多種降水實(shí)況融合產(chǎn)品在四川一次強(qiáng)降水過程中的評估

龍柯吉，谷軍霞，師春香，潘 旸，黃曉龍

(1.四川省氣象臺，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；3.國家氣象信息中心，北京 100081；4.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072)

引言

我國的多源氣象數(shù)據(jù)融合研究起步相對較晚，依托各項(xiàng)創(chuàng)新工程，國家氣象信息中心在引進(jìn)國際先進(jìn)融合技術(shù)的基礎(chǔ)上，消化吸收并自主創(chuàng)新，逐步建成了自己的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和融合分析系統(tǒng)[1]。近年來，為了滿足智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)需求，獲得高精度、高質(zhì)量、時(shí)空連續(xù)的多源數(shù)據(jù)融合氣象格點(diǎn)產(chǎn)品，國家氣象信息中心師春香團(tuán)隊(duì)[1-15]始終不斷發(fā)展和完善多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，優(yōu)化升級評估分析方法，創(chuàng)新發(fā)布了多種融合產(chǎn)品。將常規(guī)觀測、天氣雷達(dá)、衛(wèi)星等多種資料進(jìn)行融合，相繼完成了地面要素(降水、氣溫、風(fēng)、濕度、能見度、總云量等)、土壤溫濕度、海溫海風(fēng)、三維云等多種實(shí)況融合產(chǎn)品的研發(fā)評估和業(yè)務(wù)發(fā)布。

此外，潘旸等[2-6]通過利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)和多種插值方法，實(shí)現(xiàn)了多種空間分辨率、多種時(shí)間尺度的降水實(shí)況融合產(chǎn)品的評估分析和業(yè)務(wù)發(fā)布，其中就包括基于中國氣象局多源融合降水分析系統(tǒng)(CMPAS)的二源(地面、雷達(dá))和三源(地面、雷達(dá)、衛(wèi)星)融合降水產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的空間范圍為全國陸地區(qū)域(70°～140°E，0°～60°N)，空間分辨率分為0.05°×0.05°(5km)和0.01°×0.01°(1km)兩種，包括逐10min、逐1h、3h、24h等多種時(shí)間分辨率，根據(jù)產(chǎn)品生成時(shí)間，又分為實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品。

由于下發(fā)的產(chǎn)品較為豐富多樣，有必要對這些產(chǎn)品在四川強(qiáng)降水過程中的適用性、產(chǎn)品一致性等進(jìn)行評估和研究，從而為預(yù)報(bào)員使用這些產(chǎn)品提供參考。本文將對四種24h時(shí)間分辨率、四種1h時(shí)間分辨率和一種10min時(shí)間分辨率的降水實(shí)況融合產(chǎn)品在四川一次強(qiáng)降水過程中的表現(xiàn)進(jìn)行評估，以期為預(yù)報(bào)員使用該產(chǎn)品提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

通過CIMISS接口獲取的四川地面小時(shí)、分鐘降水資料作為評估“真值”，將九種評估產(chǎn)品，具體包括：5km/24h的三源融合實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品(簡稱為CMPAS_24h_RT05、CMPAS_24h_NRT05)、1km/24h的三源融合實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品(簡稱為CMPAS_24h_RT01、CMPAS_24h_NRT01)、5km/1h的三源融合實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品(簡稱為CMPAS_RT05、CMPAS_NRT05)、1km/1h的三源融合實(shí)時(shí)產(chǎn)品和近實(shí)時(shí)產(chǎn)品(簡稱為CMPAS_RT01、CMPAS_NRT01)、5km/10min的二源融合產(chǎn)品(簡稱為CMPAS_10MIN05)，分別采用鄰近插值方法插值到站點(diǎn)上，利用多種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行評估，評估站點(diǎn)為四川地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)控碼為0(正確)的所有國家站和區(qū)域站。評估指標(biāo)及計(jì)算方法參考中國氣象局《實(shí)況分析產(chǎn)品質(zhì)量評估規(guī)范(2019版)》。

評估指標(biāo)包括：相關(guān)系數(shù)COR、平均值誤差ME、平均絕對誤差MAE、均方根誤差RMSE、偏差BIAS、晴雨準(zhǔn)確率PC、TS評分、空報(bào)率FAR和漏報(bào)率PO。

相關(guān)系數(shù)(COR)：

(1)

平均值誤差(ME)：

(2)

平均絕對誤差(MAE)：

(3)

均方根誤差(RMSE)：

(4)

偏差(BIAS)：

(5)

晴雨準(zhǔn)確率(PC)：

(6)

TS評分：

(7)

空報(bào)率(FAR)：

(8)

漏報(bào)率(PO)：

(9)

其中，NA表示預(yù)報(bào)與實(shí)況均發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)，NB表示預(yù)報(bào)發(fā)生而實(shí)況不發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)，NC表示預(yù)報(bào)不發(fā)生而實(shí)況發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)，ND表示預(yù)報(bào)和實(shí)況均不發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)。

2 24小時(shí)累計(jì)雨量評估

受高空槽和地面冷空氣共同影響，2019年6月4日12時(shí)～5日12時(shí)(世界時(shí))，四川盆地出現(xiàn)了2019年首場區(qū)域性暴雨過程，從24h累計(jì)降水量可以看到(圖1)，此次過程中，廣元、巴中、達(dá)州、南充、廣安、遂寧、資陽、內(nèi)江出現(xiàn)大到暴雨，局地大暴雨，降雨量50～100mm的有455站，>100mm的有20站，有兩個(gè)降水中心，分別為廣安華鎣山天池的141.9mm和內(nèi)江市中區(qū)鳳鳴天臺村的129.8mm，此次過程具有范圍廣、歷時(shí)短、移動快的特點(diǎn)。

圖2為四種降水融合產(chǎn)品的24h累計(jì)降水量，與實(shí)況相比較，降水融合產(chǎn)品的降水落區(qū)和走向均與實(shí)況較為一致，能很好的反映出盆地的強(qiáng)降水，相較而言，1km產(chǎn)品的大暴雨點(diǎn)較5km更多，更接近實(shí)況，兩種分辨率產(chǎn)品主要差別在于阿壩州北部，兩種近實(shí)時(shí)產(chǎn)品減少了對該地區(qū)小雨的空報(bào)，且對甘孜州中部的小雨有所反映。此次過程有兩個(gè)降水中心點(diǎn)，廣安華鎣山天池24h降水量為141.9mm，CMPAS_24h_NRT01、CMPAS_24h_RT01、CMPAS_24h_NRT05、CMPAS_24h_RT05對應(yīng)的值分別為103.9mm、103.8mm、91.8mm和91.9mm，另一個(gè)中心點(diǎn)為內(nèi)江市中區(qū)鳳鳴天臺村，降水量為129.8mm，CMPAS_24h_NRT01、CMPAS_24h_RT01、CMPAS_24h_NRT05、CMPAS_24h_RT05對應(yīng)的值分別為85mm、84.4mm、83.8mm和83.5mm，可見CMPAS_24h_NRT01產(chǎn)品更接近實(shí)況，但仍偏小40mm左右，由此可見，幾種產(chǎn)品的極大值都較實(shí)況偏小，1km產(chǎn)品更接近實(shí)況，近實(shí)時(shí)產(chǎn)品最優(yōu)。

3 小時(shí)雨量評估

為了解各產(chǎn)品對小時(shí)降水情況的把握能力，選取強(qiáng)降水時(shí)段的小時(shí)降水進(jìn)行對比，在降水開始時(shí)刻(13時(shí)，圖略)，幾種產(chǎn)品均能反映出在綿陽西部、成都西南部、雅安北部有強(qiáng)降水的出現(xiàn)，之后雨帶東移，并逐漸合并形成南北線狀，16時(shí)降水強(qiáng)度與范圍達(dá)到最大(圖3)，幾種融合產(chǎn)品能反應(yīng)出落區(qū)的變化，且強(qiáng)度與實(shí)況基本一致，根據(jù)16時(shí)的降水偏差分布圖(圖4)也可以看出，幾種產(chǎn)品的總降水量較實(shí)況略偏強(qiáng)，偏強(qiáng)站點(diǎn)數(shù)也多于偏弱站點(diǎn)數(shù)，但對于強(qiáng)降水，其強(qiáng)度大多較實(shí)況偏弱，偏弱的站點(diǎn)主要位于強(qiáng)降水區(qū)域，小時(shí)降水最大偏弱30mm以上。

選取兩個(gè)強(qiáng)降水中心點(diǎn)制作24h內(nèi)的逐小時(shí)雨量變化圖(圖5)，可以看出，廣安華鎣山天池強(qiáng)降水出現(xiàn)在4日20時(shí)～5日00時(shí)，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)66.3mm，內(nèi)江市中區(qū)鳳鳴天臺村出現(xiàn)在4日16～20時(shí)，最大小時(shí)雨強(qiáng)為74.8mm，幾種產(chǎn)品都能反映出強(qiáng)降水的時(shí)段，趨勢與實(shí)況則一致，但降水強(qiáng)度略低于實(shí)況，最大小時(shí)降水差別達(dá)到30mm。

對此次過程的評估結(jié)果(圖6)，幾種小時(shí)降水融合產(chǎn)品都較實(shí)況略偏大，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.92以上，CMPAS的1km產(chǎn)品達(dá)到0.937，平均絕對誤差和均方根誤差也更小，相對而言，CMPAS的1km產(chǎn)品略優(yōu)于5km產(chǎn)品，近實(shí)時(shí)產(chǎn)品略優(yōu)于實(shí)時(shí)產(chǎn)品。分級TS評分結(jié)果表明，對于0.1mm以上降水，幾個(gè)融合產(chǎn)品的評分相當(dāng)，隨著評分量級的增大，1km逐漸優(yōu)于5km產(chǎn)品，且量級越大，評分越優(yōu)。綜合而言，兩種1km產(chǎn)品評分相當(dāng)，兩種5km產(chǎn)品評分相當(dāng)，1km產(chǎn)品在各量級的評分都高于5km產(chǎn)品，其空報(bào)率和漏報(bào)率都小于5km產(chǎn)品。幾種融合產(chǎn)品對晴雨的把握較好，準(zhǔn)確率都在94.4%以上，其中CMPAS_RT01略優(yōu)。

4 10min雨量評估

再進(jìn)一步分析10min雨量(圖7)，10min融合產(chǎn)品對強(qiáng)降水時(shí)段強(qiáng)降水的落區(qū)及移動都把握較好，但15:50～16:00在實(shí)況中綿陽東部出現(xiàn)強(qiáng)降水的斷裂帶，但融合產(chǎn)品反映不明顯，其在這一帶仍然有較強(qiáng)降水，從各個(gè)時(shí)次強(qiáng)降水中心值來看，該產(chǎn)品同樣較實(shí)況略偏弱。

從兩個(gè)24h降水中心站點(diǎn)的10min降水時(shí)序圖(圖8)

可以看出，內(nèi)江境內(nèi)站點(diǎn)強(qiáng)降水主要發(fā)生在16～18時(shí)，廣安境內(nèi)站點(diǎn)則發(fā)生在20～23時(shí)，表明此次降水過程以短時(shí)強(qiáng)降水為主，四種融合產(chǎn)品均能反映出強(qiáng)降水時(shí)段，變化趨勢與實(shí)況基本一致，但降水強(qiáng)度較實(shí)況偏弱，10min雨強(qiáng)最大相差30mm。

從此次降水過程的評估結(jié)果(表1)可以看到，10min融合產(chǎn)品較實(shí)況略偏小，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，平均絕對誤差為0.06mm/10min，均方根誤差為0.37mm/10min。

表1 2019年6月4日12時(shí)～5日12時(shí)10min降水產(chǎn)品評估結(jié)果

通過分級評分結(jié)果可以看出，隨著降水量級的增大，TS評分降低，0.1mm以上降水TS評分為0.7，之后逐漸下降，10mm以上降水TS評分為0.2，通過各量級的空報(bào)率可以看到，隨著量級的增加，空報(bào)率呈單峰形，2mm以上空報(bào)率最高，而從漏報(bào)率看，隨著量級的增加，漏報(bào)率也逐漸增加，導(dǎo)致評分降低，具體如圖9所示。

5 產(chǎn)品一致性

實(shí)況中10min、1h和24h累計(jì)降水具有很好的一致，通過對比降水融合產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)，四種24h分辨率降水融合產(chǎn)品與對應(yīng)的1h分辨率降水融合產(chǎn)品一致，但1h分辨率與10min分辨率降水融合產(chǎn)品有一定的不一致。表2給出在降水中心點(diǎn)五種1h、10min融合產(chǎn)品的24h累計(jì)降水量，對比而言，10min降水的24h累計(jì)降水量較幾個(gè)1h融合產(chǎn)品的24h降水量偏小，但差異不大。

表2 降水中心點(diǎn)五種1h、10min融合產(chǎn)品與實(shí)況的24h累計(jì)降水量

6 結(jié)論

針對2019年發(fā)生在四川地區(qū)的首場區(qū)域性暴雨過程，對九種降水融合產(chǎn)品(CMPAS_24h_RT05、CMPAS_24h_NRT05、CMPAS_24h_RT01、CMPAS_24h_NRT01、CMPAS_RT05、CMPAS_NRT05、CMPAS_RT01、CMPAS_NRT01、CMPAS_10MIN05)進(jìn)行評估，結(jié)果表明：

(1)四種24h分辨率和四種1h分辨率降水融合產(chǎn)品的落區(qū)和走向均與實(shí)況較為一致，但極大值都較實(shí)況偏小，對于降水中心，24h雨量最大相差40mm以上，1h雨量最大相差30mm以上。

(2)對整個(gè)過程中1h降水進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，四種1h降水融合產(chǎn)品與實(shí)況有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.92以上，晴雨準(zhǔn)確率在94.4%以上，分級TS評分隨著降水量級的增大，評分降低。對比而言，1km產(chǎn)品優(yōu)于5km產(chǎn)品，近實(shí)時(shí)產(chǎn)品優(yōu)于實(shí)時(shí)產(chǎn)品，其中CMPAS_NRT01最優(yōu)。

(3)對于10min雨量，降水融合產(chǎn)品對強(qiáng)降水的落區(qū)及移動把握較好，但同樣存在降水強(qiáng)度偏弱，10min雨強(qiáng)最大差在30mm以上。由此可以看出，24h累計(jì)降水的偏差主要由最強(qiáng)1h雨強(qiáng)的偏差造成，而小時(shí)降水的偏差則主要由最強(qiáng)10min雨強(qiáng)的偏差造成?？傮w來看，10min融合產(chǎn)品較實(shí)況略偏小，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，隨著降水量級的增大，漏報(bào)率增加，TS評分降低。

(4)融合產(chǎn)品的1h降水和24h降水具有較高一致性，但10min和1h降水有一定差異，10min降水的24h累計(jì)降水略低于1h降水的24h累計(jì)降水。