卫星遥感降水原理
引言
降水是指在云层中以不同形式存在并最终降落在地球表面的过程；它涵盖的所有水分子形态包括液态水如雨水以及固态水如雪或冰晶等；其中雨类及雪类等型别最为常见
1960年4月起，“电视和红外辐射观测卫星1号”（简称TIROS-1）自发射以来，在全球范围内持续提供大量空间遥感数据。这些数据为反演降水过程提供了可能性。早期的遥感降水反演主要依赖于被动遥感技术手段：其中包括地球静止卫星、近地轨道卫星搭载的可见光(VIS)、红外(IR)以及主动/被动微波传感器(AMW/PMW)等设备的支持。
地球同步轨道系统和低地球轨道系统可被配置以安装可见光与红外传感器；而微波设备则仅限于安装于低地球轨道系统。
地球静止卫星和近地轨道卫星
- 静止轨道卫星的可见光和红外传感器每隔数十分钟会对目标区域实施一次扫描，并且具有较高的时间分辨率。这种扫描不仅能够生成卫星云图，并且还能有效捕获那些生命历程较短的降水云系。
- 近地轨道卫星搭载的传感器在扫描过程中会存在盲区现象。然而，在微波通道的支持下生成的卫星图像能够有效地减少卷状云对降雨反演精度的影响。
可见光、红外和主被动微波
- 近红外与远红外光谱：空间和时间分辨率均具有较高的水平，并多基于模型推算获取目标参数。
- 物理特性明确的被动微波遥感器：标定精度较高，在可变频段内可调节范围较大，并具备操作简便且适应性强的特点。
- 卫星平台上的主动雷达系统具有较高的精度，在设计上可调节范围较大，并能够有效测量表面反射系数；其视场角较小但覆盖范围广的高分辨能力以及较强的试验性。
不同算法
可见光、红外降水反演算法
该系统采用的是最初提出的最简单的技术方案
地球静止轨道遥感平台（GEO）能够提供持续时间长且基本连续的可见光谱段与红外光谱段监测数据集，并能精确反映降水强度变化特征。
微波（被动）
该算法具有三大显著优势：第一，在使用被动微波手段进行降水观测时，雨滴会对微波辐射传输过程产生显著影响；因此星载型微波辐射计能够较为简便地获取降水信号；第二，在各种气象条件下均能持续运行的特性使其具备全天候的工作能力；第三，在云雨共存的大气环境中其内部产生的电磁辐射信号可被星载型微波探测器捕捉到；因此该算法不仅更具物理基础更能实现精准的水汽估算；基于以上特点本研究采用了一种更具物理基础的反演算法方案
陆地与海洋各自具有独特的微波辐射特征。对于海洋而言，在微波谱段中的背景辐射强度较低且较为稳定。因此，在这种背景下，降水所释放出的微波发射信号较强，并通过其低极化特性与高极化特性的差异实现精确识别与定量反演。而对于陆地表面而言，在微波谱段中的辐射特征普遍较强且变化范围大，在这种情况下难以有效区分并量化水相降水的影响。此外，在特定条件下冰粒在高频段表现出显著的散射效应，在特定条件下可能削弱地面反射信号的强度。
微波传感器主要搭载于近地轨道卫星 ，这使得被动微波算法受限于这类星载设备的特性。因此被动微波算法主要应用于此类星载设备。其海洋区域的空间分辨率约为50公里，陆地区分约为10公里。
降水雷达反演算法
TRMM上安装了首台专门用于探测降水的第一代主动微波传感器（雷达系统）。这是一台相控阵雷达设备，在13.8GHz频段主要利用来观测降水粒子以及地球表面反射的能量，并且能够获取海洋与陆地区域内的立体分布特征信息。
然而
联合算法
上述三种方法各自有其长处和短处, 基于这一观察, 在当前的研究领域中综合运用这些方法能够最大限度地提高降水观测的质量. 下面将重点介绍几种具有代表性的方法:
CMORPH 形变算法
该算法基于GEO卫星每隔半小时获取的红外观测数据，在此基础上通过插值计算得到PMW反演结果，并构建出较为精确的时空分布特征。研究发现，在实际情况下降水的空间和时间分布特征主要由PMW决定，并不受红外观测数值大小的影响。
TPMA
TPMA有以下四个步骤：
- 对微波回波深度进行校正并与其结合起来。
- 基于校正后的微波回波深度推导出可见光/红外回波深度，并对其中的插值方法提出疑问。
- 综合考虑微波回波深度与红外回波深度信息。
- 对地面雨量计观测所得到的降雨量数据进行整合处理。
GSMaP
该算法利用TRMM数据的各种属性，并采用降水雷达反演技术、雨区分类方法以及散射技术等手段，在估计的基础上确定水相分布特征。
小结
非直接探测技术中，可见光与红外技术具有一定的局限性，在实际应用中其精度相对较低。然而，在数据的时间采样频率方面表现更为突出，在较大范围的空间覆盖上也具备优势。相比之下，在近地轨道上部署的被动微波观测系统则属于一种即时探测手段，在反演精度上显著优于可见光与红外技术体系；但其核心算法较为复杂，并且存在数据时空分辨率不足的问题。目前来看，在综合反演精度方面最为卓越的是雷达探测技术体系。因此，在实际气象要素监测实践中，构建一个集成了多平台运行监测系统，并通过综合运用多平台运行监测系统进行综合分析与评估的技术方案是当前研究领域的前沿方向。
附录
电磁波谱
该电磁波谱图源自微博平台
对红外光进行分类。图片源自 博客园
参考文献
刘元波等人的这项研究综述发表于《地球科学进展》期刊上
该研究团队对全球降水测量(GPM)计划进行了详细阐述，并对其近年来取得的重要成果进行了系统综述
[3] 王存光、洪阳. 对卫星遥感降水进行反演验证及应用综述[J]. 水利水电技术, 2018, 49(08): 1-9. DOI: 10.13928/j.cnki.wrahe.2018.08.001