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.

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。

多种融合降水实况分析产品在雅安宝兴暴雨过程中的适用性评估

利用四川省地面逐小时降水观测资料,对国家气象信息中心研制的空间分辨率分别为0.01°和0.05°的三套逐时融合降水实况分析产品,在2019年8月20~22日引发雅安宝兴洪涝灾害的区域性暴雨天气过程中的表现进行评估分析。结果表明:三套融合降水实况分析产品的强降水落区和走向与站点实况基本一致,能较好地反映降水强弱变化和时空分布特征。三套融合降水实况分析产品的平均晴雨准确率都在85%以上,与站点实况的相关系数均在0.8以上,但均较站点实况存在不同程度的低估。相对而言,融合雷达、卫星、站点数据的0.01°产品最优,融合雷达、卫星、站点数据的0.05°产品次之,只融合卫星、站点数据的0.05°产品最差,可见融合站点数据能在一定程度上改善融合降水实况分析产品的质量。总体而言,融合降水实况分析产品的质量较高,在灾害性天气过程中可作为站点实况的有效补充。

WRF-Hydro模式结合不同降水产品模拟清江流域径流的效果分析

以2016—2017年清江流域2次大径流事件和3次小径流事件为研究对象,首先,分析了CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源融合降水产品(CMPAS)、中国全球大气再分析产品(CRA)和雨量站降雨资料(Gauge)3种产品的降水时空分布特征;然后,基于径流事件实况与不同降水产品的特点,设计了两种径流模拟试验方案,对3种产品的降水数据输入WRF-Hydro模式的径流模拟结果进行分析。最后,结合降水时空分布差异,探讨3种降水产品在径流模拟中的应用效果。结果表明:(1)5次径流事件中,3种降水产品探测的降雨中心、雨带位置和走向大致相同,流域内面雨量随时间变化趋势较为一致。(2)两种试验方案下,3种降水产品均能模拟出各次径流事件。对大径流事件,CMPAS的模拟效果最优,相关系数均在0.76以上、纳什效率系数均在0.63以上;对小径流事件,Gauge的模拟效果最优,相关系数均在0.75以上,纳什效率系数均在0.48以上;CRA无论对大、小径流事件,其模拟效果相对都较差,但参数经重新率定后,其模拟效果明显改善。(3)3种降水产品经重新率定参数后(方案2),其在峰现、涨水、退水各时段的径流模拟效果改善不同。对小径流事件,相对涨水和退水时段,各产品在峰现时段的模拟效果改善较为明显,而对大径流事件,3种降水产品在各时段的模拟效果均无明显改善。

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。

2022年桂北“龙舟水”期间融合降水实况产品的真实性检验

通过铁路雨量站和迟到报气象站雨量资料设计两次独立检验,并利用数字高程模型计算地形因子,评估2022年桂北“龙舟水”期间实况降水融合产品的性能。结果表明,融合降水实况产品能真实地反映广西陆面降水情况,空间一致性好,能较为准确地捕捉到暴雨中心,三种融合降水实况产品的晴雨检验正确率均超过85%,两次独立检验实况降水值与观测值的相关系数分别超过0.8和0.9,其中短时强降水的相关系数均超过0.5,TS评分保持在0.5以上。坡度越大,实况降水的平均偏差的绝对值越大,短时强降水的负偏差随地形起伏度的增加而增大。此次评估结果表明融合降水实况产品的真实性较好,实际业务中当部分地面自动站资料缺失时,使用融合降水产品代替是一个可行的选择。

夏季中国区域逐10分钟降水融合产品检验评估

为检验逐10分钟降水融合产品质量,以中国地面观测分钟降水数据作为“真值”,采用多种评估指标,对2018年7月国家气象信息中心中国区域5 km逐10分钟降水融合产品进行检验评估。结果表明:邻近插值法和双线性插值法对月评估和日评估结果的总体影响不大,邻近插值法的评分略优。0.1 mm量级降水的TS评分在0.6左右,偏差都偏大,其余量级则偏小,且随着量级的增加,误差逐渐增大,融合产品的极值普遍较实况偏小。强降水过程中,融合产品的落区和变化趋势与实况一致,总体以偏强为主,但5 mm以上的强降水区域存在偏弱的情况。总体而言,逐10分钟降水融合产品能结合雷达估测降水产品和实况的优势,覆盖范围广,强度与实况相当。

台风“三巴”期间多种降水融合实况产品适用性评估

基于质量控制后的降水观测数据,利用多种指标对中国气象局多源降水融合分析系统的降水实时和近实时产品(CMPAS_RT、CMPAS_NRT)以及广西壮族自治区气象信息中心的降水实况产品(GXPAS)在台风“三巴”于广西过境期间极端暴雨过程进行评估,从时间、空间和降雨强度分析产品在极端天气下的适用性。结果表明:(1)三种实况产品与观测的一致性高,相关系数均超过0.98,平均误差的绝对值均低于0.2 mm,GXPAS在整体评估指标中表现最优。(2)时空分布上,三种实况产品均能较好地反映强降水落区和趋势分布,CMPAS在局地分布上比GXPAS更加精准。(3)0~40 mm区间的降水,三种产品的TS评分均高于0.9,降水频次分布与观测吻合度高;40~80 mm区间,CMPAS整体优于GXPAS;大于80 mm的降水,三者低估现象明显。总体而言,在此次过程中CMPAS对于强降水在大量级降水和细节刻画上比GXPAS更有优势。

基于多源降水融合试验的四川省降水实况分析产品优化

选用2021年4—9月四川省地面观测降水数据、雷达定量估测降水产品,基于国家气象信息中心降水融合算法生成四川省0.01°/1 h分辨率降水实况分析产品(SC),参考四川省地面观测数据,以观测值是否被修改分为两类,分别对SC与国家气象信息中心三源融合实时降水实况分析产品(RT)进行精细化对比评估,分析融入错误观测数据对RT的影响,应用支持向量机回归算法对RT进行优化并评估。结果表明:观测值未修改情况下,两种产品在四川盆地内部性能相近,川西高原和凉山、攀枝花地区RT性能较好,大部分区域RT平均绝对误差较小,均方根误差较大,即RT与观测值间易出现个别较大误差。观测值被修改情况下,四川省SC明显优于RT,RT较观测值明显偏大,表明错误的观测数据对RT性能存在显著影响。优化后,四川全省区域产品的平均绝对误差减小了29.9%,均方根误差减小了41.1%,相关系数增大了4.94%。

基于CMPAS的“韦帕”台风过程降水真实性评估

文章基于国家气象信息中心下发的实况分析降水融合产品(CMPAS),采用经过质量控制的站点降水作为真值,采用多种误差指标和评分指标,评估了融合产品对“韦帕”台风过程降水的反演能力。综合评估结果表明,该实况融合产品对降水的空间分布、时间分布和大值区范围有较好的刻画能力,但对于极值大小和区域的刻画不太精准,同时表现出误差随降水量增加而增大的趋势,所以该产品可以用于较小量级降水的落区预报以及站点降水极值出现时间的预报,但是对于强降水过程的预报需慎用。

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。

中国区域高分辨率多源降水观测产品的融合方法试验

高质量、高分辨率降水产品研制对于数值天气模式检验、水文陆面模拟、山洪地质灾害监测有着重要意义。利用中国近4万自动气象站逐时降水资料、中国雷达定量降水估计和CMORPH卫星反演降水产品,开展0.05°×0.05°和0.01°×0.01°两种高分辨率下的三源降水融合方法研究试验,探讨如何有效引入雷达高分辨率信息来提高降水产品质量。一方面,在0.05°分辨率上,先以自动气象站观测降水数据为基准,采用概率密度函数(PDF)匹配法订正雷达和卫星估测降水产品的系统偏差,将雷达降水产品的偏差从-0.05 mm/h降至-0.008 mm/h;再采用贝叶斯模型平均(BMA)方法融合雷达和卫星降水产品,形成0.05°分辨率的中国区域覆盖完整且最优的联合降水背景场。此外,在0.01°分辨率上,以0.05°分辨率的卫星-雷达贝叶斯模型平均联合降水产品为背景,采用1 km雷达估测降水的空间结构信息进行降尺度,亦能有效提高0.01°分辨率背景场的质量。然后,分别以不同分辨率的卫星-雷达联合降水产品为背景,采用统计方法量化误差估计,再采用最优插值方法融入地面观测。通过2419个中国国家级气象台站的独立样本检验,评估了多种类型的降水资料及融合试验产品在中国地区的质量。结果表明,两种分辨率的三源融合试验产品的精度均优于任何单一来源的降水产品,特别是在站点稀疏地区,降水精度均较融合前有显著提高,达到了较好的融合效果,其中在0.05°分辨率上采用"概率密度函数+贝叶斯模型平均+最优插值"方法的三源融合降水产品整体质量最好,而0.01°分辨率上基于"概率密度函数+贝叶斯模型平均+降尺度+最优插值"方法的三源融合降水产品在强降水监测上更有优势。

多源降水数据融合研究及应用进展

融合降水产品结合了不同来源降水资料的优势,在天气气候监测、气候变化研究、模式检验及水文预报领域得到了广泛应用。介绍了适用于不同需求的国际主流融合降水产品,从产品应用的角度介绍了融合技术发展。重点介绍了国家气象信息中心在降水数据融合方面取得的一些研究进展。如基于"PDF(概率密度函数)+BMA(贝叶斯模式平均)+OI(最优插值)"和降尺度技术研制的高分辨率的地面-雷达-卫星三源降水融合产品,采用红外冷云外推技术研制的东亚多卫星集成降水(EMSIP)产品,采用多重网格三维变分(STMAS)方法制作的1 km陆面数据同化分析系统(HRCLDASv1.0)的降水驱动,以及引进美国CFSR/Land降水驱动融合技术研制的全球融合降水产品等。其中,基于中国多源降水融合分析业务化系统(CMPAS-Hourly V2.1)的高分辨率三源融合降水产品在智能网格预报、GPAPES检验评估等业务中发挥积极作用。计划未来还将在融合算法优化、分钟级降水产品研制、机器学习新方法应用等方面开展研究工作。

CMORPH卫星-地面自动站融合降水数据在中国南方短时强降水分析中的应用

对比分析了国家级气象观测站逐时地面降水资料和CMORPH卫星-地面自动站融合降水数据在反映中国南方地区2008—2013年4—10月短时强降水时空分布特征上的差异,并在此基础上利用融合降水数据分析了短时强降水与暴雨的关系,结果表明:(1)融合降水数据所反映的短时强降水的大尺度特征与站点资料一致,并能更好地描述地形的影响;(2)短时强降水的季节变化与东亚夏季风进程和雨带的季节性位移密切相关;(3)短时强降水与暴雨日的空间分布特征和季节变化趋势相似,4月下半月—10月上半月,超过60%的短时强降水发生在暴雨日,同时短时强降水也是暴雨形成的重要因素,短时强降水暴雨日数占总暴雨日数的比例(68.6%)普遍高于非短时强降水暴雨日(31.4%),但是短时强降水暴雨日的发生具有显著的季节和区域差异。

多种降水实况融合产品在四川一次强降水过程中的评估

利用四川省地面观测小时和分钟降水数据,针对2019年发生在四川地区的首场区域性暴雨过程,采用多种评估指标对国家气象信息中心研发的九种降水融合产品进行对比评估。结果表明:四种24h降水融合产品(CMPAS_24h_RT05、CMPAS_24h_NRT05、CMPAS_24h_RT01、CMPAS_24h_NRT01)、四种1h降水融合产品(CMPAS_RT05、CMPAS_NRT05、CMPAS_RT01、CMPAS_NRT01)和一种10min降水融合产品(CMPAS_10MIN05)均能较好的反映强降水落区的时空变化趋势,但降水极大值都较实况有一定的低估。总体而言,降水融合产品的质量较高,对强降水有很好的监测能力,累计降水量与实况相当,1h降水融合产品与实况的相关系数超过0.924,晴雨准确率在94.4%以上,10min降水融合产品与实况相关系数为0.85,两种产品的TS评分都随降水量级的增大而降低。对比而言,1km产品优于5km产品,近实时产品优于实时产品,1h产品优于10min产品。1h融合产品的降水合计与24h融合产品降水量一致,10min和1h降水存在不一致的问题,但二者差异不大。

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。

基于不同降水产品的WRF-Hydro模式径流模拟——以漳河流域为例

以漳河流域为研究区域,以CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料为WRF-Hydro模式的输入,进行径流模拟,对比分析模拟径流与实测径流的差异,探讨基于两种降水数据的WRF-Hydro模式在漳河流域的径流模拟效果。结果表明:三源降水融合数据的径流模拟效果较优,纳什系数均达到0.7以上,模拟径流与实测径流过程吻合较好;采用三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料率定WRF-Hydro模式,以ERA5再分析降水资料为输入,径流模拟结果都不佳;总体而言,三源降水融合数据与WRF-Hydro模式耦合能够较好地模拟漳河流域径流过程。

基于ISCCP和CMORPH-AWS资料的中国南方地区云与降水关系分析

探究中国南方地区不同高度云量的时空变化及其与降水的关系,可了解云在降水中的作用和反馈机制并为空中云水资源开发提供基础和依据。利用国际卫星云气候计划(International Satel⁃lite Cloud Climatology Project,ISCCP)中D系列卫星观测云数据集12 a(1998—2009年)资料,详细分析了中国南方地区总云量、低云量、中云量、高云量的时空分布特征,并结合中国自动站(automatic weather station,AWS)降水数据与美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Ad⁃ministration,NOAA)气候预测中心(Climate Prediction Center,CPC)MORPHing technique(CMORPH)卫星反演降水产品融合的格点降水产品(CMORPH-AWS)分析了云量与降水强度、降水次数的关系。结果表明:(1)在空间分布上,中国南方地区总云量和中云量空间分布类似,高值中心位于四川盆地、贵州、重庆交接处,低值中心位于云南地区;高云主要分布在南方地区的西部,表现为由西向东逐渐减少的分布特征;低云主要分布在南方地区的东南部,表现为沿海地区向内陆地区逐渐减少的空间分布特征。(2)在季节变化上,总云量和高云量为夏季多、冬季少,总云量高值中心随季节位移,高云量随季节变化,中云量和低云量为冬季多夏季少,季节性变化小。(3)随着总云量和高云量的增多,降水强度增大、月降水次数减小;随着中云量增多,月降水次数增加、降水强度无明显变化。(4)随着层积云、层云云量的增加,降水强度和月降水次数减小;随着高积云、高层云、深对流云云量的增加,降水强度增加但月降水次数减小。总体而言,中国南方地区云量和降水关系密切,特别是总云量和高云量对降水强度和降水次数影响较大,中云量仅对降水次数影响较大,层积云、层云、高积云、高层云、深对流云云量对降水强度和降水次数影响较大,卷云、卷层云云量仅对降水强度影响较大。