HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的適用性分析①

朱君， 趙美艷， 王新， 廖偉， 李奇臨

重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心，重慶 401147

水蒸氣是大氣能量的重要載體,在極端天氣過程中占據(jù)重要作用,可對天氣和氣候、動植物生長、氣溶膠光學(xué)特性、太陽增溫率、能見度等產(chǎn)生較大影響[1-2].相對濕度作為基本的常規(guī)氣象觀測要素,是大氣水汽含量的物理參數(shù)之一[3-4],因此,準(zhǔn)確可靠的相對濕度數(shù)據(jù)對研究了解環(huán)境變化具有重要的現(xiàn)實意義[5].隨著資料同化技術(shù)的快速發(fā)展,中國氣象局自2014年以來,通過對產(chǎn)品時效的優(yōu)化、數(shù)據(jù)網(wǎng)格的調(diào)整,使一系列多源融合實況產(chǎn)品應(yīng)用于智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù),HRCLDAS是中國區(qū)域多源融合實況分析1 km分辨率產(chǎn)品之一,產(chǎn)品包括2 m相對濕度等數(shù)據(jù)[6-7].再分析資料是氣象觀測資料和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品融合的產(chǎn)品,具有數(shù)據(jù)產(chǎn)品分辨率高、時間序列長的特點[8-10],目前,全世界的再分析資料主要有歐洲中心的ERA5、日本的JRA55、美國的NCEP/NCAR R1等,其中最常用的是ERA5再分析資料[11-13].

近年來,渠鴻宇等[14]對HRCLDAS和ERA5再分析資料的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比評估分析,研究表明,兩者在我國的近海均具有較高的可信度;耿姍姍等[15]對ERA5 海面氣壓和風(fēng)速的再分析資料在渤海和北黃海海域的適用性進(jìn)行了分析,研究表明再分析資料與觀測資料具有良好的相關(guān)性,不同時間尺度的統(tǒng)計結(jié)果具有一定差異性;宇婧婧等[16]、劉婷婷等[17]、史嵐等[18]對降水融合實況產(chǎn)品在中國相關(guān)地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了大量的適用性評估和分析,為融合實況產(chǎn)品和ERA5再分析資料的本地化應(yīng)用提供了參考.本文利用地面站點觀測的相對濕度數(shù)據(jù)分析HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的適用性,對比分析2種相對濕度數(shù)據(jù)產(chǎn)品在重慶的準(zhǔn)確度和差異性,為2種相對濕度產(chǎn)品在本地的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和參考.

1 資料與方法

1.1 資料

1) HRCLDAS中國區(qū)域多源融合實況分析產(chǎn)品由國家氣象信息中心提供,2021年9月26日20時空間分辨率為0.01°×0.01°逐小時的2 m相對濕度.

2) ERA5再分析資料來源于歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)2021年10月1日-2022年9月30日的0.1°×0.1°的逐小時2 m溫度和2 m露點溫度,結(jié)合馬格納斯經(jīng)驗公式,計算出2 m相對濕度.

(1)

其中:RH為相對濕度;E0為水面或冰面溫度為0 ℃時的飽和水汽壓,E0=6.11百帕;Td為2 m露點溫度;T為2 m溫度.

3) 觀測站點: 重慶現(xiàn)有地面氣象觀測站點2 097個,其中開展相對濕度觀測的站點有520個,因此檢驗源數(shù)據(jù)選用重慶地區(qū)的520個地面氣象觀測站(圖1)2021年10月1日至2022年9月30日的逐小時相對濕度觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過了氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)的質(zhì)量控制,數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠.

運用雙線性插值方法,對HRCLDAS多源融合實況分析產(chǎn)品和ERA5再分析資料的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實現(xiàn)對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品與站點觀測數(shù)據(jù)的時空匹配.

注: 底圖來源于重慶市規(guī)劃和自然資源局“重慶市標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)”,審圖號: 渝S(2020)071號圖1 重慶市地面空氣濕度站點分布圖

1.2 評估指標(biāo)

利用誤差(E)、平均誤差(ME)、絕對誤差(AE)、平均絕對誤差(MAE)、相關(guān)系數(shù)(COR)等參數(shù)對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度進(jìn)行質(zhì)量評估.

E=Gi-Oi

(2)

(3)

AE=|Gi-Oi|

(4)

(5)

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 年度對比

利用觀測站點2021年10月1日至2022年9月30日的逐小時相對濕度觀測數(shù)據(jù)對HRCLDAS和ERA5再分析資料進(jìn)行評估分析,結(jié)果顯示,HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品年平均誤差為-0.06%、平均絕對誤差為0.91%、相關(guān)性系數(shù)為0.993;ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品年平均誤差為-3.14%、平均絕對誤差為10.02%、相關(guān)性系數(shù)為0.742,表明2種相對濕度產(chǎn)品相關(guān)性系數(shù)都在0.7以上,表明2種相對濕度產(chǎn)品在重慶均具有較好的適用性,但HRCLDAS的相對濕度準(zhǔn)確率更高;2種產(chǎn)品較站點觀測數(shù)據(jù)偏小,ERA5再分析資料相對濕度產(chǎn)品誤差偏大,說明ERA5再分析資料相對濕度產(chǎn)品誤差波動較大.

2.1.1 不同數(shù)值相對濕度對比

重慶地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),屬于高濕區(qū),年平均相對濕度多在70%～80%之間,通過計算得到2021年10月至2022年9月的年平均相對濕度為76.39%.結(jié)合2種相對濕度產(chǎn)品的誤差(圖2)和絕對誤差在重慶地區(qū)的散點分布圖(圖3),將站點觀測的相對濕度數(shù)據(jù)按照5個等級分別對2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行評估(表1),可以看出,2種相對濕度產(chǎn)品的誤差和相對濕度觀測數(shù)據(jù)呈相反關(guān)系.ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品的平均絕對誤差整體偏大,當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)小于30%時,產(chǎn)品數(shù)值明顯偏大,平均誤差和平均絕對誤差均為37.76%;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)在30%～70%的區(qū)間時,產(chǎn)品數(shù)值整體偏大,而相對濕度在50%～70%時,產(chǎn)品準(zhǔn)確率更高;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)在70%～90%的區(qū)間時,產(chǎn)品準(zhǔn)確率最高;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)大于90%以后,產(chǎn)品數(shù)值偏低趨勢逐漸增大.HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品整體質(zhì)量更優(yōu),當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)小于30%時,產(chǎn)品數(shù)值整體偏大;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)在30%～70%的區(qū)間時,產(chǎn)品數(shù)值整體略偏大,且準(zhǔn)備率最高;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)大于70%以后,產(chǎn)品數(shù)值整體略偏低;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)大于90%以后,產(chǎn)品數(shù)值偏低趨勢逐漸增大.

圖2 2種相對濕度產(chǎn)品的誤差在重慶地區(qū)的散點分布圖

圖3 2種相對濕度產(chǎn)品的絕對誤差在重慶地區(qū)的散點分布圖

表1 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)不同相對濕度觀測數(shù)據(jù)區(qū)間的質(zhì)量對比評估結(jié)果

2.1.2 不同海拔高度對比

重慶復(fù)雜多變的地形,海拔落差大(73.1～ 2796.8 m),同時兼有山地、丘陵、盆地和河谷等不同的地形地貌特征[19],因此在對比分析時將海拔高度分為: 小于500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500 m以上4級,分別對2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行對比評估.結(jié)果表明: HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品隨著海拔的升高,平均誤差和平均絕對誤差呈增大趨勢.ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品整體偏小;HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品在低海拔地區(qū)偏大,海拔高度大于等于500 m以后,數(shù)據(jù)偏小(表2).

表2 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)不同海拔高度的質(zhì)量對比評估結(jié)果

2.2 季際對比

針對不同季節(jié),分別對2種相對濕度產(chǎn)品進(jìn)行評估分析發(fā)現(xiàn),2種相對濕度產(chǎn)品均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品質(zhì)量總體表現(xiàn)為春季最優(yōu),夏季次之,冬季相對最差;數(shù)據(jù)質(zhì)量在秋冬季有一個明顯的降低,誤差在-5%以上,絕對誤差在10%以上;冬季質(zhì)量最差相關(guān)性系數(shù)為0.628,平均誤差為-5.62%,平均絕對誤差為11.03%.HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品與ERA5略有不同,總體表現(xiàn)為夏季最優(yōu),春季次之,冬季最差;在夏季的時候質(zhì)量最優(yōu),平均誤差為-0.04%,平均絕對誤差為0.84%,相關(guān)性系數(shù)為0.995(表3).

表3 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)不同季節(jié)的質(zhì)量對比評估結(jié)果

2.3 月際對比

對比分析2種相對濕度產(chǎn)品的逐月平均誤差、平均絕對誤差、全年月平均相對濕度的特點發(fā)現(xiàn)(圖4),2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的逐月變化趨勢與全年月平均相對濕度變化的情況基本一致,當(dāng)月平均相對濕度升高,則2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量同步提高;月平均相對濕度降低,2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量同步降低.2022年7月至2022年8月,重慶遭受了自1961年有完整氣象觀測記錄以來綜合強(qiáng)度最強(qiáng)的高溫天氣過程,可以看出,7月至8月的月平均相對濕度有一個明顯的降低趨勢,ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品的平均偏差出現(xiàn)了偏大的情況;HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品隨著月平均相對濕度的降低其產(chǎn)品質(zhì)量降低,隨著月平均相對濕度的升高產(chǎn)品質(zhì)量升高.

圖4 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)逐月平均誤差、絕對誤差和相對濕度分布圖

2.4 日對比

分析2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)逐小時平均誤差和平均絕對誤差分布發(fā)現(xiàn)(圖5),ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品的逐小時平均誤差均為負(fù)值,HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品的逐小時平均誤差除16時以外均為負(fù)數(shù),16時的平均絕對誤差為0.01%,說明2種相對濕度產(chǎn)品的整體數(shù)值偏小.HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品誤差隨時間的變化呈兩頭低、中間高的特點,13時和17時的絕對偏差在1%以上,產(chǎn)品無明顯的晝夜差別.ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品誤差隨時間變化呈現(xiàn)兩頭高、中間低的特點,且有較為明顯的晝夜區(qū)分;白天數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要優(yōu)于晚上,下午數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量為最優(yōu),其中以14時至16時的數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu).

圖5 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)日逐小時平均誤差和平均絕對誤差分布圖

3 結(jié)論與討論

利用重慶520個地面氣象觀測站的相對濕度觀測數(shù)據(jù),對HRCLDAS和ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的適用性進(jìn)行分析評估,結(jié)論如下.

1) 2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)具有較高的相關(guān)性,HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu);海拔高度的變化對2種相對濕度產(chǎn)品都具有較大的影響,相對濕度產(chǎn)品隨著海拔的升高,數(shù)據(jù)質(zhì)量降低.

2) 針對不同相對濕度觀測數(shù)值,2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的質(zhì)量有明顯差異,相對濕度越小或越大時,2種相對濕度產(chǎn)品的誤差較大;當(dāng)相對濕度觀測數(shù)據(jù)在70%～90%區(qū)間時,2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量最優(yōu).

3) HRCLDAS的相對濕度產(chǎn)品隨小時時間呈兩頭低、中間高的特點;ERA5再分析資料的相對濕度產(chǎn)品質(zhì)量隨小時時間呈兩頭高、中間低的特點,有較為明顯的晝夜區(qū)分;2種相對濕度產(chǎn)品在重慶地區(qū)的逐月變化趨勢與月平均相對濕度變化基本一致,月平均相對濕度越高,2種相對濕度產(chǎn)品的質(zhì)量越好.

總體來看,2種相對濕度產(chǎn)品空間分辨率存在差異,但HRCLDAS相對濕度產(chǎn)品的空間分辨率、可信度更高;用戶在對產(chǎn)品進(jìn)行使用時,須根據(jù)個性需求進(jìn)行選擇.但針對不同海拔、時次、月份、季節(jié)等條件,2種相對濕度產(chǎn)品都需進(jìn)一步研究分析和優(yōu)化,只有不斷提升質(zhì)量才能更好地為產(chǎn)品的本地化應(yīng)用提供保障和依據(jù).