基于江西省水文资料对中国融合降水产品的质量评估

利用江西省2015年4月至2016年3月水文站观测降水数据,在小时尺度上,对中国国家气象信息中心研制的5和10 km融合降水产品进行质量评估,同时与美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水产品(CMORPH)、中国国家气象信息中心研制的东亚区域多卫星集成降水产品(EMSIP)两套卫星降水产品进行对比评估。研究分析各类降水产品的数据误差及其时空变化规律,验证融合降水产品在特征区域的适用性。研究结果表明:融合降水和卫星降水均能较好地反映年内小时降水的变化趋势,与水文站观测降水相比,四套降水资料均存在一定程度低估,其中卫星降水产品低估较大。融合降水产品的数据质量较高,其中5 km融合降水产品的数据精度(R=0.81,RMSE=2.12 mm·h~(-1),RE=-5.4%)基本优于10 km融合降水产品(R=0.78,RMSE=2.3 mm·h~(-1),RE=-5.1%),卫星降水产品与水文站观测降水存在较大的偏差,CMORPH和EMSIP的相关系数分别仅为0.19和0.24。各降水产品误差具有相同的月变化趋势,融合降水产品的误差变化幅度明显要小于卫星降水产品。四套降水产品的相关性随着降水量级增大而增加,融合降水产品能够准确反映降水的空间结构和中心位置,5 km融合降水产品对强降水的监测能力更具有优势。     

中国区域高分辨率多源降水观测产品的融合方法试验

高质量、高分辨率降水产品研制对于数值天气模式检验、水文陆面模拟、山洪地质灾害监测有着重要意义。利用中国近4万自动气象站逐时降水资料、中国雷达定量降水估计和CMORPH卫星反演降水产品,开展0.05°×0.05°和0.01°×0.01°两种高分辨率下的三源降水融合方法研究试验,探讨如何有效引入雷达高分辨率信息来提高降水产品质量。一方面,在0.05°分辨率上,先以自动气象站观测降水数据为基准,采用概率密度函数（PDF）匹配法订正雷达和卫星估测降水产品的系统偏差,将雷达降水产品的偏差从-0.05 mm/h降至-0.008 mm/h;再采用贝叶斯模型平均（BMA）方法融合雷达和卫星降水产品,形成0.05°分辨率的中国区域覆盖完整且最优的联合降水背景场。此外,在0.01°分辨率上,以0.05°分辨率的卫星-雷达贝叶斯模型平均联合降水产品为背景,采用1 km雷达估测降水的空间结构信息进行降尺度,亦能有效提高0.01°分辨率背景场的质量。然后,分别以不同分辨率的卫星-雷达联合降水产品为背景,采用统计方法量化误差估计,再采用最优插值方法融入地面观测。通过2419个中国国家级气象台站的独立样本检验,评估了多种类型的降水资料及融合试验产品在中国地区的质量。结果表明,两种分辨率的三源融合试验产品的精度均优于任何单一来源的降水产品,特别是在站点稀疏地区,降水精度均较融合前有显著提高,达到了较好的融合效果,其中在0.05°分辨率上采用“概率密度函数+贝叶斯模型平均+最优插值”方法的三源融合降水产品整体质量最好,而0.01°分辨率上基于“概率密度函数+贝叶斯模型平均+降尺度+最优插值”方法的三源融合降水产品在强降水监测上更有优势。      

国家级多源融合降水产品在云南的适用性评估

基于2018~2020年云南省126个国家地面观测站逐小时降水资料,客观定量评估了国家气象信息中心研发的CMPAS二源融合和三源融合逐小时网格降水产品在云南地区的适用性。结果表明:两套融合降水产品均能较好地反映云南区域小时降水的时空变化特征,但都低估了实际降水量;三源融合降水产品在云南的适用性更强,对0.1~1.9mm量级的小时降水量预估偏大,且离散性较高,但随着实况降水量的增加,平均误差呈负值,降水量预估值偏小;三源融合降水产品能准确抓住云南省的过程性降水,在短时强降水导致滑坡泥石流的监测中具有一定优势。      

三源融合降水产品在陕西省的适用性评估

基于陕西省391个自动站逐小时降水量观测数据对国家级格点实况三源融合降水产品的适用性进行检验评估,结果表明:融合降水产品与站点观测之间的误差小、相关性高,但融合降水产品的标准差和极大值明显小于站点观测;相关系数较低的站点以区域站为主,国家气象观测站的效果明显优于区域站;误差时空分布和降水特征关系密切,在降水频次增多和强度增大时,融合降水产品相比站点观测的误差增大。将融合降水产品视为一种“预报”,站点观测资料作为“真值”进行分级检验,结果显示:融合降水产品可以较好反映有无降水,随降水量级增大空报率变化平稳,漏报率增长明显,导致TS评分逐渐下降。对典型个例的误差成因分析显示:融合降水产品可以较好地体现降水起止时间及性质、强弱演变趋势,但对雨强较大的区域性降水、分散性局地强降水表现欠佳。多种指标综合显示:融合降水产品小量级降水准确率高,对大雨以上量级降水强度有一定程度削弱;陕南秦巴山地的融合降水产品与站点观测偏差较大,应用中需特别关注。     

基于最优插值方法分析的中国区域地面观测与卫星反演逐时降水融合试验

为了发展一套适用于中国区域的高分辨率(0.1°×0.1°)逐时降水产品,以CMORPH卫星反演降水为背景场,以基于3万个自动气象站观测的逐时降水量分析的中国降水格点分析产品(Chinese Precipitation Analyses,CPA)作为地面观测场,采用最优插值方法对二者进行了融合试验.用2009年6-8月的样本统计分析了卫星反演与地面观测降水的误差及其协相关形式,按照误差结构来分配权重.融合试验的个例检验表明,该方案在有站点的地区能较好地引入地面观测信息,在没有站点观测的地区则保留CMORPH的原始信息,最终形成一套覆盖中国区域的高时空分辨率的降水场.2009年6-8月独立样本检验的统计结果也表明,该融合产品的平均偏差、均方根误差、相对误差分别为-0.004 mm/h、1.271 mm/h和15.964％,平均空间相关系数达到0.778,与融合前CMORPH的各统计值相比,改进幅度基本都超过了50％,且与风云系列卫星的同类型产品相比精度也有一定程度的提高.     

中国地面气象要素格点融合业务产品检验

对2018年5 km分辨率中国地面气象要素2 m温度、10 m风速和24 h累积降水格点融合产品进行非独立和独立检验。非独立检验结果表明:(1)相比于站点观测,2 m温度格点融合产品整体偏暖,各月平均均方根误差在1℃左右,35℃以上高温和-20℃以下低温天气时均方根误差分别在1℃和2℃以上。(2)10 m风速格点融合产品可准确地描述0~2级风速,但对3级以上,特别是6级以上大风风速描述能力偏弱,主要表现为比实际偏小。(3)卫星-地面观测的二源融合和卫星-雷达-地面观测的三源融合降水格点产品在0~0.1 mm降水区间出现降水面积过大的现象;随着降水量级的增加,两种产品的均方根误差和平均偏差均随之增加,主要表现为降水融合产品的量级比观测偏小。相对而言,三源融合降水格点产品的准确性优于二源融合产品的。独立检验结果表明,三种要素的检验指标随时间或阈值的变化趋势与非独立检验基本一致,且更能表明格点融合产品与观测之间的偏差。主要是因为独立检验中使用到的观测均未参与格点融合产品的制作过程。综上所述,中国地面气象要素格点融合产品对一般天气描述较好,但在高低温、大风或强降水等极端天气时误差较大。     

中国区域小时降水量融合产品的质量评估

基于全国自动站观测降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料,采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成了中国区域1h、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合产品.本文分别从产品误差的时空分布特征、不同降水量级和不同累积时间下的产品质量、三种站网密度下的融合效果以及对强降水过程监测能力等方面对比评估了融合降水产品质量.结果表明,融合降水产品有效利用了地面观测和卫星反演降水各自的优势,在降水量值和空间分布上均更为合理;融合产品平均偏差和均方根误差均减小,随时间的变化幅度不大且区域性分布特征减弱;融合产品与融合前的卫星反演降水产品相比在中雨(1.0～2.5 mm/h)、中到大雨(1.0～8.0 mm/h)、暴雨及以上(≥8.0 mm/h)的相对误差分别为-1.675％、小于15.0％、30.0％左右,且随着累积时间的增加,产品质量进一步提高;该产品能准确抓住强降水过程,在定量监测强降水中具有优势.     

我国高分辨率降水融合资料的适用性评估

利用国家气象信息中心研制的全国30000多个地面自动站降水与 CMORPH (Climate Prediction Center Morphing technique)卫星反演降水融合而成的融合降水产品,分析了融合降水平均偏差和均方根误差的时空分布特征,探讨了不同降水量级以及站点稀疏区和密集区的融合效果,结果表明：融合降水的平均偏差和均方根误差量值均较卫星反演降水有显著减小,随时间的变化幅度不大且误差的区域性差异减弱;融合降水不同量级降水日数分布接近于地面观测降水,虽高估了雨强小于等于4 mm/d的降水,低估了大于4 mm/d高值降水,但同一量级下的误差比卫星反演降水大幅减小,且随着降水强度的增加改善效果明显;站点密集区的融合降水值主要是取决于地面观测降水;站点稀疏区在没有站点分布时,融合降水值主要取决于卫星反演降水,但随着站点个数增加,地面观测降水在融合降水中所占比重逐渐增大,且超过了卫星反演降水的作用。可见融合降水充分有效利用了地面观测降水和卫星反演降水各自的优势,融合效果明显。     

概率密度匹配法对中国区域卫星降水资料的改进

为考察概率密度匹配法 (PDF方法) 对中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的适用性,基于逐日和逐时我国地面观测降水量资料,引入PDF方法,分别对逐日0.25°×0.25°水平分辨率和逐时0.1°×0.1°水平分辨率的CMORPH (Climate Prediction Center Morphing Technique) 卫星降水产品的系统误差进行订正。在分析CMORPH卫星降水产品误差特征的基础上,根据两种资料不同的时空分辨率和误差特点,调整概率密度匹配时选取样本的时间和空间范围,设计相应的订正方案。评估结果表明: PDF方法订正后, 两种分辨率卫星降水资料在中国区域系统误差均显著减小,达到了理想的订正效果。在我国站点稀疏的西部地区,订正后的CMORPH卫星降水产品仍保持卫星观测的降水空间分布,降水量也明显接近于地面观测降水量。可见,PDF方法是中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的一种有效方法。     

两套降水融合实况产品在陕西省的质量检验

利用陕西省99个国家气象站、1 894个区域气象站2021年3月1日00时—2022年2月28日23时（北京时）的小时降水量数据,采用相关系数、平均误差、均方根误差、晴雨准确率、降水分量级评估等指标,对国家气象信息中心研制的1 km、5 km降水融合产品进行质量检验。结果表明：（1）两套融合产品在陕西省的评估效果较好,1 km融合产品评估结果（相关系数为0928 1,平均误差为0000 8 mm,均方根误差为0236 2mm）优于5 km融合产品（相关系数为0892 2,平均误差为-0001 0 mm, 均方根误差为0335 3 mm）;（2）两套融合产品对降水的有、无均反映较好,其中1 km融合产品的晴雨准确率为0959 0,5 km融合产品为0957 1;（3）小雨、中雨量级降水融合降水产品与观测值较接近,其他级别降水融合产品的TS评分随着降水量级的增大而降低;（4）两套融合降水产品能较好反映陕西区域内降水的时空变化特征,陕北地区平均误差、均方根误差较小,效果较好,关中南部及陕南秦巴山区的误差较大。     

融合降水实况分析产品在四川地区的适用性评估

利用四川省地面自动站2018年6月—2019年5月的逐小时降水观测资料,在邻近插值和双线性插值对比分析的基础上,从晴雨准确率、降水时空特征、降水分量级检验等多个方面,对国家气象信息中心研制的融合降水实况分析产品在四川地区的适用性进行评估分析。评估结果表明:(1)邻近插值和双线性插值对评估结果影响小。(2)融合降水实况分析产品的完整性好,其平均晴雨准确率为92.6%,对探测降水有无存在较大可能。(3)融合降水实况分析产品的数据质量较高,能反映四川区域年内小时降水的时空变化特征,且随着降水量级的增大,误差相应增大,TS评分相应减小,说明在弱降水量级,融合降水实况分析产品与观测降水更接近。(4)非独立检验的效果好于独立检验,盆地的检验效果好于高原、山区等复杂地区,说明参与评估的站点分布、数据质量对评估结果存在一定影响。     

融合格点降水产品在四川盆地西部一次极端暴雨过程中的评估分析

利用地面降水观测资料、国家气象信息中心研发的4种降水融合产品（FAST_5 km、FRT_5 km、RT_1 km、NRT_1 km）,采用误差分析、偏差分析、正确率、TS评分等方法,对其在四川盆地西部的适用性进行分析,并选取2020年8月10—11日一次极端暴雨过程进行详细评估。结果表明：融合格点降水资料与实况较为一致,且1 km产品更接近实况。极端暴雨过程中,对于过程累积雨量,4种融合格点降水资料均能很好地反映此次降水过程,降水落区、走向和雨带形态均与实况较为一致。1 km产品的强度和落区都更接近实况,其中以NRT_1 km与实况的匹配度最高,偏差更小。融合格点降水资料存在24 h雨量极大值比实况偏小的情况,1 km产品的极值较5 km产品有很大提升。融合格点降水资料的小时最大降水量低于实况,存在一定的偏差量。强降水时段,融合降水资料与实况偏差不大,能够反映降水的大值区。总体上看,三源融合实况格点产品效果优于二源融合实况格点产品,其中融合了CMORPH和FY 2种卫星资料的近实时三源融合实况格点产品最优。     

高分辨率降水资料在西南山地的适用性分析

文章以站点资料为观测场，以多源实况融合及GPM-IMERG降水产品为评估场，计算西南山地范围内降水数据的时间、空间技巧评分，并比较了几套资料在描述降水量及强降水频率方面的适用性。结果表明，在2019年汛期的大部分时段内，实况融合降水产品的空间评分较为稳定。三套资料在盆地西北侧及南部边缘地区时间评分均优于其他地区，但在盆地多云区GPM-IMERG产品的时间技巧评分低于实况快速融合降水数据。从强降水频率的描述上看，实况快速融合降水的空间分布与站点实测资料最为相似，但其反映的强降水频率与实测值相比偏小，GPM-IMERG产品则偏大。从降水量值的描述上看，实况快速融合降水与实况值相比偏小，而GPM-IMERG产品与实况值相比则偏大。      

CMA-SH9在川渝地区的降水日变化预报效果评估

利用CMA-SH9模式逐小时降水预报数据和地面自动站-CMORPH卫星融合降水数据,开展该模式对2020年暖季（5~9月）川渝地区降水日变化的预报效果评估。结果表明:CMA-SH9模式可以再现小时平均降水量在四川盆地偏小、盆地周边陡峭地形处偏大的空间分布特征;显著的预报正偏差分布于青藏高原东坡至四川盆地西南部一带和四川盆地以东地区,偏差来自降水频率和降水强度的共同贡献;预报负偏差分布于四川盆地,主要来自模式对降水强度的低估;降水日变化峰值时间自西向东呈午夜到上午的滞后,模式预报的降水日变化峰值时间超前于观测;模式能够较好地把握青藏高原东坡至四川盆地西南部一带和四川盆地的单峰型日变化位相,以及盆地以东地区的双峰型日变化位相,但预报的降水量值和观测存在一定偏差。      

四种降水融合产品在四川持续性强降水过程中的对比评估

利用四川省地面降水观测资料,针对2020年8月发生在四川的一次持续性强降水过程,采用多种评估指标对国家气象信息中心研发的四种降水融合产品（FAST_5KM、FRT_5KM、RT_1KM、NRT_1KM）进行对比评估。结果表明:对于过程累计降水量,四种融合产品均能很好地反映此次降水过程,1km产品对降水落区的刻画更为细致,和实况有较高一致性,NRT_1KM偏差最小,FAST_5KM差别最大。四种产品的降水中心与实况都略有偏差,1km产品降水中心更接近实况。四种产品小时降水量走势与实况一致,但峰值均低于实况小时降水峰值,1km产品小时雨量更接近实况。对于24h累计降水量,四种降水融合产品均能表征出逐日降水落区的移动,且落区、走向和雨带形态均与实况较为一致,1km产品的雨强和落区更接近实况。对于晴雨准确率,四种产品无雨站点较实况均偏少,1km产品最为接近实况,准确率基本维持在95%。降水融合产品的小时最大雨强与实况均有较好的对应关系,1km产品优于5km产品,FRT_5KM优于FAST_5KM,NRT_1KM最优。综合来看,1km产品优于5km产品,1km近实时产品优于实时产品,5km三源产品优于二源产品。      

基于时空结构指标的中国融合降水资料质量评估

引入空间、时间技巧评分以及结构函数3种指标,通过对比中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料和美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水资料(CMORPH)、热带测雨卫星反演降水资料(TRMM)在中国区域的适用性和误差分布,着重考察融合降水资料的质量。结果表明,中国区域平均的融合降水资料时空精度远高于CMORPH和TRMM卫星降水资料,且融合资料和卫星资料在夏季的质量优于冬季;在中国东南区域的模拟精度普遍好于西部地区,融合降水质量最高的两个区域为江淮和华南,较差的区域则在青藏高原和西北地区。融合后降水资料比融合前CMORPH卫星降水在空间及时间技巧评分均有较大提高,其提高幅度冬季大于夏季。通过计算结构函数,发现在中国江淮、华南、华北和东北等地区,随着网格区域内任意两点距离的增大,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近。在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数则偏离较大。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,高密度观测资料尤为重要。江淮、华南、华北地区的融合降水结构函数曲线增长率大于东北,也从侧面反映江淮、华南、华北地区降水分布的非均一性比东北强,降水可能受中小尺度天气系统影响较大。     

四川省近10年极端小时降水时空分布特征

利用2012~2020年四川省156个国家气象观测站小时降水资料,以四川盆地、川西高原和攀西地区为考察重点,统计分析了全省极端小时降水的时空分布特征。结果表明:（1）四川省各站极端小时降水阈值、发生频次、平均强度及贡献率差异明显,高值区主要集中在盆地和攀西南部;盆地多站极端小时降水阈值在50 mm/h以上,小时降水极大值超过80 mm/h。（2）四川省极端小时降水事件主要集中在7月和8月,其中50 mm以上的小时强降水事件占比超过1/3;盆地、川西高原和攀西地区极端小时降水发生频次分别在7月、6月和8月达到最高,而小时强降水事件分别在8月、7月和6月出现最多。（3）四川省极端小时降水频次日变化峰值出现在02时,具有单峰和夜发特征,其中盆地、川西高原和攀西地区主峰值分别出现在05时、21时和02时;四川省50 mm以上小时强降水事件夜发占比达63.5%,各区域出现高峰时段差异大。      

四川省CLDAS和ECMWF再分析数据风速产品评估

利用2019年1月1日00时～12月31日23时(世界时)四川156个国家站和1768个区域站的观测数据,评估全国智能网格实况分析产品(CLDAS)和ECMWF再分析数据(ERA5-Land)的10m风产品。采用双线性插值方法,将两种分析产品插值到气象站点,与观测值对比,通过平均误差,平均绝对误差,均方根误差和相关系数等指标对以上两种产品进行评估比较。结果表明:两种分析产品对于四川省国家站和高原地区区域站风速都以低估为主,但盆地区域站高估。风速在高原地区所有评估指标都比盆地内差,高原地区需谨慎使用格点风产品。CLDAS对于国家站的各项评估指标都优于ERA5-Land。两种产品与区域站的平均误差,平均绝对误差,均方根误差结果整体相近,但CLDAS对非独立区域站的误差相对更小。ERA5-Land相关性较差,与四川地区实际观测的地面风速变化趋势相反, 不适用于四川。