多源融合實況氣溫數(shù)據(jù)適用性評估分析

呂曉娟，趙奕安

（河北省威縣氣象局，河北 威縣 054700）

近年來，我國精細化格點實況業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，地面觀測站網(wǎng)密度不斷增加，國家氣象信息中心、公共氣象服務(wù)中心等單位先后研發(fā)了高分辨率的地面格點實況產(chǎn)品[1]。多源融合實況業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是利用數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)同化技術(shù)，綜合多種來源觀測資料及多模式模擬數(shù)據(jù)，獲得高精度、高質(zhì)量、時空連續(xù)的多源數(shù)據(jù)融合氣象格點產(chǎn)品。

2019年，中國氣象局把威縣列為河北省唯一實況業(yè)務(wù)建設(shè)試點，梨產(chǎn)業(yè)是威縣精準(zhǔn)扶貧和鄉(xiāng)村振興的主要抓手之一，溫度是影響梨生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，隨著格點實況產(chǎn)品的豐富及本地化應(yīng)用的不斷擴展，為確保能夠為精細化格點預(yù)報和模式評估檢驗提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效提高威梨氣象服務(wù)，因此開展多源融合實況氣溫數(shù)據(jù)檢驗，對減輕縣域氣象災(zāi)害損失、促進梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常必要。

目前，有許多針對格點實況與觀測差異的檢驗方法，業(yè)務(wù)中對氣溫、相對濕度和風(fēng)等預(yù)報變量進行各類誤差分析、相關(guān)系數(shù)檢驗等。本文主要通過相關(guān)性分析、誤差分析等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢驗方法，對格點實況2 m氣溫在威縣區(qū)域內(nèi)進行了檢驗評估，分析討論該格點數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性。

1 資料與方法

1.1 資料

由于部分本地化數(shù)據(jù)有所缺失，考慮到數(shù)據(jù)資料的完整性和有效性，本文研究分析的數(shù)據(jù)資料為2020年冬季威縣格點實況氣溫和站點氣溫。格點實況氣溫分辨率為1 km，時間間隔為1 h，該數(shù)據(jù)集利用地面、衛(wèi)星等實況觀測資料，也同化了數(shù)值模式等產(chǎn)品。站點氣溫來源于同期的威縣區(qū)域內(nèi)15個地面自動氣象站（包括國家氣象站、梨園氣溫梯度觀測站和13個區(qū)域自動站）。

1.2 方法

在研究中，將站點氣溫觀測值視為大氣狀態(tài)的“真值”來檢驗評估格點實況氣溫的準(zhǔn)確性和適用性。采用氣象業(yè)務(wù)中常用的雙線性插值方法，按照氣象站點所在的經(jīng)緯度，提取與站點觀測數(shù)據(jù)匹配的格點實況數(shù)據(jù)對比序列。對格點實況氣溫的相關(guān)性、平均絕對誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）及準(zhǔn)確率進行分析。

2 格點實況2 m氣溫數(shù)據(jù)檢驗

2.1 國家站和區(qū)域站

首先對威縣區(qū)域內(nèi)國家站和區(qū)域站格點實況氣溫的相關(guān)性、MAE和準(zhǔn)確率進行分析。結(jié)合圖1和表1可知，格點實況氣溫對比站點氣溫MAE在0.11～0.55℃，誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為81%～99%，平均相關(guān)系數(shù)在0.99以上。可以看出，站點在房頂時氣溫站點值普遍偏高于格點值，除梨園屯和趙村格點實況氣溫MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，準(zhǔn)確率在90%以上，格點實況氣溫總體表現(xiàn)可以接收。如圖2所示，選取格點實況氣溫MAE最大兩個站點（梨園屯和趙村）進行分析，可以看出，在08時-17時，站點氣溫較高于格點氣溫，這可能是由于站點在房頂原因造成的。在02時-08時期間，格點實況與站點氣溫誤差較大，尤其當(dāng)氣溫較低并出現(xiàn)下降時，格點實況氣溫與站點氣溫誤差相對較大。

圖1 2m氣溫MAE和誤差《1℃準(zhǔn)確率分布圖

表1 格點氣溫與站點氣溫相關(guān)性分析

圖2 冬季不同時次氣溫變化情況以及MAE和RMSE分布圖

2.2 梨園氣溫梯度觀測站格點實況氣溫檢驗

梨園站為實況業(yè)務(wù)試驗站，建有0.5、1.0、1.5、2.0 m 4層氣溫裸溫數(shù)據(jù)。利用該站點2 m氣溫和裸溫數(shù)據(jù)對格點實況2 m氣溫數(shù)據(jù)進行檢驗分析。由圖3和表2可知，格點實況氣溫對比站點氣溫MAE在0.75～0.90℃，RMSE平均在1.0℃左右；誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為67.8%～75.3%，誤差在2℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為87.9%～90.0%；平均相關(guān)系數(shù)在0.99，相關(guān)性較高。格點實況氣溫對比站點裸溫MAE在1.45～1.72℃，RMSE平均在2.0左右；誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為32.5%～47.8%，誤差在2℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為59.3%～69.0%；平均相關(guān)系數(shù)在0.97。可以看出，格點實況氣溫與2 m站點氣溫相關(guān)性相對較高，誤差較小，與站點裸溫誤差較大。以站點氣溫為真值時，格點實況氣溫表現(xiàn)總體可以接受。由圖3可知，格點實況氣溫對比站點氣溫1月份誤差最大，12月、2月次之。分別對冬季站點逐月氣溫變化進行分析，由圖4和表3可知，氣溫在1月份標(biāo)準(zhǔn)差最大，平均溫度最低，由此可以推測在氣溫較低且波動率較大時，格點實況氣溫對比站點氣溫誤差可能較大。

圖3 格點實況氣溫MAE和準(zhǔn)確率分布圖

表2 格點氣溫與站點氣溫、裸溫相關(guān)性分析

圖4 冬季逐月氣溫分布圖

表3 冬季逐月平均氣溫及標(biāo)準(zhǔn)差

圖5對逐月及整個冬季格點實況氣溫不同時次氣溫分布情況和MAE、RMSE進行分析。02時-08時次MAE在1.22～1.38℃，RMSE平均在1.78℃左右，誤差較大；08時次以后MAE在0.32～1.03℃，RMSE在0.80℃左右，誤差較小。可以看出，當(dāng)氣溫出現(xiàn)波動，尤其在02時-08時期間，氣溫較低并出現(xiàn)下降時，格點實況與站點氣溫誤差較大，這與2.1節(jié)規(guī)律表現(xiàn)一致。

圖5 不同時次2m氣溫變化情況以及MAE和RMSE分布圖

3 結(jié)論

本文通過現(xiàn)有有效氣象資料，對威縣區(qū)域內(nèi)格點實況2 m氣溫的準(zhǔn)確性和適用性進行了檢驗評估，為格點實況氣溫在威梨氣象服務(wù)及其他應(yīng)用中提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）格點實況氣溫對比國家站和區(qū)域站點氣溫MAE平均在0.33℃左右，誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為81%～99%，平均相關(guān)系數(shù)在0.99以上，除梨園屯和趙村格點實況氣溫MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，準(zhǔn)確率在80%以上，并且大部分在90%以上。格點氣溫總體表現(xiàn)可以接受。

（2）格點實況氣溫對比梨園梯度觀測站氣溫MAE平均在0.83℃左右，RMSE平均在1.0℃左右；誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為67.8%～75.3%，誤差在2℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為87.9%～90.0%，平均相關(guān)系數(shù)在0.99以上。對比裸溫MAE平均在1.50℃，RMSE平均在2.0℃左右；誤差在1℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為32.5%～47.8%，誤差在2℃以內(nèi)的準(zhǔn)確率為59.3%～69.0%；平均相關(guān)系數(shù)在0.97以上。格點實況氣溫與氣溫誤差較小，與裸溫誤差較大，以氣溫為真值時，格點實況氣溫表現(xiàn)總體可以接受。

（3）當(dāng)氣溫出現(xiàn)波動，尤其在02時-08時期間，格點實況氣溫對比站點氣溫誤差較大。

綜上所述，在威縣區(qū)域內(nèi)格點實況氣溫表現(xiàn)總體可以接受，但是當(dāng)氣溫出現(xiàn)波動，尤其在02時-08時期間氣溫較低并出現(xiàn)下降時，格點實況氣溫誤差相對較大。

02時-08時是威梨低溫凍害最容易出現(xiàn)時段，也是威梨精準(zhǔn)氣象服務(wù)最關(guān)鍵時期，所以在威梨及其他氣象服務(wù)中需要注意這一時段格點實況氣溫的準(zhǔn)確性和適用性，誤差較大時需及時訂正，針對這一問題格點實況數(shù)據(jù)在技術(shù)上可能還有待改進。