基于天津市全城气象观测数据的高分辨率实况分析产品质量评估

梁 健，徐 梅，任建玲，李宗飞

(天津市气象信息中心 天津 300074)

0 引 言

随着智能网格预报技术需求的提升，中国气象局国家气象信息中心的师春香团队在引进美国、欧洲等先进数据同化技术的同时[1]，结合我国气象数据状况，自主创新发展了一套满足中国气象预报业务的陆面同化系统[2-3]。将地面观测、雷达和卫星等气象数据进行多元融合，研发完成了降水、气温、风、湿度、能见度、总云量等地面要素以及土壤温湿度、海温海风、三维云等多种实况融合产品。在2003年，实现了国家级陆面要素产品(CLDAS-V1.0)的业务化生产和发布[4-5]；并于2015年，推出了陆面同化系统升级的第2个版本(CLDAS-V2.0)，并进行了实时的生产和发布。2017年为了业务需求，继续研发高分辨率陆面数据同化系统(HRCLDAS-V1.0)，空间分辨率为0.01°×0.01°，比起CLDAS-V2.0更为精细其在同类产品中时空分辨率最高。本文将基于天津市254个地面观测站数据对HRCLDAS产品的温度、风速进行质量评估。

1 数据和方法

1.1 数据来源

1.1.1 观测资料

2020年9月1日至2020年9月30日天津市254个观测站逐小时地面温度和降水资料由中国气象局国家气象信息中心提供。这254个观测站中包括13个国家站和241个天津市区域自动站。

1.1.2 产品资料

本文所评估的多源气象数据融合产品(以下简称产品)资料是来自于国家气象信息中心发布的逐小时温度和降水数据，空间分辨率为1 km×1 km；评估时段为2020年9月1日00时至30日23时(北京时)；评估对象是天津市2 m气温和风速。

1.2 评估方法

评估前，剔除了产品和实况资料中缺省时刻的数据，之后采用双线性方法将逐小时产品数据插值到地面观测站点上，在评估过程中，以天津市254个地面观测气象站点小时观测资料为“真值”，并利用与参考中国气象局发布的《实况分析产品质量评估规范(2019版)》中的统计评估方法和指标对以上4种降水融合实况分析产品多源融合实况分析产品逐小时降水数据进行评估。

具体的评估指标包括平均值误差(ME)、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、相关系数(COR)。各指标的计算公式如下：

平均误差(ME)：

平均绝对误差(MAE)：

均方根误差(RMSE)：

相关系数(COR)：

其中：Oi为站点观测值；Gi为产品插值到对应的地面观测站点得到的数值；N为参与检验的总样本数(站次数)[1]。

2 温度高分辨率实况分析产品评估

图1 为天津市全区2 m气温产品与观测的ME、MAE、RMSE和COR的评估时间序列图。从图中可以看出，多源融合产品对2 m气温观测的同化结果除5日、18日、26和27日的误差较大之外，其余天数误差较小，均在0.02℃以内；MAE在0.1～0.65℃范围内；RMSE的分布型与MAE相似，但数值大小存在差异；除20日和27日出现波动外，大部分天数的相关系数均达到0.98以上。总体而言，多源融合产品对天津市全区2 m气温的评估质量较为稳定，与观测站点资料具有较高的一致性。

从ME、MAE、RMSE和COR的空间分布图可以看出，全区产品的误差分析具有明显的区域差异。与观测相比，产品对天津市北部蓟州山区2 m气温的同化结果误差较大，最大的ME范围在±0.8℃；城区和海滨区域的误差大小较为相近，ME的范围在±0.4℃；MAE和RMSE的分布较为相似，大多数站点的MAE和RMSE在0.5℃以下，最大的高估区存在于北部蓟州区和城区。这可能是由于北部蓟州山区和城区的复杂下垫面造成的。全区各个站点产品同化结果与观测的相关性较高，所有站点的COR均在0.97以上。相较而言，北部蓟州山区的ME、MAE和RMSE较大，且COR较小；城区、海滨次之。

3 风速高分辨率实况分析产品评估

由图2中可以看出，风速产品同化结果和观测之间的ME在0.08 m/s到-0.16 m/s范围内，呈波动分布。其中，产品同化结果高估了9月26日和27日两天的全区平均风速，ME约为0.08 m/s；其余的天数均为低估(图2a)。风速产品同化结果和观测的MAE和RMSE的变化范围分别介于0.18～0.38 m/s和0.09～0.27 m/s之间(图2b和图2c)。COR的结果显示了除26日外，风速产品同化结果和观测之间的COR几乎均在0.9以上(图2d)。总体而言，风速产品同化结果的质量也较为稳定，与观测站点资料具有较高的一致性。

从天津全区的10 m风速产品同化结果和观测的评估发现，除了少数站点外，大多数站点ME的数值均为正值，分区区间大多在0～0.3 m/s之间，MAE和RMSE的结果表明，ME和RMSE的大值区主要位于北部蓟州山区和城区，MAE和RMSE最大可达到1 m/s左右；大部分站点的MAE和RMSE低于0.5 m/s；全区的COR结果显示，大多数站点的COR均在0.9以上，COR最小的主要集中于城区以及北部蓟州山区。可能是由于多源融合产品对北部蓟州山区和中心城区地形的复杂程度或站点自身代表性存在问题，在使用北部蓟州山区和中心城区风速产品时需引起注意。

4 结论与讨论

本文基于天津市254个地面观测温度和降水数据，检验和评估了由中国气象局国家气象信息中心下发的最新的高分辨率多源气象数据融合产品。首先，采用双线性统计方法对2020年9月高分辨率格点产品进行站点插值；接着，计算了ME、MAE、RMSE和COR等评估指标；最后对这些指标的时间和空间分布进行全面的分析。结果表明：

①总体来看，通过对天津市全区的2 m气温和10 m风速评估发现，产品的同化结果与观测实况基本一致，误差较小，相关性较高。相比较而言，2 m气温和10 m风速的评估结果误差较大的站点主要集中在北部蓟州山区和城区。可能是由于多源融合产品对北部蓟州山区和中心城区复杂下垫面的同化能力或者站点自身代表性存在问题，因此在使用北部蓟州山区和中心城区风速产品时需引起注意。

②本文仅对9月份一个月的产品进行评估，可能产品质量的稳定性还有待进一步测试。另外根据温度和风速误差的空间分布进行推测，对于不同下垫面如山区、海滨、中心城区，如何在使用这套高分辨率实况分析产品时进行订正，这些问题有待进一步深入研究和思考。■