四種降水融合產品在四川持續性強降水過程中的對比評估

郭 旭,龍柯吉,范江琳,黃曉龍

（1.四川省氣象探測數據中心，成都 610072；2.四川省氣象臺，成都 610072；3.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072）

引言

四川地區自古多雨，加之地形、地質、地貌又極端復雜，每年汛期的強降水，特別是持續性強降水往往會帶來嚴重的洪澇災害和次生災害，給該地區造成大量的人員、財產及經濟損失。為了提供更準確的天氣預報，及時準確地發布預警信息，減少災害損失和人員傷亡，氣象科研業務人員針對持續性強降水的研究從未停止過。現階段，獲取研究所需降水資料的途徑主要有三個：常規地面觀測、地基天氣雷達和氣象衛星遙感[1]。但是，受制于四川地區地表環境錯綜復雜，各類觀測站網空間分布不均勻，雷達衛星資料反演難度較高等因素，很難獲取到覆蓋全面且準確可靠的降水數據。因此，急需一種質量高、覆蓋全、易讀取的降水產品來彌補上述缺憾。

近年來，國家氣象信息中心在引進國際先進融合技術的基礎上，消化吸收并自主創新，逐步建成了自己的數據同化系統和融合分析系統[2]。其中師春香團隊[3-8]始終不斷發展和完善多源數據融合技術，創新發布了多種實況格點融合產品，特別是針對降水數據，將常規觀測、天氣雷達、衛星等多種資料進行融合，研發了多種二源（地面、雷達）和三源（地面、雷達、衛星）實況降水融合產品[9-13]。這些產品的空間范圍覆蓋全國陸地區域（70°～140°E，0°～60°N），空間分辨率分為0.05°×0.05°（5km）和0.01°×0.01°（1km）兩種，包括逐10min、逐1h、3h、24h等多種時間分辨率，根據產品生成時間不同，又分為實時產品和近實時產品。

國家氣象信息中心下發的實況融合產品種類豐富多樣，包含了多種不同時空分辨率的觀測要素。但是，在使用前，對這些產品在四川地區的適用性、產品一致性等進行對比評估和分析研究是很有必要的，這樣就可以為科研業務人員使用這些產品提供參考和依據。龍柯吉等[14- 15]、吳薇等[16]、蔣雨荷等[17]以及郭旭等[18]已經對這些實況融合產品中的氣溫、降水、能見度、土壤水分等要素在四川地區的表現進行了分析評估，但專門針對實況融合產品在四川持續性強降水過程中的表現的研究仍不多見，本文擬對其中四種降水融合產品在四川2020年8月一次持續性強降水過程中的表現進行對比評估分析。

1 資料和方法

本文對比評估的國家氣象信息中心研發的四種降水實況融合產品分別為：5km×5km分辨率的地面-衛星二源融合快速產品（簡稱為FAST_5KM）、5km×5km分辨率的地面-衛星-雷達三源融合實時產品（簡稱為FRT_5KM）、1km×1km分辨率的實時融合產品（簡稱為RT_1KM）和1km×1km分辨率的近實時融合產品（簡稱為NRT_1KM）。對比評估的站點資料為四川省156個國家級地面自動站和5651個區域自動站中質控碼為0（正確）的降水觀測數據。

采用鄰近插值法，以觀測站點的經緯度為準，選取降水融合產品中離站點最近的格點，將格點值賦給站點，從而將降水融合產品轉化為站點降水資料。此外，本文分析是基于融合產品與實況站點資料之間的對比，在計算累計雨量時，當某站點有小時資料缺測時，不進行統計。評估指標及計算方法參考中國氣象局《實況分析產品質量評估規范（2019版）》。

對比評估指標包括：偏差BIAS、晴雨準確率PC、TS評分、空報率FAR和漏報率PO，具體公式如下：

其中，Oi為站點觀測值，Gi為降水融合產品插值到評估站點后得到的數值，NA為融合產品與實況站點均發生的站點數，NB為融合產品發生而實況站點不發生的站點數，NC為融合產品不發生而實況站點發生的站點數，ND為融合產品和實況站點均不發生的站點數。

2 降水過程實況

2020年8月10～18日，四川省出現了持續性暴雨過程，降水落區主要集中在四川盆地西部，此次過程具有持續時間長、小時雨強大、覆蓋范圍廣、累計雨量多等特點。8月10日20時～18日20時（圖1a），累計雨量在50～99.9mm的站點有1170個，100～249.9mm有1565站，250～500mm有996站，500～800mm有367站，800～1000mm有53站，1000～1500mm有11站，最大累計雨量出現在德陽什邡師古站（1218mm），最大小時雨強出現在雅安蘆山蘆陽磨駱站（156.8mm）。

圖1 過程累計降水量空間分布（a.2020年8月10日20時～18日20時，b.2020年8月10日20時～13日20時，c.2020年8月14日20時～18日20時，單位：mm）

主要降水時段分為兩個，分別為：11～13日的先阻后移型（階段一）和15～18日的穩定阻塞型（階段二）。對于階段一，強降水落區11日主要位于盆地西部沿山，12日有所東擴，13日東移至盆地東北部、中部及南部一帶；從累計雨量來看（圖1b），盆地大部、川西高原北部、攀西地區出現了50mm以上降水，中心雨帶位于盆地西部，50mm以上站點多達3037個，其中250mm以上有252站，最大累計雨量出現在德陽什邡師古站（542.1mm），最大小時雨強位于雅安蘆山蘆陽磨駱站（156.8mm）。對于階段二，降水落區基本維持在盆地西部，從盆地西北部逐漸向盆地南部、攀西地區擴展，根據累計雨量（圖1c），盆地西部、川西高原和攀西地區出現了50mm以上降水，中心雨帶仍然位于盆地西部，50mm以上站點達2947個，其中250mm以上有801站，最大累計雨量和最大小時雨強均出現在德陽旌陽區黃許新太站（分別為865.1mm和118.4mm）。由此可見，階段一強降水范圍更廣，小時雨強更強；階段二則因為降水重疊區域大、持續時間長，所以累計雨量更大。

3 過程累計降水量對比

2020年8月10日20時～18日20時，融合產品的過程累計降水量（圖2）與實況（圖1a）相比較，降水融合產品的降水落區和雨帶形態均與實況較為一致，但局部地方的降水量級與實況仍有一定差異。FAST_5KM與實況的差異主要表現在：阿壩州、盆地內降水普遍較實況偏強，但800mm以上落區較實況偏小。FRT_5KM產品50mm以上落區與實況基本一致，但對降水落區的描畫不夠細致，未體現出100mm以上落區中的50mm的降水，如資陽西部。RT_1KM和NRT_1KM的降水落區基本與實況一致，但800mm以上范圍仍較實況略偏小，相較而言，NRT_1KM與實況更接近。總體而言，四種融合產品均能很好地反映此次降水過程，其中以NRT_1KM與實況的匹配度最高。

圖2 2020年8月10日20時～18日20時累計降水量空間分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，單位：mm）

從2020年8月10日20時～18日20時累計降水量偏差空間分布（圖3）可知，5km產品的偏差普遍比1km產品的偏差大，其中又以FAST_5KM的偏差最大，盆地西部沿山一帶較實況偏小，盆地中部一帶較實況偏大，偏差值集中在50mm內。對于FRT_5KM，較實況偏差更明顯的落區主要位于盆地西部，且以偏小為主，大多位于50mm內，其余地方與實況偏差較小，偏差集中在10mm內。RT_1KM和NRT_1KM與實況的偏差均較小，主要集中在10mm內，僅個別站點偏差值超過50mm。總的來看，除FAST_5KM，其余三種融合產品與實況雖有偏差，但偏差在可接受的范圍內，均能很好地反映實況，其中1km產品的偏差更小，穩定性更強。

圖3 2020年8月10日20時～18日20時累計降水量偏差空間分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，單位：mm）

為了進一步比較降水融合產品與實況之間的偏差，統計分析了不同產品中不同量級降水出現的站點數（表1）。從表1中可以看出，暴雨量級（≥50mm降水），FAST_5KM較實況多266個站點，FRT_5KM較實況多97站，RT_1KM較實況多1245站，NRT_1KM較實況多1267站；大暴雨量級（≥100mm降水），FAST_5KM比實況多346個站點，FRT_5KM較實況多45站，RT_1KM較實況多1219站，NRT_1KM較實況多1231站。

表1 不同量級降水量站點個數

綜上所述，過程雨量在500mm以下，融合產品比實況降水范圍偏大，強度比實況偏強；而過程雨量在500mm及以上，融合產品比實況范圍偏小，強度比實況偏弱。

3.1 2020年8月10～13日過程累計降水量對比

2020年8月10日20時～13日20時，融合產品過程累計降水量（圖略）與實況（圖1b）相比較，融合產品的降水落區和雨帶形態均與實況較為一致，但局部地方的降水量級與實況仍有一定差異。其中，FAST_5KM與實況的差異主要表現在50mm以上落區明顯較實況偏大，但250mm以上量級降水較實況偏小。FRT_5KM產品500mm以上落區與實況基本一致，但對降水落區刻畫不夠細致，不能體現出大量級降水中的小量級降水，且250mm以上降水落區較實況偏小。對于RT_1KM和NRT_1KM，強降水落區與實況具有很好的一致性，但250mm以上落區仍較實況略偏小，相較而言，NRT_1KM的特大暴雨落區與實況更接近。總體而言，四種產品均能很好地反映此次降水過程，其中以NRT_1KM與實況的匹配度最高。

圖4為8月10日20時～13日20時實況與各融合產品降水量偏差的空間分布。如圖所示，四種融合產品中，FAST_5KM與實況的偏差最明顯，盆地西部、北部以正偏差居多，即降水量級較實況偏小，盆地東北部和南部降水以負偏差居多，較實況偏大。從偏差值來看，川西高原和攀西地區的偏差在10mm內，盆地大部的偏差在50mm內。FRT_5KM在盆地內以正偏差為主，即降雨量級較實況偏小，偏差值在50mm內，且50mm偏差范圍較FAST_5KM要小。RT_1KM和NRT_1KM的降水量級與實況基本一致，全省的誤差基本集中在10mm內。

圖4 2020年8月10日20時～13日20時累計降水量偏差空間分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，單位：mm）

由上可知，四種融合產品均能有效地反映降水實況，其中1km融合產品與實況的偏差最小，優于5km融合產品。

3.2 2020年8月14～18日過程累計降水量對比

2020年8月14日20時～18日20時，融合產品過程累計降水量（圖略）與實況（圖1b）相比較，降水融合產品的落區和雨帶形態均與實況較為一致，但局部地區的降水量級與實況仍有一定差異。其中差異最為明顯的仍然是FAST_5KM，主要表現在500mm以上降水落區均較實況偏大，而累計雨量800mm以上的區域較實況偏小。FRT_5KM、RT_1KM和NRT_1KM三種產品在暴雨、大暴雨和特大暴雨的表現與實況基本一致，500mm以上降水落區與實況最接近的是NRT_1KM。

圖5為8月14日20時～18日20時實況與各融合產品降水量偏差的空間分布。由圖可知，5km融合產品的偏差較1km更明顯，而FAST_5KM尤為突出，盆地西部沿山一帶以正偏差為主，即較實況雨量偏小，偏差以50mm內為主，個別地方超過100mm；盆地中部以負偏差為主，即較實況偏大，且偏大較明顯，其中綿陽、德陽、成都、眉山四市東部和資陽、內江、自貢三市東部較實況偏大最明顯，偏差值集中在50～100mm，個別地方超過100mm。FRT_5KM明顯比FAST_5KM偏差小，偏差較大的地方主要位于盆地西北部，以正偏差為主，且值位于50mm以內。而RT_1KM和NRT_1KM產品的偏差更小，全省大部地方偏差集中在10mm以內。

圖5 2020年8月14日20時～18日20時累計降水量偏差空間分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，單位：mm）

對于此次過程，FRT_5KM同樣優于FAST_5KM，而1km產品又優于5km產品。

3.3 過程最大降雨量對比

如圖6所示，在2020年10日20時～18日20時累計降水量中，最大降水出現在德陽什邡師古站，降水量為1218mm。FAST_5KM的最大降水出現在綿陽安州桑棗齊心站，位置略有偏差，降水量為892mm，與實況相比明顯偏小；FRT_5KM的最大降水出現在綿陽北川永安站，位置略有偏差，降水量為879mm，與實況相比明顯偏小；RT_1KM的最大降水出現在廣元利州大石漫天嶺站，位置略有偏差，降水量為1395mm，與實況相比偏大；NRT_1KM的最大降水也出現在廣元利州大石漫天嶺站，位置略有偏差，降水量為1271mm，與實況相比略偏大。從上面的分析可以看出，四種降水融合產品的降水中心與實況位置都略有偏差，FAST_5KM和FRT_5KM存在24h極大值比實況偏小的情況，RT_1KM和NRT_1KM的24h極大值比實況略偏大，相對而言，1km優于5km產品，近實時產品更接近實況。

圖6 2020年8月10日20時～18日20時過程最大降水量（單位：mm）

對于實況降水中心，以過程累計降水量最大站點德陽什邡師古站為代表，通過該站的累計降水量（圖7a）可以看出，四種降水融合產品對應的累計降水量分別為683mm、638mm、927mm、928mm，1km產品的降水量較5km產品的降水量有明顯的提升，更接近實況，但與實況仍然有一定偏差。從逐小時降水量變化圖（圖7b）可以看出，德陽什邡師古站的小時降水量主要出現了5次峰值，分別在11日11時、12日08時、16日03時、17日03時、17日23時，小時降水量分別為69.5mm、42.7mm、85.5mm、62.3mm、20.7mm。四種降水融合產品同樣能反映出5個峰值的特征，但峰值均低于實況小時降水量峰值，相對而言，1km產品的小時降水量更接近實況，另外，FAST_5KM于15日02～05時出現了明顯大于實況的現象。

圖7 德陽什邡師古站2020年8月10日20時～18日20時累計降水量（a）及逐小時降水量變化（b）

4 24h降水對比

從整個持續性降水過程及兩個階段的TS評分來看（圖8），1km兩種融合產品的評分較為穩定，暴雨、大暴雨和特大暴雨的評分分別達到0.89、0.83、0.67以上，NRT_1KM略優，5km兩種產品的評分均隨著降水量級的增大明顯下降，特大暴雨的評分僅在0.3左右，FRT_5KM更優。結合空報率和漏報率，5km產品對于特大暴雨的漏報率顯著提高，并且對于各量級的空報率也較大，導致其評分明顯低于1km產品。對于兩個降水階段，四種產品的表現與整個過程相似，兩個階段中評分均隨著降水量級的增大逐漸減小，5km產品更為明顯，其中NRT_1KM評分最優，RT_1KM次之，FAST_5KM最差，對比而言，階段一的評分優于階段二。

圖8 整個過程及分時段的24h累計降水量客觀檢驗（a.TS評分，b.漏報率，c.空報率）

分析逐日晴雨準確率、暴雨及以上量級降水的客觀TS評分（圖9a），兩種1km產品的晴雨準確率均達到0.95以上，5km產品普遍在0.9附近，穩定性相對較差，13、14日在0.8左右，相對而言FRT_5KM評分更高。對于TS評分，四種產品的評分都隨著降水量級的增大而降低，1km產品暴雨及以上量級評分明顯優于5km產品。對于13、14日，四種融合產品的各項評分均明顯偏低（圖略），13日漏報較多導致該日評分偏低，14日評分較低則是由于暴雨和大暴雨空報較多，特大暴雨漏報較多，其中FAST_5KM最為明顯，另外，強降水樣本少也是導致評分偏低的一個重要原因。綜合而言，四種融合產品均能很好地反映降水實況，1km產品的評分優于5km產品，其中1km產品中NRT_1KM評分略優，5km產品中FRT_5KM評分更優。另外，對比逐日降水落區和評分，評分的高低與強降水的集中程度和范圍密切相關。相對而言，強降水越集中、范圍越大，評分越高，5km產品受其影響更為明顯。因此，14日、16日的強降水落區較為分散是導致階段二評分相對較差的原因。

圖9 逐日24h累計降水量客觀檢驗（a.晴雨準確率，b.暴雨TS評分，c.大暴雨TS評分，d.特大暴雨TS評分）

5 最大小時雨強對比

實況顯示（圖10a），2020年8月10～18日降水過程中的最大小時雨量20mm以上區域集中在盆地西部、西南部、南部、中部和攀西地區南部，其中盆地西部、西南部、南部和中部的部分地方最大小時雨量超過60mm，個別地方超過80mm。從四種融合產品的最大小時降水量分布（圖10b～e）來看，降水中心和雨強與實況有較好的對應性，但小時雨強50mm及以下量級降水較實況偏多，50mm以上較實況偏少。FAST_5KM顯示盆地內最大小時雨量20～50mm空報較多，50mm以上漏報明顯。FRT_5KM較FAST_5KM有所改善，最大小時雨量20～50mm的區域較實況略偏小，但50mm以上仍漏報明顯。1KM產品各等級的小時雨強與實況落區分布基本一致，差異較小，僅對80mm以上的小時雨強漏報較明顯。

圖10 2020年8月10日20時～18日20時最大小時降水量（a.實況，b.FAST_5KM，c.FRT_5KM，d.RT_1KM，e.NRT_1KM，單位：mm）

從四種降水融合產品的最大小時降水量偏差分布（圖11）可知，FAST_5KM在盆地北部、西部、西南部、攀西地區表現為正偏差，即較實況偏小，偏差值多位于10mm內，偏差值較大的區域主要集中在盆地西部和西南部，偏差值為10～50mm；盆地中部和南部主要為負偏差，即較實況偏大，偏差值在10～50mm的區域主要位于盆地南部，其余地方偏差＜10mm。FRT_5KM主要表現為全省大部地方為正偏差，偏差大的地方同樣位于盆地西部和西南部，偏差值為10～50mm。1KM產品在全省大部地方為正偏差，RT_1KM和NRT_1KM偏差值多位于10mm內。細致分析逐日降水的最大小時降水量，除12日20時～13日20時、14日20時～15日20時融合產品的日最大小時雨量較實況差異略大外，其余時段的差異均較小。各種融合產品的小時最大雨強的分布形態和落區、強度與實況差異均較小，主要存在的問題是小量級降水（40mm及以下）落區偏大，大量級降水（40mm及以上）較實況偏少，其中以NRT_1KM與實況偏差最小。綜合而言，FAST_5KM與實況差異最明顯，FRT_5KM、RT_1KM、NRT_1KM三種產品與實況差異較小，其中以NRT_1KM最接近實況。

圖11 2020年8月10日20時～18日20時最大小時降水量偏差（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，單位：mm）

6 結論與討論

針對2020年8月發生在四川盆地的持續性強降水過程，利用多種指標對四種降水融合產品的過程累計降水量、24h累計降水量、小時雨強等表現進行評估，結論如下：

（1）對于過程累計降水量，四種融合產品均能很好地反映此次降水過程，1km產品降水落區刻畫更為細致，和實況有較高的一致性，NRT_1KM偏差最小，而FAST_5KM與實況差別最大。四種產品的降水中心與實況位置都略有偏差，1km產品的降水中心值較5km產品有明顯的提升，更接近實況。四種產品的小時降水量走勢與實況一致，但峰值都低于實況的小時降水量峰值，1km產品的小時雨量更接近實況。

（2）對于24h累計降水量，四種降水融合產品能表征出逐日降水落區的移動，且降水落區、走向和雨帶形態均與實況較為一致。四種產品無雨站點都較實況偏少，1km和5km產品準確率分別在0.95、0.9左右。1km產品的分量級評分均優于5km產品，其中NRT_1KM評分更好，5km產品中FRT_5KM評分優于FAST_5KM，評分的高低與強降水的集中程度和范圍密切相關，強降水越集中、范圍越大，評分越高。不同降水階段的評分有所差異，階段一的評分更優，而14日、16日的強降水落區較為分散是導致階段二評分相對較差的原因。

（3）降水融合產品的小時最大雨強與實況均有較好的對應關系，其中1km產品優于5km產品，FRT_5KM優于FAST_5KM，NRT_1KM最優。

綜合而言，1km產品優于5km產品，1km的近實時產品優于實時產品，5km三源產品優于二源產品。另外，此次過程中FAST_5KM的穩定性相對較差，個別時次與實況差異較大，有必要與站點實況結合使用；1km產品出現的極值中心點雨量與站點實況雨量差異很大，這是由融合的雷達降水較大造成，其正確性有待進一步研究。