羅瀟 ，廖春花 ，羅菁，3，朱明輝 ，譚詩琪 ，謝睿恒 ，黃澤群

(1.湖南省氣象服務(wù)中心，長沙410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410118；3.湖南省氣候中心，長沙410118)

引 言

目前，我國實(shí)況降水資料收集站點(diǎn)還較少、監(jiān)測時(shí)長有限，在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和氣象服務(wù)中降水資料的時(shí)間和空間分辨率均有待提高，故重建高質(zhì)量、長時(shí)間序列和高空間分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)集刻不容緩。氣象數(shù)據(jù)不僅是氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)的基礎(chǔ)，也是深入開展大氣科學(xué)研究的重要條件(李紅莉等，2014；楊曉亮等，2017；葉夢姝，2018；張思齊等，2018)。降水是最重要的氣象要素之一，尤其是強(qiáng)降水往往會(huì)影響人們的正常生產(chǎn)生活，一直是氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)重點(diǎn)關(guān)注的對象(韓佳芮等，2007；姜愛軍等，2008)；同時(shí)，降水參與了天氣和氣候系統(tǒng)中的水汽和能量循環(huán)過程，對天氣學(xué)機(jī)理研究至關(guān)重要(李超等，2020；楊磊等，2020)。當(dāng)前大氣再分析資料開發(fā)和應(yīng)用評估已成為氣象學(xué)和水文學(xué)中的研究熱點(diǎn)之一。再分析資料各氣象要素中，依據(jù)觀測系統(tǒng)和模式強(qiáng)迫影響的大小，其質(zhì)量精度從高到低依次分為A、B、C、D四類，其中降水要素屬于精度最差的D類(呂少寧等，2011；張蒙蒙，2012)。正因?yàn)樵俜治鼋邓Y料的準(zhǔn)確度較其他要素資料低，使得其降水資料的評估備受氣象業(yè)務(wù)工作者和科研人員關(guān)注。趙天保和符淙斌(2006)從空間分布和時(shí)間變化上分析了ERA-40、NCEP-2再分析資料在中國區(qū)域的適用性，指出這兩套資料均能反映出中國各區(qū)域雨帶的位置，與實(shí)況降水場空間分布大體一致；同時(shí)，再分析資料反映出中國區(qū)域降水的準(zhǔn)2 a振蕩信號，同觀測資料基本吻合。李建等(2010)對比分析NCEP/DOE、ERA 和JRA 再分析資料與站點(diǎn)資料表明，三套資料均較好地體現(xiàn)了中國夏季的降水特征，對中國大部分區(qū)域降水年際和季節(jié)內(nèi)變化特征均反映較好。成曉裕等(2013)對NCEP-1、ERA-40、20CR再分析降水資料與實(shí)況降水資料在中國區(qū)域的適用性進(jìn)行對比評估表明，再分析資料與實(shí)況資料的相關(guān)性具有顯著的區(qū)域特征，再分析降水資料在我國東部地區(qū)的質(zhì)量明顯優(yōu)于西部地區(qū)。劉鵬飛等(2018)分別從年、季、月時(shí)間尺度對CFSR、MERRA 和NCEP 再分析降水資料在東北地區(qū)的適用性進(jìn)行評估表明，三套再分析降水資料均刻畫了我國東北地區(qū)降水東南多、西北少的分布特征，但在不同時(shí)間尺度上每套資料的精度各有差異。

以上對再分析降水資料的對比評估研究均基于第二代或第三代再分析資料，目前對第四代再分析降水資料的研究分析尚少。因此，本文選取最新發(fā)布、分辨率較高的CMFD、CRA-40 兩套再分析降水資料，利用湖南省多年實(shí)況降水資料，與這兩套再分析降水資料進(jìn)行對比評估，以期對湖南省今后氣候變化、模式檢驗(yàn)、新型高分辨率再分析資料應(yīng)用等提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料說明

(1)中國區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集(China Meteorological Forcing Dataset，CMFD)。CMFD 是中國科學(xué)院青藏高原研究所開發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集(下載網(wǎng)址：westdc.westgis.ac.cn/zh-hans/data/8028b944-daaa-4511-8769-965612652c49/)。 該數(shù)據(jù)集以國際上現(xiàn)有的Princeton再分析資料、GLDAS資料、GEWEX-SRB 輻射資料與TRMM 降水資料為背景場、融合中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)制作而成(Yang et al.，2010)。本文用到的是CMFD 的日降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率0.1°×0.1°，年限為1979—2018年。

(2) 中國全球陸面再分析40 年產(chǎn)品(CRA-40/Land)。國家氣象信息中心基于集合同化算法、多源融合方法、Noah 3.3 陸面模式及地表參數(shù)優(yōu)化等核心技術(shù)建立了中國全球陸面再分析系統(tǒng)，此系統(tǒng)目前發(fā)布兩類數(shù)據(jù)集，即大氣驅(qū)動(dòng)融合產(chǎn)品(2 m 氣溫、2 m 比濕、10 m u 風(fēng)、10 m v 風(fēng)、降水)和陸面產(chǎn)品(含地表溫度、土壤溫度、土壤濕度、水汽通量、積雪等在內(nèi)的約30個(gè)陸面要素)(王旻燕等，2018)。本文選用大氣驅(qū)動(dòng)融合產(chǎn)品中的逐日降水資料(下載網(wǎng)址：http：//10.1.64.154/idata/web/data/index?dataCode=NAFP_NR T_CRA_DAY_PROD)，其 空 間 分 辨 率 為0.312 2°×0.312 5°，年限為1979—2018年。

(3)站點(diǎn)降水資料(OBS)。所用OBS資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供，包含湖南省97個(gè)國家級氣象站1979—2018年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，剔除了資料不完整的站點(diǎn)，共選取95個(gè)站點(diǎn)，其分布見圖1。

1.2 評估方法

首先，采用雙線性插值方法(智協(xié)飛等，2016；張宏芳等，2019)，將CMFD、CRA-40 再分析數(shù)據(jù)插值到湖南省95 個(gè)氣象觀測站點(diǎn)；再應(yīng)用偏差比較、氣候傾向率和相關(guān)分析等方法，比較再分析數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的異同。

圖1 湖南省95個(gè)國家級氣象觀測站(黑三角所示)分布Fig.1 Distribution of the 95 national weather stations(showed by black triangles)over Hunan.

本文中降水的偏差是指再分析內(nèi)插格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)況站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)的差值。降水的絕對偏差即降水偏差的絕對值；降水的相對偏差為絕對偏差除以相應(yīng)的實(shí)況降水值再乘以100%。季節(jié)劃分是：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至翌年2月。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均降水量比較

根據(jù)世界氣象組織的一般做法，氣候要素的30 a平均可代表當(dāng)?shù)貧夂蚱骄鶢顩r。本文中CMFD、CRA-40 與OBS 資料的年平均降水量均指其1979—2018年40 a均值。圖2給出CMFD、CRA-40再分析資料與實(shí)況資料的年平均降水量空間分布。

圖2 1979—2018年CMFD資料(a)、CRA-40資料(b)與實(shí)況(c)年均降水量空間分布(單位:mm)Fig.2 Spatial distribution of annual averaged precipitation(unit:mm)for(a)CMFD data,(b)CRA-40 data and(c)observations from 1979 to 2018.

從圖2 中可見，CMFD、CRA-40 資料均在一定程度上反映出湘南和湘東降水多、湘中和湘北降水少的分布特征。將上述兩套再分析資料與實(shí)況進(jìn)行比較可知：CMFD 較好地反映了湖南省年平均降水量自湘東南到湘西北“多、少、多”的分布特征，且降水大值中心在湘西北111.5°E、28.5°N附近，與實(shí)況基本一致，但其中心值與實(shí)況相比略有偏差，而在湘東113°E、27.5°N附近存在則一個(gè)虛假大值中心(圖2a)；CRA-40對湘東113°E以東地區(qū)降水量向東逐漸增大的特征體現(xiàn)較好，且在量值上也基本接近實(shí)況，但對湘南地區(qū)降水從西到東“多、少、多”的分布特征反映不好，同時(shí)對湘西北地區(qū)降水大值中心也無體現(xiàn)，這可能與資料分辨率有一定關(guān)系(圖2b)?？梢姡鲜鰞商自俜治鲑Y料對少雨區(qū)反映均較好，CMFD對湘西北、湘南地區(qū)降水分布反映較CRA-40 好，而CRA-40 對湘東地區(qū)降水分布反映要好于CMFD。

另外，分別統(tǒng)計(jì)上述兩套再分析資料的湖南省各站點(diǎn)年均降水量絕對偏差可知，將偏差分為0～50、50.1～100、100.1～150、＞150 mm 四個(gè)區(qū)間(圖3)，CMFD 資料的降水值絕對偏差在0～50 mm的站點(diǎn)最多，該區(qū)間站點(diǎn)數(shù)占所有站點(diǎn)數(shù)的56.8%，50.1～100 mm 區(qū)間次之，占比20%；CRA-40資料的降水值絕對偏差主要集中在0～50 mm和50.1～100 mm區(qū)間，分別占比為40%和35.8%。而上述兩套再分析資料年均降水絕對偏差在100 mm以上的站點(diǎn)數(shù)量相當(dāng)，占比為23%～24%。

圖3 CMFD、CRA-40再分析資料的不同年均降水量絕對偏差值區(qū)間的站點(diǎn)數(shù)分布Fig.3 Distribution of the number of stations in the different absolute deviation intervals of annual averaged precipitation for CMFD and CRA-40.

2.2 季、月平均降水量比較

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，湖南省各站點(diǎn)1979—2018年40 a平均降水量在1 165.7～1 719.8 mm 之間，雨水充沛，屬全國多雨省份之一，但降水量時(shí)間分配不均(張劍明等，2008；張瑞和彭月，2011；張劍明等，2012；高長春等，2018)。因此，有必要對CMFD、CRA-40 再分析資料在各季、月的降水量進(jìn)行質(zhì)量評估。圖4 給出CMFD、CRA-40 再分析資料在湖南1979—2018 年四季的平均降水量與實(shí)況降水。從中看到，相對實(shí)況降水，CMFD、CRA-40資料均反映出湖南春、夏季降水明顯多于秋、冬季的特征；就全省平均而言，兩套再分析資料的四個(gè)季節(jié)降水與實(shí)況相比均較接近，尤其是CRA-40資料更接近實(shí)況。

圖4 CMFD、CRA-40再分析資料及實(shí)況降水(OBS)在湖南1979—2018年各季的平均降水量(單位:mm)Fig.4 Average precipitation(unit:mm)for CMFD,CRA-40 and OBS in Hunan in each season from 1979 to 2018.

從全省平均看，上述兩套再分析資料在湖南各季的降水偏差均不大，但全省平均不足以反映兩套再分析降水資料的差異，因此有必要從各季降水偏差的空間分布進(jìn)一步評估兩套再分析資料的質(zhì)量。圖5給出CMFD、CRA-40 資料1979—2018 年40 a 各季平均降水量偏差的空間分布。

圖5 CMFD(a1—a4)與CRA-40(b1—b4)資料的湖南春季(a1,b1)、夏季(a2,b2)、秋季(a3,b3)、冬季(a4,b4)平均降水量絕對偏差空間分布Fig.5 Spatial distribution of the absolute deviations of average precipitation for(a1-a4)CMFD and(b1-b4)CRA-40 in Hunan in(a1,b1)spring,(a2,b2)summer,(a3,b3)autumn and(a4,b4)winter.

從圖5中看到，CMFD資料的春季平均降水量在湘南地區(qū)存在較大偏差，有8個(gè)站的降水偏差大于50 mm，夏季平均降水在湘東地區(qū)及湘西個(gè)別站點(diǎn)偏差較大，秋季平均降水量大于50 mm 以上偏差的站點(diǎn)主要集中在湘東地區(qū)，冬季平均降水量其偏差均在-50～50 mm之間(圖5a1—a4)；CRA-40 資料的春、夏季平均降水偏差均在湘南、湘東地區(qū)較大，且這兩個(gè)季節(jié)均有臺(tái)站降水偏差大于50 mm，秋季和冬季平均降水量偏差較前兩個(gè)季節(jié)更小，偏差在-50～50 mm 之間(圖5b1—b4)?？傮w上，CMFD、CRA-40 資料在四個(gè)季節(jié)的降水偏差主要集中在-50～50 mm，冬季偏差最小，無絕對偏差超過50 mm 的站點(diǎn)；CMFD 資料的四個(gè)季節(jié)平均降水量均以大于實(shí)況值為主，而CRA-40 資料的四個(gè)季節(jié)平均降水量在湘北以負(fù)偏差為主，而在湘南地區(qū)則以正偏差為主。結(jié)合本文第2.1 節(jié)年平均降水量空間分布結(jié)果可知，湖南省降水存在湘北少、湘南多的特點(diǎn)，即CRA-40 在降水少的地區(qū)為負(fù)偏差，在降水多的地區(qū)偏差則以正偏差為主，但從全省平均看，CRA-40 的降水偏差要小于CMFD，這進(jìn)一步印證了圖4中的結(jié)果。

由以上分析可知，不同季節(jié)兩套再分析降水資料的質(zhì)量在湖南存在差異，CRA-40 資料在降水多的季節(jié)和降水少的季節(jié)偏差明顯不同。CRA-40是否存在對干季降水的負(fù)偏差和對雨季降水的正偏差？圖6給出CMFD、CRA-40資料的湖南全省多年逐月平均降水的相對偏差。從中看到，CMFD資料在所有月份均為正偏差，相對偏差值在降水多的3—8月份較小，相對偏差的絕對值為1.0%～3.5%，而在降水少的月份則較大，其中9月降水偏差最大，相對偏差為8.8%；CMFD資料的相對偏差大小與干季和雨季的關(guān)系并不明顯。而CRA-40 資料在降水多的月份相對偏差為正，在降水少的月份相對偏差為負(fù)，這也正好回答了上述問題。

圖6 CMFD、CRA-40資料的湖南全省逐月平均降水量相對偏差(1979—2018年)Fig.6 Relative deviation of monthly averaged precipitation for CMFD and CRA-40 in Hunan Province from 1979 to 2018.

2.3 降水量年際變化比較

圖7給出湖南省1979—2018年CMFD、CRA-40資料的年降水量與其實(shí)況降水的逐年變化。從中看到，整體上，CMFD、CRA-40 資料與實(shí)況降水資料的變化趨勢較為一致。實(shí)況降水資料的多項(xiàng)式曲線顯示，年降水量變化表現(xiàn)為四個(gè)不同的階段，1979—1984年和1999—2010 年呈減小趨勢，1985—1998 年、2011—2018 年則為增大趨勢。從CMFD、CRA-40 再分析降水資料與實(shí)況降水資料在不同階段的平均降水量及氣候傾向率看(表1)，CMFD各時(shí)段的平均降水量均較實(shí)況值高；CRA-40 在1985—1998 年的降水量較實(shí)況值偏低，其他時(shí)段較實(shí)況值偏高，CMFD降水資料的平均絕對偏差為54.7 mm，CRA-40 的為71.8 mm。不同時(shí)段降水傾向率表明，CMFD、CRA-40 資料在各時(shí)段的變化趨勢均與實(shí)況一致，即1979—1984 年、1999—2010 年為減小趨勢，而1985—1998 年、2011—2018 年為增加趨勢，對比各時(shí)段氣候傾向率可知，CMFD降水資料較CRA-40更接近實(shí)況。

圖7 湖南省1979—2018年CMFD和CRA-40資料的年降水量與其實(shí)況的逐年變化(單位:mm)Fig.7 Changes of the annual precipitation(unit:mm)for CMFD,CRA-40 and OBS in Hunan Province from 1979 to 2018.

表1 不同時(shí)段CMFD、CRA-40再分析資料與實(shí)況(OBS)年平均降水量(P)及氣候傾向率(Tc)Table 1 Annually averaged precipitation(P)and climate tendency rate(Tc)for CMFD,CRA-40 and OBS in the different periods.

以上分析表明，CRA-40 在1985—1998 年的降水量較實(shí)況值偏低，而在其他時(shí)段較實(shí)況值均偏高，這是否與CRA-40資料對旱澇年的表現(xiàn)不同有關(guān)？為進(jìn)一步分析CRA-40 資料對湖南旱澇年降水量的適用性，通過計(jì)算1979—2018 年湖南省逐年降水距平，并參考周莉等(2019)的方法，將±1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為劃分旱澇年的標(biāo)準(zhǔn)，即若某一年的降水距平大于1 個(gè)降水距平標(biāo)準(zhǔn)差的值，則認(rèn)定此年為澇年，若某一年的降水距平小于-1個(gè)降水距平標(biāo)準(zhǔn)差的值，則認(rèn)定此年為旱年，并從1979—2018年湖南省年降水時(shí)間序列中挑選出6 個(gè)典型澇年(1994、1997、2002、2012、2015 年和2016 年)和6 個(gè)典型旱年(1979、1985、1986、2003、2009年和2011 年)，將典型旱澇年降水量與相應(yīng)年份的實(shí)況降水量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)(圖8)，無論是全省平均還是各站點(diǎn)空間分布(圖略)，旱年，CRA-40 資料在個(gè)別年份降水大于實(shí)況值，其他年份又小于實(shí)況值(圖8a)，澇年亦是如此(圖8b)，無法看出CRA-40 資料與實(shí)況資料的偏差和旱澇年有何關(guān)系。

圖8 湖南典型旱年(a)與澇年(b)的CRA-40再分析資料降水與實(shí)況降水(單位:mm)Fig.8 Precipitation(unit:mm)in(a)the typical drought years and(b)flood years for CRA-40 and OBS in Hunan.

為了描述上述兩套再分析降水資料的年際變化在湖南省不同地區(qū)與實(shí)況的差異，圖9 給出CMFD、CRA-40 資料與實(shí)況降水資料(即湖南省95 個(gè)站點(diǎn)1979—2018 年逐年年降水量)年際變化的相關(guān)系數(shù)的空間分布。從中看到，總體上，兩套再分析資料在湘北和湘南地區(qū)與實(shí)況資料的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)普遍在0.75 以上；CMFD 降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)在湘西地區(qū)略低，大多在0.50～0.70 之間，CRA-40降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)在湘西—湘中偏南一帶較低，為0.60～0.70；CMFD 降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)在湘中地區(qū)和湘東北地區(qū)明顯高于CRA-40降水資料。就全省平均而言，CMFD降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)為0.86，CRA-40 降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)為0.78。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，CMFD降水資料有74%的站點(diǎn)與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)在0.80以上，有22%的站點(diǎn)在0.90 以上(圖9a)；而CRA-40 降水資料則有37%的站點(diǎn)與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)大于0.80(圖9b)。

圖9 1979—2018年CMFD(a)、CRA-40(b)資料與實(shí)況降水資料的相關(guān)系數(shù)分布Fig.9 Distribution of correlation coefficients between(a)CMFD,(b)CRA-40 and OBS from 1979 to 2018.

表2給出湖南各站點(diǎn)CMFD、CRA-40資料與實(shí)況資料逐年降水的相關(guān)系數(shù)所達(dá)到的顯著性水平。從中看到，CMFD 和CRA-40 與實(shí)況降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.05顯著性水平的站點(diǎn)都超過了85站，其站點(diǎn)數(shù)均達(dá)到90%以上；兩套再分析資料與實(shí)況資料的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.01顯著性水平的站點(diǎn)數(shù)均在30以上，占總站點(diǎn)數(shù)的1/3以上。這說明這兩套再分析降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)性均較顯著。

表2 CMFD、CRA-40再分析資料與實(shí)況資料的相關(guān)性Table 2 Correlation between CMFD,CRA-40 and OBS.

結(jié)合年降水量的逐年演變趨勢和兩套再分析資料與實(shí)況降水資料相關(guān)系數(shù)的空間分布情況可知，CMFD降水資料與觀測資料在時(shí)間演變上的一致性要優(yōu)于CRA-40降水資料。

3 結(jié)論與討論

本文利用湖南省95個(gè)國家站實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用偏差比較、氣候傾向率和相關(guān)分析等方法，對CMFD和CRA-40兩套再分析降水資料在湖南省的適用性進(jìn)行了評估。主要得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)兩套再分析資料均能在一定程度上反映湘南和湘東降水多、湘中和湘北降水少的分布特征。兩套再分析資料對少雨區(qū)的刻畫能力均較好，CMFD 對湘西北、湘南地區(qū)的降水分布體現(xiàn)的較CRA-40 好，而CRA-40 對湘東地區(qū)的降水分布描述好于CMFD 資料。CMFD資料降水值絕對偏差主要集中在0～50 mm之間，其站點(diǎn)數(shù)占所有站點(diǎn)的56.8%；CRA-40資料的降水值絕對偏差主要集中在0～50 mm 和50.1～100 mm區(qū)間，分別占比40%和35.8%。

(2)就全省平均而言，兩套再分析資料在四季的偏差均較小，但CRA-40 資料在四季的均值均比CMFD更接近實(shí)況。CMFD 資料在四季均以大于實(shí)況值為主，CRA-40資料四季在湘北以負(fù)偏差為主，而在湘南地區(qū)則以正偏差為主。CMFD資料在所有月份的降水相對偏差均為正值，CRA-40 對干季降水表現(xiàn)為負(fù)偏差，對雨季則表現(xiàn)為正偏差。

(3) CMFD、CRA-40 再分析資料的年均降水量在各時(shí)期的變化趨勢均與實(shí)況一致，1979—1984 年、1999—2010 年 呈減小趨 勢，而在1985—1998 年、2011—2018年呈增加趨勢。對比其各時(shí)期的氣候傾向率可知，CMFD降水資料較CRA-40更接近實(shí)況。兩套再分析資料在湘北和湘南地區(qū)與實(shí)況資料的相關(guān)性較好，其相關(guān)系數(shù)普遍在0.75以上；CMFD降水資料與實(shí)況資料全省平均的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于CRA-40 降水資料；兩套再分析降水資料與實(shí)況資料的相關(guān)性均較顯著。

隨著全球大氣再分析技術(shù)的發(fā)展，大氣再分析資料在各領(lǐng)域、各區(qū)域的適用性研究，將繼續(xù)成為大氣科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文對比評估了兩套高分辨率再分析降水資料在湖南省的適用性，其研究結(jié)果可作為湖南省氣候變化及模式檢驗(yàn)等工作的參考，也可為湖南省流域面雨量研究提供參考，從而為水庫調(diào)度及蓄水發(fā)電、城市供水、水資源科學(xué)利用等提供高分辨率降水?dāng)?shù)據(jù)。本研究中還存在一些問題，如CRA-40降水資料為何僅在1985—1998年較實(shí)況值偏低、這兩套降水資料為何在湘中一帶年際變率與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)較低等。對此，今后將考慮選擇觀測資料、氣候數(shù)據(jù)集、降水融合產(chǎn)品、再分析數(shù)據(jù)集等多套數(shù)據(jù)進(jìn)行更全面的對比評估。