两套新型高分辨率再分析降水资料在湖南年季尺度上的适用性评估

罗潇 ，廖春花 ，罗菁，3，朱明辉 ，谭诗琪 ，谢睿恒 ，黄泽群

(1.湖南省气象服务中心，长沙410118；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙410118；3.湖南省气候中心，长沙410118)

引 言

目前，我国实况降水资料收集站点还较少、监测时长有限，在业务预报和气象服务中降水资料的时间和空间分辨率均有待提高，故重建高质量、长时间序列和高空间分辨率的降水数据集刻不容缓。气象数据不仅是气象业务和服务的基础，也是深入开展大气科学研究的重要条件(李红莉等，2014；杨晓亮等，2017；叶梦姝，2018；张思齐等，2018)。降水是最重要的气象要素之一，尤其是强降水往往会影响人们的正常生产生活，一直是气象预报业务和服务重点关注的对象(韩佳芮等，2007；姜爱军等，2008)；同时，降水参与了天气和气候系统中的水汽和能量循环过程，对天气学机理研究至关重要(李超等，2020；杨磊等，2020)。当前大气再分析资料开发和应用评估已成为气象学和水文学中的研究热点之一。再分析资料各气象要素中，依据观测系统和模式强迫影响的大小，其质量精度从高到低依次分为A、B、C、D四类，其中降水要素属于精度最差的D类(吕少宁等，2011；张蒙蒙，2012)。正因为再分析降水资料的准确度较其他要素资料低，使得其降水资料的评估备受气象业务工作者和科研人员关注。赵天保和符淙斌(2006)从空间分布和时间变化上分析了ERA-40、NCEP-2再分析资料在中国区域的适用性，指出这两套资料均能反映出中国各区域雨带的位置，与实况降水场空间分布大体一致；同时，再分析资料反映出中国区域降水的准2 a振荡信号，同观测资料基本吻合。李建等(2010)对比分析NCEP/DOE、ERA 和JRA 再分析资料与站点资料表明，三套资料均较好地体现了中国夏季的降水特征，对中国大部分区域降水年际和季节内变化特征均反映较好。成晓裕等(2013)对NCEP-1、ERA-40、20CR再分析降水资料与实况降水资料在中国区域的适用性进行对比评估表明，再分析资料与实况资料的相关性具有显著的区域特征，再分析降水资料在我国东部地区的质量明显优于西部地区。刘鹏飞等(2018)分别从年、季、月时间尺度对CFSR、MERRA 和NCEP 再分析降水资料在东北地区的适用性进行评估表明，三套再分析降水资料均刻画了我国东北地区降水东南多、西北少的分布特征，但在不同时间尺度上每套资料的精度各有差异。

以上对再分析降水资料的对比评估研究均基于第二代或第三代再分析资料，目前对第四代再分析降水资料的研究分析尚少。因此，本文选取最新发布、分辨率较高的CMFD、CRA-40 两套再分析降水资料，利用湖南省多年实况降水资料，与这两套再分析降水资料进行对比评估，以期对湖南省今后气候变化、模式检验、新型高分辨率再分析资料应用等提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料说明

(1)中国区域地面气象要素数据集(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)。CMFD 是中国科学院青藏高原研究所开发的一套近地面气象与环境要素再分析数据集(下载网址：westdc.westgis.ac.cn/zh-hans/data/8028b944-daaa-4511-8769-965612652c49/)。 该数据集以国际上现有的Princeton再分析资料、GLDAS资料、GEWEX-SRB 辐射资料与TRMM 降水资料为背景场、融合中国气象局常规气象观测数据制作而成(Yang et al.，2010)。本文用到的是CMFD 的日降水数据，空间分辨率0.1°×0.1°，年限为1979—2018年。

(2) 中国全球陆面再分析40 年产品(CRA-40/Land)。国家气象信息中心基于集合同化算法、多源融合方法、Noah 3.3 陆面模式及地表参数优化等核心技术建立了中国全球陆面再分析系统，此系统目前发布两类数据集，即大气驱动融合产品(2 m 气温、2 m 比湿、10 m u 风、10 m v 风、降水)和陆面产品(含地表温度、土壤温度、土壤湿度、水汽通量、积雪等在内的约30个陆面要素)(王旻燕等，2018)。本文选用大气驱动融合产品中的逐日降水资料(下载网址：http：//10.1.64.154/idata/web/data/index?dataCode=NAFP_NR T_CRA_DAY_PROD)，其 空 间 分 辨 率 为0.312 2°×0.312 5°，年限为1979—2018年。

(3)站点降水资料(OBS)。所用OBS资料由中国气象局国家气象信息中心提供，包含湖南省97个国家级气象站1979—2018年逐月降水数据，剔除了资料不完整的站点，共选取95个站点，其分布见图1。

1.2 评估方法

首先，采用双线性插值方法(智协飞等，2016；张宏芳等，2019)，将CMFD、CRA-40 再分析数据插值到湖南省95 个气象观测站点；再应用偏差比较、气候倾向率和相关分析等方法，比较再分析数据与观测数据的异同。

图1 湖南省95个国家级气象观测站(黑三角所示)分布Fig.1 Distribution of the 95 national weather stations(showed by black triangles)over Hunan.

本文中降水的偏差是指再分析内插格点降水数据与实况站点降水数据的差值。降水的绝对偏差即降水偏差的绝对值；降水的相对偏差为绝对偏差除以相应的实况降水值再乘以100%。季节划分是：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至翌年2月。

2 结果与分析

2.1 年平均降水量比较

根据世界气象组织的一般做法，气候要素的30 a平均可代表当地气候平均状况。本文中CMFD、CRA-40 与OBS 资料的年平均降水量均指其1979—2018年40 a均值。图2给出CMFD、CRA-40再分析资料与实况资料的年平均降水量空间分布。

图2 1979—2018年CMFD资料(a)、CRA-40资料(b)与实况(c)年均降水量空间分布(单位:mm)Fig.2 Spatial distribution of annual averaged precipitation(unit:mm)for(a)CMFD data,(b)CRA-40 data and(c)observations from 1979 to 2018.

从图2 中可见，CMFD、CRA-40 资料均在一定程度上反映出湘南和湘东降水多、湘中和湘北降水少的分布特征。将上述两套再分析资料与实况进行比较可知：CMFD 较好地反映了湖南省年平均降水量自湘东南到湘西北“多、少、多”的分布特征，且降水大值中心在湘西北111.5°E、28.5°N附近，与实况基本一致，但其中心值与实况相比略有偏差，而在湘东113°E、27.5°N附近存在则一个虚假大值中心(图2a)；CRA-40对湘东113°E以东地区降水量向东逐渐增大的特征体现较好，且在量值上也基本接近实况，但对湘南地区降水从西到东“多、少、多”的分布特征反映不好，同时对湘西北地区降水大值中心也无体现，这可能与资料分辨率有一定关系(图2b)。可见，上述两套再分析资料对少雨区反映均较好，CMFD对湘西北、湘南地区降水分布反映较CRA-40 好，而CRA-40 对湘东地区降水分布反映要好于CMFD。

另外，分别统计上述两套再分析资料的湖南省各站点年均降水量绝对偏差可知，将偏差分为0～50、50.1～100、100.1～150、＞150 mm 四个区间(图3)，CMFD 资料的降水值绝对偏差在0～50 mm的站点最多，该区间站点数占所有站点数的56.8%，50.1～100 mm 区间次之，占比20%；CRA-40资料的降水值绝对偏差主要集中在0～50 mm和50.1～100 mm区间，分别占比为40%和35.8%。而上述两套再分析资料年均降水绝对偏差在100 mm以上的站点数量相当，占比为23%～24%。

图3 CMFD、CRA-40再分析资料的不同年均降水量绝对偏差值区间的站点数分布Fig.3 Distribution of the number of stations in the different absolute deviation intervals of annual averaged precipitation for CMFD and CRA-40.

2.2 季、月平均降水量比较

统计结果表明，湖南省各站点1979—2018年40 a平均降水量在1 165.7～1 719.8 mm 之间，雨水充沛，属全国多雨省份之一，但降水量时间分配不均(张剑明等，2008；张瑞和彭月，2011；张剑明等，2012；高长春等，2018)。因此，有必要对CMFD、CRA-40 再分析资料在各季、月的降水量进行质量评估。图4 给出CMFD、CRA-40 再分析资料在湖南1979—2018 年四季的平均降水量与实况降水。从中看到，相对实况降水，CMFD、CRA-40资料均反映出湖南春、夏季降水明显多于秋、冬季的特征；就全省平均而言，两套再分析资料的四个季节降水与实况相比均较接近，尤其是CRA-40资料更接近实况。

图4 CMFD、CRA-40再分析资料及实况降水(OBS)在湖南1979—2018年各季的平均降水量(单位:mm)Fig.4 Average precipitation(unit:mm)for CMFD,CRA-40 and OBS in Hunan in each season from 1979 to 2018.

从全省平均看，上述两套再分析资料在湖南各季的降水偏差均不大，但全省平均不足以反映两套再分析降水资料的差异，因此有必要从各季降水偏差的空间分布进一步评估两套再分析资料的质量。图5给出CMFD、CRA-40 资料1979—2018 年40 a 各季平均降水量偏差的空间分布。

图5 CMFD(a1—a4)与CRA-40(b1—b4)资料的湖南春季(a1,b1)、夏季(a2,b2)、秋季(a3,b3)、冬季(a4,b4)平均降水量绝对偏差空间分布Fig.5 Spatial distribution of the absolute deviations of average precipitation for(a1-a4)CMFD and(b1-b4)CRA-40 in Hunan in(a1,b1)spring,(a2,b2)summer,(a3,b3)autumn and(a4,b4)winter.

从图5中看到，CMFD资料的春季平均降水量在湘南地区存在较大偏差，有8个站的降水偏差大于50 mm，夏季平均降水在湘东地区及湘西个别站点偏差较大，秋季平均降水量大于50 mm 以上偏差的站点主要集中在湘东地区，冬季平均降水量其偏差均在-50～50 mm之间(图5a1—a4)；CRA-40 资料的春、夏季平均降水偏差均在湘南、湘东地区较大，且这两个季节均有台站降水偏差大于50 mm，秋季和冬季平均降水量偏差较前两个季节更小，偏差在-50～50 mm 之间(图5b1—b4)。总体上，CMFD、CRA-40 资料在四个季节的降水偏差主要集中在-50～50 mm，冬季偏差最小，无绝对偏差超过50 mm 的站点；CMFD 资料的四个季节平均降水量均以大于实况值为主，而CRA-40 资料的四个季节平均降水量在湘北以负偏差为主，而在湘南地区则以正偏差为主。结合本文第2.1 节年平均降水量空间分布结果可知，湖南省降水存在湘北少、湘南多的特点，即CRA-40 在降水少的地区为负偏差，在降水多的地区偏差则以正偏差为主，但从全省平均看，CRA-40 的降水偏差要小于CMFD，这进一步印证了图4中的结果。

由以上分析可知，不同季节两套再分析降水资料的质量在湖南存在差异，CRA-40 资料在降水多的季节和降水少的季节偏差明显不同。CRA-40是否存在对干季降水的负偏差和对雨季降水的正偏差？图6给出CMFD、CRA-40资料的湖南全省多年逐月平均降水的相对偏差。从中看到，CMFD资料在所有月份均为正偏差，相对偏差值在降水多的3—8月份较小，相对偏差的绝对值为1.0%～3.5%，而在降水少的月份则较大，其中9月降水偏差最大，相对偏差为8.8%；CMFD资料的相对偏差大小与干季和雨季的关系并不明显。而CRA-40 资料在降水多的月份相对偏差为正，在降水少的月份相对偏差为负，这也正好回答了上述问题。

图6 CMFD、CRA-40资料的湖南全省逐月平均降水量相对偏差(1979—2018年)Fig.6 Relative deviation of monthly averaged precipitation for CMFD and CRA-40 in Hunan Province from 1979 to 2018.

2.3 降水量年际变化比较

图7给出湖南省1979—2018年CMFD、CRA-40资料的年降水量与其实况降水的逐年变化。从中看到，整体上，CMFD、CRA-40 资料与实况降水资料的变化趋势较为一致。实况降水资料的多项式曲线显示，年降水量变化表现为四个不同的阶段，1979—1984年和1999—2010 年呈减小趋势，1985—1998 年、2011—2018 年则为增大趋势。从CMFD、CRA-40 再分析降水资料与实况降水资料在不同阶段的平均降水量及气候倾向率看(表1)，CMFD各时段的平均降水量均较实况值高；CRA-40 在1985—1998 年的降水量较实况值偏低，其他时段较实况值偏高，CMFD降水资料的平均绝对偏差为54.7 mm，CRA-40 的为71.8 mm。不同时段降水倾向率表明，CMFD、CRA-40 资料在各时段的变化趋势均与实况一致，即1979—1984 年、1999—2010 年为减小趋势，而1985—1998 年、2011—2018 年为增加趋势，对比各时段气候倾向率可知，CMFD降水资料较CRA-40更接近实况。

图7 湖南省1979—2018年CMFD和CRA-40资料的年降水量与其实况的逐年变化(单位:mm)Fig.7 Changes of the annual precipitation(unit:mm)for CMFD,CRA-40 and OBS in Hunan Province from 1979 to 2018.

表1 不同时段CMFD、CRA-40再分析资料与实况(OBS)年平均降水量(P)及气候倾向率(Tc)Table 1 Annually averaged precipitation(P)and climate tendency rate(Tc)for CMFD,CRA-40 and OBS in the different periods.

以上分析表明，CRA-40 在1985—1998 年的降水量较实况值偏低，而在其他时段较实况值均偏高，这是否与CRA-40资料对旱涝年的表现不同有关？为进一步分析CRA-40 资料对湖南旱涝年降水量的适用性，通过计算1979—2018 年湖南省逐年降水距平，并参考周莉等(2019)的方法，将±1 个标准差作为划分旱涝年的标准，即若某一年的降水距平大于1 个降水距平标准差的值，则认定此年为涝年，若某一年的降水距平小于-1个降水距平标准差的值，则认定此年为旱年，并从1979—2018年湖南省年降水时间序列中挑选出6 个典型涝年(1994、1997、2002、2012、2015 年和2016 年)和6 个典型旱年(1979、1985、1986、2003、2009年和2011 年)，将典型旱涝年降水量与相应年份的实况降水量进行比较发现(图8)，无论是全省平均还是各站点空间分布(图略)，旱年，CRA-40 资料在个别年份降水大于实况值，其他年份又小于实况值(图8a)，涝年亦是如此(图8b)，无法看出CRA-40 资料与实况资料的偏差和旱涝年有何关系。

图8 湖南典型旱年(a)与涝年(b)的CRA-40再分析资料降水与实况降水(单位:mm)Fig.8 Precipitation(unit:mm)in(a)the typical drought years and(b)flood years for CRA-40 and OBS in Hunan.

为了描述上述两套再分析降水资料的年际变化在湖南省不同地区与实况的差异，图9 给出CMFD、CRA-40 资料与实况降水资料(即湖南省95 个站点1979—2018 年逐年年降水量)年际变化的相关系数的空间分布。从中看到，总体上，两套再分析资料在湘北和湘南地区与实况资料的相关性较好，相关系数普遍在0.75 以上；CMFD 降水资料与实况资料的相关系数在湘西地区略低，大多在0.50～0.70 之间，CRA-40降水资料与实况资料的相关系数在湘西—湘中偏南一带较低，为0.60～0.70；CMFD 降水资料与实况资料的相关系数在湘中地区和湘东北地区明显高于CRA-40降水资料。就全省平均而言，CMFD降水资料与实况资料的相关系数为0.86，CRA-40 降水资料与实况资料的相关系数为0.78。统计结果表明，CMFD降水资料有74%的站点与实况资料的相关系数在0.80以上，有22%的站点在0.90 以上(图9a)；而CRA-40 降水资料则有37%的站点与实况资料的相关系数大于0.80(图9b)。

图9 1979—2018年CMFD(a)、CRA-40(b)资料与实况降水资料的相关系数分布Fig.9 Distribution of correlation coefficients between(a)CMFD,(b)CRA-40 and OBS from 1979 to 2018.

表2给出湖南各站点CMFD、CRA-40资料与实况资料逐年降水的相关系数所达到的显著性水平。从中看到，CMFD 和CRA-40 与实况降水的相关系数达到0.05显著性水平的站点都超过了85站，其站点数均达到90%以上；两套再分析资料与实况资料的相关系数达到0.01显著性水平的站点数均在30以上，占总站点数的1/3以上。这说明这两套再分析降水资料与实况资料的相关性均较显著。

表2 CMFD、CRA-40再分析资料与实况资料的相关性Table 2 Correlation between CMFD,CRA-40 and OBS.

结合年降水量的逐年演变趋势和两套再分析资料与实况降水资料相关系数的空间分布情况可知，CMFD降水资料与观测资料在时间演变上的一致性要优于CRA-40降水资料。

3 结论与讨论

本文利用湖南省95个国家站实测降水数据，应用偏差比较、气候倾向率和相关分析等方法，对CMFD和CRA-40两套再分析降水资料在湖南省的适用性进行了评估。主要得到如下几点结论：

(1)两套再分析资料均能在一定程度上反映湘南和湘东降水多、湘中和湘北降水少的分布特征。两套再分析资料对少雨区的刻画能力均较好，CMFD 对湘西北、湘南地区的降水分布体现的较CRA-40 好，而CRA-40 对湘东地区的降水分布描述好于CMFD 资料。CMFD资料降水值绝对偏差主要集中在0～50 mm之间，其站点数占所有站点的56.8%；CRA-40资料的降水值绝对偏差主要集中在0～50 mm 和50.1～100 mm区间，分别占比40%和35.8%。

(2)就全省平均而言，两套再分析资料在四季的偏差均较小，但CRA-40 资料在四季的均值均比CMFD更接近实况。CMFD 资料在四季均以大于实况值为主，CRA-40资料四季在湘北以负偏差为主，而在湘南地区则以正偏差为主。CMFD资料在所有月份的降水相对偏差均为正值，CRA-40 对干季降水表现为负偏差，对雨季则表现为正偏差。

(3) CMFD、CRA-40 再分析资料的年均降水量在各时期的变化趋势均与实况一致，1979—1984 年、1999—2010 年 呈减小趋 势，而在1985—1998 年、2011—2018年呈增加趋势。对比其各时期的气候倾向率可知，CMFD降水资料较CRA-40更接近实况。两套再分析资料在湘北和湘南地区与实况资料的相关性较好，其相关系数普遍在0.75以上；CMFD降水资料与实况资料全省平均的相关系数优于CRA-40 降水资料；两套再分析降水资料与实况资料的相关性均较显著。

随着全球大气再分析技术的发展，大气再分析资料在各领域、各区域的适用性研究，将继续成为大气科学的一个研究热点。本文对比评估了两套高分辨率再分析降水资料在湖南省的适用性，其研究结果可作为湖南省气候变化及模式检验等工作的参考，也可为湖南省流域面雨量研究提供参考，从而为水库调度及蓄水发电、城市供水、水资源科学利用等提供高分辨率降水数据。本研究中还存在一些问题，如CRA-40降水资料为何仅在1985—1998年较实况值偏低、这两套降水资料为何在湘中一带年际变率与实况的相关系数较低等。对此，今后将考虑选择观测资料、气候数据集、降水融合产品、再分析数据集等多套数据进行更全面的对比评估。