川渝地区汛期逐小时降水融合产品误差分析

利用2021年汛期三套降水融合产品CMPAS、GSMaP和IMERG,经质量控制后的川渝地区190个国家气象站逐小时降水数据,结合川渝地区的不同地形区间和不同小时雨强对三套融合产品进行误差分析。结果表明:(1)2021年汛期总降水量空间分布上,CMPAS产品与站点实测最为接近,其次依次为GSMaP、IMERG产品。(2)针对不同地形区、不同时段,CMPAS产品的相关性、命中率、关键成功率最优,IMERG次之;CMPAS产品的偏差、均方根误差、误报率最小,GSMaP产品的误报率最大,IMERG的偏差、均方根误差最大;各融合产品在8月和9月的命中率、关键成功率最优,在20:00-次日2:00、2:00-8:00的相关性、命中率、关键成功率最优,误差和误报率最小。(3)针对不同小时雨强,CMPAS明显优于IMERG和GSMaP产品;其中CMPAS产品5月和9月的相关性、命中率、关键成功率最优;当小时雨强增大时,各融合产品的均方根误差逐渐增大。研究结果说明汛期CMPAS产品在川渝地区的精度明显优于IMERG和GSMa P产品,可以为地面实测数据缺乏的地区提供有效的降水数据补充。

国家级降水融合产品在长江流域的适用性评估

挑选2018年发生在长江流域的8次大范围降水过程,对国家信息中心二源降水融合产品和多源降水融合产品进行适用性评估。结果表明:(1)降水融合产品对长江流域降水的估算结果平均较实况数值偏小,降水量级越大估算误差也越大,多源降水融合产品与二源降水融合产品相比,估算误差绝对值平均偏小2~3 mm。(2)与二源降水融合产品相比,多源降水融合产品对5 mm以下量级降水的估算准确率提高最显著,其次对40~49.9 mm量级降水估算准确率提高较大。(3)降水融合产品对嘉陵江、岷沱江、长江中游干流区域的估测降水误差相对较小。

黄土高原典型流域网格化逐时降水融合产品CMPA V1.0的精度分析

选取黄土高原无定河、窟野河和皇甫川流域为研究区,从水文应用角度评估了中国自动站与CMORPH融合的逐时降水产品(CMPA V1.0)的精度。结果表明,CMPA V1.0降雨数据总体上较雨量站实测值偏低;与6、9月相比,8月降水产品精度较低。随降水量级的增加,CMPA V1.0对降水事件发生频次的监测能力和对降水事件监测的稳定性有所降低,误报率整体升高;CMPA V1.0低估了小雨的发生频率及降水贡献率,高估了雨强大于2.5mm/h降雨的发生频率及降水贡献率;CMPA V1.0能合理地反映研究区降水的日变化过程,但低估了研究区的时段平均降水量和时段平均降水频率,高估了研究区14:00前的时段平均降水强度。

降水融合实况产品在内蒙古冬季强降水过程中的检验评估

利用内蒙古国家站逐小时降水观测资料,针对2021年11月发生在内蒙古冬季的一次强降水过程,采用多种评估指标对业务上的3种降水融合实况产品(FRT_5KM\,RT_1KM\,NRT_1KM)进行多角度检验评估。结果表明:在小时最大降水量方面,3种实况产品均与观测值有较好的对应关系,FRT_5KM在全区大部分地区呈现负偏差,两种1 km产品表现为较低的正偏差;在降水量分级客观检验中,除暴雪外,两种1 km产品的TS优于5 km产品,在准确率方面,NRT_1KM优于RT_1KM优于FRT_5KM,FRT_5KM产品在中雪以上量级具有较高的漏报率,两种1 km产品在中雪、大雪、暴雪的空报率较高;3种实况产品在过程累计降水量方面均能很好地反映此次降水过程,1 km产品降水落区刻画更为细致,和实况有较高的一致性,但在非降水区具有明显空报。综合整体精度检验结果来看,评估时段内NRT_1KM产品的表现情况最好,相对来说FRT_5KM在内蒙古地区的检验精度较低。

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。

多源融合降水实况产品在日照市暴雨过程中的适用性

为评估融合降水实况产品在日照市的适用性,以日照市气象和水文降水观测数据为检验源,对2019—2021年5—10月和2022年5—7月融合降水数据以及发生在该时段内的25次暴雨过程进行评估检验。结果表明:(1)融合降水和观测降水空间分布一致性较好,融合降水产品可以在无降水观测地区提供参考。(2)融合降水和观测降水时间序列一致性较好,相关系数在0.9以上,长序列评估的均方根误差各月均在1.0 mm以内。平均值误差和均方根误差长序列评估结果均随着小时雨强的增大而增大。(3)融合降水存在对暴雨过程降水量和短时强降水的低估,两者差值随着小时雨强的增大而增大,当融合降水大于或小于观测降水时,两者差值较小或较大;在对暴雨极值点评估中融合降水较观测降水偏小,极值差异多在±20 mm以内。

四种融合降水产品在广西适用性评估

基于2022年汛期广西陆面的降水资料,对国家气象信息中心的中国区域多源融合实况分析产品(RT1、RT2和NRT)和广西壮族自治区气象信息中心的二源融合降水产品(GXPAS)等四种融合降水产品进行适用性评估,评估指标为统计误差和技巧评分.非独立检验结果表明,融合降水产品与自动站点吻合度高,在观测或估测有降水的情况下,表现最优的NRT产品有89.73%样本实况值等于观测值.独立检验结果表明,GXPAS综合表现稍优,特别是小时雨强[10,20)mm·h^(-1)区间.用最近邻法分析自动站与其邻近自动站的统计误差,分析得出在广西区域,水平距离自动站超过0.01°的位置,融合降水产品优于使用附近自动站观测数据.融合降水产品适用在无观测站区域或自动站数据未能及时上传时,作为降水的“真值”开展业务服务.

四种降水融合产品在西藏持续性降水过程的适应性评估

本文利用西藏2023年7月一次持续性降水过程的地面降水观测数据,评估信息中心研发的四种降水融合产品(FAST_5KM(二源小时),FAST_5KM_DAY(二源24小时),FAST_5KM_3S(三源小时),FAST_5KM_DAY_3S(三源24小时))效果,从整个过程降水、24小时降水、小时降水与实况值进行对比分析。结果表明:FAST_5KM_DAY和FAST_5KM_DAY_3S的整个过程及24小时降水走势与实况较为吻合,两种融合产品在小量级上与实况值相差较大,在大量级上与实况值表现较为一致,两种融合产品效果基本一致,二源产品的误差略高于三源产品。整个过程中最大降水量的二源、三源和实况数据在量值上略有差异,位置一致。FAST_5KM和FAST_5KM_3S的整个过程小时降水分析,融合产品命中率和相关性较高、标准差较小,效果比较好,但融合产品最大小时降水量与实况的位置和时间差异均比较大。

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。

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。

基于地面站点观测降水资料的中国区域日降水融合产品精度评价

论文对中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料(1998—2010年)和全国633个气象站点观测降水资料进行了对比,分析了融合降水资料误差的空间分布和时间变化特征,研究了海拔高度及地形起伏度对融合降水资料精度的影响,同时就日降水融合产品不同降水强度进行了误差分析。结果表明:日降水融合产品与台站资料的年平均降水量空间分布具有很强的一致性;全国大部分地区日降水融合产品与台站资料的累计年降水量相关系数大于0.8,东部地区则普遍在0.9以上;日降水融合产品的误差特征值及其空间分布均较为合理,年际变化不大;海拔高度对日降水融合产品平均偏差和平均相对偏差的影响比地形起伏度大,且海拔高度的影响在高海拔区域比低海拔区域更显著。

中国区域逐日融合降水数据集与国际降水产品的对比评估

中国国家气象信息中心基于2400多个国家级台站观测日降水量和CMORPH卫星反演降水产品,采用概率密度匹配和最优插值相结合的两步数据融合方法,研制了中国区域1998年以来的0.25°×0.25°分辨率的逐日融合降水产品(CMPA_Daily)。通过该数据集与广泛应用于中国天气气候领域的两种国际上降水融合产品TRMM 3B42(Tropical Rainfall Measuring Mission,3B42)和GPCP(Global Precipitation Climatology Project,1 degree daily)的对比评估,考察CMPA_Daily产品的质量,评价其能否合理体现中国降水的天气气候特征。首先利用2008-2010年5-9月独立检验数据定量对比了CMPA_Daily、TRMM 3B42和GPCP三种降水产品的误差,结果表明,在误差的时间变化和空间分布上,CMPA_Daily均具有最高的相关系数和最小的平均偏差及均方根误差,TRMM 3B42其次,GPCP的误差相对较大。CMPA_Daily只低估了大暴雨,TRMM 3B42低估了大雨以上量级的降水,而GPCP低估了除小雨以外的所有降水。CMPA_Daily产品因融入了更多的站点观测信息,不论在中国东部沿海,还是中西部地形复杂区,其精度均优于TRMM 3B42和GPCP产品,即使在站点稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily降水量也更加接近站点观测,呈现明显的高相关。CMPA_Daily与独立检验数据的高相关在地形起伏时效果也较稳定,TRMM和GPCP的相关系数则随着地形变化幅度陡变而非常明显地降低。进一步通过对比分析各降水产品1998—2012年的气候平均降水特征表明,3种资料对中国区域气候平均降水量、降水强度、频率分布以及年际变化的总体描述基本一致,因有效融入了更多的中国站点观测信息,不论降水空间分布还是降水量,CMPA_Daily与地面观测均最为接近,在中国的中东部大部分地区对降水的估计精度明显更高,而在站点分布较稀疏的青藏高原地区,CMPA_Daily的降水分布型与TRMM、GPCP卫星融合资料类似,较地面站点插值产品更能体现出合理的降水分布。对中国强降水事件监测对比表明,CMPA_Daily产品可以更加准确地描述降水的强度变化,细致刻画降水空间分布,在把握降水小尺度特征上具有明显的优势,体现出高分辨率、高精度降水产品的特点。

中国区域小时降水量融合产品的质量评估

基于全国自动站观测降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料,采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成了中国区域1h、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合产品。本文分别从产品误差的时空分布特征、不同降水量级和不同累积时间下的产品质量、三种站网密度下的融合效果以及对强降水过程监测能力等方面对比评估了融合降水产品质量。结果表明,融合降水产品有效利用了地面观测和卫星反演降水各自的优势,在降水量值和空间分布上均更为合理;融合产品平均偏差和均方根误差均减小,随时间的变化幅度不大且区域性分布特征减弱;融合产品与融合前的卫星反演降水产品相比在中雨(1.0～2.5mm/h)、中到大雨(1.0～8.0mm/h)、暴雨及以上(≥8.0mm/h)的相对误差分别为-1.675%、小于15.0%、30.0%左右,且随着累积时间的增加,产品质量进一步提高;该产品能准确抓住强降水过程,在定量监测强降水中具有优势。

基于江西省水文资料对中国融合降水产品的质量评估

利用江西省2015年4月至2016年3月水文站观测降水数据,在小时尺度上,对中国国家气象信息中心研制的5和10 km融合降水产品进行质量评估,同时与美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水产品(CMORPH)、中国国家气象信息中心研制的东亚区域多卫星集成降水产品(EMSIP)两套卫星降水产品进行对比评估。研究分析各类降水产品的数据误差及其时空变化规律,验证融合降水产品在特征区域的适用性。研究结果表明:融合降水和卫星降水均能较好地反映年内小时降水的变化趋势,与水文站观测降水相比,四套降水资料均存在一定程度低估,其中卫星降水产品低估较大。融合降水产品的数据质量较高,其中5 km融合降水产品的数据精度(R=0.81,RMSE=2.12 mm·h^(-1),RE=-5.4%)基本优于10 km融合降水产品(R=0.78,RMSE=2.3 mm·h^(-1),RE=-5.1%),卫星降水产品与水文站观测降水存在较大的偏差,CMORPH和EMSIP的相关系数分别仅为0.19和0.24。各降水产品误差具有相同的月变化趋势,融合降水产品的误差变化幅度明显要小于卫星降水产品。四套降水产品的相关性随着降水量级增大而增加,融合降水产品能够准确反映降水的空间结构和中心位置,5 km融合降水产品对强降水的监测能力更具有优势。

CMORPH融合降水产品与地面观测雨量资料估算淮河流域面雨量对比分析

基于CMORPH融合降水产品与地面观测雨量资料,分别采用网格算术平均法与泰森多边形法估算淮河流域15个子单元2008—2011年汛期(6—9月)逐日面雨量,并对2种面雨量估算结果进行对比统计分析。结果表明:15个子单元2种面雨量估算结果具有系统性差异,两者之间存在显著线性关系;逐日面雨量估算结果也存在系统性差异,利用地面观测雨量资料估算的面雨量普遍大于利用CMORPH融合降水产品的估算结果;2种面雨量估算结果在降水量级上有很好的对应关系,各降水量级完全对应的总体比例为78.8%,相差1个量级的比例为20.5%,其中小雨量级完全对应的比例高达91.4%。

融合格点降水产品在四川盆地西部一次极端暴雨过程中的评估分析

利用地面降水观测资料、国家气象信息中心研发的4种降水融合产品(FAST_(5) km、FRT_(5) km、RT_(1) km、NRT_(1) km),采用误差分析、偏差分析、正确率、TS评分等方法,对其在四川盆地西部的适用性进行分析,并选取2020年8月10—11日一次极端暴雨过程进行详细评估。结果表明:融合格点降水资料与实况较为一致,且1 km产品更接近实况。极端暴雨过程中,对于过程累积雨量,4种融合格点降水资料均能很好地反映此次降水过程,降水落区、走向和雨带形态均与实况较为一致。1 km产品的强度和落区都更接近实况,其中以NRT_1 km与实况的匹配度最高,偏差更小。融合格点降水资料存在24 h雨量极大值比实况偏小的情况,1 km产品的极值较5 km产品有很大提升。融合格点降水资料的小时最大降水量低于实况,存在一定的偏差量。强降水时段,融合降水资料与实况偏差不大,能够反映降水的大值区。总体上看,三源融合实况格点产品效果优于二源融合实况格点产品,其中融合了CMORPH和FY 2种卫星资料的近实时三源融合实况格点产品最优。

多源融合降水产品在陕西的适用性评估

为评估多源融合降水产品在陕西区域质量,文章利用陕西省99个国家级自动气象站质控后逐小时累计实测降水数据,对2018年国家气象信息中心研发的三源融合逐小时降水产品进行检验评估。结果表明:1)多源融合降水产品存在一定程度低估现象,但总体上与实测降水相关性较好,降水命中率较高,尤其在秋季质量较好;2)多源融合降水产品质量与海拔、坡度无显著相关性,在所选区域东南坡表现较好;3)受复杂地形影响,多源融合降水产品在延安北部和榆林东南部地区质量较好。

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。

融合降水实况分析产品在四川地区的适用性评估

利用四川省地面自动站2018年6月—2019年5月的逐小时降水观测资料,在邻近插值和双线性插值对比分析的基础上,从晴雨准确率、降水时空特征、降水分量级检验等多个方面,对国家气象信息中心研制的融合降水实况分析产品在四川地区的适用性进行评估分析。评估结果表明:(1)邻近插值和双线性插值对评估结果影响小。(2)融合降水实况分析产品的完整性好,其平均晴雨准确率为92.6%,对探测降水有无存在较大可能。(3)融合降水实况分析产品的数据质量较高,能反映四川区域年内小时降水的时空变化特征,且随着降水量级的增大,误差相应增大,TS评分相应减小,说明在弱降水量级,融合降水实况分析产品与观测降水更接近。(4)非独立检验的效果好于独立检验,盆地的检验效果好于高原、山区等复杂地区,说明参与评估的站点分布、数据质量对评估结果存在一定影响。

四川区域融合降水产品的质量评估

本文利用四川省156个国家地面气象观测自动站2018年逐小时降水资料,从降水产品与观测值的对比、降水产品误差空间特征、降水产品误差月变化、不同降水量级的误差特征等方面,对国家气象信息中心研制的中国区域1h、0.05°×0.05°分辨率的地面-卫星-雷达三源融合实时降水产品和地面-卫星二源融合快速降水产品在四川区域的适用性进行对比评估。研究结果表明,两套融合降水产品能较好的反映四川区域年内小时降水的时空变化特征,与站点观测降水相比,两套融合降水产品均存在一定程度的低估,且随着降水量级的增大,均方根误差值也相应增大。两套融合降水产品相比,融合了雷达资料的三源融合降水产品各项指标均优于二源融合降水产品,数据质量更高。