多源融合實況氣溫數據適用性評估分析

呂曉娟，趙奕安

（河北省威縣氣象局，河北 威縣 054700）

近年來，我國精細化格點實況業務迅猛發展，地面觀測站網密度不斷增加，國家氣象信息中心、公共氣象服務中心等單位先后研發了高分辨率的地面格點實況產品[1]。多源融合實況業務數據是利用數據融合與數據同化技術，綜合多種來源觀測資料及多模式模擬數據，獲得高精度、高質量、時空連續的多源數據融合氣象格點產品。

2019年，中國氣象局把威縣列為河北省唯一實況業務建設試點，梨產業是威縣精準扶貧和鄉村振興的主要抓手之一，溫度是影響梨生長發育的重要環境因子，隨著格點實況產品的豐富及本地化應用的不斷擴展，為確保能夠為精細化格點預報和模式評估檢驗提供可靠的基礎數據，有效提高威梨氣象服務，因此開展多源融合實況氣溫數據檢驗，對減輕縣域氣象災害損失、促進梨產業發展非常必要。

目前，有許多針對格點實況與觀測差異的檢驗方法，業務中對氣溫、相對濕度和風等預報變量進行各類誤差分析、相關系數檢驗等。本文主要通過相關性分析、誤差分析等傳統數據檢驗方法，對格點實況2 m氣溫在威縣區域內進行了檢驗評估，分析討論該格點數據的準確性和可用性。

1 資料與方法

1.1 資料

由于部分本地化數據有所缺失，考慮到數據資料的完整性和有效性，本文研究分析的數據資料為2020年冬季威縣格點實況氣溫和站點氣溫。格點實況氣溫分辨率為1 km，時間間隔為1 h，該數據集利用地面、衛星等實況觀測資料，也同化了數值模式等產品。站點氣溫來源于同期的威縣區域內15個地面自動氣象站（包括國家氣象站、梨園氣溫梯度觀測站和13個區域自動站）。

1.2 方法

在研究中，將站點氣溫觀測值視為大氣狀態的“真值”來檢驗評估格點實況氣溫的準確性和適用性。采用氣象業務中常用的雙線性插值方法，按照氣象站點所在的經緯度，提取與站點觀測數據匹配的格點實況數據對比序列。對格點實況氣溫的相關性、平均絕對誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）及準確率進行分析。

2 格點實況2 m氣溫數據檢驗

2.1 國家站和區域站

首先對威縣區域內國家站和區域站格點實況氣溫的相關性、MAE和準確率進行分析。結合圖1和表1可知，格點實況氣溫對比站點氣溫MAE在0.11～0.55℃，誤差在1℃以內的準確率為81%～99%，平均相關系數在0.99以上。可以看出，站點在房頂時氣溫站點值普遍偏高于格點值，除梨園屯和趙村格點實況氣溫MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，準確率在90%以上，格點實況氣溫總體表現可以接收。如圖2所示，選取格點實況氣溫MAE最大兩個站點（梨園屯和趙村）進行分析，可以看出，在08時-17時，站點氣溫較高于格點氣溫，這可能是由于站點在房頂原因造成的。在02時-08時期間，格點實況與站點氣溫誤差較大，尤其當氣溫較低并出現下降時，格點實況氣溫與站點氣溫誤差相對較大。

圖1 2m氣溫MAE和誤差《1℃準確率分布圖

表1 格點氣溫與站點氣溫相關性分析

圖2 冬季不同時次氣溫變化情況以及MAE和RMSE分布圖

2.2 梨園氣溫梯度觀測站格點實況氣溫檢驗

梨園站為實況業務試驗站，建有0.5、1.0、1.5、2.0 m 4層氣溫裸溫數據。利用該站點2 m氣溫和裸溫數據對格點實況2 m氣溫數據進行檢驗分析。由圖3和表2可知，格點實況氣溫對比站點氣溫MAE在0.75～0.90℃，RMSE平均在1.0℃左右；誤差在1℃以內的準確率為67.8%～75.3%，誤差在2℃以內的準確率為87.9%～90.0%；平均相關系數在0.99，相關性較高。格點實況氣溫對比站點裸溫MAE在1.45～1.72℃，RMSE平均在2.0左右；誤差在1℃以內的準確率為32.5%～47.8%，誤差在2℃以內的準確率為59.3%～69.0%；平均相關系數在0.97。可以看出，格點實況氣溫與2 m站點氣溫相關性相對較高，誤差較小，與站點裸溫誤差較大。以站點氣溫為真值時，格點實況氣溫表現總體可以接受。由圖3可知，格點實況氣溫對比站點氣溫1月份誤差最大，12月、2月次之。分別對冬季站點逐月氣溫變化進行分析，由圖4和表3可知，氣溫在1月份標準差最大，平均溫度最低，由此可以推測在氣溫較低且波動率較大時，格點實況氣溫對比站點氣溫誤差可能較大。

圖3 格點實況氣溫MAE和準確率分布圖

表2 格點氣溫與站點氣溫、裸溫相關性分析

圖4 冬季逐月氣溫分布圖

表3 冬季逐月平均氣溫及標準差

圖5對逐月及整個冬季格點實況氣溫不同時次氣溫分布情況和MAE、RMSE進行分析。02時-08時次MAE在1.22～1.38℃，RMSE平均在1.78℃左右，誤差較大；08時次以后MAE在0.32～1.03℃，RMSE在0.80℃左右，誤差較小。可以看出，當氣溫出現波動，尤其在02時-08時期間，氣溫較低并出現下降時，格點實況與站點氣溫誤差較大，這與2.1節規律表現一致。

圖5 不同時次2m氣溫變化情況以及MAE和RMSE分布圖

3 結論

本文通過現有有效氣象資料，對威縣區域內格點實況2 m氣溫的準確性和適用性進行了檢驗評估，為格點實況氣溫在威梨氣象服務及其他應用中提供科學依據。主要結論如下：

（1）格點實況氣溫對比國家站和區域站點氣溫MAE平均在0.33℃左右，誤差在1℃以內的準確率為81%～99%，平均相關系數在0.99以上，除梨園屯和趙村格點實況氣溫MAE稍大于0.5℃以外，其他MAE都在0.5℃以下，準確率在80%以上，并且大部分在90%以上。格點氣溫總體表現可以接受。

（2）格點實況氣溫對比梨園梯度觀測站氣溫MAE平均在0.83℃左右，RMSE平均在1.0℃左右；誤差在1℃以內的準確率為67.8%～75.3%，誤差在2℃以內的準確率為87.9%～90.0%，平均相關系數在0.99以上。對比裸溫MAE平均在1.50℃，RMSE平均在2.0℃左右；誤差在1℃以內的準確率為32.5%～47.8%，誤差在2℃以內的準確率為59.3%～69.0%；平均相關系數在0.97以上。格點實況氣溫與氣溫誤差較小，與裸溫誤差較大，以氣溫為真值時，格點實況氣溫表現總體可以接受。

（3）當氣溫出現波動，尤其在02時-08時期間，格點實況氣溫對比站點氣溫誤差較大。

綜上所述，在威縣區域內格點實況氣溫表現總體可以接受，但是當氣溫出現波動，尤其在02時-08時期間氣溫較低并出現下降時，格點實況氣溫誤差相對較大。

02時-08時是威梨低溫凍害最容易出現時段，也是威梨精準氣象服務最關鍵時期，所以在威梨及其他氣象服務中需要注意這一時段格點實況氣溫的準確性和適用性，誤差較大時需及時訂正，針對這一問題格點實況數據在技術上可能還有待改進。