基于天津市全城氣象觀測數(shù)據(jù)的高分辨率實(shí)況分析產(chǎn)品質(zhì)量評估

梁 健，徐 梅，任建玲，李宗飛

(天津市氣象信息中心 天津 300074)

0 引 言

隨著智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)需求的提升，中國氣象局國家氣象信息中心的師春香團(tuán)隊(duì)在引進(jìn)美國、歐洲等先進(jìn)數(shù)據(jù)同化技術(shù)的同時(shí)[1]，結(jié)合我國氣象數(shù)據(jù)狀況，自主創(chuàng)新發(fā)展了一套滿足中國氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的陸面同化系統(tǒng)[2-3]。將地面觀測、雷達(dá)和衛(wèi)星等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行多元融合，研發(fā)完成了降水、氣溫、風(fēng)、濕度、能見度、總云量等地面要素以及土壤溫濕度、海溫海風(fēng)、三維云等多種實(shí)況融合產(chǎn)品。在2003年，實(shí)現(xiàn)了國家級陸面要素產(chǎn)品(CLDAS-V1.0)的業(yè)務(wù)化生產(chǎn)和發(fā)布[4-5]；并于2015年，推出了陸面同化系統(tǒng)升級的第2個(gè)版本(CLDAS-V2.0)，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)的生產(chǎn)和發(fā)布。2017年為了業(yè)務(wù)需求，繼續(xù)研發(fā)高分辨率陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(HRCLDAS-V1.0)，空間分辨率為0.01°×0.01°，比起CLDAS-V2.0更為精細(xì)其在同類產(chǎn)品中時(shí)空分辨率最高。本文將基于天津市254個(gè)地面觀測站數(shù)據(jù)對HRCLDAS產(chǎn)品的溫度、風(fēng)速進(jìn)行質(zhì)量評估。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 觀測資料

2020年9月1日至2020年9月30日天津市254個(gè)觀測站逐小時(shí)地面溫度和降水資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供。這254個(gè)觀測站中包括13個(gè)國家站和241個(gè)天津市區(qū)域自動站。

1.1.2 產(chǎn)品資料

本文所評估的多源氣象數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品(以下簡稱產(chǎn)品)資料是來自于國家氣象信息中心發(fā)布的逐小時(shí)溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km；評估時(shí)段為2020年9月1日00時(shí)至30日23時(shí)(北京時(shí))；評估對象是天津市2 m氣溫和風(fēng)速。

1.2 評估方法

評估前，剔除了產(chǎn)品和實(shí)況資料中缺省時(shí)刻的數(shù)據(jù)，之后采用雙線性方法將逐小時(shí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)插值到地面觀測站點(diǎn)上，在評估過程中，以天津市254個(gè)地面觀測氣象站點(diǎn)小時(shí)觀測資料為“真值”，并利用與參考中國氣象局發(fā)布的《實(shí)況分析產(chǎn)品質(zhì)量評估規(guī)范(2019版)》中的統(tǒng)計(jì)評估方法和指標(biāo)對以上4種降水融合實(shí)況分析產(chǎn)品多源融合實(shí)況分析產(chǎn)品逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行評估。

具體的評估指標(biāo)包括平均值誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)、相關(guān)系數(shù)(COR)。各指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

平均誤差(ME)：

平均絕對誤差(MAE)：

均方根誤差(RMSE)：

相關(guān)系數(shù)(COR)：

其中：Oi為站點(diǎn)觀測值；Gi為產(chǎn)品插值到對應(yīng)的地面觀測站點(diǎn)得到的數(shù)值；N為參與檢驗(yàn)的總樣本數(shù)(站次數(shù))[1]。

2 溫度高分辨率實(shí)況分析產(chǎn)品評估

圖1 為天津市全區(qū)2 m氣溫產(chǎn)品與觀測的ME、MAE、RMSE和COR的評估時(shí)間序列圖。從圖中可以看出，多源融合產(chǎn)品對2 m氣溫觀測的同化結(jié)果除5日、18日、26和27日的誤差較大之外，其余天數(shù)誤差較小，均在0.02℃以內(nèi)；MAE在0.1～0.65℃范圍內(nèi)；RMSE的分布型與MAE相似，但數(shù)值大小存在差異；除20日和27日出現(xiàn)波動外，大部分天數(shù)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.98以上。總體而言，多源融合產(chǎn)品對天津市全區(qū)2 m氣溫的評估質(zhì)量較為穩(wěn)定，與觀測站點(diǎn)資料具有較高的一致性。

從ME、MAE、RMSE和COR的空間分布圖可以看出，全區(qū)產(chǎn)品的誤差分析具有明顯的區(qū)域差異。與觀測相比，產(chǎn)品對天津市北部薊州山區(qū)2 m氣溫的同化結(jié)果誤差較大，最大的ME范圍在±0.8℃；城區(qū)和海濱區(qū)域的誤差大小較為相近，ME的范圍在±0.4℃；MAE和RMSE的分布較為相似，大多數(shù)站點(diǎn)的MAE和RMSE在0.5℃以下，最大的高估區(qū)存在于北部薊州區(qū)和城區(qū)。這可能是由于北部薊州山區(qū)和城區(qū)的復(fù)雜下墊面造成的。全區(qū)各個(gè)站點(diǎn)產(chǎn)品同化結(jié)果與觀測的相關(guān)性較高，所有站點(diǎn)的COR均在0.97以上。相較而言，北部薊州山區(qū)的ME、MAE和RMSE較大，且COR較??；城區(qū)、海濱次之。

3 風(fēng)速高分辨率實(shí)況分析產(chǎn)品評估

由圖2中可以看出，風(fēng)速產(chǎn)品同化結(jié)果和觀測之間的ME在0.08 m/s到-0.16 m/s范圍內(nèi)，呈波動分布。其中，產(chǎn)品同化結(jié)果高估了9月26日和27日兩天的全區(qū)平均風(fēng)速，ME約為0.08 m/s；其余的天數(shù)均為低估(圖2a)。風(fēng)速產(chǎn)品同化結(jié)果和觀測的MAE和RMSE的變化范圍分別介于0.18～0.38 m/s和0.09～0.27 m/s之間(圖2b和圖2c)。COR的結(jié)果顯示了除26日外，風(fēng)速產(chǎn)品同化結(jié)果和觀測之間的COR幾乎均在0.9以上(圖2d)。總體而言，風(fēng)速產(chǎn)品同化結(jié)果的質(zhì)量也較為穩(wěn)定，與觀測站點(diǎn)資料具有較高的一致性。

從天津全區(qū)的10 m風(fēng)速產(chǎn)品同化結(jié)果和觀測的評估發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)站點(diǎn)外，大多數(shù)站點(diǎn)ME的數(shù)值均為正值，分區(qū)區(qū)間大多在0～0.3 m/s之間，MAE和RMSE的結(jié)果表明，ME和RMSE的大值區(qū)主要位于北部薊州山區(qū)和城區(qū)，MAE和RMSE最大可達(dá)到1 m/s左右；大部分站點(diǎn)的MAE和RMSE低于0.5 m/s；全區(qū)的COR結(jié)果顯示，大多數(shù)站點(diǎn)的COR均在0.9以上，COR最小的主要集中于城區(qū)以及北部薊州山區(qū)?？赡苁怯捎诙嘣慈诤袭a(chǎn)品對北部薊州山區(qū)和中心城區(qū)地形的復(fù)雜程度或站點(diǎn)自身代表性存在問題，在使用北部薊州山區(qū)和中心城區(qū)風(fēng)速產(chǎn)品時(shí)需引起注意。

4 結(jié)論與討論

本文基于天津市254個(gè)地面觀測溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)，檢驗(yàn)和評估了由中國氣象局國家氣象信息中心下發(fā)的最新的高分辨率多源氣象數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品。首先，采用雙線性統(tǒng)計(jì)方法對2020年9月高分辨率格點(diǎn)產(chǎn)品進(jìn)行站點(diǎn)插值；接著，計(jì)算了ME、MAE、RMSE和COR等評估指標(biāo)；最后對這些指標(biāo)的時(shí)間和空間分布進(jìn)行全面的分析。結(jié)果表明：

①總體來看，通過對天津市全區(qū)的2 m氣溫和10 m風(fēng)速評估發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的同化結(jié)果與觀測實(shí)況基本一致，誤差較小，相關(guān)性較高。相比較而言，2 m氣溫和10 m風(fēng)速的評估結(jié)果誤差較大的站點(diǎn)主要集中在北部薊州山區(qū)和城區(qū)。可能是由于多源融合產(chǎn)品對北部薊州山區(qū)和中心城區(qū)復(fù)雜下墊面的同化能力或者站點(diǎn)自身代表性存在問題，因此在使用北部薊州山區(qū)和中心城區(qū)風(fēng)速產(chǎn)品時(shí)需引起注意。

②本文僅對9月份一個(gè)月的產(chǎn)品進(jìn)行評估，可能產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步測試。另外根據(jù)溫度和風(fēng)速誤差的空間分布進(jìn)行推測，對于不同下墊面如山區(qū)、海濱、中心城區(qū)，如何在使用這套高分辨率實(shí)況分析產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行訂正，這些問題有待進(jìn)一步深入研究和思考。■