二元融合降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)檢驗(yàn)分析

周志花，張 璐，鄒逸航，高韶勃

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái);2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

長(zhǎng)久以來(lái)氣象數(shù)據(jù)主要存在兩種記錄形式：站點(diǎn)和格點(diǎn)。格點(diǎn)和站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別有著各自的優(yōu)勢(shì)，格點(diǎn)資料規(guī)范整齊、分布均勻、處理簡(jiǎn)單，而站點(diǎn)資料則在某種程度上是對(duì)人類活動(dòng)區(qū)氣象條件的真實(shí)反映。

格點(diǎn)實(shí)況產(chǎn)品是精細(xì)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)發(fā)展的基礎(chǔ)，國(guó)家氣象信息中心、公共氣象服務(wù)中心等單位先后研發(fā)了高分辨率的地面格點(diǎn)實(shí)況產(chǎn)品。2017年6月至今，國(guó)家氣象信息中心實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)下發(fā)了新型、高時(shí)空分辨率的國(guó)家級(jí)格點(diǎn)實(shí)況分析產(chǎn)品。

目前，內(nèi)蒙古在日常天氣實(shí)況以及災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)中依舊使用的是站點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)，對(duì)格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性的了解相對(duì)有限，對(duì)格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)在天氣監(jiān)測(cè)中的使用相對(duì)有限。為推進(jìn)格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)在天氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，筆者基于時(shí)間、空間更加精細(xì)的網(wǎng)格化實(shí)況數(shù)據(jù)，對(duì)CMPAS中國(guó)0.05°×0.05°逐小時(shí)二元融合降水實(shí)況分析產(chǎn)品結(jié)合站點(diǎn)觀測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)比分析格點(diǎn)實(shí)況產(chǎn)品在精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警業(yè)務(wù)中的適用性。

1 資料和方法

1.1 資料數(shù)據(jù)

筆者對(duì)2018年6月～8月、2019年6月～8月共6個(gè)月的CMPAS中國(guó)0.05°×0.05°逐小時(shí)二元融合降水實(shí)況分析產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)。以2018年6月～8月、2019年6月～8月共6個(gè)月的內(nèi)蒙古地面自動(dòng)觀測(cè)站以及國(guó)家考核骨干站的逐小時(shí)站點(diǎn)觀測(cè)降水實(shí)況產(chǎn)品為檢驗(yàn)基準(zhǔn)。資料的處理方式采用將格點(diǎn)實(shí)況分析產(chǎn)品按臨近點(diǎn)插值法插值到所有氣象觀測(cè)站點(diǎn)的方式，臨近點(diǎn)插值法的計(jì)算原理是：以距離被計(jì)算點(diǎn)最近的一個(gè)格點(diǎn)值作為輸出值，通過(guò)距離比較，就近取值，但有多個(gè)距離相等的格點(diǎn)取東北角格點(diǎn)數(shù)值。并利用數(shù)據(jù)處理工具對(duì)所有資料統(tǒng)一進(jìn)行處理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，為下一步運(yùn)算做基礎(chǔ)。

1.2 檢驗(yàn)方法

1.2.1 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)

均方根誤差(RMSE)：

相關(guān)系數(shù)(COR):

其中，Oi為站點(diǎn)觀測(cè)值，Gi為實(shí)況網(wǎng)格分析產(chǎn)品插值到檢驗(yàn)站點(diǎn)得到的數(shù)值，N為參與檢驗(yàn)的總樣本數(shù)(站次數(shù))。

1.2.2 針對(duì)降水的分級(jí)檢驗(yàn)

將降水量分為0.1mm～1.9mm、2mm～4.9mm、5mm～9.9mm、10mm～19.9mm、20mm及以上5個(gè)級(jí)別，檢驗(yàn)各級(jí)誤差情況。

等級(jí)均方根誤差：

其中k代表降水分級(jí)檢驗(yàn)等級(jí)，和為第k個(gè)降水等級(jí)區(qū)間的上界和下界，式中[]代表邏輯轉(zhuǎn)數(shù)值的運(yùn)算符，邏輯值為正時(shí)取1，否則取O0、Oi、Gi和N的含義同上。

1.2.3 檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

依據(jù)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)所有參與檢驗(yàn)樣本的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果，定量的統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)品在不同區(qū)域、不同地形系統(tǒng)性誤差，對(duì)其在內(nèi)蒙古實(shí)況監(jiān)測(cè)以及預(yù)報(bào)服務(wù)中應(yīng)用的適用性進(jìn)行全面分析評(píng)估。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 平均絕對(duì)誤差(mae)

內(nèi)蒙古自治區(qū)2018年夏季所有站所有時(shí)次平均mae均在0.5mm以下，其中mae在0.1mm以下時(shí)次的比例為67%，在0.2mm以下時(shí)次的比例為88%，2018年6月、7月、8月的mae分別為0.06mm、0.12mm、0.08mm；2019年夏季所有站所有時(shí)次平均mae均在0.35mm以下，其中mae在0.1mm以下時(shí)次的比例為75%，在0.2mm以下時(shí)次的比例為92%，2019年6月、7月、8月分別為0.06mm、0.07mm、0.07mm。2018年骨干站所有時(shí)次中，mae在0.1mm以下時(shí)次的比例為65%，在0.2mm以下時(shí)次的比例為84%。2019年骨干站所有時(shí)次中，mae在0.1mm以下時(shí)次的比例為71%，在0.2mm以下時(shí)次的比例為90%(如圖1所示)。

圖1 2018(a)、2019(b)年夏季降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)mae

2018夏季不同站點(diǎn)的mae，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、中部偏北地區(qū)誤差相對(duì)較小，所有站mae均在0.55mm以下。0.1mm以下的站點(diǎn)占比54%，0.2mm以下的站點(diǎn)占比96.6%；骨干站mae均在0.33以下，0.1mm以下的站點(diǎn)占比59.7%，0.2mm以下的占比96.1%。2019夏季不同站點(diǎn)的mae，內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、中部地區(qū)誤差相對(duì)較小，東部地區(qū)相對(duì)較大所有站mae均在0.55mm以下，0.1mm以下的站點(diǎn)為72.2%，0.2mm以下的站點(diǎn)為95.9%；骨干站mae均在0.40mm以下0.1mm以下的站點(diǎn)為71.9%，0.2mm以下的站點(diǎn)為95.1%(如圖2所示)。

圖2 降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)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 均方根誤差(RMSE)

2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)6月、7月、8月所有站RMSE在1mm以下時(shí)次的比例為83%，6月、7月、8月所有站的平均RMSE分別為0.42mm、0.65mm、0.51mm。2019年所有站RMSE在1mm以下時(shí)次的比例為89%，6月、7月、8月所有站的平均RMSE分別為0.38mm、0.50mm、0.48mm。骨干站2018年RMSE在1mm以下時(shí)次的比例為82%，6月、7月、8月的平均RMSE分別為0.45mm、0.67mm、0.58mm，2019年RMSE在1mm以下時(shí)次的比例為86%，6月、7月、8月骨干站的平均RMSE分別為0.37mm、0.54mm、0.54mm(如圖3所示)。

圖3 2018(a)、2019(b)年夏季降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)RMSE

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

圖4 降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)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 相關(guān)系數(shù)(COR)

內(nèi)蒙古自治區(qū)2018年6月、7月、8月所有站COR分別為0.38mm、0.49mm、0.48mm，2019年分別為0.53mm、0.54mm、0.56mm。骨干站2018年分別為0.42mm、0.58mm、0.60mm，2019年分別為0.60mm、0.59mm、0.63mm(如圖5所示)。

圖5 2018(a)、2019(b)年夏季降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)COR

2.4 降水分級(jí)檢驗(yàn)RMSE

夏季逐小時(shí)二元融合降水實(shí)況分析產(chǎn)品的分級(jí)RMSE所有站以及骨干站均隨著降水量級(jí)的增加，誤差增大。2018年夏季所有自動(dòng)觀測(cè)站0.1mm～1.9mm、2.0mm～4.9mm、5.0mm～9.9mm、10.0mm～19.9mm以及高于20.0mm等量級(jí)降水的平均RMSE分別為0.8mm、2.5mm、5.0mm、9.4mm、17.8mm，所有國(guó)家考核骨干站分別為0.8mm、2.3mm、4.6mm、8.2mm、15.1mm。2019年夏季所有自動(dòng)觀測(cè)站0.1mm～1.9mm、2.0mm～4.9mm、5.0mm～9.9mm、10.0mm～19.9mm以及高于20.0mm等量級(jí)降水的平均RMSE分別為0.8mm、2.1mm、4.3mm、8.5mm、17.5mm，所有國(guó)家考核骨干站分別為0.6mm、1.8mm、3.7mm、7.3mm、14.4mm(如圖6所示)。

圖6 2018(a)、2019(b)年夏季降水格點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)分級(jí)RMSE分布

3 結(jié)論

筆者基于內(nèi)蒙古自治區(qū)所有氣象自動(dòng)觀測(cè)站以及國(guó)家考核骨干站的小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)CMPAS中國(guó)0.05°×0.05°逐小時(shí)二元融合降水實(shí)況分析產(chǎn)品結(jié)合站點(diǎn)觀測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)。內(nèi)蒙古自治區(qū)2018年和2019年夏季所有站所有時(shí)次平均mae均在0.5mm以下，mae在0.1mm以下時(shí)次的比例在67%以上，在0.2mm以下時(shí)次的比例在88%以上。RMSE在1mm以下時(shí)次的比例均在83%以上。2018年和2019年夏季逐小時(shí)二元融合降水實(shí)況分析產(chǎn)品的分級(jí)RMSE隨著降水量級(jí)的增加而增大，說(shuō)明隨著降水量級(jí)的增大，誤差增大。