西北四省(区)GRAPES模式降水预报的定量评估

基于中国西北四省(区)2016—2017年的站点观测降水数据和GRAPES区域数值模式24 h和48 h预报结果,采用平均误差、均方根误差、相关系数、分等级TS评分等指标,对GRAPES区域数值模式在西北四省(区)降水预报进行定量评估。结果表明:时间上,模式对西北四省的晴雨预报准确率能达到0.7以上,逐日空间相关系数为0.2～0.4。夏季降水的偏差最大,24 h和48 h预报平均误差分别为4、6 mm·d~(-1),均方根误差分别为6、8 mm·d~(-1)。不同等级降水的24 h和48 h预报TS评分显示,各个月份小雨TS评分为0.2～0.5,中雨为0.1～0.2,大雨以上不到0.1空间上,24 h和48 h预报晴雨准确率在大部分地区达到0.6以上,相关系数在甘肃东部、陕西中部和南部超过0.6。24 h预报平均误差在青海、甘肃、陕西三省南部最大(达到2～4 mm·d~(-1)),48 h预报的平均误差比相同区域的24 h预报高出1～2 mm·d~(-1),在陕西南部平均误差最大(达到5～8 mm·d~(-1))。各个量级的24 h预报TS评分明显好于48 h,24 h预报对大雨、暴雨有所预报,48 h预报对中雨以上量级降水预报较差。     

台风“海高斯”（2007）期间多种降水融合实况产品的误差评估

以地面观测小时降水数据作为基准,采用多种指标评估CMPAS_FAST_05、CMPAS_FRT_05、CMPAS_RT_01三种降水融合实况产品对广西受2020年台风"海高斯"影响的强降水过程的再现情况。结果表明:(1)CMPAS_FAST_05、CMPAS_FRT_05均能较好地反映台风降水过程中降水量级及强降水落区的变化趋势,产品与地面观测的相关系数超过0.92,晴雨准确率超过0.99,对中雨及以上量级的降水,TS评分随降水量级的增大而增大。(2)三种产品均存在低估大值降水的现象,CMPAS_FAST_05还存在网格降水缺测、出现孤立点强降水的现象。(3)质量上1km产品优于5km产品,三源融合产品优于二源融合产品。     

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。     

基于频率匹配和融合法的多种网格降水预报产品订正

为进一步提高陕西省精细化网格降水预报能力,利用EC细网格（下简称EC）、Grapes_Meso 3 km（下简称Grapes）和SCMOC（中国气象局下发指导产品）降水预报产品,采用卡尔曼滤波、频率匹配和融合方法,研发了一套降水预报新产品。结果表明：频率匹配可明显提高各降水预报产品晴雨预报质量,但对强降水预报改善效果不稳定,融合方法可解决该问题;较订正前的EC、Grapes和SCMOC降水预报产品,新产品24 h晴雨预报准确率分别提高了1506%、868%和150%,强降水预报TS评分分别提高了4261%、7600%和127%,强降水预报TS评分的提高是以增加空报率为代价的;新产品3 h晴雨预报准确率较订正前EC、Grapes、SCMOC分别提高了1028%、407%和054%,强降水预报TS评分较订正前EC、SCMOC分别提高了5444%和965%,与Grapes基本持平,强降水预报BIAS偏差幅度较订正前EC、SCMOC分别降低了5665%和5188%;新产品1 h晴雨预报准确率较Grapes和SCMOC分别提高了229%和210%,强降水预报TS评分和强降水预报BIAS偏差幅度与Grapes和SCMOC持平。     

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。     

CLDAS温湿产品在贵州的适用性评估及订正

使用贵州自动观测站逐时资料对2019年中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）温度、相对湿度产品进行了检验评估及线性订正。结果表明,CLDAS温度同观测有较好的一致性,相对湿度产品系统性低于观测,使用本地资料订正CLDAS温湿产品提高了产品的可用性。全年CLDAS温度产品在贵州的平均误差为0.2985℃,均方根误差为1.5578℃,相关系数为0.9822。12.4%的站点温度年均方根误差超过了2℃。从00:00-23:00（北京时）温度平均误差先减小后增大,均方根误差在中午前后存在最大值。订正后,CLDAS温度产品平均误差绝对值、均方根误差缩小,相关系数增大,全年均方根误差减小至1.2369℃。订正格点产品时有效距离越小订正效果越好。全年CLDAS相对湿度产品在贵州的平均误差为-4.501%,均方根误差为9.021%,相关系数为0.863,夜间相关系数为0.711。相对湿度产品平均误差及相关系数在中午前后达到最大值,均方根误差则是在日夜交换之际存在最值。线性订正对相对湿度产品有明显的正效果。订正后全年相对湿度均方根误差减小了2.317%,夜间相关系数较订正前增加了0.104。夜间时刻相...     

国家级多源融合降水产品在云南的适用性评估

基于2018~2020年云南省126个国家地面观测站逐小时降水资料,客观定量评估了国家气象信息中心研发的CMPAS二源融合和三源融合逐小时网格降水产品在云南地区的适用性。结果表明:两套融合降水产品均能较好地反映云南区域小时降水的时空变化特征,但都低估了实际降水量;三源融合降水产品在云南的适用性更强,对0.1~1.9mm量级的小时降水量预估偏大,且离散性较高,但随着实况降水量的增加,平均误差呈负值,降水量预估值偏小;三源融合降水产品能准确抓住云南省的过程性降水,在短时强降水导致滑坡泥石流的监测中具有一定优势。      

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。      

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。      

中国地面气象要素格点融合业务产品检验

对2018年5 km分辨率中国地面气象要素2 m温度、10 m风速和24 h累积降水格点融合产品进行非独立和独立检验。非独立检验结果表明:(1)相比于站点观测,2 m温度格点融合产品整体偏暖,各月平均均方根误差在1℃左右,35℃以上高温和-20℃以下低温天气时均方根误差分别在1℃和2℃以上。(2)10 m风速格点融合产品可准确地描述0~2级风速,但对3级以上,特别是6级以上大风风速描述能力偏弱,主要表现为比实际偏小。(3)卫星-地面观测的二源融合和卫星-雷达-地面观测的三源融合降水格点产品在0~0.1 mm降水区间出现降水面积过大的现象;随着降水量级的增加,两种产品的均方根误差和平均偏差均随之增加,主要表现为降水融合产品的量级比观测偏小。相对而言,三源融合降水格点产品的准确性优于二源融合产品的。独立检验结果表明,三种要素的检验指标随时间或阈值的变化趋势与非独立检验基本一致,且更能表明格点融合产品与观测之间的偏差。主要是因为独立检验中使用到的观测均未参与格点融合产品的制作过程。综上所述,中国地面气象要素格点融合产品对一般天气描述较好,但在高低温、大风或强降水等极端天气时误差较大。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

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

利用四川省地面降水观测资料,针对2020年8月发生在四川的一次持续性强降水过程,采用多种评估指标对国家气象信息中心研发的四种降水融合产品（FAST_5KM、FRT_5KM、RT_1KM、NRT_1KM）进行对比评估。结果表明: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产品对降水落区的刻画更为细致,和实况有较高一致性,NRT_1KM偏差最小,FAST_5KM差别最大。四种产品的降水中心与实况都略有偏差,1km产品降水中心更接近实况。四种产品小时降水量走势与实况一致,但峰值均低于实况小时降水峰值,1km产品小时雨量更接近实况。对于24h累计降水量,四种降水融合产品均能表征出逐日降水落区的移动,且落区、走向和雨带形态均与实况较为一致,1km产品的雨强和落区更接近实况。对于晴雨准确率,四种产品无雨站点较实况均偏少,1km产品最为接近实况,准确率基本维持在95%。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,1km产品优于5km产品,FRT_5KM优于FAST_5KM,NRT_1KM最优。综合来看,1km产品优于5km产品,1km近实时产品优于实时产品,5km三源产品优于二源产品。      

陕西中短期网格客观预报降水产品在西安地区的检验

基于2017—2020年6—9月陕西中短期网格客观预报产品（简称DCOEF）的降水产品,采用晴雨预报准确率、TS评分、预报偏差BIAS,对其在西安地区21个气象观测站的预报效果进行检验;同时采用第99%分位值的降水量值作为测站极端降水量的阈值,进一步了解DCOEF对极端降水的预报效果。结果表明,（1）DCOEF在西安地区逐年和逐月的晴雨预报准确率均在069以上,空间分布上在西安城区、高陵、阎良、临潼和灞桥地区的晴雨预报准确率普遍在075以上,具有较好的参考价值。（2）6—9月中,9月的晴雨预报准确率可达08,各量级的TS评分明显高于其他月份,且BIAS接近于1,预报效果最好。（3）随着降水量级的增加,TS评分明显下降,小雨的TS评分最高,且时间和空间差异小;暴雨TS评分时间和空间差异明显,除9月外整体评分较低,且空报率明显偏高。（4）DCOEF对西安区域平均降水量雨带分布和强降水中心位置分布预报与实况差别较大,但能较好地反映出区域降水的时间演变趋势,与实况较为接近,只是在降水量上存在一定的偏差,预报值较实况以偏大为主。（5）DCOEF对极端降水的预报缺乏稳定性,偏差大,尤其是对短时强降水所造成的极端降水事件预报能力弱。     

GPM-IMERG日降水数据在内蒙古地区的适用性分析

利用2015—2017年GPM-IMERG逐日降水产品与内蒙古119个气象站点降水数据进行对比,分析GPM-IMERG的适用性,为其在内蒙古地区的应用研究提供科学依据。分析表明:(1) GPM-IMERG捕捉降水日的准确度为74.3%,忽略非降水日的准确度为85.5%,对晴雨判别的总体误差随纬度增加而增加。(2) GPM-IMERG在内蒙古地区平均误差为正和为负的站点数量大体相当,平均绝对误差为4.1 mm,空间上呈现出自东南向西北递减分布。(3) GPM-IMERG在少量降水时存在对降水量的高估,而在较大量级降水时存在对降水量的低估。当降水量大于等于25 mm时,GPM-IMERG比气象站点降水平均偏少30%以上。(4)各盟市GPM-IMERG与站点降水的相关系数均能通过0.01的显著性水平检验,其中赤峰市的相关系数最高、乌海市最低。不同季节中,夏季的相关系数最高而春季的相关系数最低。对于不同植被类型来说,高植被覆盖区的GPM-IMERG与站点降水的斜率更加接近1,且相关系数也更高。     

CLDAS地面要素产品在陕西的适用性评估

基于陕西省1 540个地面自动气象站的观测资料,采用平均误差、平均绝对误差、均方根误差、相关系数等评估指标对5 km分辨率的CLDAS小时产品——2 m气温、2 m相对湿度、能见度、10 m风速在陕西的适用性进行了评估检验。结果表明:CLDAS 2 m气温、2 m相对湿度产品在陕西质量较好,能见度次之,10 m风速质量相较差。对CLDAS 2 m气温评估结果的进一步分析表明,各评估指标具有一定的月变化、日变化特征,但整体质量趋于稳定;高海拔地区,评估指标变化明显,代表性相对差。CLDAS 2 m气温对日最高、最低气温也有很好的指示性。分辨率为1 km与5 km的CLDAS 2 m气温产品对比评估表明,1 km气温产品的误差较小,相关系数更大,尤其对于高海拔地区,质量有明显改善,代表性增强。     

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。     

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。     

两种高分辨率气温实况融合产品在四川省的质量评估

选取四川省156个国家级考核站、1282个区域考核站及1411个区域非考核站2019年8月1日～2020年7月31日的气温数据,利用相关系数、平均值误差、均方根误差等指标,评估了CLDAS(5 km×5 km)和HRCLDAS(1 km×1 km)两套气温实况融合产品在四川省的适用性.结果表明:两套融合产品的相关性都很...     

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达（CINRAD/SAD）水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络（CNN）,建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet, 并将该架构用于雷达定量降水估测（QPE）,评估结果表明：数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差（RMSE）,并提高相关系数（CORR）;对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差（RMSE）分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差（RMSE）、平均偏差比（MBR）、平均误差（AE）和相对误差（RE）等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。     

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。