基于天津市全城氣象觀測數(shù)據(jù)的高分辨率實況分析產(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)格預報技術(shù)需求的提升，中國氣象局國家氣象信息中心的師春香團隊在引進美國、歐洲等先進數(shù)據(jù)同化技術(shù)的同時[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報業(yè)務的陸面同化系統(tǒng)[2-3]。將地面觀測、雷達和衛(wèi)星等氣象數(shù)據(jù)進行多元融合，研發(fā)完成了降水、氣溫、風、濕度、能見度、總云量等地面要素以及土壤溫濕度、海溫海風、三維云等多種實況融合產(chǎn)品。在2003年，實現(xiàn)了國家級陸面要素產(chǎn)品(CLDAS-V1.0)的業(yè)務化生產(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個版本(CLDAS-V2.0)，并進行了實時的生產(chǎn)和發(fā)布。2017年為了業(yè)務需求，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更為精細其在同類產(chǎn)品中時空分辨率最高。本文將基于天津市254個地面觀測站數(shù)據(jù)對HRCLDAS產(chǎn)品的溫度、風速進行質(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個觀測站逐小時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個觀測站中包括13個國家站和241個天津市區(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)布的逐小時溫度和降水數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km；評估時段為2020年9月1日00時至30日23時(北京時)；評估對象是天津市2 m氣溫和風速。

1.2 評估方法

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

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

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為站點觀測值；Gi為產(chǎn)品插值到對應的地面觀測站點得到的數(shù)值；N為參與檢驗的總樣本數(shù)(站次數(shù))[1]。

2 溫度高分辨率實況分析產(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)的復雜下墊面造成的。全區(qū)各個站點產(chǎn)品同化結(jié)果與觀測的相關(guān)性較高，所有站點的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較小；城區(qū)、海濱次之。

3 風速高分辨率實況分析產(chǎn)品評估

由圖2中可以看出，風速產(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)平均風速，ME約為0.08 m/s；其余的天數(shù)均為低估(圖2a)。風速產(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，風速產(chǎn)品同化結(jié)果的質(zhì)量也較為穩(wěn)定，與觀測站點資料具有較高的一致性。

從天津全區(qū)的10 m風速產(chǎn)品同化結(jié)果和觀測的評估發(fā)現(xiàn)，除了少數(shù)站點外，大多數(shù)站點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最大可達到1 m/s左右；大部分站點的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)。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)地形的復雜程度或站點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)風速產(chǎn)品時需引起注意。

4 結(jié)論與討論

本文基于天津市254個地面觀測溫度和降水數(shù)據(jù)，檢驗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)計方法對2020年9月高分辨率格點產(chǎn)品進行站點插值；接著，計算了ME、MAE、RMSE和COR等評估指標；最后對這些指標的時間和空間分布進行全面的分析。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風速評估發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的同化結(jié)果與觀測實況基本一致，誤差較小，相關(guān)性較高。相比較而言，2 m氣溫和10 m風速的評估結(jié)果誤差較大的站點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)復雜下墊面的同化能力或者站點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)風速產(chǎn)品時需引起注意。

②本文僅對9月份一個月的產(chǎn)品進行評估，可能產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性還有待進一步測試。另外根據(jù)溫度和風速誤差的空間分布進行推測，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況分析產(chǎn)品時進行訂正，這些問題有待進一步深入研究和思考。■