《Atmosphere》：A High-Accuracy Gridded Precipitation Dataset for Southeast Asia Developed Using Extended Triple Collocation Analysis
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准确的每日网格化降水估算对于刻画东南亚地区降水空间变率及支持回溯性水文分析至关重要，该地区复杂的降水机制和稀疏的雨量计覆盖仍是主要挑战。本研究基于扩展三重配置分析（Extended Triple Collocation Analysis, ETCA）方法，利用
准确的每日网格化降水估算对于刻画东南亚地区降水空间变率及支持回溯性水文分析至关重要，该地区复杂的降水机制和稀疏的雨量计覆盖仍是主要挑战。本研究基于扩展三重配置分析（Extended Triple Collocation Analysis, ETCA）方法，利用2000–2014年期间15种多源网格化降水产品，构建了面向东南亚地区的融合日降水数据集。所采用的产品涵盖基于雨量计、基于卫星、基于再分析以及融合型数据集，所有产品均被重采样至统一的10 km × 10 km网格。研究人员将ETCA方法应用于全部455种可能的三产品组合，以估算产品级可靠性，并以各网格单元上的平方相关系数和误差方差予以表征。结果表明，产品可靠性存在显著的空间变异性。最终生成的ETCA融合产品通过以下步骤构建：基于像元的可靠性产品优选、以局部排名最高的产品为内部参考进行基于分位数的分布调整，以及对所选调整后产品进行等权平均。基于GSOD逐日观测的验证表明，ETCA融合产品的均方根差（RMSD）为2.95 mm day?1，低于简单全产品集合平均的2.96 mm day?1和区域最可靠五个产品集合平均的3.01 mm day?1；相应的时间相关系数分别为0.79、0.81和0.78。融合产品在高百分位降水的表征方面亦有所改善，但对极强降水的估计仍存在低估。空间气候态和年循环分析表明，ETCA融合产品在保留东南亚主要降水格局和季节演变特征的同时，引入了基于产品可靠性的局地调整。上述研究发现表明，ETCA为在雨量计观测稀疏且产品性能空间异质性显著的地区构建不确定性信息明确的降水数据集提供了有效框架。
**论文解读：基于扩展三重配置分析的东南亚高精度网格化降水数据集构建与评估**
**1. 研究背景与科学问题**
降水是全球水循环的基本组成部分，也是理解水文过程、管理水资源、评估农业与生态系统状况以及研判天气相关灾害的关键变量。全球气候观测系统（Global Climate Observing System, GCOS）将降水列为基本气候变量，因其量值、频率、历时和强度的变化直接影响洪水、干旱、滑坡、水资源可利用性、基础设施规划及民生福祉。可靠的降水信息对于水文模拟、洪水预报、干旱监测、农业规划、水资源管理和气候风险评估至关重要。
东南亚地区在这一需求上面临尤为突出的挑战。该地区降水受季风环流、热带对流、海陆对比、地形、海岸线以及大尺度气候变率模态之间复杂相互作用的控制。中南半岛深受亚洲季风季节性迁移的影响，而海洋大陆区域则以复杂的岛屿地理、强日变化对流、密集海岸线和频繁的海陆风相互作用为特征。这些物理特征，加上与厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）、马登-朱利安振荡（Madden-Julian Oscillation, MJO）和赤道波相关的变率，导致降水在短距离内呈现出巨大的空间和时间变率，尤其是在山地、沿海地带、小岛屿和对流活跃区。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）第六次评估报告（AR6）指出，亚洲大部分地区的平均降水和强降水预计将增加，而东南亚的降水变化仍存在显著的空间异质性。
然而，东南亚地区的降水监测面临诸多困难。雨量计虽能提供直接测量，但其空间覆盖往往不足以支撑区域水文气候分析，且为点测量，难以代表网格单元尺度的降水，特别是在降水高度局地化的地区。东南亚的雨量计网络在国家间分布不均，在山地、偏远地区、岛屿和跨境流域尤为稀疏。卫星反演产品虽可提供广覆盖，再分析产品具有时空连续性，但不同网格化降水产品（Gridded Precipitation Products, GPPs）因传感器、反演算法、雨量计校正、空间分辨率、时间采样和融合流程的差异，可能产生显著不同的降水估计结果。此前的评估研究多聚焦于单一国家、流域或次区域，且仅比较有限数量的产品，缺乏覆盖中南半岛和海洋大陆的、基于多产品且具不确定性意识的区域性降水数据集。
三重配置分析（Triple Collocation Analysis, TCA）及其扩展形式——扩展三重配置分析（Extended Triple Collocation Analysis, ETCA）——为在缺乏密集独立雨量计观测的地区估算相对误差特征提供了有效框架。本研究旨在利用ETCA方法，量化15种降水产品的可靠性空间变化，构建网格尺度的ETCA信息融合数据集，评估分位数分布调整和等权平均的效果，并基于GSOD站点观测对最终数据集进行综合验证。
**2. 主要技术方法概述**
本研究使用了15种多源网格化降水产品，涵盖基于雨量计、卫星、再分析和融合型四类数据集，包括APHRODITE、CHELSA-W5E5、CHIRPS、CMORPH-CDR、CPC、ERA5-Land、GPCP、GSMaP、HydroGFD、IMERG、JRA-3Q、MERRA-2、MSWEP、PERSIANN-CDR和TMPA。所有产品统一重采样至10 km × 10 km网格。验证数据采用NOAA全球地面日值摘要（Global Surface Summary of the Day, GSOD）产品，经筛选后共447个站点。核心方法为ETCA，该方法假设三个测量系统与未知真实信号呈线性关系且误差相互独立，通过所有455种三产品组合估算各产品在各网格单元的平方相关系数和误差方差，以平方相关系数作为可靠性指标。基于各网格单元上产品相对最优产品的可靠性阈值（75%）进行产品优选，以局部排名最高的产品为内部参考实施分位数映射调整，最后对所选调整后产品进行等权平均生成融合产品。
**3. 主要研究结果**
**3.1 ETCA估算的网格化降水产品可靠性与误差方差**
研究展示了15种GPPs在东南亚地区2000–2014年ETCA衍生平方相关系数和误差方差的空间分布。结果表明，GPCP、MSWEP、IMERG、TRMM和CHELSA的区域平均可靠性最高，误差方差较低；CMORPH、PERSIANN、HydroGFD、CHIRPS、GSMaP和JRA-3Q居中；APHRODITE、CPC、MERRA-2和ERA5-Land的区域平均可靠性最低。尽管GPCP在区域尺度上表现最优，但其仅在67.8%的有效网格单元上排名第一，MSWEP和IMERG分别为32.0%和0.2%，表明产品性能存在显著的空间异质性，支持采用逐网格单元的产品优选策略。
**3.2 GPPs与融合产品间的交叉相关分析**
区域平均日降水时间序列的交叉相关矩阵显示，多数GPPs之间存在中到高度的相关性。GPCP、MSWEP、IMERG、TRMM、CHELSA和HydroGFD与其他产品的相关性较强，PERSIANN则较弱。三种衍生融合产品（ENS、ETC_ENS和ETC_Merged）与表现较优的GPPs高度相关，其中ETC_Merged在保留优性能产品主导降水信号的同时，与ENS和ETC_ENS存在合理差异，确证其作为独立融合产品的有效性。
**3.3 基于GSOD的验证与衍生降水产品比较**
散点图对比显示，单个GPPs与GSOD的相关系数约为0.53至0.82。在三种衍生集合产品中，ETC_Merged与GSOD的RMSD最低，为2.95 mm day
?1，优于ENS（2.96 mm day
?1）和ETC_ENS（3.01 mm day
?1）；时间相关系数分别为0.79、0.81和0.78。分位数-分位数（Q-Q）图分析表明，ETC_Merged在95%和99%分位降水量的RMSE低于或与两种简单集合产品相当，改善了高百分位降水的表征。降水概率分布分析显示，所有衍生产品相对于GSOD均高估了小雨频率（0.1–5 mm和5–10 mm）而低估了中到大雨频率（20 mm day
?1以上），对60 mm day
?1以上的极端强降水低估尤为明显，但ETC_ENS和ETC_Merged在5–10 mm、10–20 mm、20–40 mm及40 mm day
?1以上等级中较ENS有所改善。
**3.4 衍生降水产品的空间与季节特征**
年均和季节气候态分析表明，ETC_Merged、ETC_ENS和ENS三种产品在大尺度上呈现出相似的降水空间格局，海洋大陆（婆罗洲、苏门答腊、爪哇和菲律宾部分地区）降水较高，中南半岛相对干燥，季节变化清晰反映季风演变。差异图显示，ETC_Merged与两种集合产品的差异在均值降水场上总体较小，但在局部区域（中南半岛、婆罗洲、苏门答腊、爪哇和菲律宾部分地区）存在调整。95%分位日降水的空间差异较均值场更为显著，表明ETC融合方法对高降水行为的影响大于对平均气候态的影响。区域平均年循环分析显示，三种产品的季节演变一致，ETC_Merged紧密跟随ETC_ENS但在某些月份略有缓和。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，ETCA揭示的产品可靠性空间变异性在物理上合理，支持逐网格单元的产品选择框架。区域产品排名与此前研究总体一致，例如TRMM和IMERG在马来西亚和洞里萨湖流域表现良好、GSMaP在印度尼西亚海洋大陆的性能随时间尺度变化，均与本文结果相符。与局部基于雨量计评估的差异可归因于ETCA度量的是相对未知真值的相对一致性而非站点绝对精度。ETC_Merged相对于ENS和ETC_ENS的改进表明，基于可靠性的选择和分布调整能够降低总体误差，尽管其并非在所有指标上均占优。研究局限性包括：部分GPPs共享输入数据可能违反误差独立性假设、降水本身的间歇性和偏态特征、分位数映射未按季节分层、以及GSOD站点分布不均且无法保证与雨量计校正产品的完全独立。
研究结论如下：本研究利用15种多源网格化降水产品，基于ETCA方法开发了东南亚地区2000–2014年的融合日降水数据集。ETCA结果显示GPPs性能在东南亚地区存在强烈的空间变率，GPCP、MSWEP、IMERG、TRMM和CHELSA的区域平均可靠性最高。最终ETC_Merged产品通过像元级ETCA产品优选、基于分位数的分布调整和所选调整产品的等权平均生成。GSOD验证表明，ETC_Merged的RMSD低于ENS和ETC_ENS，同时保持相当的相关系数；Q-Q分析亦显示其在高百分位降水表征方面有所改善。空间气候态和年循环分析确认该产品保留了东南亚的主要降水格局和季节演变特征，同时引入了基于可靠性的局地调整。该研究证实ETCA为在雨量计覆盖稀疏且空间分布不均的地区构建可靠、不确定性信息明确的网格化降水数据集提供了有效框架，所生成的ETC_Merged产品（2000–2014年，日尺度）可支撑回溯性降水评估和事件性水文模拟。未来工作应扩展时间覆盖范围、利用更多国家雨量计网络进行验证、测试季节分层分位数映射、改进极端降水表征，并将框架扩展至亚日尺度降水产品。
