二元融合降水格点实况数据检验分析

周志花，张 璐，邹逸航，高韶勃

(1.内蒙古自治区气象台;2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010000)

长久以来气象数据主要存在两种记录形式：站点和格点。格点和站点数据分别有着各自的优势，格点资料规范整齐、分布均匀、处理简单，而站点资料则在某种程度上是对人类活动区气象条件的真实反映。

格点实况产品是精细化网格预报发展的基础，国家气象信息中心、公共气象服务中心等单位先后研发了高分辨率的地面格点实况产品。2017年6月至今，国家气象信息中心实时业务下发了新型、高时空分辨率的国家级格点实况分析产品。

目前，内蒙古在日常天气实况以及灾害性天气的监测中依旧使用的是站点实况数据，对格点实况数据的准确性和真实性的了解相对有限，对格点实况数据在天气监测中的使用相对有限。为推进格点实况数据在天气监测中的应用，笔者基于时间、空间更加精细的网格化实况数据，对CMPAS中国0.05°×0.05°逐小时二元融合降水实况分析产品结合站点观测进行检验。对比分析格点实况产品在精准监测和预警业务中的适用性。

1 资料和方法

1.1 资料数据

笔者对2018年6月～8月、2019年6月～8月共6个月的CMPAS中国0.05°×0.05°逐小时二元融合降水实况分析产品进行检验。以2018年6月～8月、2019年6月～8月共6个月的内蒙古地面自动观测站以及国家考核骨干站的逐小时站点观测降水实况产品为检验基准。资料的处理方式采用将格点实况分析产品按临近点插值法插值到所有气象观测站点的方式，临近点插值法的计算原理是：以距离被计算点最近的一个格点值作为输出值，通过距离比较，就近取值，但有多个距离相等的格点取东北角格点数值。并利用数据处理工具对所有资料统一进行处理，统一数据格式，为下一步运算做基础。

1.2 检验方法

1.2.1 统计检验指标

均方根误差(RMSE)：

相关系数(COR):

其中，Oi为站点观测值，Gi为实况网格分析产品插值到检验站点得到的数值，N为参与检验的总样本数(站次数)。

1.2.2 针对降水的分级检验

将降水量分为0.1mm～1.9mm、2mm～4.9mm、5mm～9.9mm、10mm～19.9mm、20mm及以上5个级别，检验各级误差情况。

等级均方根误差：

其中k代表降水分级检验等级，和为第k个降水等级区间的上界和下界，式中[]代表逻辑转数值的运算符，逻辑值为正时取1，否则取O0、Oi、Gi和N的含义同上。

1.2.3 检验结果统计

依据统计期内所有参与检验样本的质量检验结果，定量的统计分析产品在不同区域、不同地形系统性误差，对其在内蒙古实况监测以及预报服务中应用的适用性进行全面分析评估。

2 检验结果

2.1 平均绝对误差(mae)

内蒙古自治区2018年夏季所有站所有时次平均mae均在0.5mm以下，其中mae在0.1mm以下时次的比例为67%，在0.2mm以下时次的比例为88%，2018年6月、7月、8月的mae分别为0.06mm、0.12mm、0.08mm；2019年夏季所有站所有时次平均mae均在0.35mm以下，其中mae在0.1mm以下时次的比例为75%，在0.2mm以下时次的比例为92%，2019年6月、7月、8月分别为0.06mm、0.07mm、0.07mm。2018年骨干站所有时次中，mae在0.1mm以下时次的比例为65%，在0.2mm以下时次的比例为84%。2019年骨干站所有时次中，mae在0.1mm以下时次的比例为71%，在0.2mm以下时次的比例为90%(如图1所示)。

图1 2018(a)、2019(b)年夏季降水格点实况数据mae

2018夏季不同站点的mae，内蒙古自治区西部、中部偏北地区误差相对较小，所有站mae均在0.55mm以下。0.1mm以下的站点占比54%，0.2mm以下的站点占比96.6%；骨干站mae均在0.33以下，0.1mm以下的站点占比59.7%，0.2mm以下的占比96.1%。2019夏季不同站点的mae，内蒙古自治区西部、中部地区误差相对较小，东部地区相对较大所有站mae均在0.55mm以下，0.1mm以下的站点为72.2%，0.2mm以下的站点为95.9%；骨干站mae均在0.40mm以下0.1mm以下的站点为71.9%，0.2mm以下的站点为95.1%(如图2所示)。

图2 降水格点实况数据mae分布2018年所有站(a)、2018年骨干站(b)、2019年年所有站(c)、2019年骨干站(d)

2.2 均方根误差(RMSE)

2018年内蒙古自治区6月、7月、8月所有站RMSE在1mm以下时次的比例为83%，6月、7月、8月所有站的平均RMSE分别为0.42mm、0.65mm、0.51mm。2019年所有站RMSE在1mm以下时次的比例为89%，6月、7月、8月所有站的平均RMSE分别为0.38mm、0.50mm、0.48mm。骨干站2018年RMSE在1mm以下时次的比例为82%，6月、7月、8月的平均RMSE分别为0.45mm、0.67mm、0.58mm，2019年RMSE在1mm以下时次的比例为86%，6月、7月、8月骨干站的平均RMSE分别为0.37mm、0.54mm、0.54mm(如图3所示)。

图3 2018(a)、2019(b)年夏季降水格点实况数据RMSE

2018年夏季所有站RMSE均在2.5mm以下，1mm以下的站点为82.7%；骨干站RMSE均在2.3mm以下，1mm以下的站点为82.4%。2019年夏季所有站RMSE均在2.1mm以下，1mm以下的站点为88.5%；骨干站RMSE均在2.1mm以下，1mm以下的站点为85.7%(如图4所示)。

图4 降水格点实况数据RMSE分布2018年所有站(a)、2018年骨干站(b)、2019年所有站(c)、2019年骨干站(d)

2.3 相关系数(COR)

内蒙古自治区2018年6月、7月、8月所有站COR分别为0.38mm、0.49mm、0.48mm，2019年分别为0.53mm、0.54mm、0.56mm。骨干站2018年分别为0.42mm、0.58mm、0.60mm，2019年分别为0.60mm、0.59mm、0.63mm(如图5所示)。

图5 2018(a)、2019(b)年夏季降水格点实况数据COR

2.4 降水分级检验RMSE

夏季逐小时二元融合降水实况分析产品的分级RMSE所有站以及骨干站均随着降水量级的增加，误差增大。2018年夏季所有自动观测站0.1mm～1.9mm、2.0mm～4.9mm、5.0mm～9.9mm、10.0mm～19.9mm以及高于20.0mm等量级降水的平均RMSE分别为0.8mm、2.5mm、5.0mm、9.4mm、17.8mm，所有国家考核骨干站分别为0.8mm、2.3mm、4.6mm、8.2mm、15.1mm。2019年夏季所有自动观测站0.1mm～1.9mm、2.0mm～4.9mm、5.0mm～9.9mm、10.0mm～19.9mm以及高于20.0mm等量级降水的平均RMSE分别为0.8mm、2.1mm、4.3mm、8.5mm、17.5mm，所有国家考核骨干站分别为0.6mm、1.8mm、3.7mm、7.3mm、14.4mm(如图6所示)。

图6 2018(a)、2019(b)年夏季降水格点实况数据分级RMSE分布

3 结论

笔者基于内蒙古自治区所有气象自动观测站以及国家考核骨干站的小时降水数据，对CMPAS中国0.05°×0.05°逐小时二元融合降水实况分析产品结合站点观测进行检验。内蒙古自治区2018年和2019年夏季所有站所有时次平均mae均在0.5mm以下，mae在0.1mm以下时次的比例在67%以上，在0.2mm以下时次的比例在88%以上。RMSE在1mm以下时次的比例均在83%以上。2018年和2019年夏季逐小时二元融合降水实况分析产品的分级RMSE随着降水量级的增加而增大，说明随着降水量级的增大，误差增大。