全球降水觀測計劃(GPM)簡介

全球降水觀測計劃（GlobalPrecipitationMeasurement）GPM簡介全球降水觀測計劃（GlobalPrecipitationMeasurement）是一項國際衛(wèi)星任務(wù)，每三小時對世界范圍的雨雪進(jìn)行觀測。美國國家航空航天局（NASA）和日本航空航天局（JAXA）于2014年2月27日發(fā)射了GPM核心衛(wèi)星，搭載了先進(jìn)的儀器，為太空中的降水測量設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。作為TRMM的后續(xù)衛(wèi)星降水計劃，由國際空間機構(gòu)聯(lián)盟組成，包括國家空間服務(wù)中心（CNES），印度空間研究組織（ISRO），國家海洋和大氣管理局（NOAA），歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織（EUMETSAT）等。它能夠提供全球范圍基于微波的３ｈ以內(nèi)以及基于微波紅外的半小時的雨雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品，范圍延伸至南北極圈。GPM擴展了TRMM傳感載荷，提升了降水觀測能力。GPMCO(GPMCoreObservatory)搭載的雙頻雷達(dá)可探最小回波強度較低(Ku波段)，并且可以采用高敏感度模式交錯采樣(Ka波段)；同時GPMCO的微波輻射計與TRMM衛(wèi)星相比多出４個高頻段，增強了對微量降水及固態(tài)降水的觀測能力。因而與重點觀測熱帶、亞熱帶中大型降水的TRMM相比，GPM能夠更加精確地捕捉微量降水(<0.5mm·h-1)和固態(tài)降水，這兩種降水類型是中高緯度地區(qū)降水的重要組成部分，GPM觀測成果對此地區(qū)的研究具有重要意義。

核心觀測平臺（GPMCO）GPM核心觀測平臺(GPMCoreObservatory，GPMCO)是GPM計劃的核心部分，它于2014年2月28日成功發(fā)射，運行高度為407km，軌道為圓形，非太陽同步，傾角65°，運行速率為7km/s，軌道周期為93min，一天繞地球約16圈。GPMCO搭載了全球首個星載雙頻衛(wèi)星雷達(dá)(Dual-frequencyPrecipitationRadar)即DPR，工作頻段分別為Ku和Ka段（分別為13和35GHz），同時GPM也搭載了一個多波段(10~183GHz)錐掃微波成像儀，即GMI(GPMMicrowaveImager)。相較于其前身TRMM衛(wèi)星，GPMCO搭載的設(shè)備更加先進(jìn)、覆蓋范圍更加廣泛。GPMCO能夠觀測熱帶海洋形成的風(fēng)暴，并追蹤風(fēng)暴向中高緯度地區(qū)運動的軌跡，有利于研究者觀測風(fēng)暴整個生命周期的結(jié)構(gòu)及變化情況。同時通過DPR和GMI的觀測能夠量化降水粒子的微觀物理特性，從而建立一個獨特的觀測數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)降水反演算法的改進(jìn)。對于不同的環(huán)境條件，這個數(shù)據(jù)庫可以作為共同參照，實現(xiàn)不同微波輻射計觀測結(jié)果的統(tǒng)一，建立起太空降水觀測的新標(biāo)準(zhǔn)，這種方法的意義已經(jīng)不局限于GPMCO的生命周期，為以后衛(wèi)星觀測降水提供了新思路和新方法。

GMI云層中的降水及降雪也都發(fā)散出自己的能量，通過對這些能量的大小和頻段進(jìn)行對比分析，能夠區(qū)分降水和降雪、計算降水量以及降水強度。GMI由美國波爾航太科技公司為NASA戈達(dá)德宇宙飛行中心開發(fā)建造，它具有13個頻段，能夠觀測所有云層內(nèi)的降水，包括微量降水以及降雪。GMI低頻段(10~89GHz)與TRMM搭載的微波成像儀(TRMMMicrowaveImager，TMI)類似，能夠觀測中大型降水，而GMI的高頻段(166~183GHz)能夠觀測到中小型降水，GMI13個頻段依次是10.65V&H、18.7V&H、23V、37V&H、89.0V&H、164V、165H、183.31±3V、183.31±7V頻段，5個低頻段適合觀測各類液態(tài)降水，4個中頻段能夠捕捉液態(tài)、固態(tài)混合降水，4個高頻段適合觀測固態(tài)降水。GMI主反射器以每分鐘32轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動，收集以航天器地面軌跡為中心的140°扇形上的微波輻射測量數(shù)據(jù)，地表掃描幅寬885KM，覆蓋了DPRKa－Ku幅寬，但是由于航天器運動。GMI的天線直徑為1.2m，運行高度為407km，相比于TMI和GPM衛(wèi)星群其他衛(wèi)星攜帶的輻射計，GMI能夠獲得更高的空間分辨率。DPRDPR為全球首個星載雙頻降水雷達(dá)，由日本JAXA和NICT(NationalInstituteofCommunicationTechnology)聯(lián)合設(shè)計，NEC東芝航天系統(tǒng)公司建造，能夠測量降水的三維結(jié)構(gòu)，包含了Ka波段雷達(dá)(KaPR)和Ku波段雷達(dá)(KuPR)，運行頻率分別為35.5和13.6GHz。，KaPR掃描幅寬為125km，KuPR掃描幅寬為245km，而垂直于幅寬方向?qū)挾染鶠?km，豎直向空間分辨率為250m，采樣間隔為125m，探測到的最小回波強度不高于18dBZ。而當(dāng)KaPR使用高敏感度模式時（在交錯采樣時期采用），探測的最小回波強度不高于12dBZ，豎直空間分辨率為500m。Ｋｕ波段降水雷達(dá)頻率與TRMMPR相近，但是由于技術(shù)上的改進(jìn)KuPR能夠達(dá)到更高的精度和敏感度，降水探測的最小閾值達(dá)到了0.5mm/h，而當(dāng)KaPR在高敏感度模式下運行，降水探測的最小閾值進(jìn)一步下降，達(dá)到0.2mm/h。除了精度和敏感度上的提升，DPR與TRMMPR相比最大的提升是能夠?qū)aPR和KuPR掃描重合部分的15mm/h以下的降水，提供降水粒度分布(PSD，ParticleSizeDistribution)的定量估計。PSD的獲取具有重要意義，其大小特征、計數(shù)濃度能夠用來完善降水反演算法的先驗假設(shè)。

各級產(chǎn)品簡介 GPM能夠提供4種級別的數(shù)據(jù)：１級數(shù)據(jù)包含DPR雷達(dá)功率、GMI亮度溫度等；２級數(shù)據(jù)包含地理定位物探數(shù)據(jù)（如降水）、瞬時視場(IFOV)DPR反射率；３級數(shù)據(jù)包含網(wǎng)格化時空分布物探數(shù)據(jù)（如潛熱）；４級數(shù)據(jù)包含遙感和模型融合數(shù)據(jù)。 四、觀測產(chǎn)品應(yīng)用前景 1、增強對極端天氣事件，如臺風(fēng)的預(yù)報能力。衛(wèi)星使得人們能夠觀測風(fēng)暴降水整個生命周期的運動、演變特征，尤其是在難以進(jìn)行地基觀測的海洋上形成的風(fēng)暴。TRMM衛(wèi)星在這方面已經(jīng)取得了良好的成果，GPM則在TRMM的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強化了觀測能力。微波儀器相比于紅外／可見光傳感器的一大優(yōu)勢就是其穿透云層反演降水結(jié)構(gòu)的能力，這種特性已經(jīng)被很多機構(gòu)應(yīng)用。GMI能夠提供GPM計劃衛(wèi)星群中分辨率最高的觀測成果，對提升臺風(fēng)的追蹤和預(yù)報能力、制定決策、減災(zāi)防損都具有重要意義。2、加強氣象、氣候預(yù)報能力。GPM能夠提供對降水微觀物理特性的觀測成果，有利于地球系統(tǒng)分析和建模。另外許多研究表明，降水信息與全球及區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同化能夠提高大氣分析和短期預(yù)報能力。通過提供更精確、更頻繁的準(zhǔn)實時觀測，從而促進(jìn)數(shù)值天氣技術(shù)的發(fā)展。3、提升對洪水、干旱和泥石流等災(zāi)害的預(yù)報能力。GPM能夠提供大量３ｈ以內(nèi)的全球降水產(chǎn)品，滿足水文氣象應(yīng)用要求的最小時間間隔。降水是水文模型最重要的輸入，以往基于模型的氣象、災(zāi)害預(yù)報較多的受制于降水資料的影響，GPM降水產(chǎn)品相比以往衛(wèi)星降水產(chǎn)品精度更高，能夠滿足水文模型的高要求，增強了對于洪水、泥石流等災(zāi)害的預(yù)測和評估能力，尤其是在地面觀測站網(wǎng)較為稀疏的發(fā)展中國家。4、提高農(nóng)作物生產(chǎn)的預(yù)報和指導(dǎo)能力水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，在準(zhǔn)確預(yù)報降水的時間、空間和數(shù)量等特征的基礎(chǔ)上，才能夠預(yù)測糧食產(chǎn)量，掌握與農(nóng)業(yè)息息