四种降水融合产品在四川持续性强降水过程中的对比评估

郭 旭,龙柯吉,范江琳,黄晓龙

（1.四川省气象探测数据中心，成都 610072；2.四川省气象台，成都 610072；3.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072）

引言

四川地区自古多雨，加之地形、地质、地貌又极端复杂，每年汛期的强降水，特别是持续性强降水往往会带来严重的洪涝灾害和次生灾害，给该地区造成大量的人员、财产及经济损失。为了提供更准确的天气预报，及时准确地发布预警信息，减少灾害损失和人员伤亡，气象科研业务人员针对持续性强降水的研究从未停止过。现阶段，获取研究所需降水资料的途径主要有三个：常规地面观测、地基天气雷达和气象卫星遥感[1]。但是，受制于四川地区地表环境错综复杂，各类观测站网空间分布不均匀，雷达卫星资料反演难度较高等因素，很难获取到覆盖全面且准确可靠的降水数据。因此，急需一种质量高、覆盖全、易读取的降水产品来弥补上述缺憾。

近年来，国家气象信息中心在引进国际先进融合技术的基础上，消化吸收并自主创新，逐步建成了自己的数据同化系统和融合分析系统[2]。其中师春香团队[3-8]始终不断发展和完善多源数据融合技术，创新发布了多种实况格点融合产品，特别是针对降水数据，将常规观测、天气雷达、卫星等多种资料进行融合，研发了多种二源（地面、雷达）和三源（地面、雷达、卫星）实况降水融合产品[9-13]。这些产品的空间范围覆盖全国陆地区域（70°～140°E，0°～60°N），空间分辨率分为0.05°×0.05°（5km）和0.01°×0.01°（1km）两种，包括逐10min、逐1h、3h、24h等多种时间分辨率，根据产品生成时间不同，又分为实时产品和近实时产品。

国家气象信息中心下发的实况融合产品种类丰富多样，包含了多种不同时空分辨率的观测要素。但是，在使用前，对这些产品在四川地区的适用性、产品一致性等进行对比评估和分析研究是很有必要的，这样就可以为科研业务人员使用这些产品提供参考和依据。龙柯吉等[14- 15]、吴薇等[16]、蒋雨荷等[17]以及郭旭等[18]已经对这些实况融合产品中的气温、降水、能见度、土壤水分等要素在四川地区的表现进行了分析评估，但专门针对实况融合产品在四川持续性强降水过程中的表现的研究仍不多见，本文拟对其中四种降水融合产品在四川2020年8月一次持续性强降水过程中的表现进行对比评估分析。

1 资料和方法

本文对比评估的国家气象信息中心研发的四种降水实况融合产品分别为：5km×5km分辨率的地面-卫星二源融合快速产品（简称为FAST_5KM）、5km×5km分辨率的地面-卫星-雷达三源融合实时产品（简称为FRT_5KM）、1km×1km分辨率的实时融合产品（简称为RT_1KM）和1km×1km分辨率的近实时融合产品（简称为NRT_1KM）。对比评估的站点资料为四川省156个国家级地面自动站和5651个区域自动站中质控码为0（正确）的降水观测数据。

采用邻近插值法，以观测站点的经纬度为准，选取降水融合产品中离站点最近的格点，将格点值赋给站点，从而将降水融合产品转化为站点降水资料。此外，本文分析是基于融合产品与实况站点资料之间的对比，在计算累计雨量时，当某站点有小时资料缺测时，不进行统计。评估指标及计算方法参考中国气象局《实况分析产品质量评估规范（2019版）》。

对比评估指标包括：偏差BIAS、晴雨准确率PC、TS评分、空报率FAR和漏报率PO，具体公式如下：

其中，Oi为站点观测值，Gi为降水融合产品插值到评估站点后得到的数值，NA为融合产品与实况站点均发生的站点数，NB为融合产品发生而实况站点不发生的站点数，NC为融合产品不发生而实况站点发生的站点数，ND为融合产品和实况站点均不发生的站点数。

2 降水过程实况

2020年8月10～18日，四川省出现了持续性暴雨过程，降水落区主要集中在四川盆地西部，此次过程具有持续时间长、小时雨强大、覆盖范围广、累计雨量多等特点。8月10日20时～18日20时（图1a），累计雨量在50～99.9mm的站点有1170个，100～249.9mm有1565站，250～500mm有996站，500～800mm有367站，800～1000mm有53站，1000～1500mm有11站，最大累计雨量出现在德阳什邡师古站（1218mm），最大小时雨强出现在雅安芦山芦阳磨骆站（156.8mm）。

图1 过程累计降水量空间分布（a.2020年8月10日20时～18日20时，b.2020年8月10日20时～13日20时，c.2020年8月14日20时～18日20时，单位：mm）

主要降水时段分为两个，分别为：11～13日的先阻后移型（阶段一）和15～18日的稳定阻塞型（阶段二）。对于阶段一，强降水落区11日主要位于盆地西部沿山，12日有所东扩，13日东移至盆地东北部、中部及南部一带；从累计雨量来看（图1b），盆地大部、川西高原北部、攀西地区出现了50mm以上降水，中心雨带位于盆地西部，50mm以上站点多达3037个，其中250mm以上有252站，最大累计雨量出现在德阳什邡师古站（542.1mm），最大小时雨强位于雅安芦山芦阳磨骆站（156.8mm）。对于阶段二，降水落区基本维持在盆地西部，从盆地西北部逐渐向盆地南部、攀西地区扩展，根据累计雨量（图1c），盆地西部、川西高原和攀西地区出现了50mm以上降水，中心雨带仍然位于盆地西部，50mm以上站点达2947个，其中250mm以上有801站，最大累计雨量和最大小时雨强均出现在德阳旌阳区黄许新太站（分别为865.1mm和118.4mm）。由此可见，阶段一强降水范围更广，小时雨强更强；阶段二则因为降水重叠区域大、持续时间长，所以累计雨量更大。

3 过程累计降水量对比

2020年8月10日20时～18日20时，融合产品的过程累计降水量（图2）与实况（图1a）相比较，降水融合产品的降水落区和雨带形态均与实况较为一致，但局部地方的降水量级与实况仍有一定差异。FAST_5KM与实况的差异主要表现在：阿坝州、盆地内降水普遍较实况偏强，但800mm以上落区较实况偏小。FRT_5KM产品50mm以上落区与实况基本一致，但对降水落区的描画不够细致，未体现出100mm以上落区中的50mm的降水，如资阳西部。RT_1KM和NRT_1KM的降水落区基本与实况一致，但800mm以上范围仍较实况略偏小，相较而言，NRT_1KM与实况更接近。总体而言，四种融合产品均能很好地反映此次降水过程，其中以NRT_1KM与实况的匹配度最高。

图2 2020年8月10日20时～18日20时累计降水量空间分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，单位：mm）

从2020年8月10日20时～18日20时累计降水量偏差空间分布（图3）可知，5km产品的偏差普遍比1km产品的偏差大，其中又以FAST_5KM的偏差最大，盆地西部沿山一带较实况偏小，盆地中部一带较实况偏大，偏差值集中在50mm内。对于FRT_5KM，较实况偏差更明显的落区主要位于盆地西部，且以偏小为主，大多位于50mm内，其余地方与实况偏差较小，偏差集中在10mm内。RT_1KM和NRT_1KM与实况的偏差均较小，主要集中在10mm内，仅个别站点偏差值超过50mm。总的来看，除FAST_5KM，其余三种融合产品与实况虽有偏差，但偏差在可接受的范围内，均能很好地反映实况，其中1km产品的偏差更小，稳定性更强。

图3 2020年8月10日20时～18日20时累计降水量偏差空间分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，单位：mm）

为了进一步比较降水融合产品与实况之间的偏差，统计分析了不同产品中不同量级降水出现的站点数（表1）。从表1中可以看出，暴雨量级（≥50mm降水），FAST_5KM较实况多266个站点，FRT_5KM较实况多97站，RT_1KM较实况多1245站，NRT_1KM较实况多1267站；大暴雨量级（≥100mm降水），FAST_5KM比实况多346个站点，FRT_5KM较实况多45站，RT_1KM较实况多1219站，NRT_1KM较实况多1231站。

表1 不同量级降水量站点个数

综上所述，过程雨量在500mm以下，融合产品比实况降水范围偏大，强度比实况偏强；而过程雨量在500mm及以上，融合产品比实况范围偏小，强度比实况偏弱。

3.1 2020年8月10～13日过程累计降水量对比

2020年8月10日20时～13日20时，融合产品过程累计降水量（图略）与实况（图1b）相比较，融合产品的降水落区和雨带形态均与实况较为一致，但局部地方的降水量级与实况仍有一定差异。其中，FAST_5KM与实况的差异主要表现在50mm以上落区明显较实况偏大，但250mm以上量级降水较实况偏小。FRT_5KM产品500mm以上落区与实况基本一致，但对降水落区刻画不够细致，不能体现出大量级降水中的小量级降水，且250mm以上降水落区较实况偏小。对于RT_1KM和NRT_1KM，强降水落区与实况具有很好的一致性，但250mm以上落区仍较实况略偏小，相较而言，NRT_1KM的特大暴雨落区与实况更接近。总体而言，四种产品均能很好地反映此次降水过程，其中以NRT_1KM与实况的匹配度最高。

图4为8月10日20时～13日20时实况与各融合产品降水量偏差的空间分布。如图所示，四种融合产品中，FAST_5KM与实况的偏差最明显，盆地西部、北部以正偏差居多，即降水量级较实况偏小，盆地东北部和南部降水以负偏差居多，较实况偏大。从偏差值来看，川西高原和攀西地区的偏差在10mm内，盆地大部的偏差在50mm内。FRT_5KM在盆地内以正偏差为主，即降雨量级较实况偏小，偏差值在50mm内，且50mm偏差范围较FAST_5KM要小。RT_1KM和NRT_1KM的降水量级与实况基本一致，全省的误差基本集中在10mm内。

图4 2020年8月10日20时～13日20时累计降水量偏差空间分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，单位：mm）

由上可知，四种融合产品均能有效地反映降水实况，其中1km融合产品与实况的偏差最小，优于5km融合产品。

3.2 2020年8月14～18日过程累计降水量对比

2020年8月14日20时～18日20时，融合产品过程累计降水量（图略）与实况（图1b）相比较，降水融合产品的落区和雨带形态均与实况较为一致，但局部地区的降水量级与实况仍有一定差异。其中差异最为明显的仍然是FAST_5KM，主要表现在500mm以上降水落区均较实况偏大，而累计雨量800mm以上的区域较实况偏小。FRT_5KM、RT_1KM和NRT_1KM三种产品在暴雨、大暴雨和特大暴雨的表现与实况基本一致，500mm以上降水落区与实况最接近的是NRT_1KM。

图5为8月14日20时～18日20时实况与各融合产品降水量偏差的空间分布。由图可知，5km融合产品的偏差较1km更明显，而FAST_5KM尤为突出，盆地西部沿山一带以正偏差为主，即较实况雨量偏小，偏差以50mm内为主，个别地方超过100mm；盆地中部以负偏差为主，即较实况偏大，且偏大较明显，其中绵阳、德阳、成都、眉山四市东部和资阳、内江、自贡三市东部较实况偏大最明显，偏差值集中在50～100mm，个别地方超过100mm。FRT_5KM明显比FAST_5KM偏差小，偏差较大的地方主要位于盆地西北部，以正偏差为主，且值位于50mm以内。而RT_1KM和NRT_1KM产品的偏差更小，全省大部地方偏差集中在10mm以内。

图5 2020年8月14日20时～18日20时累计降水量偏差空间分布（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，单位：mm）

对于此次过程，FRT_5KM同样优于FAST_5KM，而1km产品又优于5km产品。

3.3 过程最大降雨量对比

如图6所示，在2020年10日20时～18日20时累计降水量中，最大降水出现在德阳什邡师古站，降水量为1218mm。FAST_5KM的最大降水出现在绵阳安州桑枣齐心站，位置略有偏差，降水量为892mm，与实况相比明显偏小；FRT_5KM的最大降水出现在绵阳北川永安站，位置略有偏差，降水量为879mm，与实况相比明显偏小；RT_1KM的最大降水出现在广元利州大石漫天岭站，位置略有偏差，降水量为1395mm，与实况相比偏大；NRT_1KM的最大降水也出现在广元利州大石漫天岭站，位置略有偏差，降水量为1271mm，与实况相比略偏大。从上面的分析可以看出，四种降水融合产品的降水中心与实况位置都略有偏差，FAST_5KM和FRT_5KM存在24h极大值比实况偏小的情况，RT_1KM和NRT_1KM的24h极大值比实况略偏大，相对而言，1km优于5km产品，近实时产品更接近实况。

图6 2020年8月10日20时～18日20时过程最大降水量（单位：mm）

对于实况降水中心，以过程累计降水量最大站点德阳什邡师古站为代表，通过该站的累计降水量（图7a）可以看出，四种降水融合产品对应的累计降水量分别为683mm、638mm、927mm、928mm，1km产品的降水量较5km产品的降水量有明显的提升，更接近实况，但与实况仍然有一定偏差。从逐小时降水量变化图（图7b）可以看出，德阳什邡师古站的小时降水量主要出现了5次峰值，分别在11日11时、12日08时、16日03时、17日03时、17日23时，小时降水量分别为69.5mm、42.7mm、85.5mm、62.3mm、20.7mm。四种降水融合产品同样能反映出5个峰值的特征，但峰值均低于实况小时降水量峰值，相对而言，1km产品的小时降水量更接近实况，另外，FAST_5KM于15日02～05时出现了明显大于实况的现象。

图7 德阳什邡师古站2020年8月10日20时～18日20时累计降水量（a）及逐小时降水量变化（b）

4 24h降水对比

从整个持续性降水过程及两个阶段的TS评分来看（图8），1km两种融合产品的评分较为稳定，暴雨、大暴雨和特大暴雨的评分分别达到0.89、0.83、0.67以上，NRT_1KM略优，5km两种产品的评分均随着降水量级的增大明显下降，特大暴雨的评分仅在0.3左右，FRT_5KM更优。结合空报率和漏报率，5km产品对于特大暴雨的漏报率显著提高，并且对于各量级的空报率也较大，导致其评分明显低于1km产品。对于两个降水阶段，四种产品的表现与整个过程相似，两个阶段中评分均随着降水量级的增大逐渐减小，5km产品更为明显，其中NRT_1KM评分最优，RT_1KM次之，FAST_5KM最差，对比而言，阶段一的评分优于阶段二。

图8 整个过程及分时段的24h累计降水量客观检验（a.TS评分，b.漏报率，c.空报率）

分析逐日晴雨准确率、暴雨及以上量级降水的客观TS评分（图9a），两种1km产品的晴雨准确率均达到0.95以上，5km产品普遍在0.9附近，稳定性相对较差，13、14日在0.8左右，相对而言FRT_5KM评分更高。对于TS评分，四种产品的评分都随着降水量级的增大而降低，1km产品暴雨及以上量级评分明显优于5km产品。对于13、14日，四种融合产品的各项评分均明显偏低（图略），13日漏报较多导致该日评分偏低，14日评分较低则是由于暴雨和大暴雨空报较多，特大暴雨漏报较多，其中FAST_5KM最为明显，另外，强降水样本少也是导致评分偏低的一个重要原因。综合而言，四种融合产品均能很好地反映降水实况，1km产品的评分优于5km产品，其中1km产品中NRT_1KM评分略优，5km产品中FRT_5KM评分更优。另外，对比逐日降水落区和评分，评分的高低与强降水的集中程度和范围密切相关。相对而言，强降水越集中、范围越大，评分越高，5km产品受其影响更为明显。因此，14日、16日的强降水落区较为分散是导致阶段二评分相对较差的原因。

图9 逐日24h累计降水量客观检验（a.晴雨准确率，b.暴雨TS评分，c.大暴雨TS评分，d.特大暴雨TS评分）

5 最大小时雨强对比

实况显示（图10a），2020年8月10～18日降水过程中的最大小时雨量20mm以上区域集中在盆地西部、西南部、南部、中部和攀西地区南部，其中盆地西部、西南部、南部和中部的部分地方最大小时雨量超过60mm，个别地方超过80mm。从四种融合产品的最大小时降水量分布（图10b～e）来看，降水中心和雨强与实况有较好的对应性，但小时雨强50mm及以下量级降水较实况偏多，50mm以上较实况偏少。FAST_5KM显示盆地内最大小时雨量20～50mm空报较多，50mm以上漏报明显。FRT_5KM较FAST_5KM有所改善，最大小时雨量20～50mm的区域较实况略偏小，但50mm以上仍漏报明显。1KM产品各等级的小时雨强与实况落区分布基本一致，差异较小，仅对80mm以上的小时雨强漏报较明显。

图10 2020年8月10日20时～18日20时最大小时降水量（a.实况，b.FAST_5KM，c.FRT_5KM，d.RT_1KM，e.NRT_1KM，单位：mm）

从四种降水融合产品的最大小时降水量偏差分布（图11）可知，FAST_5KM在盆地北部、西部、西南部、攀西地区表现为正偏差，即较实况偏小，偏差值多位于10mm内，偏差值较大的区域主要集中在盆地西部和西南部，偏差值为10～50mm；盆地中部和南部主要为负偏差，即较实况偏大，偏差值在10～50mm的区域主要位于盆地南部，其余地方偏差＜10mm。FRT_5KM主要表现为全省大部地方为正偏差，偏差大的地方同样位于盆地西部和西南部，偏差值为10～50mm。1KM产品在全省大部地方为正偏差，RT_1KM和NRT_1KM偏差值多位于10mm内。细致分析逐日降水的最大小时降水量，除12日20时～13日20时、14日20时～15日20时融合产品的日最大小时雨量较实况差异略大外，其余时段的差异均较小。各种融合产品的小时最大雨强的分布形态和落区、强度与实况差异均较小，主要存在的问题是小量级降水（40mm及以下）落区偏大，大量级降水（40mm及以上）较实况偏少，其中以NRT_1KM与实况偏差最小。综合而言，FAST_5KM与实况差异最明显，FRT_5KM、RT_1KM、NRT_1KM三种产品与实况差异较小，其中以NRT_1KM最接近实况。

图11 2020年8月10日20时～18日20时最大小时降水量偏差（a.FAST_5KM，b.FRT_5KM，c.RT_1KM，d.NRT_1KM，单位：mm）

6 结论与讨论

针对2020年8月发生在四川盆地的持续性强降水过程，利用多种指标对四种降水融合产品的过程累计降水量、24h累计降水量、小时雨强等表现进行评估，结论如下：

（1）对于过程累计降水量，四种融合产品均能很好地反映此次降水过程，1km产品降水落区刻画更为细致，和实况有较高的一致性，NRT_1KM偏差最小，而FAST_5KM与实况差别最大。四种产品的降水中心与实况位置都略有偏差，1km产品的降水中心值较5km产品有明显的提升，更接近实况。四种产品的小时降水量走势与实况一致，但峰值都低于实况的小时降水量峰值，1km产品的小时雨量更接近实况。

（2）对于24h累计降水量，四种降水融合产品能表征出逐日降水落区的移动，且降水落区、走向和雨带形态均与实况较为一致。四种产品无雨站点都较实况偏少，1km和5km产品准确率分别在0.95、0.9左右。1km产品的分量级评分均优于5km产品，其中NRT_1KM评分更好，5km产品中FRT_5KM评分优于FAST_5KM，评分的高低与强降水的集中程度和范围密切相关，强降水越集中、范围越大，评分越高。不同降水阶段的评分有所差异，阶段一的评分更优，而14日、16日的强降水落区较为分散是导致阶段二评分相对较差的原因。

（3）降水融合产品的小时最大雨强与实况均有较好的对应关系，其中1km产品优于5km产品，FRT_5KM优于FAST_5KM，NRT_1KM最优。

综合而言，1km产品优于5km产品，1km的近实时产品优于实时产品，5km三源产品优于二源产品。另外，此次过程中FAST_5KM的稳定性相对较差，个别时次与实况差异较大，有必要与站点实况结合使用；1km产品出现的极值中心点雨量与站点实况雨量差异很大，这是由融合的雷达降水较大造成，其正确性有待进一步研究。