中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集在長(zhǎng)江上游流域的適用性評(píng)估

王留杰,張行南,2,方園皓,夏達(dá)忠,2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京210098；2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京210098)

中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集在長(zhǎng)江上游流域的適用性評(píng)估

王留杰1,張行南1,2,方園皓1,夏達(dá)忠1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京210098；2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心,江蘇南京210098)

從中國(guó)區(qū)域地面要素?cái)?shù)據(jù)集中選取1980年～2010年中國(guó)區(qū)域的降水和氣溫兩個(gè)要素，與實(shí)測(cè)降水、氣溫資料進(jìn)行對(duì)比分析,采用確定性系數(shù)、納什系數(shù)、平均誤差和均方根誤差4個(gè)指標(biāo)分別從時(shí)間變化特征和空間分布特征兩個(gè)方面對(duì)地面要素集的降水資料和氣溫資料在長(zhǎng)江上游流域內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估。結(jié)果表明,氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總體誤差較小,納什系數(shù)接近于1,擬合度高,具有很好的一致性；氣溫?cái)?shù)據(jù)具有很好的一致性,而降水?dāng)?shù)據(jù)在不同子流域數(shù)據(jù)質(zhì)量不同。

數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估；中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集；中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集

中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集(China Meteorolo-gical Forcing Dataset,CMFD)是中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所開(kāi)發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集是以國(guó)際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB輻射資料以及TRMM降水資料為背景場(chǎng),融合了中國(guó)氣象局常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)制作而成[1-3]。目前,已有學(xué)者用該數(shù)據(jù)針對(duì)不同流域、不同研究和不同的氣象要素進(jìn)行應(yīng)用與評(píng)估。如：Bao-Lin Xue等[4]人發(fā)現(xiàn)CMFD可很好地模擬出青藏高原的那曲河流域夏季能量通量和地表溫度等。闞寶云等[5]分析了2003年～2009年基于衛(wèi)星觀測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)CMORPH、TMPA、3B42V6、中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的融合數(shù)據(jù)ITPCAS和基于地面臺(tái)站的APHRODIT(2003年～2007年)4套降水?dāng)?shù)據(jù)集在葉爾羌河上游流域的時(shí)空分布特征,空間分布上,4套降水資料在研究流域的差異較大；時(shí)間序列上,4套降水資料與流域站點(diǎn)降水存在著不同程度的差異。趙捷等[6]基于站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)及CMFD利用Spline插值方法對(duì)黑河流域潛在蒸發(fā)量(PET)進(jìn)行估算發(fā)現(xiàn)Spline空間插值獲得的PET空間分布與柵格數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的結(jié)果基本一致。Donglin Guo等[7]模擬了青藏高原的永久凍土和季節(jié)性凍土的狀況,模擬的趨勢(shì)是接近地表凍土區(qū)域的,只是模擬值稍微偏大。Chen,Y等[8]利用CMFD為Noah驅(qū)動(dòng)模擬中國(guó)干旱半干旱地區(qū)的地表面溫度,其平均誤差比用GLDAS數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)明顯減小,取得了滿意的模擬結(jié)果。從目前CMFD的應(yīng)用結(jié)果來(lái)看,缺少對(duì)CMFD降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)在長(zhǎng)江上游流域的質(zhì)量評(píng)估,而降水和氣溫是陸面模式的重要驅(qū)動(dòng)輸入。鑒此,本文選取1980年～2010年的中國(guó)區(qū)域地面要素?cái)?shù)據(jù)集中的降水和氣溫兩個(gè)要素與實(shí)測(cè)資料,采用確定性系數(shù)、平均誤差和均方根誤差等指標(biāo),分別從時(shí)間變化特征和空間分布特征兩個(gè)方面對(duì)地面要素集降水資料和氣溫資料在長(zhǎng)江上游流域內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估。

1 資料和方法

1.1 資料

中國(guó)區(qū)域?qū)崪y(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)是由國(guó)家氣象信息中心提供的1951年～2010年的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)(obs)。該數(shù)據(jù)集包含了824個(gè)基準(zhǔn)、基本氣象站,1951年1月以來(lái)該站氣壓、氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和0 cm地溫要素集。中國(guó)地面氣候資料是日值數(shù)據(jù),選取長(zhǎng)江上游77個(gè)氣象站1980年～2010年的逐日平均氣溫及降水量數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)整合合成月尺度降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)。

中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集時(shí)間跨度為1980年～2010年,其時(shí)間分辨率為 3 h,水平空間分辨率 0.1°,水平空間覆蓋范圍70°E-140°E、15°N-55°N中國(guó)陸地區(qū)域,包含近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長(zhǎng)波輻射、地面降水率,共 7 個(gè)要素(變量)[9-11]。中國(guó)區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集是按3 h時(shí)間尺度生成各氣象要素,本文在此基礎(chǔ)合成月尺度降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù),并篩選出與站點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的77個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

1.2 評(píng)估方法

根據(jù)地面觀測(cè)站點(diǎn)與氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)格的空間關(guān)系篩選出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格。以月為尺度進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證,采用的指標(biāo)主要包括變化趨勢(shì)、擬合優(yōu)度即確定系數(shù)(R2)來(lái)表示相關(guān)性、平均偏差(EAVE)、納什系數(shù)(ENS)和均方根誤差(ERMS)等。即

(1)

(2)

(3)

(4)

2 區(qū)域月尺度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)

2.1 變化過(guò)程時(shí)段統(tǒng)計(jì)特征

在時(shí)間尺度上，計(jì)算了實(shí)測(cè)降水與網(wǎng)格降水在整個(gè)長(zhǎng)江上游流域的月降水量、實(shí)測(cè)氣溫與網(wǎng)格氣溫在整個(gè)長(zhǎng)江上游流域的逐月平均值,并繪于圖1和圖2。從圖1中可以看出,1980年～2010年網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總體具有很好的一致性；只有1986年7月和1996年7月2個(gè)月中,網(wǎng)格數(shù)據(jù)略大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分別大了11.7%和25.53%。從圖2可以看出,網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有非常好的一致性,在月尺度上網(wǎng)格數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏小,偏差在10.9%。

圖1 長(zhǎng)江上游流域網(wǎng)格與實(shí)測(cè)月降水量變化

圖2 長(zhǎng)江上游流域網(wǎng)格與實(shí)測(cè)逐月平均氣溫變化

2.2 趨勢(shì)性檢驗(yàn)

趨勢(shì)性檢驗(yàn)的方法采用seasonal-kendall(SK)檢驗(yàn)法[12],SK檢驗(yàn)是一種僅考慮數(shù)據(jù)相對(duì)排列的非參數(shù)檢驗(yàn)方法,該檢驗(yàn)可用于資料系列存在漏測(cè)值、未檢出值以及變量分布與正態(tài)分布無(wú)關(guān)的時(shí)間序列,季節(jié)上可為個(gè)？月[13]。SK趨勢(shì)檢驗(yàn)輸出的結(jié)果主要包括變化率τ值和顯著性水平p值,τ值為正代表上升,為負(fù)代表下降0.05

2.2.1 網(wǎng)格數(shù)據(jù)月降水變化過(guò)程的趨勢(shì)性檢驗(yàn)

基于長(zhǎng)江上游流域的11個(gè)子流域,計(jì)算了1980年～2010年的網(wǎng)格與實(shí)測(cè)月降水?dāng)?shù)據(jù)在各個(gè)子流域的平均月降水,對(duì)各子流域平均月降水序列的趨勢(shì)性進(jìn)行了檢驗(yàn)(見(jiàn)表1)。

表1 各子流域網(wǎng)格和實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的SK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

注：τ>0代表上升,τ<0代表下降；**表示在0.05顯著性水平下存在趨勢(shì)；*表示在0.1顯著性水平下存在趨勢(shì)。

由表1可看出,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)只有雅礱江流域的降水表現(xiàn)為顯著性增加,其他子流域無(wú)顯著性變化；網(wǎng)格數(shù)據(jù)顯在大渡河和沱江流域降水表現(xiàn)為顯著性減少,其他子流域無(wú)顯著性變化。

2.2.2 網(wǎng)格數(shù)據(jù)月氣溫變化過(guò)程的趨勢(shì)性檢驗(yàn)

采用與降水變化相同的趨勢(shì)性檢驗(yàn)方法,同樣基于長(zhǎng)江上游流域的11個(gè)子流域,根據(jù)1980年～2010年網(wǎng)格與實(shí)測(cè)月氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算了各個(gè)子流域的平均月降水,并對(duì)其序列的趨勢(shì)性進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),整個(gè)長(zhǎng)江上游流域氣溫都有明顯的上升趨勢(shì)；網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致,也表現(xiàn)出在整個(gè)長(zhǎng)江上游流域氣溫有明顯的上升趨勢(shì)[15]。

3 網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析

在空間尺度上從整個(gè)長(zhǎng)江流域上游與子流域兩個(gè)角度進(jìn)行網(wǎng)格與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析,逐月計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在流域上的確定系數(shù)R2(見(jiàn)圖3)。

表2 各子流域網(wǎng)格和實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)的SK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 長(zhǎng)江上游流域確定性系數(shù)

3.1 降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)分析

從圖3可見(jiàn),1980年～2010年網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)月降水具有很高的擬合度,尤其是中低位的數(shù)據(jù),確定性系數(shù)近似為1。表3顯示,11個(gè)子流域的確定性系數(shù)都大于0.8,且除沱江流域外的其他流域都在0.9以上,更有大部分子流域的確定性系數(shù)在0.95以上。

表3 降水資料質(zhì)量評(píng)估

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性的時(shí)間變化特征。計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)降水資料在長(zhǎng)江上游流域的確定系數(shù)的逐月序列,并對(duì)確定系數(shù)時(shí)間系列進(jìn)行了趨勢(shì)分析(見(jiàn)圖4和表3、表4)。結(jié)果表明：對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)江上游流域,網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性；網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性具有季節(jié)性,1月份和12月份相對(duì)較低,10月份相對(duì)較高?？傮w上,確定系數(shù)均在0.85以上。

圖4 不同月份降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江上游流域的確定性系數(shù)

表4 網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)確定系數(shù)時(shí)間序列SK檢驗(yàn)

3.2 氣溫?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)分析

首先計(jì)算實(shí)測(cè)氣溫與網(wǎng)格氣溫在長(zhǎng)江上游流域的逐月確定系數(shù),并畫出其逐月變化曲線[16](見(jiàn)圖5)。

圖5 長(zhǎng)江上游流域網(wǎng)格與實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)逐月確定系數(shù)

從圖5可以看出,1980年～2010年網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總體具有較好的一致性,相關(guān)系數(shù)均在0.85以上。除了1996年1月份的相關(guān)系數(shù)為0.86,其余月份的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。根據(jù)表5可以看到,11個(gè)子流域中,每個(gè)子流域的確定性系數(shù)高達(dá)0.99,更有部分流域確定性系數(shù)接近于1。同樣,對(duì)相關(guān)系數(shù)時(shí)間系列進(jìn)行了趨勢(shì)分析,發(fā)現(xiàn)溫度的確定系數(shù)基本上不隨月份變化,不具有明顯的季節(jié)性,全年1月～12月,確定系數(shù)均在0.95以上,全年都具有很強(qiáng)的相關(guān)性(見(jiàn)圖3)。

表5 氣溫資料質(zhì)量評(píng)估

4 誤差分析

4.1 降水?dāng)?shù)據(jù)的誤差分析

以實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為基準(zhǔn),采用EAVE、ENS和ERMS3個(gè)指標(biāo),對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,主要對(duì)子流域部分進(jìn)行誤差分析(見(jiàn)表3)。逐月計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江上游流域所有站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)的誤差指標(biāo),同時(shí)也計(jì)算了誤差指標(biāo)在長(zhǎng)江上游流域的逐月變化序列在各月份的均值(見(jiàn)圖6)。分析計(jì)算結(jié)果表明：

圖6 網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)EAVE和ERMS的季節(jié)變化

(1)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的EAVE的絕對(duì)值在大部分流域都在1左右,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差不大,除了嘉陵江、金沙江下游和長(zhǎng)江上游干流流域以外其他的九個(gè)流域的EAVE均為負(fù)值。EAVE具有明顯的季節(jié)性,由于受降水的影響,呈現(xiàn)以年為周期的變化。

(2)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的ENS均在0.75以上,沱江流域的ENS為0.772,大渡河流域的ENS為0.806以外,其他九個(gè)子流域的納什效率系數(shù)均在0.95以上。納什系數(shù)在年內(nèi)分布均在0.9左右,無(wú)明顯季節(jié)性差異。

(3)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的ERMS,大渡河和沱江流域的明顯偏大都在30以上,其他流域的ERMS都在15左右,在嘉陵江、金沙江上游和雅礱江流域ERMS只有7左右。根據(jù)SK檢驗(yàn),ERMS具有明顯的季節(jié)性,受降水季節(jié)的影響,夏季偏差較大,冬季偏差較小,具有非常明顯的季節(jié)性。

4.2 氣溫?cái)?shù)據(jù)的誤差分析

采用與降水誤差相同的分析方法,同樣以實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn),采用EAVE、ENS和ERMS3個(gè)指標(biāo),對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,主要從子流域部分進(jìn)行誤差分析(見(jiàn)表5)。逐月計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在長(zhǎng)江上游流域所有站點(diǎn)的氣溫?cái)?shù)據(jù)的誤差指標(biāo),同時(shí)也計(jì)算了誤差指標(biāo)在長(zhǎng)江上游流域的逐月變化序列在各月份的均值。結(jié)果表明：

(1)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的EAVE的絕對(duì)值在大部分流域都在1左右,最大的偏差是涪江流域?yàn)?6.52,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差不大,除了赤水河和沱江流域以外其他的九個(gè)流域的EAVE均為負(fù)值。EAVE年內(nèi)分布比較均勻,不具有明顯的季節(jié)性變化。

(2)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的ENS在每一個(gè)子流域中都為0.999,并且在年內(nèi)分布均在0.9左右,無(wú)明顯季節(jié)性差異。

(3)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的ERMS,在涪江與沱江流域相對(duì)較大,分別為6.56和7.87,赤水河流域ERMS值只有0.54,并且ERMS分布并無(wú)明顯的季節(jié)性變化。

5 對(duì)網(wǎng)格降水與氣溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量的總體評(píng)價(jià)

從整個(gè)長(zhǎng)江上游流域逐月平均值來(lái)看(見(jiàn)圖1),網(wǎng)格月降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在1980年～2010年均具有較好的一致性；在1980年～2010年,網(wǎng)格月氣溫?cái)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間變化上具有高度一致性(見(jiàn)圖2)。從相關(guān)性看,網(wǎng)格與實(shí)測(cè)的月降水的確定性系數(shù)均大于0.8,具有較好的一致性；除沱江流域以外,其他子流域的確定性系數(shù),均大于0.9；而網(wǎng)格月氣溫?cái)?shù)據(jù)的確定性系數(shù)均在0.99以上。從各項(xiàng)誤差指標(biāo)來(lái)看,網(wǎng)格數(shù)據(jù)的EAVE的絕對(duì)值在大部分流域都在1左右,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大,降水?dāng)?shù)據(jù)的ENS均在0.75以上,氣溫?cái)?shù)據(jù)的ENS在每一個(gè)子流域中都為0.999,降水和氣溫均具有很高的擬合度,對(duì)于降水?dāng)?shù)據(jù)的ERMS,在大渡河和沱江流域明顯偏大都在30以上,其他流域的ERMS都在15左右,誤差在接受范圍,氣溫?cái)?shù)據(jù)的ERMS最大只有7.87。

因此,對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)江上游流域以及每一個(gè)子流域,網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的一致性,能夠真實(shí)地反映長(zhǎng)江上游流域降水和氣溫的時(shí)空分布與變化。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Applicability Assessment of China Meteorological Forcing Dataset in Upper Yangtze River Basin

WANG Liujie1, ZHANG Xingnan1,2, FANG Yuanhao1, XIA Dazhong1,2

(1. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;2. National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety,Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

To assess the applicability of China Meteorological Forcing Dataset (CMFD) in upper Yangtze River Basin, the time variation and spatial distribution of precipitation and temperature between 1980 and 2010 are chosen and then compared with Chinese sites-based observations in terms of goodness of fit, Nash-Sutcliffe coefficient, mean bias error and root mean square error. The results show that the precipitation and temperature of CMFD are generally good consistency with those of observations in terms of a lower bias, a higher NS coefficient and a higher goodness of fit. In addition, the temperature data show a good consistency while the quality of CMFD precipitation data is different in different sub-basins．

data quality assessment; China Meteorological Forcing Dataset; Chinese Surface Climate Dataset

2016- 08- 10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51420105014)；中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司資助項(xiàng)目(0799556)

王留杰(1991—),男,河南鄭州人,碩士研究生,主要從事水文物理規(guī)律模擬及水文預(yù)報(bào)研究．

P338.8；P468.4

A

0559- 9342(2017)03- 0018- 05