多源融合降水产品在陕西的适用性评估

2021-12-11龙亚星李亚丽

气象水文海洋仪器 2021年4期

黄勤，龙亚星，李亚丽

(1.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710014；2.陕西省气象信息中心，西安 710014；3.陕西省大气探测技术保障中心，西安 710014)

0 引言

降水作为重要的气象要素，其时空分布和变化对气象、气候、水文和农业等方面都有重要意义[1，2]。随着观测技术的不断发展，利用地面雨量计、雷达和卫星遥感等设备都可以监测降水信息。地面雨量计观测的降水资料相对准确，但雨量计空间分布不均，很难获得大范围精细化降水信息；雷达观测降水时空分辨率高，但雷达估测降水受Z-R关系、资料质量、探测范围和探测高度等因素影响，存在系统偏差；卫星可实现大范围、全天候连续观测，能反映降水的空间结构特征，但由于降水的复杂性和反演算法的局限性，使得卫星反演的降水精度较低。可见，单一来源的降水资料各有优势和缺陷[3]，有效结合不同来源降水资料的优势，发展高质量降水融合产品很有必要。

随着国内外多源降水融合技术发展，先后出现了CMAP、GPCP、TRMM[4]和CMORPH Blended[5]等融合降水产品。分辨率从逐月(候)/2.5°到逐小时/0.01°，多源融合降水产品与单一降水资料相比，其精度有很大提升。但仍存在融合资料的时空分辨率和时间覆盖难以兼得、固态降水和复杂地形情况下降水反演有难度的问题。2010年，国家气象信息中心引进美国CPC研制的“PDF+OI”两步融合技术，研发了中国区域地面和卫星二源融合降水产品[6-8]。在不影响降水精度的前提下，为进一步提高融合降水产品的分辨率，引入气象探测中心1 km雷达降水，研发了地面—卫星—雷达三源融合降水产品[9]。经过长期检验表明，三源融合降水的空间分布和量值精度均优于任何单一来源的降水产品，也优于地面-卫星二源融合降水产品，且广泛应用于各种降水监测。苏传程[10]等将三源融合降水产品应用于“苏迪罗”台风，发现融合降水产品对台风的监测效果较好，且在降水关键区内较多卫星集成降水产品更准确。但融合降水产品在不同区域对降水捕捉性能有明显不同[11-13]；张狄[14]等评估融合降水在太行山区的质量后，得出融合降水在夏季质量较好，且与地形存在密切关系；吴薇[15]等发现，在四川区域融合降水产品存在低估，且随降水量增大误差也越大；许冠宇[16]等将融合降水产品应用在长江流域中发现，在金沙江流域降水产品质量较低。可见，融合降水产品质量与降水时间、降水发生地的地形相关。地形和站网密度是提高融合降水产品准确性的难点，因此融合降水产品在不同地区的准确性有很大差别。

陕西地域狭长，地势南北高、中间低，有高原、山地、平原和盆地等多种地形，海拔落差较大，且秦巴山区站网稀疏。因此评估三源融合降水产品在陕西区域的适用性，为降水产品在陕西区域使用和质量进一步提升提供科学参考。

1 数据来源

文章评估使用的资料包括：多源融合降水产品和地面逐小时降水数据。多源融合降水产品为2018年国家气象信息中心采用“PDF+BMA+OI”融合方法研发的地面—卫星—雷达三源逐小时融合降水产品。空间覆盖区域为：0°N～60°N、70°E～140°E，空间分辨率为0.05°×0.05°，GRIB2格式。参与检验数据资料为2018年陕西省99个国家级自动气象站质控后1 h累计降水数据[17，18]。

2 评估方法

陕西区域年降水量具有南多北少，由南向北递减的特征。夏季降水最多，以陕南地区最为集中，冬季降水稀少。降水具有明显的时空变异性，不同地形对降水的发生有影响，因此文章从时间、空间和地形3个方面对多源融合降水产品进行检验评估。时间尺度上，分别按年、季节和月对降水进行评估。在利用逐小时降水数据进行季节方面的质量评估时，将不同季节的时间范围划分为冬季(12月至次年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)。空间尺度上，分析降水在陕西区域内以及不同站点降水的空间分布特征。地形上，主要分析海拔、坡度和坡向对降水产品的影响。具体检验步骤：先采用自然邻点插值方法将多源融合降水产品插值到99个国家级自动气象站点，然后将质控后国家级自动气象站1 h累计降水数据作为参考值与站点的多源融合降水产品值进行评价指标计算，最后按时间、空间和地形进行检验评估。检验评估的指标包括相关系数(COR)、均方根误差(RMSE/mm)、平均误差(ME/mm)、偏差(BIAS/mm)、漏判率、误判率和命中率。各评估指标公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

命中率=100%-误判率-漏判率

(7)

式中，Oi为站点观测值；Gi为实况分析产品插值到观测站点的数值；Na为Oi有降水时Gi无降水的样本数；Nu为Oi无降水时Gi有降水的样本数；N为参与检验的总样本数。

3 结果分析

3.1 时间尺度

3.1.1 年降水

表1为2018年全年利用观测站点实测降水与多源融合降水产品进行检验评估的结果。实测降水数据与多源融合降水产品数据有较好的相关性(COR=0.85)，均方根误差和平均误差均较小。平均误差值大于0，偏差大于1，多源融合降水产品值低于实测降水值，呈低估态。命中率较高，为96.31%，漏判率略高于误判率，总体上多源融合降水产品捕捉降水能力较好。

表1 多源融合降水产品的年降水评估

3.1.2 季节降水

将逐小时降水资料按季节划分后，表2为不同季节的多源融合降水产品与实测降水检验评估结果。在不同季节，两种降水数据具有较好的相关性，最高为0.92，冬季最低，秋季最高。均方根误差夏季最大，为0.36 mm。平均误差和偏差均表明多源融合降水产品存在低估，其中冬季低估最严重。从误报率、漏判率和命中率可见，夏季误报最多，冬季漏报最多且命中率仅为42%，秋季命中率最高。在2018年冬季1月和2月，陕北地区固态称重降水设备尚未建成，固态降水量处于缺测状态。同时，冬季降水量少，且相态复杂，卫星对固态降水的识别能力和反演精度还存在缺陷[19]，影响融合降水产品质量。综合所有评估指标，多源融合降水产品在秋季质量较好。

3.1.3 月降水

通过分析，利用逐小时数据按月对多源融合降水产品的评估结果可知，从相关性上，每个月的相关性均较好，相关系数均在0.8以上。全年9月相关性最好，8月最低。均方根误差8月最大，且从4月逐渐增大，至9月又减小。每月偏差均大于1 mm，8月偏差最小，与实测降水对比，多源融合降水产品处于低估。6—8月误报率较高，7月最高，为22%。相比误报率，漏报率每月均在15%以上，12月、1月、2月较高，1月最高，为36%，7月最小，为14%。卫星对降水的识别能力和雷达受波束遮挡均会造成融合降水产品漏报。命中率除1月为58%以外，其余均在60%以上，最高为4月和9月，为70%。综合上述评价指标，9月多源融合降水产品质量较好。

表2 多源融合降水产品的季节降水评估

3.2 地形对降水产品影响

以相关系数、均方根误差、偏差、误报率、漏报率和命中率6个评价指标作为因变量，站点海拔和坡度分别作为自变量，进行回归分析。分析发现，在国家级自动气象站的海拔和坡度数据中，高海拔站点主要集中在陕北和陕南地区，气候差异大，相同海拔上，影响陕南站点质量的因素增加了秦巴山区复杂下垫面； 85%的站点坡度为平坦、平坡和缓坡，坡度数据分级不明显。此种条件下，多源融合降水产品插值到观测站点的6个指标与海拔、坡度无显著关系。

根据国家级自动气象站的坡向数据，从337.5°开始，按顺时针以每45°为间隔，将坡向分为北坡、东北坡、东坡、东南坡、南坡、西南坡、西坡和西北坡8个大方向，分别对应N(337.5°～360°，0°～22.5°)、NE(22.5°～67.5°)、E(67.6°～112.5°)、SE(112.5°～157.5°)、S(157.5°～202.5°)、SW(202.5°～247.5°)、W(247.5°～292.5°)、NW(292.5°～337.5°)[20]。将同一区间坡向的站点归到一类计算相关评价指标。相关系数在南坡最低，SW、W、NW 3个坡向的相关系数略低于其他坡向。多源融合降水产品与实测降水在偏东和偏北坡向上相关性较好，偏南和偏西坡向上稍差。均方根误差在南坡最高，西北坡次之。偏差在北坡最高，北坡的多源融合降水产品比其他坡向的低估程度更大。漏报率在西坡最高，西北坡最低；误报率在西南坡最高，北坡最低；命中率在西坡最低，在东南坡最高。综合以上6个指标，多源融合降水产品在东南坡质量最好。

3.3 空间尺度

统计并分析2018年国家级自动气象站实测年总降水量、多源融合降水产品插值到国家站站点上年总降水量和两者总降水量的差值可得，秦岭以南降水较多，年降水量在800 mm以上主要集中在汉中和安康地区，关中北部及陕北高原降水较少。多源融合降水产品年降水量总体小于国家站实测降水，800 mm以上降水量范围明显减少，榆林北部、关中和陕南部分区域600～800 mm的降水范围减少，关中小于400 mm范围较国家站实测增大，仅在延安北部和榆林中东部区域与观测值较吻合。在咸阳南部、铜川北部和榆林东北部小范围区域，多源融合降水产品年降水量存在高估，高估值最大在300 mm以上。多源融合降水产品与实测降水的年降水量差值在秦岭山区较大，该区域范围，站点稀疏且地形复杂。宝鸡太白山地区和西安与商洛相邻区域，差值较大，均在150 mm以上。从融合资料来源方面分析差值较大可能有两方面原因：一方面，西安和商洛雷达波束遮挡严重，雷达资料质量较差。另一方面，秦岭山区地形复杂，起伏较大，卫星反演的降水准确性与其他地区存在差异。延安北部和榆林东南部地势较平坦区域范围，差值小于100 mm，多源融合降水产品的质量表现较好。