HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產品在重慶地區的適用性分析①

朱君， 趙美艷， 王新， 廖偉， 李奇臨

重慶市氣象信息與技術保障中心，重慶 401147

水蒸氣是大氣能量的重要載體,在極端天氣過程中占據重要作用,可對天氣和氣候、動植物生長、氣溶膠光學特性、太陽增溫率、能見度等產生較大影響[1-2].相對濕度作為基本的常規氣象觀測要素,是大氣水汽含量的物理參數之一[3-4],因此,準確可靠的相對濕度數據對研究了解環境變化具有重要的現實意義[5].隨著資料同化技術的快速發展,中國氣象局自2014年以來,通過對產品時效的優化、數據網格的調整,使一系列多源融合實況產品應用于智能網格預報業務,HRCLDAS是中國區域多源融合實況分析1 km分辨率產品之一,產品包括2 m相對濕度等數據[6-7].再分析資料是氣象觀測資料和數值預報產品融合的產品,具有數據產品分辨率高、時間序列長的特點[8-10],目前,全世界的再分析資料主要有歐洲中心的ERA5、日本的JRA55、美國的NCEP/NCAR R1等,其中最常用的是ERA5再分析資料[11-13].

近年來,渠鴻宇等[14]對HRCLDAS和ERA5再分析資料的海面風場數據進行對比評估分析,研究表明,兩者在我國的近海均具有較高的可信度;耿姍姍等[15]對ERA5 海面氣壓和風速的再分析資料在渤海和北黃海海域的適用性進行了分析,研究表明再分析資料與觀測資料具有良好的相關性,不同時間尺度的統計結果具有一定差異性;宇婧婧等[16]、劉婷婷等[17]、史嵐等[18]對降水融合實況產品在中國相關地區的應用進行了大量的適用性評估和分析,為融合實況產品和ERA5再分析資料的本地化應用提供了參考.本文利用地面站點觀測的相對濕度數據分析HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產品在重慶地區的適用性,對比分析2種相對濕度數據產品在重慶的準確度和差異性,為2種相對濕度產品在本地的應用提供科學依據和參考.

1 資料與方法

1.1 資料

1) HRCLDAS中國區域多源融合實況分析產品由國家氣象信息中心提供,2021年9月26日20時空間分辨率為0.01°×0.01°逐小時的2 m相對濕度.

2) ERA5再分析資料來源于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)2021年10月1日-2022年9月30日的0.1°×0.1°的逐小時2 m溫度和2 m露點溫度,結合馬格納斯經驗公式,計算出2 m相對濕度.

(1)

其中:RH為相對濕度;E0為水面或冰面溫度為0 ℃時的飽和水汽壓,E0=6.11百帕;Td為2 m露點溫度;T為2 m溫度.

3) 觀測站點: 重慶現有地面氣象觀測站點2 097個,其中開展相對濕度觀測的站點有520個,因此檢驗源數據選用重慶地區的520個地面氣象觀測站(圖1)2021年10月1日至2022年9月30日的逐小時相對濕度觀測數據,數據經過了氣象資料業務系統的質量控制,數據質量可靠.

運用雙線性插值方法,對HRCLDAS多源融合實況分析產品和ERA5再分析資料的網絡數據進行處理,實現對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產品與站點觀測數據的時空匹配.

注: 底圖來源于重慶市規劃和自然資源局“重慶市標準地圖服務”,審圖號: 渝S(2020)071號圖1 重慶市地面空氣濕度站點分布圖

1.2 評估指標

利用誤差(E)、平均誤差(ME)、絕對誤差(AE)、平均絕對誤差(MAE)、相關系數(COR)等參數對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度進行質量評估.

E=Gi-Oi

(2)

(3)

AE=|Gi-Oi|

(4)

(5)

(6)

2 結果與分析

2.1 年度對比

利用觀測站點2021年10月1日至2022年9月30日的逐小時相對濕度觀測數據對HRCLDAS和ERA5再分析資料進行評估分析,結果顯示,HRCLDAS的相對濕度產品年平均誤差為-0.06%、平均絕對誤差為0.91%、相關性系數為0.993;ERA5再分析資料的相對濕度產品年平均誤差為-3.14%、平均絕對誤差為10.02%、相關性系數為0.742,表明2種相對濕度產品相關性系數都在0.7以上,表明2種相對濕度產品在重慶均具有較好的適用性,但HRCLDAS的相對濕度準確率更高;2種產品較站點觀測數據偏小,ERA5再分析資料相對濕度產品誤差偏大,說明ERA5再分析資料相對濕度產品誤差波動較大.

2.1.1 不同數值相對濕度對比

重慶地處亞熱帶濕潤季風氣候區,屬于高濕區,年平均相對濕度多在70%～80%之間,通過計算得到2021年10月至2022年9月的年平均相對濕度為76.39%.結合2種相對濕度產品的誤差(圖2)和絕對誤差在重慶地區的散點分布圖(圖3),將站點觀測的相對濕度數據按照5個等級分別對2種相對濕度產品的質量進行評估(表1),可以看出,2種相對濕度產品的誤差和相對濕度觀測數據呈相反關系.ERA5再分析資料的相對濕度產品的平均絕對誤差整體偏大,當相對濕度觀測數據小于30%時,產品數值明顯偏大,平均誤差和平均絕對誤差均為37.76%;當相對濕度觀測數據在30%～70%的區間時,產品數值整體偏大,而相對濕度在50%～70%時,產品準確率更高;當相對濕度觀測數據在70%～90%的區間時,產品準確率最高;當相對濕度觀測數據大于90%以后,產品數值偏低趨勢逐漸增大.HRCLDAS的相對濕度產品整體質量更優,當相對濕度觀測數據小于30%時,產品數值整體偏大;當相對濕度觀測數據在30%～70%的區間時,產品數值整體略偏大,且準備率最高;當相對濕度觀測數據大于70%以后,產品數值整體略偏低;當相對濕度觀測數據大于90%以后,產品數值偏低趨勢逐漸增大.

圖2 2種相對濕度產品的誤差在重慶地區的散點分布圖

圖3 2種相對濕度產品的絕對誤差在重慶地區的散點分布圖

表1 2種相對濕度產品在重慶地區不同相對濕度觀測數據區間的質量對比評估結果

2.1.2 不同海拔高度對比

重慶復雜多變的地形,海拔落差大(73.1～ 2796.8 m),同時兼有山地、丘陵、盆地和河谷等不同的地形地貌特征[19],因此在對比分析時將海拔高度分為: 小于500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500 m以上4級,分別對2種相對濕度產品的質量進行對比評估.結果表明: HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產品隨著海拔的升高,平均誤差和平均絕對誤差呈增大趨勢.ERA5再分析資料的相對濕度產品整體偏小;HRCLDAS的相對濕度產品在低海拔地區偏大,海拔高度大于等于500 m以后,數據偏小(表2).

表2 2種相對濕度產品在重慶地區不同海拔高度的質量對比評估結果

2.2 季際對比

針對不同季節,分別對2種相對濕度產品進行評估分析發現,2種相對濕度產品均呈現明顯的季節變化,ERA5再分析資料的相對濕度產品質量總體表現為春季最優,夏季次之,冬季相對最差;數據質量在秋冬季有一個明顯的降低,誤差在-5%以上,絕對誤差在10%以上;冬季質量最差相關性系數為0.628,平均誤差為-5.62%,平均絕對誤差為11.03%.HRCLDAS的相對濕度產品與ERA5略有不同,總體表現為夏季最優,春季次之,冬季最差;在夏季的時候質量最優,平均誤差為-0.04%,平均絕對誤差為0.84%,相關性系數為0.995(表3).

表3 2種相對濕度產品在重慶地區不同季節的質量對比評估結果

2.3 月際對比

對比分析2種相對濕度產品的逐月平均誤差、平均絕對誤差、全年月平均相對濕度的特點發現(圖4),2種相對濕度產品在重慶地區的逐月變化趨勢與全年月平均相對濕度變化的情況基本一致,當月平均相對濕度升高,則2種相對濕度產品的質量同步提高;月平均相對濕度降低,2種相對濕度產品的質量同步降低.2022年7月至2022年8月,重慶遭受了自1961年有完整氣象觀測記錄以來綜合強度最強的高溫天氣過程,可以看出,7月至8月的月平均相對濕度有一個明顯的降低趨勢,ERA5再分析資料的相對濕度產品的平均偏差出現了偏大的情況;HRCLDAS的相對濕度產品隨著月平均相對濕度的降低其產品質量降低,隨著月平均相對濕度的升高產品質量升高.

圖4 2種相對濕度產品在重慶地區逐月平均誤差、絕對誤差和相對濕度分布圖

2.4 日對比

分析2種相對濕度產品在重慶地區逐小時平均誤差和平均絕對誤差分布發現(圖5),ERA5再分析資料的相對濕度產品的逐小時平均誤差均為負值,HRCLDAS的相對濕度產品的逐小時平均誤差除16時以外均為負數,16時的平均絕對誤差為0.01%,說明2種相對濕度產品的整體數值偏小.HRCLDAS的相對濕度產品誤差隨時間的變化呈兩頭低、中間高的特點,13時和17時的絕對偏差在1%以上,產品無明顯的晝夜差別.ERA5再分析資料的相對濕度產品誤差隨時間變化呈現兩頭高、中間低的特點,且有較為明顯的晝夜區分;白天數據產品的質量要優于晚上,下午數據產品質量為最優,其中以14時至16時的數據產品質量最優.

圖5 2種相對濕度產品在重慶地區日逐小時平均誤差和平均絕對誤差分布圖

3 結論與討論

利用重慶520個地面氣象觀測站的相對濕度觀測數據,對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產品在重慶地區的適用性進行分析評估,結論如下.

1) 2種相對濕度產品在重慶地區具有較高的相關性,HRCLDAS的相對濕度產品質量更優;海拔高度的變化對2種相對濕度產品都具有較大的影響,相對濕度產品隨著海拔的升高,數據質量降低.

2) 針對不同相對濕度觀測數值,2種相對濕度產品在重慶地區的質量有明顯差異,相對濕度越小或越大時,2種相對濕度產品的誤差較大;當相對濕度觀測數據在70%～90%區間時,2種相對濕度產品的質量最優.

3) HRCLDAS的相對濕度產品隨小時時間呈兩頭低、中間高的特點;ERA5再分析資料的相對濕度產品質量隨小時時間呈兩頭高、中間低的特點,有較為明顯的晝夜區分;2種相對濕度產品在重慶地區的逐月變化趨勢與月平均相對濕度變化基本一致,月平均相對濕度越高,2種相對濕度產品的質量越好.

總體來看,2種相對濕度產品空間分辨率存在差異,但HRCLDAS相對濕度產品的空間分辨率、可信度更高;用戶在對產品進行使用時,須根據個性需求進行選擇.但針對不同海拔、時次、月份、季節等條件,2種相對濕度產品都需進一步研究分析和優化,只有不斷提升質量才能更好地為產品的本地化應用提供保障和依據.