干旱气象 ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (2): 238-250.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-02-0238
收稿日期:
2023-05-04
修回日期:
2023-09-05
出版日期:
2024-04-30
发布日期:
2024-05-12
通讯作者:
陈锋(1982—),男,博士,正高级工程师,主要从事数值模式及资料同化研究。E-mail: 作者简介:
邱金晶(1988—),女,硕士,高级工程师,主要从事数值预报技术研究和应用。E-mail: jinjing_qiu@163.com。
基金资助:
QIU Jinjing(), CHEN Feng(
), DONG Meiying, FAN Yuemin, YU Zhenshou
Received:
2023-05-04
Revised:
2023-09-05
Online:
2024-04-30
Published:
2024-05-12
摘要:
为提升区域数值预报系统2 m气温预报性能,利用土壤温度和土壤湿度站点观测资料,对中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)陆面资料在浙江地区的精度进行评估,并将其融合应用于浙江省数值预报业务系统。结果表明:CLDAS土壤温度、土壤湿度产品相对于美国全球预报系统(Global Forecast System,GFS)分析场,与观测相比具有更小的均方根误差和更高的相关系数,在浙江省有较好的适用性。个例分析表明区域数值模式2 m气温预报对陆面资料变化较敏感,融合CLDAS地表温度、土壤温湿度实时分析产品的初始场,可持续影响到模式预报后期,主要通过地表感热、潜热通量直接影响气温变化。从均方根误差来看,与基于GFS分析场作为陆面初始场的区域模式预报相比,应用了CLDAS陆面资料的模式预报改进了13.6%。2021年7月阶段性应用结果显示,模式初始场融合CLDAS陆面资料后有效提高了浙江省2 m气温预报水平,融合后的预报改进效果夜间较白天明显,且晴热高温天气背景下较梅雨期、台风期改进更佳。高温天气预报评估进一步表明,CLDAS陆面资料的应用对浙江省高温事件预报有较好的改进,尤其对金衢盆地等高温区改进明显。
中图分类号:
邱金晶, 陈锋, 董美莹, 范悦敏, 余贞寿. CLDAS陆面资料对区域数值预报系统气温预报的改进研究[J]. 干旱气象, 2024, 42(2): 238-250.
QIU Jinjing, CHEN Feng, DONG Meiying, FAN Yuemin, YU Zhenshou. Research on improvement of temperature forecasts of the regional numerical prediction system using CLDAS land data[J]. Journal of Arid Meteorology, 2024, 42(2): 238-250.
图2 浙江省2021年7月CLDAS和GFS分析场0~10 cm土壤温度(a)和土壤湿度(b)平均值、绝对误差、均方根误差、相关系数的逐12 h演变
Fig.2 The 12-hour variation of averages, absolute errors, root mean square errors and correlation coefficients of 0-10 cm soil temperature (a) and 0-10 cm soil moisture (b) of CLDAS and GFS analysis fields in Zhejiang Province in July 2021
图3 浙江省2021年7月CLDAS(a、c)、GFS分析场(b、d)与观测数据0~10 cm土壤温度(a、b)、土壤湿度(c、d)的时间相关系数空间分布
Fig.3 Spatial distributions of time correlation coefficients between CLDAS (a, c), GFS analysis fields (b, d) and 0-10 cm soil temperature (a, b), 0-10 cm soil moisture (c, d) in July 2021 in Zhejiang Province
图4 TCLDAS试验和TGFS试验2021年7月13日20:00预报的1~72 h浙江省平均2 m气温误差(a)、绝对误差(b)、均方根误差(c)和相关系数(d)
Fig.4 The errors (a), absolute errors (b), root mean square errors (c) and correlation coefficients (d) of average 2 m temperature predicted by TCLDAS and TGFS for 1-72 h validity period starting at 20:00 on 13 July 2021 in Zhejiang Province
图5 TCLDAS和TGFS试验2021年7月13日20:00预报的1~72 h平均、第18、第42、第66小时浙江省2 m气温误差空间分布(单位:℃) (黑色四边形为后文重点关注区域)
Fig.5 Spatial distributions of errors of 2 m temperature of 1-72 h average and the 18th hour, the 42th hour and the 66th hour in Zhejiang Province predicted by TCLDAS and TGFS starting at 20:00 on 13 July 2021 (Unit: °C) (Black quadrilateral is the focus area for the following part)
图6 2021年7月13日20:00 CLDAS和GFS分析场地表温度、不同层次土壤温度(单位:℃)及不同层次土壤湿度(单位:m3·m-3)差值分布
Fig.6 Difference distributions between CLDAS and GFS surface temperature, soil temperature (Unit: ℃) for different layers and soil moisture (Unit: m3·m-3) for different layers at 20:00 on 13 July 2021
图7 TCLDAS和TGFS试验2021年7月13日20:00预报1~72 h平均0~10 cm土壤温度(单位:℃)、0~10 cm土壤湿度(单位:m3·m-3)、感热通量(单位:W·m-2)、潜热通量(单位:W·m-2)的差值分布
Fig.7 Difference distributions of 0-10 cm soil temperature (Unit: ℃), 0-10 cm soil moisture (Unit: m3·m-3), sensible heat flux (Unit: W·m-2) and latent heat flux (Unit: W·m-2) for 1-72 h average predicted by TCLDAS and TGFS starting at 20:00 on 13 July 2021
图8 TCLDAS和TGFS试验2021年7月13日20:00预报的区域平均1~72 h 2 m气温(a)及其差值(b)、0~10 cm土壤温度(c)及其差值(d)、0~10 cm土壤湿度(e)及其差值(f)、感热通量(g)及其差值(h)、潜热通量(i)及其差值(j)的时间演变
Fig.8 The 1-72 h regional averages of 2 m temperature (a) and their difference (b), 0-10 cm soil temperature (c) and their difference (d), 0-10 cm soil moisture (e) and their difference (f), sensible heat flux (g) and their difference (h), latent heat flux (i) and their difference (j) predicted by TCLDAS and TGFS starting at 20:00 on 13 July 2021
时 段 | 试验名称 | 误差/℃ | 绝对误差/℃ | 均方根误差/℃ | 相关系数 |
---|---|---|---|---|---|
1—10日 | TCLDAS | -0.75 | 1.82 | 2.22 | 0.55 |
TGFS | -1.10 | 1.92 | 2.32 | 0.54 | |
11—19日 | TCLDAS | -1.30 | 1.89 | 2.31 | 0.67 |
TGFS | -1.77 | 2.18 | 2.61 | 0.65 | |
20—31日 | TCLDAS | -0.23 | 1.55 | 1.94 | 0.63 |
TGFS | -0.60 | 1.66 | 2.05 | 0.62 |
表1 2021年7月不同天气背景下TCLDAS和TGFS试验预报浙江省2 m气温评估结果
Tab.1 Evaluation results of 2 m temperature in Zhejiang Province predicted by TCLDAS and TGFS under different weather backgrounds in July 2021
时 段 | 试验名称 | 误差/℃ | 绝对误差/℃ | 均方根误差/℃ | 相关系数 |
---|---|---|---|---|---|
1—10日 | TCLDAS | -0.75 | 1.82 | 2.22 | 0.55 |
TGFS | -1.10 | 1.92 | 2.32 | 0.54 | |
11—19日 | TCLDAS | -1.30 | 1.89 | 2.31 | 0.67 |
TGFS | -1.77 | 2.18 | 2.61 | 0.65 | |
20—31日 | TCLDAS | -0.23 | 1.55 | 1.94 | 0.63 |
TGFS | -0.60 | 1.66 | 2.05 | 0.62 |
图9 2021年7月TCLDAS和TGFS试验不同提前量下预报逐日14:00 2 m气温(≥35 ℃)评估参数对比 (a)击中率,(b)TS评分,(c)范围偏差评分
Fig.9 Comparison of evaluation parameters of 2 m temperature (≥35 ℃) at 14:00 under different lead time for TCLDAS and TGFS in July 2021 (a) hit rate, (b) threat score, (c) frequency bias
图10 2021年7月逐日14:00平均2 m气温预报及实况空间分布(单位:℃) (a)TCLDAS试验提前6 h预报,(b)TGFS试验提前6 h预报,(c)TCLDAS试验提前18 h预报,(d)TGFS试验提前18 h预报,(e)实况
Fig.10 Spatial distributions of average 2 m temperature at 14:00 in July 2021 (Unit: ℃) (a) forecasted by TCLDAS 6 h in advance, (b) forecasted by TGFS 6 h in advance, (c) forecasted by TCLDAS 18 h in advance, (d) forecasted by TGFS 18 h in advance, (e) observation
图11 2021年7月TCLDAS和TGFS试验预报逐日14:00 2 m气温(≥35 ℃)TS评分平均值及其差值空间分布 (a)TCLDAS试验提前6 h预报,(b)TGFS试验提前6 h预报,(c)TCLDAS和TGFS试验提前6 h预报差值,(d)TCLDAS试验提前18 h预报,(e)TGFS试验提前18 h预报,(f)TCLDAS和TGFS试验提前18h预报差值
Fig.11 The spatial distributions of averages and differences of threat scores for daily 2 m temperature (≥35 ℃) at 14:00 predicted by TCLDAS and TGFS in July 2021 (a) forecasted by TCLDAS 6 h in advance, (b) forecasted by TGFS 6 h in advance, (c) difference between TCLDAS and TGFS predictions 6 h in advance, (d) forecasted by TCLDAS 18 h in advance, (e) forecasted by TGFS 18 h in advance, (f) difference between TCLDAS and TGFS predictions 18 h in advance
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