第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 降水产品性能评估及其在干旱研究中的重要性
降水是*重要的水文气象要素之一，也是维持自然界能量平衡的关键因素（唐国强等，2015；Huffman，2014）。降水的时空分布变化与各种自然灾害的发生息息相关（Maggioni et al.，2016），它在空间分布上的不均匀性和时间变化上的不稳定性是引起如洪涝、干旱等自然灾害的直接原因，然而由于降水在小尺度上存在很大的变异性，对它的准确估计存在很多挑战（Beck et al.，2018，2017a），因此优质的高时空分辨率降水数据集对于水文模型驱动和干旱、洪水预测等科学研究与应用具有重要价值。
目前，降水观测资料的来源主要有三种，包括雨量计、天气雷达以及卫星传感器（江善虎等，2014）。其中，雨量计获得的降水观测资料具有精度高、时间尺度长等优势，应用*为广泛（章诞武等，2013），但雨量计只适用于点尺度，且空间监测能力易受经济、地理条件等因素的制约，在部分地区获得的降水观测资料空间代表性很差（刘俊峰等，2011；张强等，2011）。天气雷达具有空间分辨率高、数据获取滞后时间短等优势，但其对降水强度的估算难以准确反映降水在时间上的高变异性，此外，其获取的降水观测资料常因空间覆盖度有限、信号易受地形遮挡等因素影响，在空间上存在很大的不确定性（Sokol et al.，2021）。卫星传感器主要包括可见光/红外（Visible Light/Infrared Radiation，VIS/IR）传感器和主、被动微波传感器两种，可见光/红外传感器的可见光波段仅能观测白天的数据，红外波段观测的数据的时空分辨率高，但只能通过云顶亮温间接反演降水数据且误差较大（唐国强等，2015），而被动微波传感器可以直接观测降水颗粒的辐射特性且精度高于可见光/红外传感器，主动微波传感器则是目前卫星搭载的观测降水的传感器中*精准的仪器且具有高精度、高分辨率的特性（Kolassa et al.，2017；杨斌利等，2014），因此，将异源降水资料有机结合是目前获取高质量降水数据的主流发展方向。
近年来，已有大量全球降水产品（宋子珏等，2018）可用于水文、气候等研究的高时空分辨率分析。这些产品具有不同的时间序列长度、时空分辨率以及精度特征，根据数据来源和估算方法的差异，它们大致可分为三类（Sun et al.，2018）：第一类是基于气象站观测降水数据分析得到的高分辨率格网数据产品，如全球降水气候中心（Global Precipitation Climatology Centre，GPCC）的数据产品等（Schneider et al.，2014），这类数据产品能够较为准确地捕捉降水的时间变化，但却难以反映降水的空间差异；第二类是以卫星传感器监测到的多源降水数据为基础的，通过各种反演、融合、校正算法而得到的高分辨率格网降水产品，如热带降雨测量任务多卫星降水分析（Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-satellite Precipitation Analysis，TMPA）产品等（Huffman，2014），这类产品常具有较高的空间分辨率，可以很好地反映降水的空间分布特征，但由于卫星发射相比于气象站建立的时间较晚，这类产品的时间序列长度相对较短；第三类是将已有的气象观测资料与许多物理和动力学模型进行不断地模拟得到的再分析降水产品，如欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-range Weather Forecast， ECMWF）的再分析资料（ECMWF Re-analysis-Interim，ERA-Interim）产品（Balsamo et al.，2015），这类产品的构建需要背景场、多源观测资料、数据同化系统以及陆面和气候过程模型，这类产品相比于气象站分析产品在空间上精度更高，相比于基于卫星的降水产品可跨越更长的时间段（何奇芳等，2018）。这几类降水产品由于数据来源和制作原理的不同，它们在不同时空条件下以及不同实际应用中的适用能力也会存在很大的差异，因此探究这些降水产品在不同条件下的时空分布、精度及频率分布表现，对于在不同研究与应用中降水产品的精准选择以及多源降水产品的融合发展具有重要意义。
在全球各类高时空分辨率的降水产品中，卫星降水产品是目前种类*多且*有发展前景的（Maggioni et al.，2016），自1997年热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）卫星成功发射起，卫星遥感降水迎来了黄金时期，多种反演算法、降水产品层出不穷，其中 TMPA系列是精度*高且*为稳健的一类降水产品，然而2015年 TRMM卫星坠入大气层， TRMM时代遗憾退场，但 TMPA系列产品一直更新到2019年（Kirschbaum et al.，2017）。TRMM的继承者全球降水观测（Global Precipitation Measurement，GPM）卫星于2014年成功发射，它是众多卫星降水观测计划中*有希望的一个，它的到来使卫星降水观测的发展进入了新纪元，在它的众多产品中， GPM的多卫星联合反演（Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM，IMERG）产品*受瞩目，随着算法的不断更新，目前 IMERG系列产品已更新到第六版，这一版本与以往有很大的不同，它结合了 TRMM和 GPM两个时代的降水观测资料，具有更长的降水时间序列，这将使其具有更大的研究和使用价值（Ma et al.，2021），因此它的综合精度评价及其与 TMPA系列降水数据集的比较具有重要意义。
干旱是在一定时间尺度上水分收支不平衡造成的水分持续短缺现象（李明等，2019；Mishra and Singh，2010）。干旱在全球范围内普遍存在，它不仅发生在干旱和半干旱地区，还发生在湿润地区（West et al.，2019；Azarakhshi et al.，2011）。近年来，全球气候变化显著导致气象灾害频发，据统计，自然灾害造成的经济损失约有70%来源于气象灾害，而在这些气象灾害中，旱灾造成的经济损失已过半
（王劲松等，2012）。作为一种频繁发生的自然灾害，干旱对人类的生存发展、自然的生态平衡构成了严重威胁，对社会和经济安全的影响仅次于洪水（陈少丹等，2018；沈彦军等，2013）。根据水文循环过程，干旱通常被分为气象、农业、水文、社会经济干旱四大类（李毅等，2021）。其中，气象干旱是指某时段内蒸发量和降水量的收支不平衡（水分蒸发大于水分收入）而造成的异常水分短缺现象（Esfahanian et al.，2016；Mishra and Singh，2010）；农业干旱是指在作物生长关键时期，外界环境因素造成土壤水分持续不足、严重亏缺，作物无法正常生长，从而减产或失收的农业气象灾害（Sheffield and Wood，2012）；水文干旱是指降水与地表水、地下水收支不平衡造成的异常水分短缺现象（Whitmore，2000）；社会经济干旱是指自然与人类社会经济系统中水资源供需不平衡造成的水分异常短缺现象。因而，从本质上讲，无论哪种干旱类型都是气象干旱影响的结果，它们的发生都晚于气象干旱，可以通过对气象干旱监测来做到预警。因此，气象干旱在时空上的准确监测具有重要意义。
气象干旱受多种因素影响，其中主导因素有降水和温度，降水以降雨和降雪的形式提供水分的补给，而温度通过影响蒸散来控制水分耗散（蔡鸿昆等，2020），因而气象干旱监测的关键在于对降水和温度（或蒸散）时空变化的准确捕捉，尤其是降水。由于计算气象干旱指数所需的数据一般来源于地面气象观测站点（王兆礼等，2017），而地面气象观测站点空间分布不均，部分地区站点稀疏，甚至不设立气象观测站点，有大量缺测值（Cai et al.，2016），因而基于点尺度计算的气象干旱指数难以评估大尺度的区域干旱状况，在这种情况下，基于格网的高分辨率降水、温度（或蒸散）产品被考虑用来计算气象干旱指数，然而这些高分辨率格网产品在气象干旱监测中的效用仍然未知。因此，评价不同类型降水产品在气象干旱监测中的效用具有重要意义。
1.1.2 旱灾和极端事件对社会经济系统的影响
干旱不是由单一因素引起的，而是气候变化和人类活动等包含的多种因素综合作用的结果。干旱的形成因素十分复杂，其发生机理和发展过程复杂多样。从全球各自然灾害来看，干旱发生频率高、持续时间长和波及范围广的特点使得旱灾的影响面*广，可能在世界上的任何区域发生（Schubert et al.，2016；Chen and Sun，2015），造成的经济损失大，因此旱灾被认为是破坏性极强、极具灾难性的自然灾害之一（郑远长，2000；Huang et al.，2019；Mishra and Singh，2010）。据统计，近年来，干旱这一种自然灾害所造成的总经济损失每年高达60亿～80亿美元（Wilhite，2000），如2002年的美国干旱（Cook et al.，2007）、2010～2011年的东非干旱（Dutra et al.，2013）、2005年的亚马孙极端干旱事件（Sena et al.，2012）和发生在伊朗的极端干旱事件（Modarres et al.，2016）等。干旱给各个国家的农业、社会和生态系统造成巨大损失的同时对农作物的生产和供水造成的影响也不容小觑。
我国位于东亚、太平洋西岸，地域广阔，地形复杂，气候多样，人类活动较为复杂，极易受自然灾害的影响（Rim，2013）。根据农业灾区1978～2016年的统计数据，我国平均每年旱灾、水灾、风灾和低温冰冻灾害的覆盖面积分别约为2.27×107 hm2、1.09×107 hm2、4.48×106 hm2和3.19×106 hm2（王丹丹等，2018）。此外，我国的旱灾未来有增加的趋势（Wang Q et al.，2018）。根据水利部的统计数据，2017年我国共有26个省（自治区、直辖市）遭受干旱灾害，粮食损失和经济作物损失分别约为1.34×1010kg和1168.4亿元，因此以我国为研究区，研究多源降水产品的性能及其在干旱监测中的应用具有重要意义。
在全球变暖的背景下，干旱灾害是我国*主要的自然灾害之一。在干旱灾害的影响下，我国农作物受旱面积为0.2亿～0.27亿 hm2/a，造成了250亿～300亿 kg/a的粮食损失量，每年受灾人口不计其数（姚玉璧等，2007）。干旱的频发和程度的日益加剧，对我国的粮食安全生产和社会稳定产生巨大威胁，同时也严重制约了我国经济的发展。据以往的数据统计，从公元前206年到中华人民共和国成立的1949年，我国发生旱灾的总次数为1056次，几乎是两年必发生一次。此外，我国干旱并不是短期的，而是持续且日益严重的，并且时至今日在我国所有的省份都有发生。例如，2004年的四川大旱、2006年的川渝高温大旱和2007年的湖南大旱；2009～2010年在我国西南地区发生的极端干旱事件的影响范围包括云贵川三省，造成了2100万人口缺少饮用水；2011年长江中下游发生了自1954年以来*为严重的旱灾，对当地的农业系统和水产养鱼业造成了不可估量的损失。
目前，我国应对干旱还处于“被动抗旱”的局面，未能进入“主动抗旱”的时代，其主要原因是对干旱的驱动机制认识不深，难以为干旱的监测、预报等提供科学的理论支撑。因此，对干旱的驱动因子进行研究在干旱的应对策略上具有
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