臺風(fēng)“海高斯”（2007）期間多種降水融合實況產(chǎn)品的誤差評估

鄧 悅，任曉煒，丘平珠，蘇傳程，譚 斐，卓 健

（廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，南寧 530022）

引言

格點實況數(shù)據(jù)能反映大氣的實際狀態(tài)，目前高分辨率格點實況分析場的研究在國內(nèi)外都很受重視［1－2］，各行業(yè)對時空連續(xù)的格點化氣象數(shù)據(jù)的要求越來越高。隨著氣象觀測系統(tǒng)的迅速發(fā)展，可獲取的地面氣象站、衛(wèi)星、雷達等觀測數(shù)據(jù)數(shù)量不斷增多且質(zhì)量逐步提升，國家氣象信息中心據(jù)此進行了陸面數(shù)據(jù)融合與同化產(chǎn)品的研發(fā)，使用衛(wèi)星、雷達等遙感數(shù)據(jù)與地面站點觀測數(shù)據(jù)間的時空匹配技術(shù)及偏差訂正技術(shù)，研制高質(zhì)量的陸面、海洋與三維云雨多源數(shù)據(jù)融合產(chǎn)品，建成了業(yè)務(wù)化的中國區(qū)域融合降水分析系統(tǒng)（CMA Multi－source Precipitation Analysis System，CMPAS），并于2017 年提供智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用［3－4］。

2020 年，多源融合實況產(chǎn)品升級到ART－V1.1，優(yōu)化了降水融合技術(shù)，并結(jié)合衛(wèi)星、雷達數(shù)據(jù)初步實現(xiàn)對地面資料的協(xié)同控制，產(chǎn)品時效提高，增加了空間分辨率為1km 的產(chǎn)品，閃電資料在多源數(shù)據(jù)融合也發(fā)揮一定作用［5］。降水融合格點實況產(chǎn)品涵蓋多種空間分辨率和時間尺度，包括基于CMPAS 的二源（地面、雷達）和三源（地面、雷達、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°E～140°E，0°N～60°N），空間分辨率有5km（0.05°×0.05°）和1km（0.01°×0.01°）兩種；根據(jù)產(chǎn)品生成時間，又分為時效性較高的實時產(chǎn)品和經(jīng)過進一步訂正的近實時產(chǎn)品。格點數(shù)據(jù)代表著某個區(qū)域氣象要素的平均值，與站點觀測必然存在一定的差異，對升級后的高時空分辨率的格點實況分析產(chǎn)品進行全面的檢驗評估，了解其準(zhǔn)確性和真實性是非常必要的。5km 格點實況產(chǎn)品在江蘇地區(qū)表現(xiàn)出“對小雨級別降水的準(zhǔn)確率最高，隨著降水量級增大，格點實況降水場漏報增加”的特點［6］。龍柯吉等針對四川一次強降水評估多種降水融合實況產(chǎn)品，結(jié)果表明1km 降水融合產(chǎn)品的質(zhì)量較高，對強降水有很好的監(jiān)測能力［7］。陳玉瑋和黃曉瑩對降水的研究個例表明在廣東地區(qū)1km降水產(chǎn)品相較于5km 降水產(chǎn)品更接近站點實況［8］。本文通過評估臺風(fēng)“海高斯”期間三種降水融合實況產(chǎn)品的誤差，展示多源降水融合實況產(chǎn)品在廣西地區(qū)的適用情況，為下一步的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文將多源融合實況產(chǎn)品作為預(yù)報場與地面自動氣象實況觀測作對比。三種用于評估的產(chǎn)品包括：5km 逐小時降水快速融合實況分析產(chǎn)品（智能網(wǎng)格二源快速融合降水小時產(chǎn)品，簡稱為FAST＿05）、5km 逐小時降水實時融合實況分析產(chǎn)品（智能網(wǎng)格三源實時融合降水小時產(chǎn)品，簡稱為FRT＿05）、1km逐小時降水實時融合實況分析產(chǎn)品（簡稱為RT＿01）。在臺風(fēng)“海高斯”過程中對產(chǎn)品的逐小時降水及24h 降水進行質(zhì)量評估，其中三種產(chǎn)品24h 降水為各產(chǎn)品逐小時降水的累加。

通過天擎大數(shù)據(jù)云平臺接口獲取同期的廣西區(qū)內(nèi)地面自動氣象站（包括國家站和區(qū)域站，每時次約2800 站）的小時降水資料作為評估“真值”，將多源融合實況產(chǎn)品采用鄰近插值方法插值到站點上，利用多種統(tǒng)計指標(biāo)和傳統(tǒng)評分指標(biāo)進行評估。選用的評估站點為廣西區(qū)域內(nèi)經(jīng)過質(zhì)控后（“數(shù)據(jù)正確”或“數(shù)據(jù)為訂正值／修改值”）的所有國家站和區(qū)域站的降水?dāng)?shù)據(jù)。評估指標(biāo)及計算方法參考中國氣象局《實況分析產(chǎn)品質(zhì)量評估規(guī)范（2019 版）》及《中國區(qū)域降水網(wǎng)格實況產(chǎn)品全流程檢驗評估細則（2020 版）》對實況產(chǎn)品的質(zhì)量評估方法及對臺風(fēng)的評估指標(biāo)［9］。

使用的質(zhì)量評估指標(biāo)包括相關(guān)系數(shù)（COR）、平均值誤差（ME）、平均絕對誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE），并引進技巧評分（TS）、相當(dāng)技巧評分（ETS）、晴雨準(zhǔn)確率（PC）、命中率（POD）、空報率（FAR）漏報率（MR）以及頻率偏差（BIAS）等傳統(tǒng)檢驗評分指標(biāo)。檢驗評分指標(biāo)一般用于評價降水預(yù)報產(chǎn)品，實際上降水實況產(chǎn)品為使用探測數(shù)據(jù)多源融合再現(xiàn)出的降水，并非提前的預(yù)報場，參照《中國區(qū)域降水網(wǎng)格實況產(chǎn)品全流程檢驗評估細則（2020 版）》，借用降水預(yù)報的檢驗方法，將降水實況產(chǎn)品估算出的降水值看作預(yù)報場，衡量實況產(chǎn)品估算的降水與觀測場（真值）的差異程度，傳統(tǒng)檢驗評分指標(biāo)的具體名稱保持不變（如“空報”事實上應(yīng)為“空估”，但文中仍使用預(yù)報常用的“空報”）。

公式（5）－公式（11）中，NA 表示實況產(chǎn)品和站點觀測均發(fā)生的站點數(shù)（即命中）；NB 表示站點觀測不發(fā)生的站點數(shù)（即空報），NC 表示實況產(chǎn)品不發(fā)生而站點觀測發(fā)生的站點數(shù)（即漏報），ND 表示實況產(chǎn)品和站點觀測均不發(fā)生的站點數(shù)（即正確否定）。ETS 評分用于衡量觀測出現(xiàn)降水與預(yù)報出現(xiàn)降水之間的匹配程度，理想值是1，取值范圍為－1／3至1，0 表示沒有技巧；BIAS 評分用來測量事件的頻率，當(dāng)偏差＞1 說明該量級降水預(yù)報面積大于實況（即出現(xiàn)空報），反之則為漏報，偏差＝1 時與實況一致。

為考察融合實況產(chǎn)品對不同降水量級的再現(xiàn)能力，對降水進行分級后分別計算評估指標(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，評估逐小時及24h 累計降水，降水量分級表如表1所示。

表1 1h、24h 累計降水量等級劃分表

2 結(jié)果與分析

2.1 臺風(fēng)“海高斯”概況

臺風(fēng)“海高斯”是2020 年登陸我國的第三個臺風(fēng)，具有個頭小、快速加強、登陸時較強、風(fēng)雨影響集中、生命史短等特點?！昂８咚埂庇? 月19 日06 時前后在廣東省珠海金灣區(qū)沿海登陸后繼續(xù)向西北方向移動，穿過廣東西南部，19 日傍晚前后移入廣西東部并減弱為熱帶低壓，19 日23 時中央氣象臺對其停止編號?！昂８咚埂鄙珊笤谀虾１辈靠焖僭鰪?，七級風(fēng)圈半徑小于200km，屬于小型臺風(fēng)，其風(fēng)雨落區(qū)相對集中，強降雨主要集中在臺風(fēng)中心附近及兩側(cè)，暴雨到大暴雨區(qū)主要位于廣東南部、珠江三角洲及廣西東北部。“海高斯”減弱為熱帶低壓后，由于其低壓環(huán)流體積較小，自孟加拉灣的水汽輸送沒有被切斷，低壓東部的偏南氣流和副高邊緣的東南氣流合并為偏南急流，形成柳州附近暴雨區(qū)水汽輸送通道［10］。

2.2 24h 累計降水評估

受“海高斯”及其殘渦影響，廣西出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨過程，主要降水過程出現(xiàn)在8 月19 日20 時—20 日20 時，此次降水過程具有范圍廣、強度大、歷時短、移動快的特點，站點觀測的過程累計降水量見圖1a。此次過程廣西大部分地區(qū)出現(xiàn)降水（超過96.7%），桂東出現(xiàn)大到暴雨，局地大暴雨。降雨量50～100mm 有433 站，100～150mm 有127 站，150～200mm 有40 站，＞200mm 有10 站。兩個降水中心分別位于桂平江口（256.1mm）和蒙山新圩（207.6mm）。

圖1 2020 年8 月19 日20 時—8 月20 日20 時24h 累計降水量（單位：mm）

大雨以上量級的降水主要分布在“海高斯”經(jīng)過的廣西東部地區(qū)，最強達到特大暴雨級別，以地面站降水觀測資料為標(biāo)準(zhǔn)，評估二源和多源降水融合產(chǎn)品對降水中心及量級的估算結(jié)果。對比站點觀測與三種實況產(chǎn)品的空間分布特征（圖1），發(fā)現(xiàn)三種降水融合產(chǎn)品的降水落區(qū)和降水量級基本與站點觀測基本吻合，但對此臺風(fēng)過程的大值降水區(qū)均存在不同程度的低估，圖2a 表明，在降水大值區(qū)域（對照圖1a），RT＿01 產(chǎn)品存在低估降水的現(xiàn)象。相較而言，三種產(chǎn)品中RT＿01 的空間分辨率更高，對降水空間分布的反映更接近真實。RT＿01 產(chǎn)品降低了對寧明縣那堪、扶綏縣柳橋、上思縣平福等地小雨的空報（圖1a①處），此區(qū)域站點相對稀疏，融合更多來源資料并且分辨率更高的RT＿01 展現(xiàn)出其優(yōu)勢。RT＿01 對百色樂業(yè)、田林的大雨（圖1a②處），玉林博白的大暴雨（圖1a③處）反映更為真實。從此次臺風(fēng)降水過程中站點觀測降水大于200mm 的11 個站點的降水量，及RT＿01、FAST＿05、FRT＿05 對應(yīng)的降水量對比，可見RT＿01 產(chǎn)品更接近觀測，但對大暴雨的雨量仍然存在低估。FAST＿05、FRT＿05、RT＿01 產(chǎn)品的24h 累計降水量與觀測的相關(guān)系數(shù)分別為0.9257、0.9314 和0.9425；平均絕對誤差分別為8.85mm、8.44mm 和6.20mm；均方根誤差分別為13.62mm、13.10mm 和12.01mm，且隨著降水量級的增大平均絕對誤差與均方根誤差也隨之增大（圖3）。從統(tǒng)計誤差來看CMPAS 的1km 產(chǎn)品質(zhì)量略優(yōu)于5km 產(chǎn)品，三源融合產(chǎn)品質(zhì)量略優(yōu)于二源融合產(chǎn)品。FAST＿05、FRT＿05、RT＿01 產(chǎn)品的晴雨準(zhǔn)確率分別為0.997、0.996 和0.993。

圖2 RT＿01 降水量與觀測值的差值（單位：mm）

圖3 2020 年8 月19 日20 時至20 日20 時產(chǎn)品24h 累計降水量的檢驗評分與統(tǒng)計誤差

就本次過程中各種雨量的各類評分（圖3）而言，RT＿01 的表現(xiàn)更優(yōu)，TS 評分與ETS 評分在各種降水量級中均為三種實況產(chǎn)品中最高。隨著降水量級的增大，F(xiàn)AST＿05、FRT＿05 的TS 評分與RT＿01 相接近，三者對大暴雨TS 評分分別為0.596、0.627 和0.660。RT＿01 的漏報率與空報率低于FAST＿05 與FRT＿05，F(xiàn)AST＿05、FRT＿05、RT＿01 對各量級降水的漏報率分別在0.188～0.426、0.129～0.410、0.129～0.259之間，空報率分別在0.309～0.340、0.279～0.328、0.197～0.269之間；5km產(chǎn)品對中雨的漏報率較高（0.41～0.43），1km 產(chǎn)品對小雨至暴雨級別的降水空報率較低。FAST＿05、FRT＿05、RT＿01 的BIAS 分別在 0.851～1.192、0.794～1.201、0.84～1.083之間，F(xiàn)RT＿05 對暴雨的BIAS 評分最優(yōu)，F(xiàn)AST＿05 對大暴雨的BIAS 評分優(yōu)于其他兩種產(chǎn)品，綜合各種量級的降水來看RT＿01 的BIAS 評分較優(yōu)。

2.3 小時降水評估

為了解各產(chǎn)品對小時降水估算的能力，對臺風(fēng)降水時段內(nèi)三種產(chǎn)品逐小時降水量進行質(zhì)量評估。FAST＿05、FRT＿05 和RT＿01 的1h 降水量與觀測的相關(guān)系數(shù)分別為0.8744、0.8763 和0.8994；平均絕對誤差分別為0.645mm、0.645mm 和0.526mm，均方根誤差分別為2.03mm、2.02mm 和1.83mm，隨著降水量級的增大平均絕對誤差與均方根誤差也隨之增大（圖4a、4b）。從統(tǒng)計誤差來看，CMPAS 的1km 產(chǎn)品相較于5km 產(chǎn)品、三源降水產(chǎn)品相較于二源降水產(chǎn)品更接近觀測實況。

圖4 2020 年8 月19 日20 時至20 日20 時逐小時降水（單位：mm）

從小時雨量的評分來看，三種產(chǎn)品的評分各有優(yōu)劣，RT＿01 的綜合表現(xiàn)更優(yōu)。RT＿01 的TS 評分（0.711）略高于FRT＿05（0.703）和FAST＿05（0.702），命中率更高（0.942）且空報率最低（0.058）。

三種降水產(chǎn)品的降水強度與站點觀測基本一致，且均能反映出強降水落區(qū)的變化：8 月19 日20時梧州東部出現(xiàn)降水，之后雨帶隨著“海高斯”向西北方向的行進而移動，8 月20 日13—15 時降水強度與范圍達到最大，23 時全區(qū)地面觀測站的降水量級均為小雨或以下，降水過程趨于結(jié)束。

從產(chǎn)品估算降水量與觀測降水量的比較來看，多數(shù)站點實況產(chǎn)品高估了降水量。取20 日15 時降水較強時段，比較產(chǎn)品估算值與觀測值，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品估算降水較大的站點更多（圖2b），RT＿01 降水量較觀測偏強的站點數(shù)（1167 站）多于偏弱站點數(shù)（805站），另有產(chǎn)品降水量與觀測降水量相等的有897站，F(xiàn)AST＿05 和FRT＿05 也表現(xiàn)出產(chǎn)品降水量偏強的站點多的現(xiàn)象。

雖然對于多數(shù)站點，產(chǎn)品估算雨量高于觀測雨量，但是對于大值降水站點，產(chǎn)品估算雨量低于觀測雨量，其中RT＿01 產(chǎn)品對強降水的低估程度在三種產(chǎn)品中最低，即與觀測更為接近。選取桂平江口和蒙山新圩兩個暴雨中心站點進行分析，三種實況融合產(chǎn)品的強降水時段及變化趨勢與觀測基本一致，但降水量較觀測偏小，1h 降水量最大相差30mm。三種實況產(chǎn)品對貴港港南新塘20 日15 時的65.7mm的降水低估嚴重，產(chǎn)品小時降水與站點觀測相比最大分別偏弱50.1mm（FAST＿05）、51.2mm（FRT＿05）和43.7mm（RT＿01）。

以上“產(chǎn)品估算雨量一般高于觀測雨量，但產(chǎn)品對大值降水站點估算雨量低于觀測雨量”的情況是三種產(chǎn)品的共性，比較而言1km 實況產(chǎn)品估算的降水量比5km 實況產(chǎn)品更接近于觀測值，過高或過低的降水估算出現(xiàn)的站點更少，如產(chǎn)品與觀測雨量差值在［－45mm，－10mm）區(qū)間的站點，F(xiàn)AST＿05、FRT＿05、RT＿01 分別有31、29 和21 個，RT＿01 高估降水的站點比FAST＿05 和FRT＿05 少；產(chǎn)品與觀測雨量差值在［10mm，45mm）的站點，F(xiàn)AST＿05、FRT＿05、RT＿01 分別有24、14 和12 個，RT＿01 低估降水的站點也比FAST＿05 和FRT＿05 少。

此外，對比實況產(chǎn)品降水與觀測的小時降水發(fā)現(xiàn)，實況產(chǎn)品還存在以下問題，一是降水極值空間范圍夸大，5km 產(chǎn)品因空間分辨率低此現(xiàn)象更嚴重，如19 日21 時FAST＿05 產(chǎn)品中武鳴地區(qū)降水極值空間范圍被夸大（圖5d①處對應(yīng)范圍）。二是FAST＿05 產(chǎn)品存在網(wǎng)格降水缺測的現(xiàn)象（如圖5d②處對應(yīng)范圍），而同為5km 的FRT＿05 成功再現(xiàn)出此區(qū)域的降水，網(wǎng)格降水缺測可能與FAST＿05 產(chǎn)品生成時效較強，衛(wèi)星或其他數(shù)據(jù)尚未被產(chǎn)品融合有關(guān)。三是5km產(chǎn)品對大降水的刻畫不精細，如在圖5d③處對應(yīng)范圍FAST＿05 和FRT＿05 產(chǎn)品未能再現(xiàn)出20mm 以上的降水，而RT＿01 能成功再現(xiàn)，且各量級降水范圍與觀測相近。

圖5 2020 年8 月19 日21 時降水量（單位：mm）

3 結(jié)論與討論

使用三種降水融合產(chǎn)品（CMPAS＿FAST＿05、CMPAS＿RT＿05、CMPAS＿RT＿01）對2007 號臺風(fēng)“海高斯”的在廣西地區(qū)降水進行質(zhì)量評估，結(jié)果表明：

（1）三種降水融合產(chǎn)品均能較好地再現(xiàn)降水的量級與落區(qū)，但降水極大值比地面觀測雨量小，降水中心的24h 累計降水量最大相差30mm 左右，F(xiàn)AST＿05 出現(xiàn)網(wǎng)格降水缺測、不能模擬出大降水區(qū)域的情況。

（2）三種降水融合產(chǎn)品與站點觀測值的一致性較高，24h 累計降水的晴雨準(zhǔn)確率達到99%以上，相關(guān)系數(shù)達0.92 以上。三源融合產(chǎn)品優(yōu)于二源融合產(chǎn)品，1km 產(chǎn)品優(yōu)于5km 產(chǎn)品，RT＿01 的綜合表現(xiàn)更優(yōu)，與觀測降水量的相關(guān)系數(shù)達到0.94，對于大暴雨的TS 評分在三種產(chǎn)品中最高，達到0.66。

針對三種降水融合實況產(chǎn)品進行評估，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中有一定參考價值，但是由于降水融合實況產(chǎn)品發(fā)布時間不長，可挑選的臺風(fēng)過程少，僅給出一次臺風(fēng)個例的評估，且臺風(fēng)海高斯不是最有特點的臺風(fēng)，評估結(jié)果是否有通用性仍不清楚，今后應(yīng)增加評估的樣本量以提高產(chǎn)品的應(yīng)用性。