基于时空结构指标的我国融合降水资料质量评估

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本文利用国家气象信息中心研制的地面观测与卫星融合的降水资料,通过对该融合降水资料、CMORPH卫星降水资料、TRMM卫星降水资料与地面观测降水资料的分析和对比,评估了融合降水资料在中国地区的质量,分析了融合降水资料精度的时空变化特征,研究了影响融合降水资料精度的主要因素。所用评估指标除了常规的偏差、相关等统计量,最新引入了空间技巧评分、时间技巧评分以及结构函数三种方法。主要得到以下几点结论:(1)在空间分布上,与两种卫星降水相比,融合降水的误差在全国范围内普遍减小,且区域性差异大大减弱,空间一致性提高。江淮区域的偏差改善尤为明显。除青藏高原和西北地区外,融合降水与地面观测降水在各区域有较高的空间一致性。空间技巧评分(SS)相对于传统的平均偏差和均方根误差等评估方法,更加全面客观,能够通过定量分析直接反映出空间上的差异性。从SS值的时间变化上来看,融合产品各个月份的SS值均明显大于CMORPH卫星和TRMM卫星资料,融合前后SS值的提高幅度呈现出暖季小于冷季的特征。三年平均的SS值由0值上下提高到融合后的0.66,故融合后降水的空间场平均误差显著减小,且融合资料和卫星资料对夏季降水空间场的时间变化模拟能力优于冬季。(2)在时间变化上,融合降水和卫星降水与观测降水之间均具有较高的相关性。相对于时间相关系数由南向北呈现减少趋势的卫星降水资料,融合降水与观测的高相关区覆盖了全国大部分地区,相关值稳定在0.9以上。无论冬夏,融合降水在中国区域的时间平均误差普遍减小,且误差的空间差异小,大大消除了融合前降水的南北误差梯度,减小了误差量级。融合后降水资料的时间技巧评分(TS)提高十分明显,且改善幅度冬季大于夏季。对比不同区域的TS评分,融合降水和卫星降水在我国东南区域的模拟效果普遍优于西北。融合资料的TS值普遍更接近于1,时间变化的模拟精度更高。(3)对结构函数的分析表明,在江淮、华南、华北以及东北等地区,随着网格区域内任意两点之间距离的增加,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近,融合产品相对于CMORPH以及TRMM卫星资料,质量更好。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,故观测资料更为重要。而在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数曲线之间偏差较大。(4)站点疏密分布对融合效果的影响十分显著,融合产品的质量与观测站网密度有关,网格区域内站点越密集,融合降水的量值和空间分布与地面观测降水越接近,故融合降水在站点密集区相对于卫星资料精度更高。稀疏区和密集区域的卫星资料在融合产品中的重要性不同:由于东部地区观测站点已经足够密集,因而卫星资料在密集区域的对融合降水产品的贡献作用不大;而在西部地区,在没有站点的地方融合资料就主要取决于卫星资料,网格内有观测站时,稀疏区域的融合资料主要取决于地面观测站资料。融合降水资料有效利用地面观测降水和卫星降水各自的优势,在降水量值和分布上更为合理。(5)与卫星反演资料相比,融合资料能够更好地描述中国整个区域的平均降水日变化特征,夏季融合效果优于冬季,而且就日变化而言,无论冬夏,融合资料对中国降水空间结构的整体模拟能力夜晚优于白天。中国降水的日变化存在区域性差异,融合资料对实际降水的模拟水平也存在着区域性差异。融合降水在夏季的东北、华北、江淮、华南四个区域以及冬季的江淮、华南区域能很好地反映区域平均降水量的日变化情况,而且在各个区域夏季的融合质量普遍高于冬季。融合产品相比卫星资料更能准确地反映持续性强降水过程,能够很好地模拟出降水大值区的值域和范围,以及降水中心的强度、位置和移动;在降水区域内,融合资料对强降水过程时间演变的模拟技巧评分TS普遍高于0.5,超过同分辨率的卫星资料,对实际降水过程的再现能力较强。
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