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        風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星定量降水估計(jì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)評(píng)估

        2021-09-01 10:08:14鐘宇璐
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2021年3期
        關(guān)鍵詞:降水

        鐘宇璐

        摘要 通過2018年5月14日—2019年12月31日2 167個(gè)站點(diǎn)的地面氣象站逐小時(shí)降水資料對(duì)風(fēng)云四號(hào)A星(FY-4A)的先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)的業(yè)務(wù)降水估計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)。以地面氣象站逐小時(shí)降水資料作為真值,AGRI業(yè)務(wù)降水產(chǎn)品的空?qǐng)?bào)率為0.69、漏報(bào)率為0.60、命中率為0.40,平均偏差為-1.013 1 mm,平均絕對(duì)誤差為2.362 2 mm,均方根誤差為5.023 5 mm。降水產(chǎn)品對(duì)小雨的降水量估計(jì)偏高,對(duì)中雨、大雨、暴雨的估計(jì)偏低。隨著雨量等級(jí)的增大,產(chǎn)品對(duì)降水量的估計(jì)誤差越來越大,因此所有雨量等級(jí)的樣本整體的負(fù)偏差主要來自實(shí)況雨量較大時(shí)對(duì)降水量的低估。

        關(guān)鍵詞 風(fēng)云四號(hào);降水;檢驗(yàn)評(píng)估

        中圖分類號(hào):P405 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2021)03–0096–03

        降水是水循環(huán)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的能量物質(zhì)交換、水資源利用、洪澇災(zāi)害有著重要影響。中國(guó)位于東亞季風(fēng)區(qū),天氣多變,國(guó)土面積廣,地形復(fù)雜多樣,降水的時(shí)空分布差異大。氣象衛(wèi)星可獲取降水在較大空間范圍內(nèi)的高分辨率分布狀況。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)最新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星,2016年發(fā)射的風(fēng)云四號(hào)A星(FY-4A)上搭載了先進(jìn)靜止軌道輻射成像儀(Advanced Geosynchronous Radiation Imager,AGRI)。AGRI的Level 2中國(guó)區(qū)域業(yè)務(wù)降水產(chǎn)品,空間分辨率達(dá)到4 km,可監(jiān)測(cè)中國(guó)區(qū)域內(nèi)降水的強(qiáng)度、范圍、趨勢(shì)走向等,可為天氣分析預(yù)報(bào)、洪澇監(jiān)測(cè)預(yù)警提供服務(wù)。因此,對(duì)FY-4A/AGRI降水估計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估,對(duì)其在天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等方面的應(yīng)用提供參考。

        1 資料與預(yù)處理

        1.1 使用資料

        以2018年5月14日—2019年12月31日2 167個(gè)站點(diǎn)的Micaps地面觀測(cè)逐小時(shí)降水資料為真值,對(duì)FY-4A靜止軌道輻射成像儀AGRI的業(yè)務(wù)降水產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。AGRI的Level 2中國(guó)區(qū)域降水估計(jì)實(shí)時(shí)產(chǎn)品從國(guó)家氣象衛(wèi)星中心的官方網(wǎng)站上獲取,空間分辨率均為4 km,數(shù)據(jù)文件中存儲(chǔ)的是定量估計(jì)的像元瞬時(shí)降水率。定量估計(jì)的像元瞬時(shí)降水率是指通過AGRI的降水反演算法,將AGRI在紅外通道觀測(cè)的瞬時(shí)亮溫?cái)?shù)據(jù),反演生成的小時(shí)降水量[1]。根據(jù)AGRI觀測(cè)任務(wù)的安排,在每天的1:00、4:00、7:00、10:00、13:00、16:00、19:00、22:00(UTC)每小時(shí)內(nèi)的中國(guó)區(qū)域降水產(chǎn)品文件數(shù)量最多,有9個(gè),因此,選取這些時(shí)次的資料進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。

        1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        數(shù)據(jù)預(yù)處理是將衛(wèi)星產(chǎn)品與地面資料進(jìn)行時(shí)空匹配,即1 h內(nèi)9個(gè)時(shí)次的小時(shí)降水量估計(jì)產(chǎn)品與地面逐小時(shí)降水資料的匹配。

        時(shí)間匹配的方法是先將衛(wèi)星資料的世界時(shí)轉(zhuǎn)換為北京時(shí),再將各小時(shí)內(nèi)9個(gè)時(shí)次的降水產(chǎn)品對(duì)時(shí)間做平均處理,得到“小時(shí)平均降水量”,將其與同時(shí)次的地面站點(diǎn)觀測(cè)的小時(shí)降水量相匹配。處理方法為:將9個(gè)時(shí)次的小時(shí)降水量累加到各個(gè)像元上,再用累加后的降水量的總和除以在該9個(gè)時(shí)次內(nèi)對(duì)應(yīng)像元上發(fā)生降水的次數(shù),得到各像元在本小時(shí)的平均降水量。例如,在某像元上,某小時(shí)內(nèi)9個(gè)時(shí)次的產(chǎn)品數(shù)據(jù)中,若有4個(gè)時(shí)次降水量大于0,則累加該4個(gè)時(shí)次的降水量再除以4,作為該像元在本小時(shí)內(nèi)的小時(shí)降水量;若只有1個(gè)時(shí)次的降水量大于0,則將該降水量作為小時(shí)降水量;若所有時(shí)次的產(chǎn)品數(shù)據(jù)均為0,則該像元的小時(shí)降水量為0。這樣處理后得到的“小時(shí)平均降水量”最接近地面小時(shí)降水量的定義,即1 h內(nèi)降落到水平面上,假定未經(jīng)滲漏、流失、蒸發(fā),累積起來的水層深度。

        空間匹配方法是以2 167個(gè)地面站點(diǎn)為基準(zhǔn),將最近的衛(wèi)星像元匹配到地面站點(diǎn)上。先根據(jù)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心官方網(wǎng)站提供的FY-4A數(shù)據(jù)行列號(hào)與經(jīng)緯度的轉(zhuǎn)換方法,將AGRI降水產(chǎn)品數(shù)據(jù)中各個(gè)像素點(diǎn)的行列號(hào)轉(zhuǎn)換為星下點(diǎn)的經(jīng)緯度,再比較星下點(diǎn)與地面站點(diǎn)的距離,選擇距離最近的衛(wèi)星像素點(diǎn)與地面站點(diǎn)相匹配。

        2018年5月14日—2019年12月31日的衛(wèi)星產(chǎn)品和地面資料經(jīng)時(shí)空匹配后,共匹配上3 971個(gè)時(shí)次,2 167個(gè)站點(diǎn),8605 157個(gè)樣本。圖1是以2018年5月22日4:00為例,展示時(shí)空匹配的結(jié)果,其中,圖1a是按地面站點(diǎn)經(jīng)緯度顯示的地面臺(tái)站觀測(cè)的小時(shí)降水量,圖1b是按衛(wèi)星行列號(hào)換算的經(jīng)緯度顯示的AGRI level 2業(yè)務(wù)降水估計(jì)產(chǎn)品經(jīng)上述處理后的“小時(shí)平均降水量”。圖1a中,在西南地區(qū)有較集中的降水區(qū)域,圖1b顯示衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)該區(qū)域的降水落區(qū)的估計(jì)基本正確,但周圍有部分空?qǐng)?bào)區(qū)域,且衛(wèi)星估計(jì)的降水量值偏大。圖1a中,在東部有大片的降水區(qū)域,但圖1b衛(wèi)星未正確估計(jì)出這部分的降水落區(qū),存在漏報(bào)情況。

        2 檢驗(yàn)方法

        2.1 檢驗(yàn)AGRI降水產(chǎn)品對(duì)降水事件的預(yù)測(cè)效果

        檢驗(yàn)AGRI降水產(chǎn)品對(duì)是否發(fā)生降水事件的預(yù)測(cè)效果時(shí),使用降水檢驗(yàn)分類表來描述預(yù)測(cè)與觀測(cè)事件之間的關(guān)系(表1)。NA定義為預(yù)測(cè)正確的站數(shù),即衛(wèi)星預(yù)測(cè)和站點(diǎn)觀測(cè)均有降水的站數(shù),NB為空?qǐng)?bào)站數(shù),即預(yù)測(cè)有降水但觀測(cè)無降水的站數(shù),NC為漏報(bào)站數(shù),即預(yù)測(cè)無降水但觀測(cè)有降水的站數(shù),ND表示預(yù)測(cè)和觀測(cè)均無降水的站數(shù)。

        式中,F(xiàn)AR為空?qǐng)?bào)率,表示空?qǐng)?bào)站數(shù)占所有預(yù)測(cè)有降水站數(shù)的比值;MAR為漏報(bào)率,表示漏報(bào)站數(shù)占所有觀測(cè)有降水站數(shù)的比值;POD為命中率,是預(yù)測(cè)正確站數(shù)占所有觀測(cè)有降水站數(shù)的比值,反應(yīng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降水事件的概率???qǐng)?bào)率、漏報(bào)率、命中率的取值區(qū)間都是0~1。命中率的值越大、漏報(bào)率的值越小,說明漏報(bào)降水事件的程度越小,衛(wèi)星產(chǎn)品預(yù)測(cè)是否降水的效果越好;空?qǐng)?bào)率值越大,說明衛(wèi)星產(chǎn)品誤報(bào)降水事件的程度越高。

        2.2 檢驗(yàn)AGRI降水產(chǎn)品對(duì)對(duì)降水量的估計(jì)效果

        評(píng)估降水產(chǎn)品對(duì)降水量值的估計(jì)效果時(shí),對(duì)預(yù)測(cè)和觀測(cè)均有降水的情況即命中的樣本,統(tǒng)計(jì)兩種資料的平均偏差MB、平均絕對(duì)誤差MAE、均方根誤差RMSE,計(jì)算公式如下:

        式中,Prei為衛(wèi)星產(chǎn)品經(jīng)處理后的小時(shí)平均降水量,Obsi為地面站點(diǎn)觀測(cè)的小時(shí)降水量,n為命中的樣本總數(shù)。平均偏差MB有正負(fù)號(hào),其值越接近0,說明產(chǎn)品估計(jì)的降水量越接近真值即站點(diǎn)觀測(cè)值,對(duì)降水量的估計(jì)效果越好;平均絕對(duì)誤差MAE無正負(fù),MAE越小表示產(chǎn)品數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)之間相差越小;均方根誤差RMSE越小,說明產(chǎn)品數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的離散程度越小,降水估計(jì)效果越好。

        2.3 對(duì)AGRI降水產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)檢驗(yàn)

        以地面觀測(cè)的降水量為基準(zhǔn),將小時(shí)降水量分為4個(gè)等級(jí):小雨(0.1~2.4 mm)、中雨(2.5~7.9 mm)、大雨(8~15.9 mm)、暴雨(≥16 mm)。分別統(tǒng)計(jì)4個(gè)降水等級(jí)的平均偏差MB、平均絕對(duì)誤差MAE、均方根誤差RMSE,評(píng)估降水產(chǎn)品在每個(gè)雨量等級(jí)的對(duì)降水量值的估計(jì)效果,及其對(duì)總體降水量估計(jì)的影響。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 降水事件預(yù)測(cè)的檢驗(yàn)結(jié)果及原因分析

        經(jīng)過對(duì)2018年5月14日—2019年12月31日兩種資料匹配成功的8 605 157個(gè)樣本的降水事件統(tǒng)計(jì),得到AGRI業(yè)務(wù)降水產(chǎn)品對(duì)降水事件的空?qǐng)?bào)率、漏報(bào)率、命中率(表2)。由此看出,AGRI降水產(chǎn)品對(duì)小時(shí)降水量最容易空?qǐng)?bào),在所有估計(jì)有降水的情況中,有69%的情況地面并未觀測(cè)到降水。其次,AGRI降水產(chǎn)品容易漏報(bào),在所有觀測(cè)有降水的情況中,有60%的情況衛(wèi)星并未反演出降水,有40%的情況衛(wèi)星反演出降水即命中。

        空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率較高的原因,可能是AGRI降水估計(jì)算法反演降水率時(shí),只使用了紅外通道的亮溫?cái)?shù)據(jù),沒有加入可見光通道的反照率信息。云對(duì)于降水十分關(guān)鍵,有云才可能發(fā)生降水。而AGRI的亮溫和反照率觀測(cè)數(shù)據(jù)共同反應(yīng)了云的特性和狀態(tài),反照率能反應(yīng)出云的厚度,反照率越高,云越厚,對(duì)流發(fā)展越旺盛,越可能產(chǎn)生降水;亮溫能反應(yīng)出云高,亮溫越低,云頂高度越高,可能為不產(chǎn)生降水的卷云,也可能是發(fā)展到高層的可降水的積雨云。因此,僅用亮溫?cái)?shù)據(jù)可能會(huì)造成降水事件的預(yù)測(cè)誤差。

        3.2 降水量估計(jì)的檢驗(yàn)結(jié)果

        表3為270 581個(gè)命中樣本的正負(fù)偏差樣本數(shù)量、偏差最大值、最小值、平均偏差、平均絕對(duì)誤差和均方根誤差。平均偏差MB<0反應(yīng)出估計(jì)值整體上比真值偏低,而負(fù)偏差的樣本數(shù)量比正偏差樣本量更大,說明AGRI產(chǎn)品估計(jì)的降水量比觀測(cè)真值偏小的情況更多。平均絕對(duì)誤差MAE為2.362 2 mm,平均絕對(duì)誤差排除了偏差正負(fù)的影響,反應(yīng)的是估計(jì)值整體上偏離真值的程度。均方根誤差RMSE為5.023 5 mm,能評(píng)價(jià)降水產(chǎn)品對(duì)降水量估計(jì)的穩(wěn)定性,值越大即離散程度越大,降水估計(jì)的效果越不穩(wěn)定,越可能出現(xiàn)較大的誤差。

        3.3 分級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果

        小雨、中雨、大雨、暴雨4個(gè)降水等級(jí)的平均偏差MB、平均絕對(duì)誤差MAE、均方根誤差RMSE及樣本數(shù)量見表4。從結(jié)果看出,除了小雨的平均偏差為正值,其他3個(gè)等級(jí)都是負(fù)值,說明AGRI降水產(chǎn)品在實(shí)況為小雨的情況,容易高估降水量,而在雨量更大的3個(gè)等級(jí),對(duì)降水量估計(jì)偏低。小雨樣本最多,但所有樣本整體的偏差為負(fù),是由于中雨、大雨和暴雨的低估程度,比小雨等級(jí)高估降水的程度更大。隨雨量等級(jí)的增大,平均絕對(duì)誤差增大,說明雨量越大,產(chǎn)品對(duì)降水量的估計(jì)誤差越大。隨雨量等級(jí)的增大,均方根誤差也增大,說明雨量越大,越容易出現(xiàn)與真值誤差較大的估計(jì)值。

        4 結(jié)論

        以地面站點(diǎn)觀測(cè)資料為真值,對(duì)AGRI level 2業(yè)務(wù)降水估計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn),評(píng)估其對(duì)降水事件和降水量的估計(jì)效果。對(duì)降水事件的檢驗(yàn)結(jié)果顯示,AGRI降水產(chǎn)品對(duì)降水事件的空?qǐng)?bào)率為0.69,漏報(bào)率為0.60,命中率為0.40,說明AGRI降水產(chǎn)品對(duì)降水事件容易空?qǐng)?bào)和漏報(bào),可能是因?yàn)锳GRI降水估計(jì)算法反演降水率時(shí),只使用了紅外通道的亮溫?cái)?shù)據(jù),忽略了可見光通道的反照率信息對(duì)降水的影響。對(duì)降水量的檢驗(yàn)結(jié)果顯示,AGRI降水產(chǎn)品整體的平均偏差為 -1.013 1 mm,平均絕對(duì)誤差為2.362 2 mm,均方根誤差為5.0235 mm,說明降水量低估比高估的情況多、程度大。對(duì)AGRI降水產(chǎn)品的分級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果顯示,在小雨等級(jí),常高估降水量;在雨量更大的3個(gè)等級(jí),常低估降水量,且低估程度比小雨等級(jí)高估降水的程度更大;隨雨量等級(jí)增大,產(chǎn)品對(duì)降水量的估計(jì)誤差越大,說明產(chǎn)品整體的誤差主要來自雨量等級(jí)較大時(shí)對(duì)降水的低估。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張志清,陸風(fēng),方翔,等. FY-4衛(wèi)星應(yīng)用和發(fā)展[J].上海航天, 2017,34(4):8-19.

        [2] 何興偉,馮小虎,韓琦,等.新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀特性研究[J].軟件導(dǎo)刊, 2019,18(10):140-143.

        責(zé)任編輯:黃艷飛

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