积累的准确认识可以帮助我们理解地球系统的全球水循环和能量平衡。

虽然降水的地面站点观测相当准确，但是难以获得降水强度、种类等的大尺度时空变化的直接、统一校准的观测，特别是在海洋上。在陆地上，地面雨量计在估计延伸区域的降水时，存在代表性问题，特别是在较短时间分辨率或者复杂地形的情况下。雷达降水也受到电子信号以及运行环境等多种误差来源的影响，如地形遮挡、雷达射线抬升和Z-R关系的不确定性等，在地形复杂地区具有较大的不确定性。全球范围来看，陆地上的地表观测具有有限的观测网络，并且无法获得海洋上的测站观测，因而从太空进行卫星降水观测是获得全球降水情况及其变化的唯一有效手段(Kidd and Levizzani 2011)。

当前的全球卫星降水产品基于微波本身、校准的红外、不同卫星的微波红外相结合的方式，使用一系列融合技术获得(例如Sorooshian et al. 2000; Kuligowski 2002; Kidd et al. 2003; Turk and Miller 2005; Huffman et al. 2007; Kubota et al. 2007; Joyce et al. 2011)。现有的产品在观测的准确性、采样频率、融合算法上有着明显的差别。地球静止卫星上的红外探测仪可以提供高时间分辨率的降水观测（参考自云顶辐亮度），一些平台可达到15分钟的间隔，因为辐射特性与降水例子有着更直接的联系，微波探测仪是观测降水的重要仪器。全球降水产品的进一步提升要求在统一观测框架内进行更准确和更频繁的微波观测。

GPM计划就是为了统一并提升科研和业务星群的微波传感器的全球降水观测而设计的。基于TRMM的成功，NASA和JAXA在2014年2月28日发射了GPM核心观测平台。该观测平台搭载了第一个星载双频卫星雷达，DPR，可探Ku波段和Ka波段（分别是13GHz和35 GHz），还有一个锥扫多频道（10-183 GHz）微波成像仪，GMI。以上传感器是对关注热带和亚热带中大型降水的TRMM仪器的扩充，GPM传感器扩大了观测范围，可以观测到微量降水（例如降水强度小于0.5mm/h）和在中高纬降水中占有重要比重的降雪(Mugnai et al. 2007; Kulie and Bennartz 2009)。特别地，DPR和GMI将通过量化降水粒子的微物理特性，建立独特的观测数据集，改善反演算法。该数据集将为空基降水观测建立新标准。

图 1 为GPM计划提供微波探测仪数据的星群成员示意图

GPM的科学目标和任务范围

GPM是为了提供新一代雨雪空基观测而特别设计的卫星群任务，可以加深我们对于地球的水循环和能量循环的理解。作为一个具有综合目标的科学任务，GPM将提供实时数据，供风暴位置识别、洪水预报、淡水检测、泥石流预警、农作物产量预报、水传播疾病追踪等一系列社会应用使用。

当前的多卫星降水产品很大程度上是基于以TRMM为中心的算法和验证，多集中在热带海洋的中到大雨。GPM将提供新一代全球降水产品，有如下三个特征：1）更准确的瞬时降水观测，特别是微量降水和冷季固态降水；2）在统一框架内实现所有卫星辐射计获得的亮温数据的交互校准，以及与GPM核心观测平台的雷达、辐射计融合观测相一致的水文观测数据集。与TRMM南北纬37°的覆盖率相比，GPM具有更广阔的全球覆盖（南北纬68°），可以显著提高降水特征的量化，并提供更准确的中高纬度降水产品。

在美国，是地球科学界为了理解全球变暖背景下水圈循环的改变，以及促进其在社会上的广阔应用而发起了GPM任务。作为NASA在地球科学领域聚焦全球水循环和能量循环的基础任务，GPM对美国气候变化科学项目和美国天气研究项目作出了重要的贡献。在日本，JAXA的GPM/DPR计划是日本地球卫星观测项目的关键组成。在以上情境下，GPM将与互补观测协同使用，深入了解云水，水汽，气溶胶，土壤湿度以及海水盐度之间的相互作用。意识到全球降水的分布提供了一个理解水相关观测局地变化的前因后果的背景，地球科学十年调查将GPM作为未来十年一系列地球水和能量循环计划的先驱者(NRC 2007b)。

GPM数据将改善一系列国际科学项目和计划，包括WCRP建立的通过观测和模式去理解全球水循环和能量通量GEWEX，IGOS成员领导的为联合国全球环境政策制定提供参考的IGWCO，WMO和CGMS发起的提高空基观测准确度和一致性的GSICS，提高空基降水观测和他们在研究上的应用的IPWG。GPM被联合国“干旱区和半干旱区的水资源遥感”项目认为是和平使用太空的典范。并且GPM将是CEOS为GEOSS发展的降水观测群中，第一个能够提供地球长期、协调观测。

GPM星群的覆盖范围和采样

GPM基准星群的空间覆盖范围和时间采样将随在轨卫星成员变化，图3展示了星群的预期观测时段。

图 2 GPM星群的预计推出时间表和生命期，蓝色代表基本任务阶段，黄色代表扩展任务阶段。GPM核心观测平台在基础任务阶段之外的业务运行由科学和卫星表现的评估决定。

比较而言，2012年有7个卫星提供微波降水观测，他们是TRMM，三个DMSP卫星（F16，F17和F18），两个POES卫星(NOAA-18和19)，以及MetOp-A。

图4表明，与目前相比，GPM星群将通过缩短微波辐射计在全球的年平均再扫描时间，显著提高覆盖范围和采样(图4a)，并提供更频繁的和更多数量的观测(图4b)。特别地，图4b表明，相较于2012年的45%和70%，到2015年所有纬度超过60%的星群采样将小于1小时，超过80%的将小于3小时。随着中国的风云三号辐射计(NSMC 2013)和俄罗斯MTVZA等微波辐射计数据的加入，全球降水采样将进一步提高(Cherny et al. 2002)。

卫星辐射计的交互校准

GPM计划的主要目标之一是统一连续框架内的各微波传感器数据，提供统一的全球降水产品。GPM提供的不同级别数据如下，1) 1级数据包括：地理定位的校准的DPR雷达功率，GMI亮度温度，用瞬时视场（IFOV）内其他辐射计交互校准的亮度温度；2) 2级产品包括：地理定位的物探数据（如降水率），瞬时视场DPR反射率；3) 3级产品包括：来自GPM核心传感器和成员的微波辐射计的网格化时空分布的物探数据（如潜热）；4) 4级产品包括：遥感和模型融合数据。

因为GPM卫星群中的微波辐射计具有相似但不相同的特征，建立统一降水数据集的重要一步是去除不同传感器亮温的相对偏差，为降水反演提供自连续的输入数据。这要求星群微波辐射计的亮温能够相互校准到一个统一的标准。为了就各种天气条件下，卫星之间微波辐亮度的校准达成共识，NASA的GPM项目组已经建立了一个国际工作小组(Wilheit 2013)。为了GPM星群传感器的降水反演，GPM将建立一个偏差订正的自连续的辐射数据集，1级C产品，与此同时也会继续更新1级B产品。

图 3 （a）（上）2012年提供降水观测的7个微波辐射计的平均再扫描时间，（下）2015年GPM星群的平均再扫描时间，（b）（上）2012年星群辐射计的累积观测分布（中）2015年星群辐射计的累积观测分布（下）2012年和2015年星群微波辐射计在不同纬度、一个月时间内的观测数量比较

锥扫微波成像仪（频道可达到90GHz）由单卫星观测转变到其他卫星的虚拟观测，使用非协调传感器（例如TMI或GMI）作为传递标准。在GPM发射之前，交互校准的1级C亮温产品的原型使用TMI作为参考，提供了星群辐射计观测如何在一个连续框架中协调的示范(GPM ATBD 2013)。交叉定标的一个重要副产品是GPM星群监测每一个仪器的能力，包括突然的和（或）连续的校准变化以及其他下降。

业务协调卫星的水汽微波探测仪交叉轨道扫描的交互校准，直到最近，是依赖于几乎同时、并置的高纬度轨道交叉观测，或者地面高质量实况点的有限交互校准。最近发射的低倾角（20°）轨道的Megha-Tropiques卫星装备了SAPHIR水汽探测仪，与业务水汽探测仪一起，可以提供广阔范围的几乎实时、并置的观测。这将使大范围入射角交叉校准的实现可以先于GMI的发射。GPM将与WMO发起的GSICS项目一起，将业务预报中使用的偏差清除诊断法作为交互校准微波探测仪的一个方法。

降水算法

GPM核心观测平台和卫星观测群在瞬时视场（IFOV）的降水反演包括：GPM2级DPR算法、DPR和GMI融合算法、雷达增强辐射算法。另外也有单独的算法融合多卫星产品以及估计潜热。这些算法的方法如下。

1. DPR反演算法

作为首个星载双频降雨雷达，与TRMM单频雷达和地面雷达相比，DPR在降水反演方面更优(Iguchi et al. 2000)，包括水凝物识别能力的提升（尤其是对流风暴），降水率和水含量更准确的估计，以及雨雪的降水粒度分布（PSD）信息。对于一个合理的伽马分布形参范围或者雪质量密度范围，重叠的Ku和Ka波段观测可以用来检验两个参数在垂直样本剖面的每个距离单元上的降水粒度分布，比如中值质量直径和特征数分布(Liao et al. 2005)。另外，衰减订正可以通过将表面作为参考目标，和将PSD用于逐步订正程序的迭代来实现(e.g., Meneghini et al. 1997; Mardiana et al. 2004; Rose and Chandrasekar 2006)。

DPR算法能够提供像素级别（水平5千米，垂直125米）的瞬时面降雨和垂直水汽廓线及其在网格上的时空累积量。

2. DPR与GMI融合算法

虽然DPR算法在原有TRMM PR算法上有主要改进，但是模糊仍然存在，因为大小分布中大量关于形状参数的假设、雪聚集物和霰的质量密度、水汽垂直廓线和云中液态水含量。DPR与GMI融合算法的目标是使用多频GMI辐射探测作为DPR算法额外的积分约束，以生成一系列地球物理参数，并且参数要与DPR反射率廓线和GMI在雷达观测带上的辐射亮度在物理上协调。特别地，以上提及的一些假设可用最小化模拟和观测亮温偏差的变分方法，或者用集合卡尔曼滤波的方法进行约束。为TRMM发展的算法极大地帮助了融合反演算法的建立(e.g., Haddad et al. 1997; Grecu et al. 2004; Masunaga and Kummerow 2005)。

DPR与GMI融合算法将提供最高质量的降水估计，并促进几乎全球范围的亮温微波辐射率与水汽廓线的先验关系数据库的建立，数据库融合了观测和云模式的模拟，这种数据库的优势已经被阐明(e.g., Grecu and Olson 2006)。DPR与GMI融合算法将提供像素级别的面降水以及它的垂直结构和时空累积量。

3.雷达增强辐射计反演算法

在TRMM的基础之上(e.g., Evans et al. 1995; Kummerow and Giglio 1994; Kummerow et al. 1996; Marzano et al. 1999),GPM将实施GPROF2014，利用GPM卫星群所有的被动微波辐射计数据进行降水反演。但与TRMM不同的是，GPROF2014不使用模式生成的水汽数据集，而是利用核心观测平台建立一个DPR反演降水廓线及其微波辐照度信号的数据集。这些观测约束的数据集与贝叶斯反演技术相结合，建立连续反演算法，用于GMI核心观测平台和每一个GPM协议卫星的降水反演。因为这些反演采用了包含DPR信息的先验数据集，他们有效地达到了雷达增强的效果。GPM辐射计反演算法的原型使用由TRMM PR反射率和TMI辐射亮度约束的热带云数据集，现在已经证实了这种技术的有效性(Kummerow et al. 2011)。因为观测约束数据集的建立要求在轨的DPR和GMI数据，所以GPM雷达增强辐射产品在核心观测平台在轨校准完成后的六个月才可以获取。.雷达增强辐射计反演算法将提供像素级别的面降水以及一些垂直结构和时空累积量。

GPM卫星群采用的多卫星辐射度相互校准和二级传感器反演，会显著提高单个微波仪器降水估计的准确性和一致性。

4.多源卫星融合算法

因为GPM卫星群辐射计的频率覆盖是前所未有的，数据的应用甚至要求更高的时空分辨率，比如水文。3级多源卫星降水算法（IMERG）包含了所有卫星群的微波传感器的间歇性降水估计，更频繁的、即使不太准确的、基于红外的地球同步轨道卫星观测，与逐月地表面降水观测数据。多源卫星融合算法利用如上数据，建立了一致校准的、均匀

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