多源融合实况气温数据适用性评估分析

吕晓娟，赵奕安

（河北省威县气象局，河北 威县 054700）

近年来，我国精细化格点实况业务迅猛发展，地面观测站网密度不断增加，国家气象信息中心、公共气象服务中心等单位先后研发了高分辨率的地面格点实况产品[1]。多源融合实况业务数据是利用数据融合与数据同化技术，综合多种来源观测资料及多模式模拟数据，获得高精度、高质量、时空连续的多源数据融合气象格点产品。

2019年，中国气象局把威县列为河北省唯一实况业务建设试点，梨产业是威县精准扶贫和乡村振兴的主要抓手之一，温度是影响梨生长发育的重要环境因子，随着格点实况产品的丰富及本地化应用的不断扩展，为确保能够为精细化格点预报和模式评估检验提供可靠的基础数据，有效提高威梨气象服务，因此开展多源融合实况气温数据检验，对减轻县域气象灾害损失、促进梨产业发展非常必要。

目前，有许多针对格点实况与观测差异的检验方法，业务中对气温、相对湿度和风等预报变量进行各类误差分析、相关系数检验等。本文主要通过相关性分析、误差分析等传统数据检验方法，对格点实况2 m气温在威县区域内进行了检验评估，分析讨论该格点数据的准确性和可用性。

1 资料与方法

1.1 资料

由于部分本地化数据有所缺失，考虑到数据资料的完整性和有效性，本文研究分析的数据资料为2020年冬季威县格点实况气温和站点气温。格点实况气温分辨率为1 km，时间间隔为1 h，该数据集利用地面、卫星等实况观测资料，也同化了数值模式等产品。站点气温来源于同期的威县区域内15个地面自动气象站（包括国家气象站、梨园气温梯度观测站和13个区域自动站）。

1.2 方法

在研究中，将站点气温观测值视为大气状态的“真值”来检验评估格点实况气温的准确性和适用性。采用气象业务中常用的双线性插值方法，按照气象站点所在的经纬度，提取与站点观测数据匹配的格点实况数据对比序列。对格点实况气温的相关性、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）及准确率进行分析。

2 格点实况2 m气温数据检验

2.1 国家站和区域站

首先对威县区域内国家站和区域站格点实况气温的相关性、MAE和准确率进行分析。结合图1和表1可知，格点实况气温对比站点气温MAE在0.11～0.55℃，误差在1℃以内的准确率为81%～99%，平均相关系数在0.99以上。可以看出，站点在房顶时气温站点值普遍偏高于格点值，除梨园屯和赵村格点实况气温MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，准确率在90%以上，格点实况气温总体表现可以接收。如图2所示，选取格点实况气温MAE最大两个站点（梨园屯和赵村）进行分析，可以看出，在08时-17时，站点气温较高于格点气温，这可能是由于站点在房顶原因造成的。在02时-08时期间，格点实况与站点气温误差较大，尤其当气温较低并出现下降时，格点实况气温与站点气温误差相对较大。

图1 2m气温MAE和误差《1℃准确率分布图

表1 格点气温与站点气温相关性分析

图2 冬季不同时次气温变化情况以及MAE和RMSE分布图

2.2 梨园气温梯度观测站格点实况气温检验

梨园站为实况业务试验站，建有0.5、1.0、1.5、2.0 m 4层气温裸温数据。利用该站点2 m气温和裸温数据对格点实况2 m气温数据进行检验分析。由图3和表2可知，格点实况气温对比站点气温MAE在0.75～0.90℃，RMSE平均在1.0℃左右；误差在1℃以内的准确率为67.8%～75.3%，误差在2℃以内的准确率为87.9%～90.0%；平均相关系数在0.99，相关性较高。格点实况气温对比站点裸温MAE在1.45～1.72℃，RMSE平均在2.0左右；误差在1℃以内的准确率为32.5%～47.8%，误差在2℃以内的准确率为59.3%～69.0%；平均相关系数在0.97。可以看出，格点实况气温与2 m站点气温相关性相对较高，误差较小，与站点裸温误差较大。以站点气温为真值时，格点实况气温表现总体可以接受。由图3可知，格点实况气温对比站点气温1月份误差最大，12月、2月次之。分别对冬季站点逐月气温变化进行分析，由图4和表3可知，气温在1月份标准差最大，平均温度最低，由此可以推测在气温较低且波动率较大时，格点实况气温对比站点气温误差可能较大。

图3 格点实况气温MAE和准确率分布图

表2 格点气温与站点气温、裸温相关性分析

图4 冬季逐月气温分布图

表3 冬季逐月平均气温及标准差

图5对逐月及整个冬季格点实况气温不同时次气温分布情况和MAE、RMSE进行分析。02时-08时次MAE在1.22～1.38℃，RMSE平均在1.78℃左右，误差较大；08时次以后MAE在0.32～1.03℃，RMSE在0.80℃左右，误差较小。可以看出，当气温出现波动，尤其在02时-08时期间，气温较低并出现下降时，格点实况与站点气温误差较大，这与2.1节规律表现一致。

图5 不同时次2m气温变化情况以及MAE和RMSE分布图

3 结论

本文通过现有有效气象资料，对威县区域内格点实况2 m气温的准确性和适用性进行了检验评估，为格点实况气温在威梨气象服务及其他应用中提供科学依据。主要结论如下：

（1）格点实况气温对比国家站和区域站点气温MAE平均在0.33℃左右，误差在1℃以内的准确率为81%～99%，平均相关系数在0.99以上，除梨园屯和赵村格点实况气温MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，准确率在80%以上，并且大部分在90%以上。格点气温总体表现可以接受。

（2）格点实况气温对比梨园梯度观测站气温MAE平均在0.83℃左右，RMSE平均在1.0℃左右；误差在1℃以内的准确率为67.8%～75.3%，误差在2℃以内的准确率为87.9%～90.0%，平均相关系数在0.99以上。对比裸温MAE平均在1.50℃，RMSE平均在2.0℃左右；误差在1℃以内的准确率为32.5%～47.8%，误差在2℃以内的准确率为59.3%～69.0%；平均相关系数在0.97以上。格点实况气温与气温误差较小，与裸温误差较大，以气温为真值时，格点实况气温表现总体可以接受。

（3）当气温出现波动，尤其在02时-08时期间，格点实况气温对比站点气温误差较大。

综上所述，在威县区域内格点实况气温表现总体可以接受，但是当气温出现波动，尤其在02时-08时期间气温较低并出现下降时，格点实况气温误差相对较大。

02时-08时是威梨低温冻害最容易出现时段，也是威梨精准气象服务最关键时期，所以在威梨及其他气象服务中需要注意这一时段格点实况气温的准确性和适用性，误差较大时需及时订正，针对这一问题格点实况数据在技术上可能还有待改进。