多源加權(quán)集成降水?dāng)?shù)據(jù)集在中山市的適用性分析

摘 要：以廣東省中山市作為研究區(qū)，利用雨量站實(shí)測(cè)降水資料對(duì)0.1°×0.1°空間分辨率的MSWEP降水產(chǎn)品區(qū)域適用性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：MSWEP降水產(chǎn)品精度較高，且能較為準(zhǔn)確地反映季節(jié)降水空間分布規(guī)律，在中山市有較高的適用性，可作為降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源使用。

關(guān)鍵詞： 降水；中山市；災(zāi)害預(yù)警；水資源管理

中圖分類號(hào)：P407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）11–0-03

降水是水文循環(huán)的重要組成環(huán)節(jié)之一，準(zhǔn)確的長(zhǎng)序列降水?dāng)?shù)據(jù)有助于分析未來(lái)降水趨勢(shì)和地區(qū)降水特性，可以提前預(yù)測(cè)因降水因素引起的自然災(zāi)害，為水資源管理、節(jié)水灌溉、引水調(diào)水等農(nóng)業(yè)保障措施提供數(shù)據(jù)支撐[1-5]。當(dāng)前，全國(guó)已建成7.6萬(wàn)余個(gè)地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站，在災(zāi)害預(yù)警中起到了關(guān)鍵作用，但所觀測(cè)數(shù)據(jù)并未完全開(kāi)源，致使其應(yīng)用范圍受到一定限制[6-10]。以MSWEP（Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation）為代表的系列降水?dāng)?shù)據(jù)集，融合了地面站點(diǎn)觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)、多種衛(wèi)星監(jiān)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)、再分析降水?dāng)?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，并使用地表或地下徑流數(shù)據(jù)及潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，具有歷史序列長(zhǎng)，空間覆蓋面廣，數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，為研究人員提供了有效的降水?dāng)?shù)據(jù)補(bǔ)充。國(guó)內(nèi)研究人員已對(duì)MSWEP數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)的適用性進(jìn)行了初步評(píng)估，但其研究往往側(cè)重于大面積流域的適用性，而MSWEP數(shù)據(jù)在小尺度上的適用性差異被忽略[11]。因此，選取廣東省中山市作為研究區(qū)，分析MSWEP數(shù)據(jù)在中山市月、季節(jié)尺度上的精度表現(xiàn)，以更精確的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在小空間尺度上的適用性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣東省中南部，地處珠江出?？?、

粵港澳大灣區(qū)幾何中心的中山市。地理坐標(biāo)為113°

09′02″～113°46′E，22°11′12″～22°46′35″N。行政轄區(qū)面積為1 899 km2，其中陸域面積1 781 km2，海域面積118 km2，是粵港澳大灣區(qū)中重要的節(jié)點(diǎn)城市，起著“東承西接”的重要作用，東與深圳市、香港隔海相望，中山港至香港94.45 km；東南與珠海市接壤，毗鄰澳門(mén)，石岐至澳門(mén)60 km；西面和西南面與江門(mén)市、新會(huì)市和斗門(mén)縣相鄰；北面和西北面與廣州市南沙區(qū)和佛山市相接；馬鞍和大茅等海島分布在市境東西的珠江口沿岸。

中山市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，雨量充沛。1991—2020年年平均氣溫為23.0 ℃。雨量充沛，年平均降水量為1 927.9 mm，日照時(shí)長(zhǎng)1 755.0 h。年平均雷暴日數(shù)為66.9 d。災(zāi)害天氣主要有臺(tái)風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所使用的數(shù)據(jù)來(lái)源包括兩類，分別是1981—2010年中山市實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)、多源加權(quán)集成降水?dāng)?shù)據(jù)集降水資料。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，區(qū)站號(hào)59485氣象站點(diǎn)的逐日降雨數(shù)據(jù)。

所使用的MSWEP降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)空間分辨率為0.1°×0.1°，空間覆蓋范圍為全球；時(shí)間分辨率為1 d，

時(shí)間覆蓋范圍為1981—2010年。MSWEP產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方法如下：

（1）將全世界67 000多個(gè)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)和6種遙感或者再分析數(shù)據(jù)的三日降水量平均值序列之間的決定系數(shù)作為權(quán)重，進(jìn)行空間加權(quán)插值計(jì)算，以得到6種數(shù)據(jù)來(lái)源的世界權(quán)重圖。

（2）基于經(jīng)實(shí)測(cè)河道流量及估算潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)校正后的WorldClim數(shù)據(jù)集計(jì)算地表長(zhǎng)期降水均值，對(duì)遙感/再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率校正。

（3）基于全球權(quán)重圖，分別對(duì)不同數(shù)據(jù)源組合逐柵格進(jìn)行加權(quán)平均融合，獲取多組融合降水估算數(shù)據(jù)。

（4）選擇與參考降水累積分布函數(shù)最為匹配的數(shù)據(jù)源組合進(jìn)行融合，并校正該組合融合數(shù)據(jù)的累計(jì)分布函數(shù)及時(shí)間變異性后，得到最終MSWEP數(shù)據(jù)[12]。

2.2 研究方法

整理出位于中山市區(qū)站號(hào)59485氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)，提取站點(diǎn)所在柵格的MSWEP對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)。以氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，整體、逐月對(duì)MSWEP數(shù)據(jù)精度進(jìn)行精度檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)方法采用相關(guān)系數(shù)（CC）驗(yàn)證衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性，采用相對(duì)偏差（BIAS）、均方根誤差（RMSE）量化衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差，采用納什效率系數(shù)（NSE）評(píng)價(jià)衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的匹配程度。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 MSWEP衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量整體評(píng)估

使用淮河流域1980—2010年氣象站實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)MSWEP產(chǎn)品的月降水精度，CHIRPS降水?dāng)?shù)據(jù)由站點(diǎn)坐標(biāo)所在柵格對(duì)應(yīng)提取。由圖1可知，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度較高，經(jīng)過(guò)計(jì)算其估算的月降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)CC達(dá)0.90，相關(guān)性較高；RMSE為75.73 mm，誤差值較??；BIAS為0.032 5，表明MSWEP數(shù)據(jù)對(duì)中山市降水有所高估；NSE為0.76，表明MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)與中山市實(shí)測(cè)降水匹配程度較高。

因太平洋及南中國(guó)海洋氣候影響，中山市每年降水多集中于4—9月。并且，降水量在汛期前后的區(qū)別明顯，在4—6月的前汛期，降水多為西南低空急流暴雨和鋒面雨；在7—10月，降水多為臺(tái)風(fēng)雨。逐月分析MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)精度可進(jìn)一步驗(yàn)證其在中山適用性，MSWEP降水產(chǎn)品逐月精度表現(xiàn)見(jiàn)表2。

由表2可知，從整體上看，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在1—12月均有較好的精度表現(xiàn)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各月的CC均＞0.6，且僅有5月的CC＜0.8。CC較高的月份集中于11月至翌年4月，表明MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)在非汛期與實(shí)際降水的相關(guān)性較好。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各月的RMSE為15.88～130.55 mm，在5—8月的誤差較大，均超過(guò)100 mm，這是由于5—8月處于主汛期，降水總量大且暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)。

與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各月的BIAS范圍為-0.09～0.33，其中，10月至翌年4月BIAS為正數(shù)，表明MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)際降水有所高估；5—9月，BIAS為負(fù)數(shù)，表明MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)際降水有所低估。

3.2 基于MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)的中山降水空間分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證MSWEP降水產(chǎn)品在中山市的適用性，將中山市市域范圍的MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)柵格進(jìn)行提取，并分別計(jì)算各柵格季節(jié)降水量，以分析中山市降水季節(jié)分布特征，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)能較為準(zhǔn)確地反映出中山市降水空間分布及季節(jié)間差異。在春、夏、秋三季，中山市降水空間分布地區(qū)變化較大，整體呈明顯南多北少趨勢(shì)，該結(jié)論與薛建強(qiáng)[13]利用中山市13個(gè)實(shí)測(cè)降水代表站點(diǎn)的分析結(jié)果相一致。冬季，中山北部地區(qū)鶯歌咀、南頭代表站冬季多年平均降水量分別為70.8、79.6 mm，大于南部地區(qū)大涌口冬季多年平均降水量43.6 mm。MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)反映出的中山市降水空間分布趨勢(shì)并不明顯，但降水量高值區(qū)域位于市域北部，與實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)表明的空間趨勢(shì)高度一致，在空間尺度上同樣表現(xiàn)出了較好的適用性。

4 結(jié)論

本研究以廣東省中山市作為研究區(qū)，利用雨量站實(shí)測(cè)降水資料對(duì)0.1°×0.1°空間分辨率的MSWEP降水產(chǎn)品區(qū)域適用性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）MSWEP月降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)CC為0.90，RMSE為75.73 mm，BIAS為0.032 5，整體精度較高。

（2）MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)各月CC為0.6～0.95，RMSE為15.88～130.55 mm，BIAS為-0.22～0.33，精度表現(xiàn)較好。

（3）MSWEP降水?dāng)?shù)據(jù)能較為準(zhǔn)確地反映出中山市降水空間分布的季節(jié)差異，與站點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。

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