GPM DPR轨道提升对降水产品精度的影响评估：基于意大利雨滴谱仪网络的验证研究

《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》：Evaluation of GPM DPR Precipitation Products after Orbit Boost Using Disdrometers in Italy

本刊编辑推荐：为解决GPM核心观测站轨道提升后对双频降水雷达(DPR)数据质量的潜在影响问题，研究人员开展了轨道提升前后DPR降水产品与地面雨滴谱仪数据的对比验证研究。通过分析意大利境内8个站点2018-2024年的观测数据，发现轨道提升对降水产品精度影响有限，证实了轨道提升策略在延长卫星寿命方面的可行性，为后续类似任务提供了重要参考。

　　

在气候变化日益加剧的今天，精确的降水测量对于改进气候模型、提升天气预报准确性以及水资源管理至关重要。然而，传统的地面观测站点分布不均，特别是在海洋和偏远地区存在大量观测空白。卫星遥感技术为此提供了解决方案，其中全球降水测量(GPM)任务搭载的双频降水雷达(DPR)更是成为了全球降水监测的重要工具。

2014年发射的GPM任务是对热带降雨测量任务(TRMM)的重要升级，不仅将观测范围扩展到65°S-65°N，还增加了Ka波段(35.5 GHz)雷达，与Ku波段(13.6 GHz)形成双频观测系统，显著提升了对弱降水和雪花的探测能力，并能提供更精确的降水微物理特性信息。然而，在2023年11月，为了减少大气阻力、节省燃料以延长卫星寿命，NASA和JAXA执行了轨道提升操作，将GPM核心观测站的高度从400公里提升至435公里。

这一操作让人联想到2001年TRMM任务类似的轨道提升，当时导致雷达灵敏度下降约1.2 dB，并引发了波束不匹配等问题。虽然GPM DPR由于采用了非固定脉冲重复间隔，波束不匹配问题得到较好解决，但轨道提升仍导致灵敏度轻微下降(约0.6 dB)和足迹扩大。那么，这次轨道提升会对DPR降水产品的精度产生怎样的影响？这是本研究要回答的核心科学问题。

为了系统评估轨道提升的影响，研究团队采用了多方法验证策略。技术方法主要包括：使用意大利雨滴谱仪网络(GID)8个站点的激光雨滴谱仪数据作为地面真值；选取2018年5月至2024年11月的GPM DPR数据，涵盖轨道提升前后的V07A和V07C版本产品；采用点对点、平均值和最优值三种空间匹配方法进行对比分析；评估参数包括降水率(R)、反射率因子(Z)、滴谱参数(D_m和N_w)；通过标准化平均绝对误差(NMAE)、平均绝对误差(MAE)、标准化偏差(NB)和相关系数等统计指标量化评估精度。

研究结果通过系统的统计分析揭示了轨道提升对DPR产品性能的影响：

降水率(R)验证结果

轨道提升后，DPR降水率产品的精度表现出改善趋势。V07C版本的NMAE从V07A的59.26%(点对点)和68.44%(平均值)分别降至28.85%和26.30%，相关系数从0.60提升至0.92(点对点)和从0.46提升至0.94(平均值)。这种改善可能部分归因于数据预处理算法的优化，但由于样本量限制，需要进一步验证。

反射率因子(Z)验证结果

反射率因子的验证显示，轨道提升前后性能变化不大。Ku波段和Ka波段的NMAE值在V07A和V07C版本间保持相对稳定，相关系数在0.65-0.75范围内波动。值得注意的是，V07C版本显示出略微增大的正偏差，这可能与轨道提升后雷达灵敏度变化有关。

滴谱参数验证结果

滴谱参数D_m(质量加权平均直径)和N_w(归一化截距参数)的验证表明，轨道提升的影响较为复杂。D_m的偏差在V07C中有所增加，而N_w的负偏差也略微加大。这些变化可能与轨道提升后雷达探测特性改变有关，但所有变化均在统计置信区间内，表明影响并不显著。

空间匹配方法比较

三种空间匹配方法的比较显示，最优值方法能提升验证结果的一致性，特别是对降水率和反射率因子，NMAE和MAE可降低20-30%。这表明在验证卫星降水产品时，选择合适的空间匹配方法对结果有重要影响。

样本量影响分析

通过重采样分析发现，由于V07C版本数据量较少(仅1年数据)，部分观测到的性能变化可能源于样本量差异。统计参数的置信区间分析表明，除降水率外，其他参数的变化大多在期望的变异范围内。

本研究通过严谨的验证分析得出重要结论：GPM轨道提升对DPR降水产品精度的影响有限，在统计上不显著。这一发现证实了轨道提升作为延长卫星寿命策略的可行性，对当前和未来的卫星遥感任务具有重要参考价值。特别是对欧空局和JAXA联合实施的地球云和气溶胶辐射探测器(EarthCARE)等类似任务提供了实践依据。

研究的局限性在于验证数据主要集中在10 mm h^-1以下的弱到中等降水事件，对强降水的适用性需要进一步验证。此外，V07C版本相对较短的数据记录期也限制了统计结论的稳健性。未来的研究需要扩展验证数据集，包括更多强降水事件和更长时间序列的分析，以全面评估轨道提升对气候尺度降水记录的影响。

这项发表在《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》上的研究，不仅为GPM数据使用者在轨道提升后继续可靠使用DPR产品提供了信心，也为未来卫星任务设计和管理提供了重要借鉴，凸显了系统验证在卫星遥感数据质量保证中的关键作用。