多源加权集成降水数据集在中山市的适用性分析

2024-02-19张庆玉李浩箕

农业灾害研究 2024年11期

摘要：以广东省中山市作为研究区，利用雨量站实测降水资料对0.1°×0.1°空间分辨率的MSWEP降水产品区域适用性进行了分析。结果表明：MSWEP降水产品精度较高，且能较为准确地反映季节降水空间分布规律，在中山市有较高的适用性，可作为降水数据来源使用。

关键词：降水；中山市；灾害预警；水资源管理

中图分类号：P407 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-03

降水是水文循环的重要组成环节之一，准确的长序列降水数据有助于分析未来降水趋势和地区降水特性，可以提前预测因降水因素引起的自然灾害，为水资源管理、节水灌溉、引水调水等农业保障措施提供数据支撑[1-5]。当前，全国已建成7.6万余个地面自动气象观测站，在灾害预警中起到了关键作用，但所观测数据并未完全开源，致使其应用范围受到一定限制[6-10]。以MSWEP（Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation）为代表的系列降水数据集，融合了地面站点观测降水数据、多种卫星监测降水数据、再分析降水数据等数据，并使用地表或地下径流数据及潜在蒸散发数据进行校正，具有历史序列长，空间覆盖面广，数据精度高等优点，为研究人员提供了有效的降水数据补充。国内研究人员已对MSWEP数据在国内的适用性进行了初步评估，但其研究往往侧重于大面积流域的适用性，而MSWEP数据在小尺度上的适用性差异被忽略[11]。因此，选取广东省中山市作为研究区，分析MSWEP数据在中山市月、季节尺度上的精度表现，以更精确的评价数据在小空间尺度上的适用性。

1 研究区概况

研究区域位于广东省中南部，地处珠江出海口、

粤港澳大湾区几何中心的中山市。地理坐标为113°

09′02″～113°46′E，22°11′12″～22°46′35″N。行政辖区面积为1 899 km2，其中陆域面积1 781 km2，海域面积118 km2，是粤港澳大湾区中重要的节点城市，起着“东承西接”的重要作用，东与深圳市、香港隔海相望，中山港至香港94.45 km；东南与珠海市接壤，毗邻澳门，石岐至澳门60 km；西面和西南面与江门市、新会市和斗门县相邻；北面和西北面与广州市南沙区和佛山市相接；马鞍和大茅等海岛分布在市境东西的珠江口沿岸。

中山市属亚热带季风气候，光热充足，雨量充沛。1991—2020年年平均气温为23.0 ℃。雨量充沛，年平均降水量为1 927.9 mm，日照时长1 755.0 h。年平均雷暴日数为66.9 d。灾害天气主要有台风、暴雨等强对流天气。

2 数据与方法

2.1 数据来源

所使用的数据来源包括两类，分别是1981—2010年中山市实测降雨数据、多源加权集成降水数据集降水资料。实测数据获取自中国气象数据网，区站号59485气象站点的逐日降雨数据。

所使用的MSWEP降水产品数据空间分辨率为0.1°×0.1°，空间覆盖范围为全球；时间分辨率为1 d，

时间覆盖范围为1981—2010年。MSWEP产品的主要生产方法如下：

（1）将全世界67 000多个气象站点的降水数据和6种遥感或者再分析数据的三日降水量平均值序列之间的决定系数作为权重，进行空间加权插值计算，以得到6种数据来源的世界权重图。

（2）基于经实测河道流量及估算潜在蒸散发数据校正后的WorldClim数据集计算地表长期降水均值，对遥感/再分析数据进行频率校正。

（3）基于全球权重图，分别对不同数据源组合逐栅格进行加权平均融合，获取多组融合降水估算数据。

（4）选择与参考降水累积分布函数最为匹配的数据源组合进行融合，并校正该组合融合数据的累计分布函数及时间变异性后，得到最终MSWEP数据[12]。

2.2 研究方法

整理出位于中山市区站号59485气象站点的实测降水数据，提取站点所在栅格的MSWEP对应的卫星降水数据。以气象站点实测数据为基准，整体、逐月对MSWEP数据精度进行精度检验评价。

评价方法采用相关系数（CC）验证卫星降水数据与实测站点数据的一致性，采用相对偏差（BIAS）、均方根误差（RMSE）量化卫星降水数据与实测站点数据的误差，采用纳什效率系数（NSE）评价卫星降水数据与实测站点数据的匹配程度。评价指标计算方法见表1。

3 结果与分析

3.1 MSWEP卫星降水数据质量整体评估

使用淮河流域1980—2010年气象站实测降雨数据，评价MSWEP产品的月降水精度，CHIRPS降水数据由站点坐标所在栅格对应提取。由图1可知，MSWEP降水数据精度较高，经过计算其估算的月降水数据与站点实测数据CC达0.90，相关性较高；RMSE为75.73 mm，误差值较小；BIAS为0.032 5，表明MSWEP数据对中山市降水有所高估；NSE为0.76，表明MSWEP降水数据与中山市实测降水匹配程度较高。

因太平洋及南中国海洋气候影响，中山市每年降水多集中于4—9月。并且，降水量在汛期前后的区别明显，在4—6月的前汛期，降水多为西南低空急流暴雨和锋面雨；在7—10月，降水多为台风雨。逐月分析MSWEP降水数据精度可进一步验证其在中山适用性，MSWEP降水产品逐月精度表现见表2。

由表2可知，从整体上看，MSWEP降水数据在1—12月均有较好的精度表现，与实测数据在各月的CC均＞0.6，且仅有5月的CC＜0.8。CC较高的月份集中于11月至翌年4月，表明MSWEP降水数据在非汛期与实际降水的相关性较好。与实测数据在各月的RMSE为15.88～130.55 mm，在5—8月的误差较大，均超过100 mm，这是由于5—8月处于主汛期，降水总量大且暴雨和强对流天气多发。

与实测数据在各月的BIAS范围为-0.09～0.33，其中，10月至翌年4月BIAS为正数，表明MSWEP降水数据对实际降水有所高估；5—9月，BIAS为负数，表明MSWEP降水数据对实际降水有所低估。

3.2 基于MSWEP降水数据的中山降水空间分析

为进一步验证MSWEP降水产品在中山市的适用性，将中山市市域范围的MSWEP降水数据栅格进行提取，并分别计算各栅格季节降水量，以分析中山市降水季节分布特征，结果见图2。

由图2可知，MSWEP降水数据能较为准确地反映出中山市降水空间分布及季节间差异。在春、夏、秋三季，中山市降水空间分布地区变化较大，整体呈明显南多北少趋势，该结论与薛建强[13]利用中山市13个实测降水代表站点的分析结果相一致。冬季，中山北部地区莺歌咀、南头代表站冬季多年平均降水量分别为70.8、79.6 mm，大于南部地区大涌口冬季多年平均降水量43.6 mm。MSWEP降水数据反映出的中山市降水空间分布趋势并不明显，但降水量高值区域位于市域北部，与实测降水数据表明的空间趋势高度一致，在空间尺度上同样表现出了较好的适用性。

4 结论

本研究以广东省中山市作为研究区，利用雨量站实测降水资料对0.1°×0.1°空间分辨率的MSWEP降水产品区域适用性进行分析，得出以下结论：

（1）MSWEP月降水数据与站点实测数据CC为0.90，RMSE为75.73 mm，BIAS为0.032 5，整体精度较高。

（2）MSWEP降水数据与站点实测数据各月CC为0.6～0.95，RMSE为15.88～130.55 mm，BIAS为-0.22～0.33，精度表现较好。

（3）MSWEP降水数据能较为准确地反映出中山市降水空间分布的季节差异，与站点实测结果相一致。

参考文献

[1] 陈宇.基于水文频率分析的降水特性分析[J].陕西水利，2024（8）：43-45.

[2] 彭晓媛，祁正乾，梁捷，等.石羊河流域降水时空分布特性分析[J].甘肃水利水电技术，2024，60（4）：1-6.

[3] 徐佳伟，蒋玮.地震及降雨作用下路堤边坡变形破坏特性研究[J].中国公路学报，2024，37（6）：76-86.

[4] 许昊丽，李春光，李超超，等.固原市隆德县降水特性分析[J].宁夏工程技术，2023，22（4）：289-294.

[5] 周丽，肖世兰.沱江流域雨季降水特性指标分析[J].农业灾害研究，2024，14（1）：188-190.

[6] 杨家亮，崔璨，李淑雅，等.湖南省多尺度降水序列混沌特性空间分异[J].水利规划与设计，2022（8）：33-37.