环渤海区域再分析资料地面风速场的适用性对比分析

利用环渤海区域的气象站资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、CFSR、ERA Interim、JRA-55共5种再分析资料,讨论了再分析资料近地面10 m平均风速场在环渤海区域的适用性问题。结果表明：JRA资料与观测站的相关系数最大,ERA资料与23站均方根误差的平均最小;再分析资料与气象站观测资料的相关系数在山东半岛和辽东半岛高于其他地区、冬半年大于夏半年。环渤海区域地面10 m平均风速场JRA和ERA两套资料的适用性较好。由于ERA-Interim的水平分辨率更高,所以在强风过程分析中确定使用ERA Interim再分析资料。     

ERA5-Land、MERRA2气温、降水数据在呼伦贝尔地区的适用性研究

利用1981—2019年呼伦贝尔地区16个气象站观测数据，结合相关系数、均方根误差、散点斜率等方法，对ERA5-Land和MERRA2再分析月气温、降水数据的区域适用性进行评估。研究表明：ERA5-Land、MERRA2两套再分析气温、降水数据与观测数据对比，整体相关性较高、误差较低、本地适用性较高，但也均存在低观测值时再分析数据的高估和高观测值时再分析数据的低估现象。ERA5-Land的月气温数据略优于MERRA2，而月降水数据差于MERRA2。ERA5-Land的年降水量在2005年之后出现明显的低估，降水量被低估的月份主要为6—8月，建议在再分析数据使用前对其进行系统偏差订正，以提高数据的适用性。     

青藏高原东部三种再分析资料与地面气温观测资料的对比分析

为了检验再分析资料在青藏高原(下称高原)的适用性,以地面观测资料为标准,综合比较了1989-2009年间NCEP/DOE(简称NCEP)、ERA-interim(ERA)和JRA-25(JRA)三种再分析资料在高原东部地区的月平均地面气温的分布和变化规律。从平均季节变化来看,夏季再分析资料与观测资料的一致性总体好于冬季,其中NCEP资料整体偏低于观测资料,JRA则相反。从线性趋势来看,ERA和JRA资料与观测资料较一致,均表现出高原东部区域整体增暖趋势,而NCEP资料则表现出略微的下降趋势。从年际尺度变化来看,ERA和JRA资料所反映的年际变化和变率特征要好于NCEP资料,并且JRA资料的结果要优于ERA资料。最后,比较了三种再分析资料的质量指数,发现ERA资料质量最好,NCEP资料最差,而且NCEP和JRA资料在近20年质量有变差趋势,ERA资料有变好趋势;ENSO、东亚季风和高原季风对再分析资料地面气温场的质量均有一定的影响。     

4种再分析月降水数据在内蒙古地区的适用性分析

利用1981—2020年气象台站的实测降水数据,对CRA40、ERA5、JRA55和MERRA2这4种再分析月降水数据在内蒙古地区的降水分布特征,与实测降水的相关性和误差进行分析。结果表明：（1）内蒙古地区4种再分析降水数据的空间分布与台站降水基本一致,误差分析表明CRA40与MERRA2的数据质量较高,ERA5次之,而JRA55数据质量相对较差。（2）CRA40和MERRA2在1983—1986年存在明显的降水低估,ERA5在2005年之后的内蒙古中东部出现明显的降水低估,JRA55在115°E以东存在明显降水高估,在115°E以西则以降水低估为主。（3）4种再分析月降水数据的年内最大均方根误差和绝对误差均集中在6—8月,与台站降水相关系数的年内最小值均出现在7月,内蒙古夏季汛期是再分析降水误差产生的主要时段。     

3种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的对比:年平均特征

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA 3种再分析资料,采用线性趋势、标准差、相关系数、EOF分析等多种统计分析方法,对再分析资料年平均的高空温度在中国区域的可信度进行了分析.研究表明:在数值上,3种再分析资料的高空温度均小于探空资料的高空温度,NCEP/NCAR资料在对流层上层更接近于探空资料,ERA和JRA资料则在对流层中下层与探空资料更为接近;在描述年际变化和长期变化趋势方面,ERA资料在我国北方的对流层上层的再现能力较好,NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层的再现能力较好,而3种再分析资料在对流层中下层的再现能力相当;在时空变化特征方面,NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现高空温度的年代际变化特征,而ERA和JRA资料则能较好地表现年际变化特征.     

ERA5再分析资料在辽宁省的适用性分析与订正

为系统研究ERA5再分析资料在辽宁省的适用性，本文基于近10a辽宁省62个地面站和9个探空站（省内4部，省外5部）资料，提取了温度、湿度、气压、风场等业务和研究中常用物理量，采用统计分析方法对ERA5资料在辽宁省的适用性进行了分析，并尝试使用机器学习的方法订正ERA5资料的偏差。结果表明：在地面观测要素分析中，2 m温度相关系数普遍较高，均方根误差普遍偏低，辽河流域及其西侧地区效果好于其他地区；10 m风速对比结果总体稍差，U分量相关系数总体低于V分量；ERA5资料质量有明显的月变化特征，相关系数总体呈现春秋季节高于夏冬季节，且相关系数总体较高的季节，均方根误差也普遍偏高。在高空观测要素分析中，辽宁中部地区的数据质量要高于东西部两地区，温度的平均相关系数最高，相对湿度相关系数平均较低，均方根误差总体较大；相对湿度的相关系数在春夏之交时最低，夏季上升较快，夏秋之交时达到最高，相关系数快速上升的月份，均方根误差也呈现出快速上升的趋势；高空U风场和V风场的均方根误差总体相差不大，且均方根误差月变化相一致，总体经向风（V风场）质量低于纬向风（U风场）。通过机器学习的订正方法有效提升了地面温度和相对湿度的应用能力，使ERA5地面温度资料的均方根误差缩小0.5～1.0℃，使地面相对湿度资料的均方根误差缩小最高可达26%。     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。      

ERA再分析陆面温度资料在浙江省的适用性

利用浙江省2016年71个气象台站观测的日平均气温和地表(0cm)温度资料对ERA再分析陆面温度资料的适用性进行了初步评估,通过计算2套再分析资料(ERA5和ERA-Interim)与观测资料之间的相关系数、平均偏差、平均绝对偏差、均方根误差和纳什效率系数等统计参数,综合评估了ERA再分析资料在浙江省的适用性。结果表明:①ERA2套再分析资料与观测值均较为接近,均能够较好地再现浙江省2m气温的时空分布特征且变化相关系数均高于0.98,日绝对偏差较小。②对于地表温度,2套再分析资料的适用性要差于气温,主要表现在2套再分析地表温度均低于观测值,且夏季的偏差显著大于其他季节,但绝大多数站点相关系数高于0.9,均方根误差高于2℃。总体来说,2套ERA再分析陆面温度资料对浙江省具有较好的适用性,ERA5整体上优于ERA-Interim,地表温度的改善更明显。     

再分析温度资料与西藏地区冬、夏季观测气温的比较

利用西藏地区地面气温(OT)及NCEP/NCAR(NT1)、ERA-40(ET1)、NCEP/DOE(NT2)、ERA-Interim(ET2)和JRA-25(JT)五种月平均2 m气温再分析资料,对其气候均值、方差、气候趋势及年际和年代际变化等进行了分析和评估.结果表明:(1)五种再分析资料对西藏地区冬、夏季气温的估计均偏低,且冬季偏低大于夏季;经地形高度差订正,再分析资料与观测气温的偏差明显缩小,ET1、ET2和JT效果最佳;(2)西藏冬、夏季气温北部变化大、南部变化小,冬季变化大于夏季.ET1、ET2和JT对西藏东部气温年际变率的再现能力略强于NT1,在中西部,ET1、ET2、JT和NT1再现能力相当;NT2对年际变率的估计较差;(3)西藏大部分地区OT有明显增温趋势,冬季增温大于夏季,再分析资料增温不明显;(4)NT1与ET1均不能反映OT所具有的20世纪80年代以前多低于均值,80年代初期到90年代后期接近均值,此后高于均值的年代际变化特征;(5) ET2和JT对均值、年际变化和变率特征的描述较为接近,且优于NT2; (6)再分析资料温度与观测温度空间分布的相似性从高到低依次为JT＞ ET2＞ ET1＞ NT1＞ NT2.     

多种资料的总云量产品在中国区域的对比分析

利用1987-2016年中国大陆地区的776个站点的总云量资料与CRA40、ERA5、JRA55、CFSR四套再分析资料和国际卫星云气候计划（ISCCP）的月平均总云量数据,统计分析了不同资料的总云量在中国区域的时空差异以及各资料之间的相对一致性。结果表明,不同资料总云量的空间分布特征总体一致,云量的高值区与低值区都有所体现。但是,不同资料在量值上存在一定的差异,ISCCP总云量整体比其他资料偏高5%～20%,各种资料在江淮、东南和西南等总云量高值区吻合程度更好。在东北、西北及内蒙古大部分地区由于有积雪覆盖,卫星反演存在云雪误判导致ISCCP总云量与地面观测和再分析资料相比显著偏高。CRA40与JRA55在东北、华北和江淮地区与地面观测的偏差较小,而ERA5与CFSR在华南及西南地区与地面观测更为接近,JRA55总云量在各资料中最低,在华北、西北以及青藏高原地区表现得尤为明显。ERA5总云量与地面观测一致性最高,其相关系数达到0.91,再分析总云量与ISCCP相关系数均低于0.7,CRA40与ERA5的相关系数达到0.87,CFSR与ERA5也具有较高的相关性,而JRA55与CFSR相...     

中国北部积雪区冬季地表温度和2m气温再分析数据评估

利用2011-2016年冬季中国东北内蒙古及北疆地区251个站点逐日0 cm地表温度和2 m气温数据,对ERA5、MERRA2、JRA55、CRA-interim和CFSR五套再分析数据的地表温度和气温进行评估,并使用MOD10C1对有无积雪覆盖时地表温度的偏差进行了分析。结果表明,再分析气温的精度较高,各再分析气温的整体偏差分布在-1～1℃,北疆地区适用性稍差;再分析地表温度精度明显降低,除ERA5整体偏差为-0. 34℃外,再分析地表温度表现为明显低估;再分析地表温度的偏差与土地利用类型有关,林地地区的地表温度冷偏差最大,草地地区偏差最小;再分析地表温度在有雪时低估更为严重,林地和耕地地区表现明显;相对于地表温度偏差本身,积雪的影响不大,陆面模式对于积雪区冬季林地地区的模拟亟待提高。     

ERA5再分析资料对甘肃省近地面风速气候特征及变化趋势再现能力的评估

为了探究ERA5再分析资料对甘肃省近地层风速的再现能力,利用甘肃省1981-2020年80个国家级气象台站的地面风速资料,分析了近40年间甘肃省风速变化情况,并比较了第五套欧洲中期天气预报中心再分析资料（ERA5）与观测资料变化趋势的异同,讨论了其对甘肃省地面风速的再现能力。结果表明,甘肃省四季平均地面风速自西向东逐渐减小,地面风速最大季节均为春季,不同地区风速偏小季节有所差异;近40年地面风速的变化整体上趋于平稳,但各站点春季风速以显著下降趋势为主,其余三个季节以上升趋势居多;在20世纪90年代初以前四季平均风速均呈现减小趋势,春季变化趋势最强,秋季变化趋势最弱,之后转为平稳变化或上升趋势,冬、夏两季风速上升趋势较强。ERA5再分析资料对甘肃省风速月际变化和主要季节特征的再现能力较好,但对各季节平均风速值和风速长期变化趋势的再现能力较差,仅在风速下降时期有较好的再现能力,并且ERA5风速资料也不具备再现甘肃省各季节风速长期趋势的能力;ERA5再分析资料不能直接用于估算甘肃省的风能密度,但对其进行线性偏差订正后,在风能密度的多年平均值方面有较好的再现能力。     

中国东北和西北区域三种再分析资料与探空资料的温度对比分析

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA三种再分析资料,采用均方根误差、趋势分析等多种统计分析方法,对再分析资料的高空温度在中国东北和西北区域的可信度进行了分析。结果表明：在气候平均方面,JRA资料相比于探空资料的均方根误差较小,冬季的均方根误差较小,西北区的均方根误差普遍大于东北区;在年际变化方面,东北区三种再分析资料在低层的反映程度明显好于高层,西北区各层三种再分析资料与探空资料的差值普遍比东北区大;在长期变化方面,三种再分析资料在对流层低层都较好,东北区NCEP资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势,而在西北区,则是JRA资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势。     

对流层和平流层温度中ENSO信号的多种资料比较

本文利用1980～1999年卫星资料Microwave Sounding Unit (MSU)和5种再分析资料(ERA40、JRA25、NCEP1、NCEP2、MERRA),分析了北半球冬季全球对流层中层和平流层低层温度变化中的ENSO信号,讨论了ENSO暖冷位相时温度异常的对称性和非对称性,并以MSU卫星资料为标准,...     

三种风场再分析资料在辽宁省海岸带的比较与评估

利用1981-2015年辽宁省海岸带20个气象站常规观测资料与同期ERA-Interim、JRA-55和CFSR三种再分析资料进行对比分析,讨论了风速场再分析资料在辽宁省海岸带的适应性问题。结果表明,三种再分析资料与观测资料的大风相关性均通过显著性检验,ERA资料相关性最好,但ERA的最大小时风速明显较观测资料偏小。三种再分析资料在空间上的偏差有明显的不均匀性,绥中、兴城一带偏差较小,旅顺口站偏差较大;CFSR资料最大小时风速的偏差绝对值小于1的站点最多,适用性较好;ERA资料的大风次数与观测资料最为接近,且14:00(北京时,下同)最大小时风速和大风次数的偏差均较08:00偏小。三个海区最大小时风速平均绝对误差的差别不显著,基本在1.5~3 m·s-1之间,而大风次数的误差较显著,渤海海峡误差相对较大,黄海北部次之,渤海北部误差最小,其中CFSR资料的风速平均绝对误差最小。观测的最大小时风速和大风次数呈显著减少趋势,JRA和CFSR资料呈缓慢减少趋势,而ERA资料呈增加趋势;ERA和JRA资料的年代际曲线波动平稳,不能表现出观测资料的年代际变化趋势,CFSR资料与观测值最为接近,但是变化趋势较观测资料缓慢。在长期变化趋势空间分布上,CFSR资料的可信度相对较好,JRA资料次之,ERA资料差别较大。     

江苏省土壤湿度观测资料与再分析资料对比分析研究

利用江苏省2010—2015年的60个站点土壤湿度观测资料,对欧洲中心ERA-Interim再分析资料(ERA)和美国宇航局再分析资料(MERRA)的两套土壤湿度数据在江苏地区的可靠性进行了评估。结果表明:相比于ERA再分析资料,MERRA较好地再现出江苏省次表层年平均土壤湿度的空间分布特征,但是两种资料的次表层和深层土壤湿度的数值均小于观测。ERA和MERRA基本都能揭示出江苏省次表层土壤湿度的季节变化特征,但是深层土壤湿度与观测仍有较大差距。在时间演变方面,ERA次表层土壤湿度与站点观测在研究时段内较为接近,EOF分析揭示出1979—2016年江苏省次表层土壤湿度存在区域一致型与南北偶极型两个主要的年代际变率模态。但是对于深层土壤湿度时间演变而言,两种再分析资料都与观测有较大的差距。总体而言,再分析资料的次表层土壤湿度与站点观测较为接近,但是由于再分析资料陆面模式中地下水等影响深层土壤湿度的关键过程刻画较为简单,使得深层土壤湿度与观测有较大的差距。     

再分析温度资料与观测资料在低温研究中的对比分析

本文使用1979-2021年中国192个站点的逐日最低温度观测资料和ERA-interim、JRA-55、NCEP/NCAR、NCEP/DOE四种再分析资料集中最低温度资料,对中国不同区域的低温阈值平均场、阈值相关性、低温日数平均场进行评估，比较不同再分析资料在全国大多数地区进行气候变化研究时的适用性。结果可以看出，四种再分析资料整体能够再现我国低温事件的气候特征，在低温阈值平均场、阈值相关性、低温日数平均场上ERA-interim、JRA-55的整体再现能力优于其它两种资料；四种再分析资料在东部地区的再现能力高于西部地区。     

四套土壤湿度再分析数据在中国西北东部—华北—江淮地区的适用性研究

基于1992~2010年全国778个农业气象站土壤湿度观测资料、ERA-Interim、JRA55、NCEP-DOE R2和20CR土壤湿度再分析资料,通过平均差值、相关系数、差值标准差、标准差比四个参数,利用Brunke排名方法和EOF(Empirical Orthogonal Function)分析,对四套土壤湿度再分析资料在中国西北东部—华北—江淮区域的适用性进行了分析。主要结论如下:不同季节的平均偏差空间分布上,JRA55资料同观测数据的平均偏差在±0.08m~3 m~(-3)之间,春、夏季西北东部JRA55土壤湿度偏小,ERA-Interim、NCEP-DOE R2、20CR资料较观测数据偏湿,华北南部、江淮地区平均偏差小于西北东部、华北北部。在年际变化上,各个季节ERA-Interim资料同观测资料最为接近,能稳定地再现西北东部、华北、江淮地区土壤湿度干湿变化趋势,反映出重要的旱涝年。整体而言,四套再分析资料中ERA-Interim资料同观测资料接近,JRA55、NCEP-DOE R2资料次之,20CR资料最差。     

MERRA再分析地面气温产品在青藏高原的适用性分析

利用1981-2010年青藏高原60个气象站地面观测气温对MERRA再分析资料地面气温产品T2m进行了评估检验和适用性分析。结果表明:(1)MERRA T2m在青藏高原存在系统性偏低,平均偏低3.2℃,地势相对平坦、地表类型较为单一的高原内陆和北部MERRA T2m更为接近实测气温,而地形和地表类型复杂的高原东南部和南部河谷地区MERRA T2m偏差较大,但是在气温的长期变化趋势上与实测气温具有较好的一致性,MERRA T2m年平均气温升幅要小于实测气温升幅(0.18℃·(10a)~(-1));(2)MERRA T2m与观测气温之间具有较好的线性相关关系,平均相关系数为0.76,96.7%的气象站点通过了P0.05的显著性检验,85%的站点则通过了P0.001显著性检验,相关程度相对较低的站点位于纬度较高的高原北部;(3)MERRA T2m产品相比其他全球再分析资料在青藏高原地面气温表达方面具有一定的优势,是弥补青藏高原观测台站不足,开展高原气候变化、能量平衡和水循环研究以及选取区域气候模式初始场的较好再分析资料。     

EAR70、CLDAS和ERA Interim表层土壤温度在中国地区的评估

本文利用2010—2015年2400多国家气象站逐小时观测数据对覆盖中国的EAR70、CLDAS和ERA Interim 3种表层土壤温度进行了评估和对比。结果表明：空间上CLDAS表层土壤温度精度最高（平均误差为-0.5 ℃，均方根误差为3.0 ℃，相关系数为0.96），受益于CLDAS高精度的陆面初始场，EAR70平均误差得到了改善；时间上ERA Interim再分析表层土壤温度在6:00和夏、秋季精度会明显下降，再分析表层土壤温度在数值较高时段表现出冷偏差，原因是模拟的土壤温度数值上升速度慢，对应的参数化方案有待改进。再分析表层土壤温度在东北地区冬季存在冷偏差，可能和积雪覆盖有关，陆面参数化方案也有待提高。在地形复杂的青藏高原地区，融合地面观测的CLDAS提高了大气驱动的质量进而改进了土壤的模拟。ERA Interim分辨率较粗不适合在青藏高原或者沿海地区使用，结合了CLDAS的EAR70在青藏高原精度提高。土壤表层温度的精度随着高精度的土壤状态初始场进入模式中时间延长会显著下降。因此，CLDAS的实时同化方式，能够有效提高在分析数据的精度。