地面站点观测通常在评估格点降水产品中作为真值，但已有研究表明，地面观测站的空间代表性和站点分布密度会对“真值”造成较大影响，可能间接错误地“低估”格点降水产品质量。

近日，清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）卢麾副教授课题组在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上发表题为“基于高分辨率数值模拟量化复杂地形地面降水‘真值’的不确定性（Characterizing uncertainties in ground ‘truth’ of precipitation over complex terrain through high-resolution numerical modeling）”的论文，提出了在有限的雨量计观测支持下，将超高分辨率（0.015°水平格距）的WRF模拟数据作为密集观测数据替代，从而量化降水“真值”不确定性的方法。

图1 0.25°网格区域内不同样本量（雨量站/WRF高分辨率网格）在各时间尺度的降水空间变率。

研究发现，在0.25°网格的空间范围内，WRF超高分辨率模拟能够有效重现不同时间尺度降水的空间变率，而基于有限站点观测得到的该空间尺度下的降水空间变率偏小（图1）。因此，在评估粗分辨率格点降水产品时，不能直接采用有限站点观测作为“真值”来量化其不确定性，借助高分辨率数值模拟的降水产品则可以对该不确定性进行有效估计。模拟结果表明，地形越复杂，降水的空间变率越大；时间尺度越大，降水的空间变率越不明显。以上发现符合预期，揭示了高分辨率降水模拟描述复杂地形区域降水时空变率的潜力。

图2 (a)相对均方根差异rRMSD随采样观测站（采样模拟网格）数量的变化；(b)最少站点数（rRMSD < 10%）与降水空间变率的关系。

研究进一步探讨了利用WRF高分辨率模拟确定获取粗分辨率网格降水“真值”所需的最少观测站数量（NRS）的可行性。本文基于随机采样，得到不同数目站点/WRF网格内平均降水与区域平均降水之间的相对均方根差异（rRMSD）来量化相应站点数目代表区域“真值”的不确定性。分析发现，模拟和观测得到的rRMSD平均值及其标准偏差随样本（模拟格点或观测站点）数的变化具有很好的一致性（图2a），表明可利用WRF高分辨率模拟数据来确定NRS。模拟结果显示，最少测站数量与降水的空间变率高度相关。降水空间变率越大，NRS越大（图2b）。研究进一步发现，即使在月尺度上，平坦地区的降水空间变率也可能很大，而复杂地形地区的降水空间变率也可能不明显。由此可见地形的复杂程度并不是决定NRS的唯一因素。上述研究结果对地面降水观测站布局具有指导意义。

清华大学地学系博士生欧阳琳为论文的第一作者，地学系卢麾副教授为论文通讯作者。合作者来自清华大学、美国西北太平洋国家实验室、西南大学、宾夕法尼亚州立大学和中科院青藏高原研究所等单位。本研究得到了第二届青藏高原科学考察研究任务（2019QZKK0206）、国家重点研发计划项目（2017FA0603703）和国家自然科学基金（41905087）的支持。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091950

供稿：欧阳琳

编辑：王佳音

审核：武海平