TRMM卫星微波成像仪资料的陆面降水反演

料匹配分析显示，由于时空匹配问题，站点降水与微波辐射计亮温及亮温的组合因子的相关性并不高，明显低
于 TRMM 卫星的测雨雷达 PR 与微波辐射计亮温及其组合因子的相关程度，因此仅用微波亮温和站点降水难以
建立较好的反演算式。结合时空匹配较好的 TRMM 卫星降水雷达 PR、微波辐射计 TMI 资料，建立新的算式，
（2） 卫星 PR 与 TMI 数据的匹配处理的方法 是：以 TMI 像素为中心，取半径为 0.125 °（19 GHz 分辨率的一半）范围内的所有 PR 像素，求其权重平
均后的结果作为 TMI 像素对应的雨强。通过这样的 匹配得到 22 201 组降雨样本，含有 PR 提供的 3 种瞬 时雨强和 TMI 各个通道亮温。由于 PR 回波强度在 1.5 km 下受地物回波的影响较大，因此我们选取 PR 降雨垂直廓线中 2 km 的雨强来近似表征地面雨强， 文中所有提及 PR 雨强都是指测雨雷达 2 km 高度处 的雨强。
Is1 0.235 0.580 0.404 0.107 0.084 0.097
Icm 0.188 0.390 0.180 0.111 0.091 0.112
Dv 0.200 0.495 0.257 0.140 0.095 0.129
Dh
0.027 -0.038 -0.012 0.007 -0.049 0.085
Tpc -0.238 -0.615 -0.419 -0.124 -0.100 -0.117
If 0.216 0.466 0.358 0.103 0.079 0.055
（1. 中国气象局武汉暴雨研究所，湖北 武汉 430074；2. 国家卫星气象中心，北京 100081）
摘 要：为了探讨微波亮温与降水的关系，用 TRMM 卫星上微波降水雷达 PR、微波辐射计 TMI 资料和
973 资料组提供的 2002 年 6～7 月 120 站的每小时自记降水记录，采用逐步回归方法，反演陆面降水。通过资
2 资料介绍及资料匹配
2.1 资料介绍
本文所使用的资料由日本地球观测中心的遥感 技术中心提供的 TRMM 卫星主被动微波探测资料， 其中包括微波辐射计 TMI 的 1B11 产品和测雨雷达 PR 的 2A25 产品。TMI 是一个 5 个频率、9 个通道微 波辐射计，5 个频率分别为 10.65、19.35、21.3、37 和 85.5 GHz，除其中 21.3 GHz 仅为垂直极化外，其 余频率均为双极化。1B11 产品包含 TMI 的 9 个通道 亮温数据。星载测雨雷达 PR 工作频率为 13.8 GHz, 扫描宽度 215 km，每条扫描线由 49 个像素组成，垂 直方向从地面到高空 20 km，垂直分辨率为 250 m。 2A25 产品包含 PR 雷达分析的三维雨强、近地面雨 强、平均雨强以及订正过的三维回波强度等。
并且和其它算式进行比较。就反演降水结果而言，新算式比原有算式有一定改善，但对 6～10 mm/h 的降水来
说，新算式与原有算式反演结果都较差。
关 键 词：TRMM 卫星；资料匹配；反演降水；算式；比较
中图分类号：P412.27
文献标识码：A
1引 言
和可见光通道而言，微波能深入一定的云层、甚至 到地表，可直接反映降水云的微物理特性，与降
强范围内，既有层状云降水也包含有对流云降水，这 两种降水所对应的亮温值的分布范围比较大，所以雨 强与亮温的相关性较差。
表1 各站点雨强、PR降水与TMI各个通道亮温的相关系数
TMI各通道亮温 站点雨强/（mm/h）
2A25（all） 2A25（0.1～3 mm/h） 2A25（3～6 mm/h） 2A25（6～10 mm/h） 2A25（10～20 mm/h）
共同资助 作者简介：闵爱荣，女，湖北人，工程师，从事遥感资料应用与数值模式工作。E-mail：minairong@whihr.com.cn
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热带气象学报
24 卷
分析区域的不同，统计算法的效果差异较大，具有一 定的局限性。
本文在 TRMM 卫星上搭载的测雨雷达 PR 及微 波成像仪 TMI 产品的基础上，建立统计反演降水的 新算式，并对所建立的反演算式与何文英等[12]建立 的反演算式进行比较、分析，以希望进一步认识不同 通道微波遥感资料与降水之间的关系，提高微波反演 降水的精度。
TRMM卫星PR雷达反演的2 km高度处的所有雨强，
2A25(0.1～ 3 mm/h)代 表 PR雷 达 反 演 雨 强 在 0.1～ 3
mm/h的降水，其它等级的降水意义也是如此。
从表1和表2可以看出，站点降水与微波辐射计亮
温及其亮温的组合因子的相关性明显低于TRMM卫
星的测雨雷达PR与微波辐射计亮温及其组合因子的
Pvecipitation Index ） 和 CST[2] 法 （ the 海冰的时间系列变化特征，并根据微波亮温资料建立
Convective-Stratiforn Technique）是两种具有代表性 了判断雪盖、海冰、沙漠等下垫面的方法；Grody[9]
的热红外通道估计降水的方法，其原理是依据云顶温 利用 SSM/I 资料，建立了用散射指数反演陆面降水
（1） 卫星 TMI 和地面雨量计资料的匹配处理 的方法是：根据卫星过境的时间，在 2002 年 6～7 月 120 个雨量站中找卫星过境时所在时次的小时雨 量数据，并以雨量站为中心，将距离站点 0.1 °内最 接近的 TMI 像素点作为该站对应点，对应的降雨量 用最接近 TMI 扫描时刻的站点小时雨量。通过这样 的匹配得到 1 464 组降雨样本，含有小时雨量和 TMI 各个通道亮温。
度越低降雨量越大来估计雨强。但是，可见光和红外
的 散 射 方 法 ； Anagnostou 等 [10]和 Hong 等 [11]利 用
波对云和降水的穿透性较差，所获得的可见光和红外 SSM/I 和 TMI 资料，采用统计方法先后建立了一些
云图信息主要来自降水云顶部，降低了遥感信息与地 判别指数来区分层状云和对流云降水，取得了一定的
Tb10v 0.021 0.075 0.051 -0.001 0.022 -0.098
Tb10h 0.025 0.091 0.064 0.000 0.035 -0.092
Tb19v 0.039 0.066 0.071 -0.020 -0.046 0.137
Tb19h 0.069 0.127 0.106 0.011 -0.000 -0.087
Tb22v -0.050 -0.081
0.003 -0.106 -0.113 -0.173
Tb37v -0.132 -0.267 -0.095 -0.159 -0.118 -0.170
Tb37h -0.032 -0.058
0.040 -0.121 -0.096 -0.157
表2 各站点雨强、PR降水与各个组合因子的相关系数
Dv = Tb19v − Tb37v Dh = Tb19h − Tb10h
Dvh = 0.35 × Dv + 0.09 × Dh
Tpc = 1.818 × Tb85v − 0.818 × Tb85h
I cm
=
Tb37v − Tb37h 5.562
−1 + 30 × (1 −
Tpc )
273.71
Is1 = 451.9 − 0.44 × Tb19v − 1.775 × Tb22v + 0.00575 × Tb222v − Tb85v
2.3 样本相关分析
通过所建立的样本，计算站点降水、测雨雷达 PR降水、PR不同等级降水与TMI各通道的亮温以及 何文英等[12]、Ferraro等[8]、李莉等[13]、李万彪等[14]、 陈 轶 等 [15] 在 利 用 微 波 资 料 反 演 降 水 时 提 到 的 8 种 组 合因子的相关系数，这8种组合因子分别是
Is2 = −65.487 − 0.1836 × Tb10v − 0.4546 × Tb19v + 1.8605 × Tb22v − Tb85v
If
=
1
+
2.1305
×
I 1.3972 cm
表1、2分别是站点雨强和PR反演的降水与TMI
各个通道亮温及各种亮温组合的相关系数，其中站点
雨 强 代 表 地 面 观 测 站 的 小 时 降 水 ， 2A25(all)表 示
与雨强的相关程度，如只有Tpc和Dvh通道和雨强的
相关性稍高于Tb85通道亮温和雨强的相关性，其余
组合因子和雨强的相关性都低于Tb85通道亮温和雨
强的相关性。
3期
闵爱荣等：TRMM 卫星微波成像仪资料的陆面降水反演
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另外还可以看出，在表中所列的不同雨强范围 中，6～10 mm/h的雨强与TMI 9个通道亮温及其组合 因子的相关系数是最低的，其原因可能在于在这个雨
此成为监测全球降水变化的一种重要手段。早期的卫 年来，随着多通道微波观测仪器的发展，统计方法反
星估算降水最主要是应用静止卫星的热红外通道和 演地面降水取得了很大进展，如 Ferraro 等[8]利用
可 见 光 通 道 进 行 估 算 降 水 ， GPI[1] 法 （ the GOES SSM/I 多年的资料分析了降雨率、云、水汽、雪盖、
面观测资料的可比性。近年来，随着星载微波探测 效果。统计反演算法的优点是回避了许多微波遥感中
器的发展，微波资料反演降水成为近年来卫星遥
感降水的一个重要方向，其原因在于相比热红外通道
不确定的因素，简单易行，有助于直接认识、探索遥 感和降水之间的关系，缺点是随统计样本的差异及其
收稿日期：2007-01-17；修订日期：2007-05-26 基金项目： 武汉暴雨研究所 2006 年度暴雨研究开放基金项目（IHR2006K03）；中国气象局风云气象卫星遥感开发与应用项目（FiDAF-2-01）
暴雨灾害是主要灾害性天气之一，它所引发的洪 水的关系更为直接，因此国内也有很多学者开始
涝灾害常给人们生命财产和国民经济建设带来巨大 利用微波资料反演降水和开展其它方面的研究工
损失。由于降水在时间和空间上存在很大的不均匀
作[3－5]。
性，而常规使用的雨量计分布密度有限，地基雷达也
1963 年 Butten wk.baidu.com早提出微波降水反演思想。随
地面降雨资料由 973（我国重大天气灾害形成机 理与预测理论研究项目）资料组提供的 2002 年 6～7 月 120 个站（加密站 58 个，自动站 62 个）的小时自 记降水记录。资料分布范围为 26～34 °N，109～123 °E。
2.2 资料匹配
TRMM 卫星每天约有 16 条轨道不定点、不定时 通过热带地区，通过选定范围所需要的时间也只有 2 分钟左右，为使 TMI 资料与 PR 及地面雨量计资料在 时间和空间上相匹配，采取以下措施：
Tb85v -0.239 -0.608 -0.412 -0.125 -0.097 -0.110
Tb85h -0.236 -0.588 -0.396 -0.124 -0.091 -0.100
组合因子 站点雨强/（mm/h）
2A25（all） 2A25（0.1～3 mm/h） 2A25（3～6 mm/h） 2A25（6～10 mm/h） 2A25（10～20 mm/h）
只能测量有限的空间范围，作为空基观测重要手段的 后，Spencer 等[6－7]通过结合 SMMR 微波资料和地基
卫星观测，由于其较大的空间覆盖性，使其可以对全 雷达来估计降雨，并且第一个建立了用 SMMR 的 37
球降水分布做出时间和空间上都较为连续的观测，因 GHz 散射信息来反演陆面降水的经验算式。近二十
相关程度，其原因主要在于站点降水与微波辐射计亮
温在时间和空间上的不匹配，而测雨雷达PR与微波
辐射计在观测时间上是一致的，在空间上也是选用两
者都覆盖的点。因此在本文中选用时空匹配较好的测
雨雷达PR与亮温来建立回归方程。
尽管微波亮温的组合因子与降水有比较好的相
关，但在某种程度来讲，其相关性并不一定好于亮温
第 24 卷 第 3 期 2008 年 06 月
热带气象学报
JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY
Vol.24, No.3
Jun., 2008
文章编号：1004-4965（2008）03-0265-08
TRMM 卫星微波成像仪资料的陆面降水反演
闵爱荣 1，游然 2，卢乃锰 2，石燕 1