多源融合实况分析产品在重庆地区的适用性分析

文章利用重庆市范围内的1984个地面自动气象观测站2019年11月—2021年10月的气象观测资料,通过误差、平均误差、绝对误差、平均绝对误差、均方根误差、相关系数等评估指标对气温、相对湿度、风速、能见度、降水等5大类12种的5 km多源融合实况分析产品在重庆地区的适用性进行评估分析。评估结果表明:多源融合实况分析产品整体质量良好,温度产品最优,相对湿度和降水产品次之,风速产品最差;产品质量呈现季节性变化趋势,春、冬季优于夏、秋季,其中降水产品随季节变化最为明显。因此需结合本地特点和应用选择适合的产品。

浙江多源融合实况分析产品质量评估及应用

浙江省气象资料业务系统(MDOS)于2019年10月起接入国家气象信息中心研制的5 km多源融合实况分析产品,利用浙江省范围地面考核自动站,对气温、风、相对湿度、能见度、二源降水、三源降水等6大类观测要素的月平均相关系数、月平均绝对误差、月平均均方根误差进行逐月评估。评估结果良好,投入本地化应用。CMPAS三源融合降水数据能够精确的反映雨量的实况,应用于浙江2020年梅汛期降水监测、"黑格比"台风降水监测以及行政区面雨量计算。

多源融合降水实况分析产品在海河流域的适用性评估

基于逐小时地面站点降水观测数据和国家气象信息中心研发的5 km多源融合降水实况分析产品,采用算术平均法对2021年6~9月海河流域面雨量进行估算。通过相关系数、平均误差和均方根误差等多种评估指标,客观定量评估多源融合降水实况分析产品在海河流域的适用性。结果表明:多源融合降水实况分析产品与地面观测资料估算的面雨量结果基本一致,能较好地反映2021年6~9月海河流域面雨量的时空变化特征,但在量值上存在高估且随着降水量增加,估算误差也越大。分区对比,融合实况分析产品和站点的误差与子流域的平均降水量、海拔高度和面积密切相关。对于各量级面雨量出现的频次,融合实况分析产品与站点整体相差不大,准确率可以达到90%及以上。总体而言,5 km多源融合降水实况分析产品的质量较高,可进一步应用于海河流域精细化面雨量监测业务中。

气象大数据云平台Docker容器的多源融合实况分析系统

为完善气象实况信息,基于气象大数据云平台Docker容器构建黑龙江省多源融合实况分析系统。本文主要介绍Docker容器技术,详细介绍黑龙江省级多源融合实况分析系统的架构以及关键技术,应用地面观测、雷达数据、数值模式等多源数据,生成省级降水、湿度、风等实况分析产品,并构建了面向实况分析全流程的省级检验评估工具。该系统为精准预报提供坚实的基础,并提升对精细服务的需求。

省级降水实况分析产品在北京地区的适用性评估

利用自动气象站观测数据,采用误差分析、有效降水时次占比等方法评估2022年9月—2023年8月省级降水实况分析产品在北京地区的一致性和准确性,并从累积降水量、降水强度、逐小时降水量误差等方面对“23·7”极端降水过程进行分析。结果表明:省级降水实况分析产品在北京地区的均方根误差不足1 mm,平均绝对偏差低于0.16 mm,与自动气象站观测结果接近。省级降水实况分析产品误差随降水量等级增加而增大,小雨等级降水被高估,中雨及以上等级降水被低估;误差空间分布差异明显,在中雨和暴雨等级下,最大负偏差均出现在延庆区,最大正偏差均出现在昌平区。“23·7”极端降水过程中,省级降水实况分析产品的平均均方根误差为1.8 mm,平均绝对偏差为0.806 mm,降水强度与自动气象站观测随时间变化趋势一致,较真实地反映了降水强度的变化趋势。

两种气温多源数据融合实况产品在新疆地区的评估与对比

利用新疆2019年1—12月自动气象站气温观测资料,对1、5 km两种国家级气温多源融合实况产品进行评估检验,评估指标包括平均误差、平均绝对误差、均方根误差、相关系数和准确率。结果表明:(1)两种气温实况产品在新疆地区总体质量较好,但在海拔较高、地形复杂地区站点误差较大。平原站点的评估结果优于山区。1 km产品的准确率较5 km产品在各区域明显提升,其他评估指标1 km产品较5 km产品在平原站点质量有所提升、山区站点略有下降。从评估指标分段误差的站点数量来看,1 km产品较5 km产品处于误差低值区的站点数量明显增多,但误差高值区的站点数量也有所增加。(2)以北疆和天山山区的站点为例,分析评估结果逐月变化及日变化情况。1—3、12月(冬季)评估结果较差、波动较大,4—11月评估结果较好且较为稳定。北疆12—20时是各指标质量最佳的时段,且较为稳定,07时表现较差;天山山区07时产品质量较差,18—19时质量最好。(3)两种气温实况产品日最高、日最低气温质量较好,相关系数均超过0.99。

两种融合降水实况分析产品在山东地区的适用性评估

以质量控制后的观测降水数据作为“真值”,采用多种指标评估检验国家气象信息中心研制的5 km逐小时降水实时三源融合实况分析产品(简记为“FRT_05”)和1 km逐小时降水实时多源融合实况分析产品(简记为“RT_01”)在山东地区2021年汛期以及台风“烟花”过程的适用性。结果表明:(1)两种降水产品在山东的适用性较好,但RT_01产品的精细化实况监测能力优于FRT_05。(2)检验指标的月变化明显,在降水量次多的9月降水产品的适用性最优。(3)两种降水产品在鲁中山区西部、威海东部和青岛沿海一带地形复杂的区域以及大部分海岛上的适用性相对较差。(4)由降水量级的检验评估来看,随降水量增加,平均绝对误差、均方根误差增大;中雨量级相对偏差最小,两种降水产品均高估了中雨及以下量级的实际降水强度,低估了大雨及以上量级的实际降水强度。(5)无论是降水量级还是降水落区,RT_01产品对台风“烟花”降水过程的监测和再现能力优于FRT_05,但整体来看两种产品均低估了“烟花”过程的降水强度。

多源融合降水实况分析产品在山东一次强降水过程中的质量评估

利用山东省地面观测小时降水数据,针对2021年发生在山东地区的一次强降水过程,从降水时空特征、降水分量级检验等多个方面,评估分析了1 km逐小时降水实时多源融合实况分析产品的数据质量。结果表明:1) 融合降水产品质量较高,能较好地反映降水落区与降水变化趋势,整个降水过程的平均绝对误差为0.21 mm,均方根误差为1.04 mm,相对偏差为3.12%,相关系数达0.97。2) 在降水发生初期和末期,融合降水产品与观测降水的相对偏差较大、相关性较差,在降水较强的时段降水产品与观测降水更接近。3) 融合降水产品在弱降水量级的技巧评分和命中率最好,但对弱降水存在明显的高估;对于大值降水,降水产品的命中率较低,并存在低估大值降水的现象。

基于集合卡尔曼滤波法的清江流域多源融合降水分析

高质量的水文气象观测数据是开展气象和水文灾害监测、预报预警及长期气候变化趋势分析的基本支撑。针对流域尺度内现有融合降水数据空间分辨率低的问题,通过集合卡尔曼滤波(EnKF)融合算法对清江流域33个地面站点和TRMM及CMORPH两种卫星产品的降水数据在日尺度上进行融合,得到了0.05°×0.05°的清江流域融合降水数据MSAP。利用留一交叉验证的方式对卫星降水、地面插值和MSAP融合降水数据进行定量分析,证明EnKF融合算法能从相关性系数R、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE 3个方面改善清江流域降水的精度,并且融合算法改善了卫星数据和地面数据在流域边界部分区域精度低的缺点,展现了EnKF融合算法在降水数据融合中的应用潜力。进一步地,将MSAP与CMFD、ERA5和MSWEP等3种主流再分析数据进行对比,并对1998年汛期清江流域与长江干流四次洪峰遭遇中最大的两次遭遇所对应的场次强降水进行了空间分析。结果表明,在时间尺度上,MSAP数据具有最高的R和最小的MAE及RMSE;在误差的空间分布上,MSAP数据在各站点精度评价指标的空间差异最小,四种再分析数据精度由高到低排序为MSAP>CMFD>MSWEP>ERA5;在历时5日和历时2日的场次强降水过程中,CMFD、MSWEP和MSAP均能在一定程度上反映出暴雨中心,在空间分布和降水量级上,MSAP和CMFD基本保持一致。

三源融合降水产品在陕西省的适用性评估

基于陕西省391个自动站逐小时降水量观测数据对国家级格点实况三源融合降水产品的适用性进行检验评估,结果表明:融合降水产品与站点观测之间的误差小、相关性高,但融合降水产品的标准差和极大值明显小于站点观测;相关系数较低的站点以区域站为主,国家气象观测站的效果明显优于区域站;误差时空分布和降水特征关系密切,在降水频次增多和强度增大时,融合降水产品相比站点观测的误差增大。将融合降水产品视为一种“预报”,站点观测资料作为“真值”进行分级检验,结果显示:融合降水产品可以较好反映有无降水,随降水量级增大空报率变化平稳,漏报率增长明显,导致TS评分逐渐下降。对典型个例的误差成因分析显示:融合降水产品可以较好地体现降水起止时间及性质、强弱演变趋势,但对雨强较大的区域性降水、分散性局地强降水表现欠佳。多种指标综合显示:融合降水产品小量级降水准确率高,对大雨以上量级降水强度有一定程度削弱;陕南秦巴山地的融合降水产品与站点观测偏差较大,应用中需特别关注。

中国区域逐小时地面—雷达—卫星三源降水融合实况产品在阜新地区短时强降水分析中的应用

利用了2017-2020年5-9月份逐小时阜新地区融合和站点资料,分析了两种资料在阜新地区短时强降水时空分布特征上的异同点。结果表明:①空间分布特征相近,局地特征融合资料更加细致。②出现最多的地区主要是在阜新县西北部、彰武县西北部和东南部,站点资料在阜新县西南部短时强降水发生也比较多,而融合资料并没有表现。③月和日分特征较为一致。月分布6-8月最多,呈夏季多发性。日分布呈单峰型,17-18时最多,呈傍晚多发性。

融合气温实况产品在内蒙古地区的适用性评估分析

采用邻近插值法,以地面观测站点资料为真值,并采用均方根误差、平均误差、平均绝对误差以及相关系数评估指标,对2021年5KM和1KM两种气温实况融合产品进行了评估。结果表明:5KM和1KM气温实况融合产品的数据质量较高,与站点观测值具有较强的相关性,相关系数均达到了0.99,1KM产品在内蒙古的适用性优于5KM,站点均方根误差大部分在1℃以下,平均误差小于0.05℃。两种气温实况融合产品误差随季节变化明显,夏季温热短暂,均方根误差和平均误差偏小,冬季随着气温的降低,实况产品以高估为主,均方根误差在0.8~1.2℃之间,平均误差在1~2月份达到峰值;1KM和5 KM气温实况融合产品都能较好地监测高温天气,落区与观测相当,但对于40℃以上的高温,表现稍差,其站点数较观测偏少,数据偏小。

不同分辨率的气温格点实况分析产品在重庆的对比检验

通过对比检验1 km与5 km分辨率的国家级气温格点实况分析产品在重庆地区高温月份的数据质量,为两种产品在业务上的合理应用和高温天气过程中数据改进提供参考依据。结果表明:1 km与5 km气温产品数值均以偏小为主,平均绝对误差分别为0.63℃、1.1℃。站点观测气温偏高时,两种产品的平均值误差均增大,1 km产品在各高温区间的平均误差始终小于5 km产品;随海拔的升高,两种产品的准确率均降低,且均在气温观测值为[20,25]℃区间内准确率最高;在不同海拔高度区间,1 km产品准确率均比5 km的产品准确率要高,5 km产品准确率呈现夜间高于白天的特征。两种实况产品受高温天气及高海拔影响较大,未来可以结合重庆本地复杂的地形特征,选择最优的数据融合方案做本地化改进。

湖南省实况分析产品质量评估分析

以湖南省地面气象站观测数据为基础,采用均方根误差、平均绝对误差、相关系数等方法,对湖南2020-2021年实况分析产品二源三源降水、气温数据进行检查评估,结果表明:实况分析产品降水数据与站点数据的相关性较高,三源降水产品相关性略高于二源降水;小时及日MAE、RMSE变化趋势一致,且存在一定的季节变化。实况分析产品中气温数据与站点数据的相关性评估期内每个月均≥0.90,相关较性很高;平均气温及最低气温的MAE较小。

基于重庆“6·22”特大暴雨的降水融合产品质量评估

为对比分析CMPAS(CMA multi-source merged precipitation analysis system)中国区域融合降水分析系统的二源和三源降水融合产品对特大暴雨降水过程的监测能力,以2020年6月19-22日重庆特大暴雨过程为例,利用重庆1977个自动气象站逐小时降水数据进行空间对比和统计评估。结果表明:(1)降水等级偏小时,两种降水融合产品数值以偏小为主,随着降水等级增大,估算误差也增大,两种产品数值以偏大为主,出现单站极端降水时,估算误差达到最大,两种产品数值均偏小,但三源产品值更接近站点观测值。(2)对于10 mm/h以下的降水区域,3种降水资料的空间分布结构完全一致;对于10 mm/h以上的降水区域,二源和三源产品的空间分布结构、量级与站点观测值分布基本吻合。出现极端降水的区域,二源和三源产品值较站点观测值偏小,在空间结构和量级的细节处理上,三源降水产品更接近实况。

多源资料融合分析技术在强对流天气预警中的集成应用

项目从强对流天气监测预警的需求入手,通过引进并本地化美国研发的局地分析和预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS),实现多种观测资料的快速融合分析,建成了辽宁省局地分析和预报系统,实时提供更接近真实大气的高时空分辨率的三维气象实况资料,便于气象工作人员从多角度深入分析和判断强对流天气,力争及时有效地发布各类强对流预警。

Evaluation of CMPAS precipitation products over Sichuan,China

高质量和高分辨率的降水产品在天气预报,数值模式模拟和气象防灾减灾方面起着重要的作用.本文利用四川地区高密度的地面降水传感器观测数据,比较CMPAS四种不同时空尺度的降水实况分析产品,评估CMPAS的融合准确性与在四川地区的适用性.研究表明:四种CMPAS降水产品都在四川盆地内精度较高,攀西地区和川西高原次之.随着降水量的增加,产品的误差也随之增加.CMPAS在夏秋两季对降水量高估,在春冬两季对降水量低估.总而言之,CMPAS在四川盆地内与观测数据的融合准确性较高.由于高原地区气象观测站点数量不足且观测数据受复杂地形和气候条件影响较大,CMPAS在高原地区的适用性检验仍需进一步研究.

2000—2018年黄河上中游地区蒸散发年际时空变化及其影响因素分析

黄河流域水资源匮乏且生态系统脆弱,明晰气候与下垫面变化对蒸散发(ET)时空变化的影响机制对于未来黄河流域水资源优化配置与生态建设规划均具有重要意义。基于实测降雨、径流量和GRACE产品数据,利用线性加权融合方法对5种全球ET产品进行融合。利用去趋势法、多元线性回归、全微分和残差法定量计算ET对降雨(Pre)、温度(Temp)、日照时数(SD)、饱和水汽压差(VPD)、风速(WS)和植被叶面积指数(LAI)的敏感性系数,定量分析了各气象要素、植被和其他要素(微地形变化和农业灌溉等)对ET变化趋势的贡献作用。结果表明:(1)与验证精度最高的GLDAS_CLSM相比,融合ET均方根误差和平均相对误差分别减小12.8 mm和2.2%。2000—2018年黄河上中游ET净增长率为3.82 mm/a,头道拐—龙门区间ET增长率最大(6 mm/a)。(2)植被LAI显著增加导致上中游区ET趋势增加2.49 mm/a。各气象要素的变化趋势与ET对其敏感性系数的空间异质性共同决定了气象要素对ET的影响作用空间分布,5个气象要素对ET总体趋势的净影响量均为正值,其中温度影响作用最大(0.33 mm/a)。以微地形变化和灌溉活动为主的其他要素导致ET趋势增加0.5 mm/a,相对影响率为13.1%。(3)气象要素主导源区和唐乃亥—青铜峡区间ET趋势,而植被LAI主导了青铜峡-花园口区间ET趋势,其中LAI对不同子流域ET趋势影响作用排序为:延河>无定河>泾河>北洛河>汾河>窟野河>伊洛河>沁河>渭河>大黑河。其他要素对唐乃亥—青铜峡和龙门—花园口区间的ET影响作用较大,表明该区域的水利水保工程措施和灌溉等人类活动更为剧烈。