CMA-RA陸面氣溫再分析產(chǎn)品在陜西的檢驗(yàn)評(píng)估

樊丹丹，賀 音

(1.陜西省氣象信息中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

由國(guó)家氣象信息中心牽頭研發(fā)的我國(guó)第一代全球大氣和陸面再分析40 a產(chǎn)品(CMA’s global atmospheric reanalysis 40 years, CMA-RA)于2021年5月13日正式發(fā)布，其中陸面再分析產(chǎn)品(CMA-RA/Land)包括大氣驅(qū)動(dòng)融合產(chǎn)品(2 m氣溫、2 m比濕、10 m U風(fēng)、10 m V風(fēng)、降水)和陸面產(chǎn)品(地表溫度、土壤溫度、土壤濕度、感熱通量、潛熱通量、積雪等)。CMA-RA數(shù)據(jù)在天氣、氣候、環(huán)境、海洋和水文等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[1-2]，已被應(yīng)用于GNSS水汽反演[3]、副熱帶西風(fēng)急流分析[4]、降水估算[5]等相關(guān)研究中。目前已有少部分學(xué)者針對(duì)CMA-RA及CMA-RA/Land數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估研究，涉及地區(qū)包括湖南[6]、青藏高原[7]以及全國(guó)范圍[8]，結(jié)果表明CMA-RA及CMA-RA/Land數(shù)據(jù)在上述區(qū)域表現(xiàn)良好。

氣溫是氣候變化研究討論的焦點(diǎn)，以往關(guān)于氣溫變化的研究往往依賴于地面觀測(cè)站點(diǎn)資料[9-12]，而觀測(cè)資料存在時(shí)間序列短、連續(xù)記錄短缺、記錄資料非均一化等問(wèn)題[13]，并且還存在部分區(qū)域觀測(cè)站點(diǎn)較少等問(wèn)題。網(wǎng)格化再分析資料具有時(shí)空分辨率精度高、時(shí)間跨度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[14-16]，不僅可以彌補(bǔ)觀測(cè)資料的不足，也可用于預(yù)報(bào)產(chǎn)品的訂正、檢驗(yàn)等。此外還可以作為背景場(chǎng)應(yīng)用于數(shù)值模式中，對(duì)于天氣監(jiān)測(cè)、氣候分析、氣象服務(wù)等具有重要意義[17]。陜西地形環(huán)境復(fù)雜，地勢(shì)南北高、中間低，北部是黃土高原區(qū)，中部是關(guān)中平原區(qū)，南部是秦巴山區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)域之一[18]。網(wǎng)格化再分析氣溫?cái)?shù)據(jù)在陜西的本地化應(yīng)用具有重要意義，而目前尚未有CMA-RA/Land數(shù)據(jù)在陜西的適用性評(píng)估。本文選取2020年CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)和國(guó)家自動(dòng)氣象站、區(qū)域自動(dòng)氣象站氣溫觀測(cè)資料，分別采用相關(guān)系數(shù)、平均誤差、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差、準(zhǔn)確率等指標(biāo)，評(píng)估CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在陜西的適用性，以期為氣溫再分析產(chǎn)品的研究應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

1.1.1 站點(diǎn)觀測(cè)資料 2020年1—12月的自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料來(lái)源于“氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)”，觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，取每隔3 h的數(shù)據(jù)以便與CMA-RA/Land數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。觀測(cè)站點(diǎn)包括陜西99個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站和1 884個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站，站點(diǎn)空間分布如圖1所示。所有觀測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)“氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)”進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制處理，下載2 m氣溫及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制碼(以下簡(jiǎn)稱質(zhì)控碼)。國(guó)家自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，而區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，因此需要對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，方法為：首先讀取每條數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)控碼，只保留質(zhì)控碼為0(數(shù)據(jù)正確)、3(數(shù)據(jù)訂正)和4(數(shù)據(jù)修改)的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)按缺測(cè)處理；進(jìn)一步對(duì)上述數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制處理，剔除缺省值；最后計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)的缺測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，將缺測(cè)超過(guò)50%的站視為質(zhì)量較差站點(diǎn)，不采用該站數(shù)據(jù)。

圖1 陜西地形高度和地面氣象站分布(審圖號(hào)為GS(2019)1822號(hào)，下同)

1.1.2 再分析資料 CMA-RA/Land大氣驅(qū)動(dòng)融合數(shù)據(jù)產(chǎn)品來(lái)源于“國(guó)家氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)”，該數(shù)據(jù)基于集合同化算法、多源融合方法、Noah 3.3陸面模式及地表參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)建立。本研究選取2020年1—12月的2 m氣溫融合產(chǎn)品，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為3 h，評(píng)估范圍覆蓋陜西及周邊地區(qū)(105.49°E～111.25°E，31.71°N～39.58°N)。

1.2 檢驗(yàn)評(píng)估方法

將CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)按照雙線性插值法插值到陜西99個(gè)國(guó)家自動(dòng)氣象站以及1 884個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站，進(jìn)行非獨(dú)立性檢驗(yàn)。通過(guò)分析各類檢驗(yàn)評(píng)估指標(biāo)，評(píng)估CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在陜西的適用性。評(píng)估指標(biāo)包括平均誤差(TME, ℃)、均方根誤差(TRMSE, ℃)、平均絕對(duì)誤差(TMAE, ℃)、相關(guān)系數(shù)(R)和準(zhǔn)確率(TACC)，計(jì)算方法如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 結(jié)果分析

2.1 全省整體評(píng)估結(jié)果

圖2為CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)各評(píng)估指標(biāo)的空間分布，總體而言CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)能較好地反映出陜西的氣溫情況，所有站平均R為0.976，平均TME為-0.96 ℃，平均TRMSE為2.56 ℃。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看(圖2a、圖2b)，關(guān)中和陜北國(guó)家自動(dòng)氣象站的R較大，陜南整體偏??；區(qū)域自動(dòng)氣象站R的空間分布情況與國(guó)家自動(dòng)氣象站基本一致，對(duì)比圖1可以發(fā)現(xiàn)地勢(shì)平坦的地區(qū)R相對(duì)較大，而地勢(shì)起伏較大的地區(qū)R偏小。圖2c、圖2d為平均誤差的空間分布，多數(shù)站點(diǎn)TME小于0 ℃，表明CMA-RA/Land對(duì)陜西的氣溫普遍有所低估；在陜北的偏差較小，部分區(qū)域有所高估，在陜南的偏差最為明顯；值得注意的是，沿秦嶺山脈一帶的TME最小，表明CMA-RA/Land對(duì)這一帶氣溫存在明顯低估。TRMSE總體呈現(xiàn)出由北向南逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明CMA-RA/Land與站點(diǎn)氣溫的誤差陜北最小、關(guān)中次之、陜南最大；此外，從區(qū)域自動(dòng)氣象站對(duì)CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，沿秦嶺山脈一帶的站點(diǎn)TRMSE明顯高于其他地區(qū)，表明CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在秦嶺的誤差較大。上述分析表明，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在陜北的適用性最好，關(guān)中次之，陜南較差。這可能是由于陜南下墊面最為復(fù)雜，地勢(shì)起伏較大導(dǎo)致。

圖2 CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)空間分布(a、b 相關(guān)系數(shù)，c、d 平均誤差，e、f 均方根誤差；a、c、e 國(guó)家自動(dòng)氣象站，b、d、f 區(qū)域自動(dòng)氣象站)

2.2 不同區(qū)域評(píng)估結(jié)果

通過(guò)2.1節(jié)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在陜西不同區(qū)域的適用性有所差異，因此根據(jù)陜西地理分布特點(diǎn)，將其分為陜北、關(guān)中及陜南3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行評(píng)估。為便于比較，將站點(diǎn)氣溫及CMA-RA/Land氣溫處理為日平均值，并對(duì)3個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行平均。3個(gè)區(qū)域日平均氣溫時(shí)間變化序列對(duì)比如圖3所示，陜北CMA-RA/Land氣溫與站點(diǎn)氣溫變化趨勢(shì)一致，兩條曲線幾乎完全吻合，表明兩類數(shù)據(jù)差異很?。魂P(guān)中CMA-RA/Land氣溫略低于站點(diǎn)氣溫，2—5月兩條曲線吻合較好(圖3b)，其余月份CMA-RA/Land氣溫總體偏低；陜南CMA-RA/Land與站點(diǎn)氣溫差異相比陜北、關(guān)中而言偏大，CMA-RA/Land總體低于站點(diǎn)氣溫，但在2—5月二者差異較小(圖3c)。進(jìn)一步分析不同區(qū)域CMA-RA/Land氣溫與站點(diǎn)氣溫的偏差(圖4)，陜北TME在0 ℃附近波動(dòng)變化，但基本介于在-1～1 ℃之間， 表明CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)陜北氣溫不存在明顯地高估或低估；CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)關(guān)中所有月份氣溫均有所低估，對(duì)陜南低估更為明顯，但陜南3—4月存在高估。

圖3 2020年1—12月陜西3個(gè)區(qū)域(a 陜北；b 關(guān)中；c 陜南)日平均氣溫時(shí)間序列

圖4 2020年1—12月陜西3個(gè)區(qū)域氣溫平均誤差時(shí)間序列

2.3 不同海拔高度評(píng)估結(jié)果

為進(jìn)一步評(píng)估CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在不同海拔高度上的適用性，將所有站點(diǎn)按照海拔分為5個(gè)等級(jí)(0～499 m, 500～799 m, 800～999 m, 1 000～1 499 m, ≥1 500 m)，分別使用國(guó)家自動(dòng)氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站氣溫對(duì)不同海拔處CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。1 000～1 499 m海拔范圍內(nèi)的R和TACC均最大，CMA-RA/Land氣溫與國(guó)家自動(dòng)氣象站氣溫的R為0.986，TACC為0.77，與區(qū)域自動(dòng)氣象站氣溫的R為0.977，TACC為0.63(圖5a)；對(duì)應(yīng)這一海拔范圍內(nèi)的TRMSE和TMAE也最小(圖5b)，表明CMA-RA/Land在1 000～1 499 m海拔范圍內(nèi)與站點(diǎn)氣溫最為接近。800～999 m海拔范圍內(nèi)的TACC略低于1 000～1 499 m海拔范圍，其次為0～499 m和500～799 m(圖5a)，較高的TACC對(duì)應(yīng)較低的TRMSE和TMAE(圖5b)。當(dāng)站點(diǎn)海拔超過(guò)1 500 m時(shí)，R明顯降低，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與國(guó)家自動(dòng)氣象站和區(qū)域自動(dòng)氣象站氣溫的R分別為0.958和0.963(圖5a)，TRMSE和TMAE均高于其他海拔范圍(圖5b)，表明CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在海拔超過(guò)1 500 m時(shí)偏差較大。

“國(guó)家”表示國(guó)家自動(dòng)氣象站，“區(qū)域”表示區(qū)域自動(dòng)氣象站，圖b空白處數(shù)字為站點(diǎn)數(shù)量。圖5 不同海拔高度范圍內(nèi)CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果(a 相關(guān)系數(shù)、準(zhǔn)確率；b 均方根誤差、平均絕對(duì)誤差)

2.4 不同等級(jí)氣溫評(píng)估結(jié)果

對(duì)于同一區(qū)域，在不同月份CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)的適用性也存在差異，因此有必要將氣溫分為不同等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)圖3、圖4的結(jié)果，將氣溫分成5個(gè)等級(jí)(<-10 ℃, -10～-0.1 ℃, 0～19.9 ℃, 20～34.9 ℃, ≥35 ℃)，分別評(píng)估不同等級(jí)氣溫下CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)的效果，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)站點(diǎn)氣溫在-10～-0.1 ℃及0～19.9 ℃范圍時(shí)TRMSE和TMAE較小(圖6a)，對(duì)應(yīng)的TACC和TME絕對(duì)值也較??；不同的是，-10～-0.1 ℃范圍時(shí)TME為正值，而0～19.9 ℃范圍時(shí)TME為負(fù)值(圖6b)，表明CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)在-10～-0.1 ℃范圍內(nèi)存在高估，在0～19.9 ℃范圍內(nèi)存在低估。站點(diǎn)氣溫在20～34.9 ℃范圍時(shí)TRMSE、TMAE和TME絕對(duì)值略大，TACC略小。站點(diǎn)氣溫小于-10 ℃或超過(guò)35 ℃時(shí)，TRMSE、TMAE明顯增大，TACC降低；站點(diǎn)氣溫小于-10 ℃時(shí)TME為負(fù)值，大于35 ℃時(shí)TME為正值。上述結(jié)果表明，站點(diǎn)氣溫在-10～19.9 ℃范圍時(shí)，CMA-RA/Land與站點(diǎn)氣溫差異較??；站點(diǎn)氣溫在20～34.9 ℃范圍時(shí)次之；當(dāng)站點(diǎn)氣溫低于-10 ℃或超過(guò)35 ℃時(shí)，CMA-RA/Land與站點(diǎn)氣溫差異較大。值得注意的是，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)0 ℃以下氣溫存在高估，對(duì)0 ℃以上氣溫存在低估。此外，從各個(gè)評(píng)估指標(biāo)來(lái)看，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與國(guó)家自動(dòng)氣象站的一致性優(yōu)于區(qū)域自動(dòng)氣象站。

“國(guó)家”表示國(guó)家自動(dòng)氣象站，“區(qū)域”表示區(qū)域自動(dòng)氣象站。圖6 不同等級(jí)氣溫下CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果(a 均方根誤差、平均絕對(duì)誤差；b 平均誤差、準(zhǔn)確率)

3 結(jié)論

(1)CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)能較好地反映陜西氣溫實(shí)況，與站點(diǎn)氣溫的相關(guān)系數(shù)平均值為0.976，均方根誤差平均值為2.56 ℃。分區(qū)域來(lái)看，CMA-RA/Land在陜北的適用性最好，關(guān)中次之，陜南較差；此外，沿秦嶺山脈一帶的誤差明顯高于其他地區(qū)，表明在復(fù)雜下墊面下CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量有待進(jìn)一步提升。從各個(gè)評(píng)估指標(biāo)來(lái)看，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與國(guó)家自動(dòng)氣象站的一致性優(yōu)于區(qū)域自動(dòng)氣象站。

(2)CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)氣溫在陜北全年偏差均較小，對(duì)陜北氣溫不存在明顯高估或低估；在關(guān)中2—5月偏差較小，其余月份均有所低估；在陜南的低估最為明顯，但3—4月存在高估。

(3)站點(diǎn)海拔在1 000～1 499 m范圍時(shí)，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)氣溫最為接近，800～999 m范圍次之，其次為0～499 m和500～799 m；站點(diǎn)海拔超過(guò)1 500 m時(shí)，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)氣溫差異較大。

(4)站點(diǎn)氣溫在-10～19.9 ℃范圍時(shí)，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)氣溫差異較小，其次為20～34.9 ℃，站點(diǎn)氣溫低于-10 ℃或超過(guò)35 ℃時(shí)，CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)與站點(diǎn)氣溫差異較大。CMA-RA/Land氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)0 ℃以下氣溫存在高估，對(duì)0 ℃以上氣溫存在低估。