ERA-Interim和ERA5再分析风资料在中国近海的适用性对比研究

全球再分析海面风资料在波浪模拟和风能资源评估等研究中发挥着重要作用，但风场资料种类繁多，且准确性在不同海域差异较大，使用时需要进行适用性分析。本文基于欧洲中期天气预报中心的ERA5和ERA-Interim再分析风场，利用多个站点的实测数据，分析了其在中国近海的适用性，并将再分析风场输入FVCOM-SWAVE波浪模型，对比了它们在常风天和台风天对波浪模拟的效果。结果表明：（1）常风天条件下ERA5和ERA-Interim资料在中国近海表现相似，风速较实测值略偏大，均能基本反映海表面风场变化和平均风速分布，吻合度指标在各站点均超过0.9;(2) ERA5对台风的模拟显著优于ERA-Interim，能较好模拟台风风速结构，对不同台风模拟精度差异大，整体上会低估台风风速；（3）风场质量是造成波浪模拟误差的主要原因之一，ERA5和ERA-Interim均能较好地模拟常海况下的波浪变化情况，而在台风浪的模拟中ERA5更优，“双台风”现象对风速和波浪的模拟准确度影响大。     

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据, 使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform, CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data, ERA5)风场资料, 研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon, RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响, 确定了最优模拟参数, 并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明, (1)改进的风场资料与实测结果更为接近, 作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况; (2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。     

HRCLDAS与ERA5-Land气温日统计数据在山东地区的对比评估

基于山东省2021年3月—2022年2月1 519个气象观测站2 m气温观测数据,对中国气象局高分辨率陆面数据同化系统(High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,HRCLDAS)和欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析数据集(ERA5-Land)逐小时2 m气温分析的日统计数据(平均气温、最高气温、最低气温)进行对比评估。结果显示:(1)HRCLDAS/ERA5-Land日统计平均气温、最高气温、最低气温的均方根误差分别为0.1/1.2 ℃、0.6/1.9 ℃、0.4/1.7 ℃,表明HRCLDAS具有更高的精度,且在不同地理区域、不同海拔高度的表现均优于ERA5-Land,大部地区的偏差(-0.5~0.5 ℃)远低于ERA5-Land(-2.0~2.0 ℃)。(2)两套数据对高温及寒潮过程的监测能力对比评估表明,HRCLDAS能够捕捉到大部分的高温以及寒潮过程,其与观测的高温日数及寒潮日数空间分布较为相似,但对影响范围存在一定的低估;ERA5-Land则只能监测到部分高温及寒潮过程,并对高温日数与寒潮日数存在严重的低估。     

ERA5风场与NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性对比研究

全球再分析数据集已成为研究气候规律和数值模拟的重要工具,其中海面风场数据集是波浪模拟的重要资料,风场资料的准确性是影响海浪要素模拟结果的关键因素,不同的海面风场资料在中国各个海域的适用性具有不确定性。利用黄海、东海海域的12个观测点,选取了2006—2018年间的11场台风进行对比,验证了ERA5和NCEP风场在台风期间与常海况下的风速;模拟了中国近海海域的波浪场,与范围内15个测站的有效波高及谱峰周期进行了对比验证;分析了ERA5和NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性。主要结果如下:(1)风场质量是造成台风浪模拟误差的主要原因之一,研究区域内ERA5风场在台风期间的风速大小与实测资料具有较高一致性;长江口邻近海域内,ERA5风速相关性在0.8以上;江苏海域内,ERA5风速相关性在0.9以上;(2)分别采用ERA5和NCEP再分析风场资料作为驱动风场输入Mike21 SW模型,较好地模拟了黄海、东海海域在不同海况下的波浪变化情况;在江苏海域,ERA5资料模拟波高值与浮标测站观测波高资料相关性超过0.85,平均绝对误差不超过0.2 m;(3)两种风场在江苏海域、长江口及其邻海的适用性比黄海北部更好。结果表明,NCEP和ERA5在中国近海海域波浪模拟的适用性有差异,在江苏海域、长江口及其邻海,基于ERA5的数值模拟结果相对于NCEP模拟结果精度提高。     

SWAN模式中风输入方案对南海台风浪后报的影响分析

基于近岸海浪模式(SWAN, Simulating waves nearshore),分别用ERA (ECMWF re-analysis)5、ERA-Interim、CCMP(Cross calibrated multi-platform)及美国国家环境预报中心(NCEP, National centers for environmental prediction)数据中心的天气预报再分析系统(CFSR, Climate forecast system reanalysis)的海表面10 m处风场作为不同的驱动风场,模拟15次经过南海的热带气旋过程产生的极值波高情况下的海浪,比较了不同风场驱动的海浪后报模拟值与Jason卫星高度计实测值的误差;再应用模拟精度最高的驱动风场,模拟同样条件的海浪场,对拖曳系数的参数化方案进行敏感性分析和比较。结果表明：在模式输入参数为默认值的情况下,ERA5风场与WU方案的风输入组合能够获得更加准确的中国南海热带气旋发生海域的有效波高;最后基于以上结果构建30年的南海海域海浪要素数据集,并使用Pearson-Ⅲ分布推算出南海海域的多年一遇有效波高。研究结果...     

ERA-Interim和ERA5再分析数据在江苏区域的适用性对比研究

基于江苏省73个国家级自动气象观测站和3个高空探测站的观测数据,对比研究了ERA-Interim和ERA5两套再分析数据在江苏区域的适用性。结果表明:无论是地面气象要素还是高空气象要素,ERA5再分析数据的适用性均优于ERA-Interim再分析数据,特别是ERA5再分析数据中的2 m气温及2 m相对湿度相对于ERA-Interim再分析数据体现出系统性的改进,相关系数的提升超过0.4。两套数据的小时降水量与观测之间均存在相对较大的误差,在实际使用中需谨慎。ERA5再分析数据与观测数据在一致性及误差方面存在较为显著的时空变化特征,该数据在夏季的适用性低于其他季节,在空间上夏半年体现了明显的南北分布特征,与之对应,ERA-Interim再分析数据没有显著的时空分布特征。采用新一代的ERA5再分析数据对江苏区域的天气/气候进行研究/预报具有潜在的优势。     

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。     

多普勒雷达资料在近海强台风模拟中的同化试验

利用中尺度数值模式(WRF),并同化了多普勒雷达反射率和径向速度资料以及非常规的观测资料,对近几年登陆于浙闽沿海的4例强台风进行了数值模拟。通过高时空分辨率的模拟结果对比分析表明:雷达资料的同化,对近海登陆台风路径和降水模拟以及中尺度降水特征都有进一步改进的效果;模拟较好的揭示了台风近中心螺旋云带中的强中尺度对流系统。通过模拟分析表明,在台风近中心的螺旋云带中,低层有一条强辐合线存在,它与实况多普勒雷达给出的低层平显(PPI)强度回波带有较好的对应关系,也与沿海地区中尺度暴雨系统紧密联系,并由此看到近海海域降水带和强对流区的存在。     

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

利用美国高分辨率中尺度模式WRF(weacherResearch and Forccast)式和、WRF三维同化系统(WRF 3DVAR),以2006年"碧利斯"台风低压引发的暴雨天气过程为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压"碧利斯"暴雨过程分析和预报的影响.初步的结果显示,同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈,更接近实况的降水.     

0505号台风的数值模拟和中尺度结构分析

采用MM5中尺度数值模式,以NCEP再分析资料作为初始场和侧边界,对0505号台风“海棠”登陆过程进行数值模拟,结果表明模式能很好的模拟出台风路径和暴雨落区,并利用模式输出的高分辨率结果对台风“海棠”的中尺度结构演变特征进行了初步分析。     

Numerical investigation of ocean waves generated by three typhoons in offshore China

The influences of the three types of reanalysis wind fields on the simulation of three typhoon waves occurred in 2015 in offshore China were numerically investigated. The typhoon wave model was based on the simulating waves nearshore model (SWAN), in which the wind fields for driving waves were derived from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Re-Analysis-Interim (ERA-interim), the National Centers for Environmental Prediction climate forecast system version 2 (CFSv2) and cross-calibrated multi-platform (CCMP) datasets. Firstly, the typhoon waves generated during the occurrence of typhoons Chan-hom (1509), Linfa (1510) and Nangka (1511) in 2015 were simulated by using the wave model driven by ERA-interim, CFSv2 and CCMP datasets. The numerical results were validated using buoy data and satellite observation data, and the simulation results under the three types of wind fields were in good agreement with the observed data. The numerical results showed that the CCMP wind data was the best in simulating waves overall, and the wind speeds pertaining to ERA-Interim and CCMP were notably smaller than those observed near the typhoon centre. To correct the accuracy of the wind fields, the Holland theoretical wind model was used to revise and optimize the wind speed pertaining to the CCMP near the typhoon centre. The results indicated that the CCMP wind-driven SWAN model could appropriately simulate the typhoon waves generated by three typhoons in offshore China, and the use of the CCMP/Holland blended wind field could effectively improve the accuracy of typhoon wave simulations.     

基于浮标站和ERA5 再分析资料的浙江沿海台风浪特征分析

为了分析台风影响下浙江沿海风和浪的演变特点，利用浙江省海洋浮标站监测数据和欧洲中期天气预报中心第五代全球气候大气再分析数据（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5，ERA5），选取2010年以来严重影响浙江的7次台风个例，对台风作用下浙江沿海海面风和浪的演变特点进行分析。结果表明：在台风影响过程中，海浪波型多数呈现混合浪-风浪-混合浪的演变规律；涌浪波型的出现与台风强度及其与浮标站的距离和方位有关，也与海洋潮汐现象紧密相关。台风影响期间，浙江沿海浪高的变化受风速和风向共同作用影响。在风向不变的情况下，持续风速增大对浪高的增大有明显作用；风向的变化也会对浪高变化产生影响，向岸风和离岸风的转变会造成浪高出现剧烈变化。ERA5 再分析资料有效波高在台风浪较大时会呈现偏小的趋势，分析订正后的ERA5 有效波高发现，台风浪有效波高大值区与台风中心位置相关。研究结果可为严重影响浙江沿海的台风浪预报服务提供参考。     

An assessment of Arctic cloud water paths in atmospheric reanalyses

The role of Arctic clouds in the recent rapid Arctic warming has attracted much attention. However, Arctic cloud water paths(CWPs) from reanalysis datasets have not been well evaluated. This study evaluated the CWPs as well as LWPs(cloud liquid water paths) and IWPs(cloud ice water paths) from five reanalysis datasets(MERRA-2,MERRA, ERA-Interim, JRA-55, and ERA5) against the COSP(Cloud Feedback Model Intercomparison Project Observations Simulator Package) output for MODIS from the MERRA-2 CSP(COSP satellite simulator) collection(defined as M2 Modis in short). Averaged over 1980–2015 and over the Arctic region(north of 60°N), the mean CWPs of these five datasets range from 49.5 g/m~2(MERRA) to 82.7 g/m~2(ERA-Interim), much smaller than that from M2 Modis(140.0 g/m~2). However, the spatial distributions of CWPs, show similar patterns among these reanalyses, with relatively small values over Greenland and large values over the North Atlantic. Consistent with M2 Modis, these reanalyses show larger LWPs than IWPs, except for ERA-Interim. However, MERRA-2 and MERRA underestimate the ratio of IWPs to CWPs over the entire Arctic, while ERA-Interim and JRA-55 overestimate this ratio. ERA5 shows the best performance in terms of the ratio of IWPs to CWPs. All datasets exhibit larger CWPs and LWPs in summer than in winter. For M2 Modis, IWPs hold seasonal variation similar with LWPs over the land but opposite over the ocean. Following the Arctic warming, the trends in LWPs and IWPs during 1980～2015 show that LWPs increase and IWPs decrease across all datasets, although not statistically significant. Correlation analysis suggests that all datasets have similar interannual variability. The study further found that the inclusion of re-evaporation processes increases the humidity in the atmosphere over the land and that a more realistic liquid/ice phase can be obtained by independently treating the liquid and ice water contents.     

ERA5海面气压和风速再分析资料在渤海和北黄海适用性分析

利用渤海和北黄海9个站位浮标的海面10 m气压和风速观测资料对ERA5再分析资料的适用性进行了初步评估。结果表明：海面气压和风速再分析资料与观测资料具有良好的相关性,不同时间尺度的统计结果具有一定差异,累年逐月的相关性优于日均和日极值,极端天气下的相关系数最低。不同时间尺度的统计结果显示,气压再分析资料与观测值的偏差总体为负值,即高压再分析资料较观测值偏弱、低压再分析资料较观测值偏强,二者存在一定的系统性偏差;风速统计结果显示,偏差与风力级别有关,大风速时,风速再分析资料普遍小于观测值。累年逐月再分析资料反映了研究区气压和风速的季节变化特征,偏差也呈现出季节性变化,且冬季的适用性优于夏季;极端天气情况下,气压和风速再分析资料的适用性较差,需要开展进一步的订正处理。     

Estimating the reproduction quality of precipitation over the north atlantic and influence of the hydrostatic approximation in the WRF–ARW atmospheric model

The Weather Research and Forecast numerical model (WRF) with the dynamic Advanced Research WRF (ARW) solver was used to simulate the winter (January 2016) and summer (July 2015) atmospheric state over the North Atlantic with a high (15 km) spatial resolution. The quality of precipitation modeling was validated by remote sensing Global Precipitation Measurements (GPM) data and atmospheric ERA-Interim reanalysis. Nonhydrostatic and hydrostatic equations for the vertical velocity were additionally used to investigate their influence on the accuracy of the precipitation modeling results. It was shown that the model in this configuration satisfactorily reproduces the precipitation field. No evidence of hydrostatic approximation was revealed (over a simulation domain with a resolution of 15 km, simplified topography, and parameterizations of convection and microphysical processes).     

中国沿海HY-2A 校正微波辐射计水汽含量数据精度检验方法

为评价“海洋二号”卫星（HaiYang-2A, HY-2A）校正微波辐射计（Calibration Microwave Radiometer, CMR）近海水汽产品精度,以中国沿海全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）业务观测站数据和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)发布的第五代大气再分析资料（ECMWF Reanalysis 5, ERA5）作为验证数据。首先对选取的GNSS业务观测站数据和CMR水汽含量数据进行时空匹配,两者的观测时间一致、空间范围取为100 km;然后利用精密单点定位方法反演GNSS业务观测站上空的大气可降水量（Precipitable Water Vapor, PWV）,同时对1 h分辨率的ERA5再分析资料内插计算,得到CMR水汽数据点处的ERA5 PWV;最后以GNSS PWV和ERA5 PWV为参考,分析2015年CMR水汽产品精度和偏差时空分布。结果表明,CMR水汽含量和GNSS PWV、ERA5 PWV之间的相关系数r均高于0.96,平均均方根误差分别为3.17 mm和1.58 mm,具有较高的精度;CMR水汽含量相对于GNSS PWV和ERA5 PWV的偏差不随季节变化而变化,但CMR水汽含量数据精度随纬度的增加而有所提高。     

2007号台风“海高斯”快速加强的成因分析

利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA-Interim逐6 h再分析数据(水平分辨率0.25°×0.25°)和国家气象中心提供的逐小时台风业务数据,分析了2020年第7号台风“海高斯”的路径和强度特征,并在此基础上分析其出现快速加强的原因。结果表明:1)“海高斯”个头小、海温异常偏高、风的垂直切变较小是其出现快速加强的有利因素;2)高空冷涡是“海高斯”后期高空北向出流打开的有利条件;3)来自副热带高压南侧的东向气流对“海高斯”水汽和涡度的输送也是其出现快速加强的有利条件。     

基于观测和再分析资料的气温、海表温度在江苏海域的比较分析

文章利用海洋台站观测资料,对3类再分析资料的气温、海表温度数据在江苏海域进行比较分析。结果表明：总体而言,气温、海表温度的再分析数据与观测数据均具有很高的一致性,且海表温度再分析数据与观测数据的一致性高于气温再分析数据;在3种再分析资料中,ERA5的可靠性优于JRA-55和NCEP;在离岸较远的外磕脚测点,再分析数据与观测数据的一致性高于另2个测点;在台风影响期间,吕四测点、外磕脚测点的再分析数据与观测数据更为接近,在更近岸的连云港测点,再分析数据与观测数据的差异更大;在冷空气造成的气温下降期间,再分析数据与观测数据的差异较小,但在气温缓步回升期间,吕四测点、外磕脚测点的再分析数据明显高于观测数据;在冷空气影响过程中,再分析数据反映的海表温度下降幅度明显低于观测数据。本研究可为再分析资料在江苏海域的适用性和可信度提供评估依据。     

台风“利奇马”引发山东强降水成因分析

利用常规气象观测资料、台风最佳路径数据集资料、地面-卫星-雷达三源融合逐小时降水产品(0.05°×0.05°)、FY-2G云顶亮温(0.1°×0.1°)、NCEP/NCAR FNL(1°×1°)再分析资料,对2019年9号台风“利奇马”影响期间2019年8月11日发生的山东特大暴雨过程进行分析。结果表明:1)强降水主要受台风倒槽的影响,台风倒槽在山东中部暴雨区长时间稳定维持,台风东侧的低空东南急流把东海北部的水汽和能量向暴雨区输送,配合200 hPa高空急流的“抽吸作用”,在暴雨区上空辐合抬升,造成具有中尺度特征的暴雨。2)强降水区存在的正涡度区伴随强烈的上升运动、低层辐合、高层辐散的结构和次级环流耦合发展,为此次台风暴雨过程提供了有利的动力条件,而且动力条件的演变在此次台风暴雨过程中的作用比热力条件更重要。3)850 hPa水汽通量辐合中心,以及相匹配的在垂直方向的强上升运动区,对强降水落区和雨强有一定的指示意义。