再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明:整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产品模拟的冬季土壤湿度和观测值相关性是全年中最小的;不同土壤湿度产品在干旱区以模拟偏湿为主,GLDAS-Noah模拟效果最佳,但模拟土壤湿度峰值和谷值的出现时间较观测较早,GLDAS-Noah、CRA40、ERA5能较好模拟季风区干、湿土壤的持续时段和土壤湿度变化振幅,大部分产品能模拟出夏季风影响过渡区较干土壤和较湿土壤的出现时间。     

基于集合预报的异常温度预报产品在中国的应用分析

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代全球再分析资料(ERA5)构建模式气候,应用ECMWF集合预报,采用“集合预报标准化异常预报法”,针对最高和最低气温构建中国地区集合平均异常温度预报和异常温度概率预报产品,并与极端预报指数(extreme forecast index,EFI)开展检验和对比分析预报性能,并基于“异常温度影响矩阵”,构建了异常温度影响程度预报指数,通过异常温度事件个例探讨相关产品的预报应用。结果表明:基于ECMWF的ERA5和集合预报构建的集合平均异常温度预报产品对我国夏季和冬季异常温度事件均有比较好的预报效果,预报性能好于或接近EFI,可作为业务上对异常温度事件预报的支撑产品。异常温度概率预报产品可以体现集合成员中的预报异常温度事件的信息,在中期预报时效对发现早期异常温度事件信号有优势,并可反映对异常天气预报的不确定性信息。异常温度影响程度预报指数结合了异常天气概率预报信息和异常程度预报信息,可对异常温度时间给出客观定量的预报结果,对一次异常低温事件的个例预报证明该指数有比较好的预报效果,对异常温度事件的预报和早期科学预警有一定指示意义和业务应用前景。     

ERA5再分析10m风速数据在“两洋一海”的适用性分析北大核心CSCD

西太平洋-南海-东印度洋(以下简称“两洋一海”)地区对我国的天气气候、国家安全和社会经济有重要影响,但由于资料条件的限制,现有的海上高风速事件研究主要集中于近海,导致对“两洋一海”地区远洋高风速事件的时空分布、变化特征及其机理仍然不够了解,急需利用新的高分辨率资料进行深入的研究。目前欧州中期天气预报中心第五代全球大气再分析资料(ERA5)再分析近地面10 m风速数据与现场观测风速的比较研究还相对较少,因此本文将“两洋一海”地区的国际海洋大气综合数据集(ICOADS)锚定浮标观测资料与ERA5进行了对比分析。结果表明:ERA5再分析10 m风速数据能够较好地表现出海面风场的分布特点和变化特征。ERA5再分析资料具有较高的时空分辨率、较长的时间序列以及完整的数据记录,将其用于海上高风速事件的气候分析是可行的,且具有一定的优势。需要注意的是,ERA5再分析风速总体上存在低估实测风速的系统偏差,尤其是实测风速较大时,ERA5偏离于实测风速的现象更为明显。     

基于NCEP-GEFS回算资料的我国极端温度变化特征研究

利用美国NCEP全球集合预报系统(GEFS)历史回算资料和中国均一化格点观测数据,分析了我国近30 a来极端温度变化特征,重点考察了该模式预报系统对这一变化特征的刻画性能。通过估算格点观测和模式资料中2 m温度的历史气候百分位,分析了我国冬夏两季极端温度的气候特征以及极端温度日数的气候分布和多年变化趋势。结果表明,我国冬季极端低温和夏季极端高温的空间分布表现出较强区域性特征:东北、华北和青藏高原区域冬季极端低温的百分位阈值对应的温度较低,而华南、西北和长江流域夏季极端高温的阈值温度则较高;近30 a来我国夏季平均温度和极端高温日数几乎都呈现上升趋势,冬季平均温度则在我国大部分区域呈上升趋势、西北和东北部分地区呈下降趋势,相应地冬季极端低温日数在大部分区域呈下降趋势、仅在西北、东北和华南部分地区略有上升。NCEP-GEFS回算资料能较好地再现我国冬夏两季平均气温、冬季极端低温和夏季极端高温日数的气候趋势和年际变化,但在各区域都有不同程度的冷偏差,冬季偏差明显大于夏季,并随着预报时长的增加,冬季冷偏差逐渐增强,而夏季冷偏差则逐渐减弱。因此,本文建议采用基于百分位阈值的相对极端性定义,可自动修正模式分析场和预报场中的系统性偏差。     

基于不同资料的影响南海热带气旋环流背景对比北大核心CSCD

利用1981—2020年中国热带气旋最佳路径数据集、中国大气再分析资料(CMA-RA)、欧洲中期天气预报中心ERA5及美国NCEP/NCAR再分析资料(NCEP-Ⅰ),对比不同资料在表征影响南海热带气旋活动环流背景的能力,探讨CMA-RA的适用性。结果表明:不同资料基本刻画出与热带气旋活动密切相关的环流特征,包括南方涛动、菲律宾至南海低层纬向风、热带低层纬向风反向分布型、菲律宾至南海中东部低层涡度、热带西太平洋垂直风切变及南海至菲律宾以东海域中层湿度。它们对南方涛动、关键区纬向风和中层湿度的刻画较相似,CMA-RA和ERA5对南方涛动、低层纬向风及其与热带气旋关系的描述一致性高,较NCEP-Ⅰ密切,但低层经向风、关键物理量差异较大。对极端年环流具有相似的表现能力,但异常程度存在差异,海平面气压、低层纬向风高度一致,以CMA-RA与ERA5最接近;中层湿度CMA-RA与ERA5接近,较NCEP-Ⅰ偏小;关键物理量差异较大。CMA-RA对南海热带气旋环流的刻画具有与ERA5和NCEP-Ⅰ相当的性能,并与ERA5一致性较高,可为相关工作提供可替换的再分析资料集。     

多种再分析地面气温资料在江西省的适用性

为评估不同再分析地面气温资料的适用性和模拟精度，采用双线性内插法将JRA55、ERA Interim、ERA5和MERRA2等再分析地面气温资料降尺度至气象观测站，评估其对实测气温的平均态（平均偏差、均方根误差、相关性分析）、趋势态（年际趋势）和极端态（高温日数、低温日数）的再现能力。通过在江西省的对比分析，结果表明：①利用邻近格点气温和高度值计算的逐时气温垂直递减率具有合理的波动范围以及季节性周期，适用于复杂地形下逐时再分析资料的内插订正；②订正后JRA55地面气温资料的均方根误差最小，MERRA2其次，ERA Interim和ERA5最大；③从气温年际变化趋势来看，JRA55、ERA Interim和ERA5增温速率与实测值较为一致，且JRA55对增温中心的刻画更优；④4种再分析资料均能再现高、低温日数的年际波动，但JRA55在量级上描述最优。综上，再分析地面气温资料的适用性JRA55＞ERA Interim＞ERA5＞MERRA2，JRA55再分析资料能较好地再现气温实际观测资料。     

GPM IMERG和ERA5降水数据精度在云南复杂地形区域的评估检验

为评估和对比GPM IMERG、ERA5降水数据在云南的适用性,利用2014年4月至2018年6月的地面气象观测数据、GPM IMERG卫星遥感降水产品和ERA5再分析降水数据,采用定量和分类评分7项指标评估GPM IMERG和ERA5日降水产品在云南的适用性。结果表明:2种数据存在小雨日雨量高估,中雨及以上量级雨日雨量低估的问题,ERA5数据更为突出,小雨日居多导致降水整体高估;GPM IMERG数据空、漏报并存,ERA5则高空报、低漏报严重;小雨日较多(较少)的区域2种数据易出现高漏报(空报);不同雨强区间GPM IMERG秋季降水数据精度最高,冬季存在低雨强低估,高雨强高估的不同表现;20mm/d以下中低雨强段上2种降水数据与地面站点数据误差较小,雨强变大,误差增大,雨强大于20mm/d时,2种数据随雨强增大与站点偏差差异更为显著;随坡度和起伏度增大2种降水数据精度呈变差趋势;多项指标评估表明GPM IMERG降水数据在云南具有更高精度。研究结果为应用和开展农业、水利、水文、气象等相关学科研究提供参考依据。     

热带大气ISO在几种再分析资料中的对比分析

利用NCEP/NCAR, NCEP/DOE和ERA40 3套再分析资料的逐日200 hPa纬向风数据,选取1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年3种不同气候态,对比分析了3种气候态下热带大气季节内振荡 (ISO) 的基本气候特征及其在不同再分析资料中的异同。研究表明:1981—2010年气候态下,热带大气ISO冬春强、夏秋弱的年循环特征更加明显,东传短波能量增强,起始北传时间偏晚。NCEP/NCAR与NCEP/DOE资料所表征的热带大气ISO在空间分布、强度和能量传播方面的一致性较好。NCEP/NCAR资料反映的热带大气ISO强度在热带印度洋和热带西太平洋地区较ERA40资料偏弱,在赤道东太平洋地区较ERA40资料偏强;ERA40资料反映的热带大气ISO强度在12月—次年3月中旬较NCEP/NCAR资料偏强,而在3月中旬—11月偏弱;ERA40资料反映的热带大气ISO振荡位相较NCEP/NCAR资料超前10 d左右;NCEP/NCAR资料反映的东传谱能量弱于ERA40资料,西传能量强于ERA40资料;7月中旬,NCEP/NCAR资料反映的东亚地区大气ISO经向北传较ERA40资料偏晚。     

近51年海南岛极端气温事件分析

利用1970—2020年海南岛18个气象站点逐日气温资料和数字高程数据,选取12个适用于研究区的极端气温指数,结合气候倾向率、相关分析等方法,分析了海南岛近51 a极端气温事件时空分布特征,并探讨极端气温事件与海拔、区域的关系。结果表明：近51 a海南岛极端气温冷事件(霜日日数、冷夜日数、冷昼日数、冷持续日数)呈减少趋势,极端气温暖事件(夏日日数、暖夜日数、暖昼日数、热持续日数)呈增加趋势,且增加幅度明显大于冷事件减少的幅度,极端低温阈值和高温阈值、日最高温极小值和极大值以及日最低温极小值和极大值均存在升温倾向,升温幅度在0.25～0.47℃/(10 a)之间;极端气温冷事件的变化趋势与海拔存在显著负相关关系,极端气温暖事件的变化趋势与海拔相关性较小;各极端气温指数在海南岛不同地区变化趋势的方向一致,但变化幅度的空间差异性较大,大部分极端气温指数在中部山区变化最明显,极端低温、高温阈值、霜日日数和夏日日数在南部地区变化幅度小于其他地区。     

新疆区域CRA40地面气温检验分析

将高空间分辨率的CRA40地面日平均气温插值到新疆区域105站，以105站实测气温为基准,用平均误差（ME）、均方根误差（RMSE）和相关系数（r）3项检验指标，对新疆区域CRA40地面气温数据质量进行评估，与ERA5气温检验结果进行比较。结果表明：（1）1981—2020年，新疆区域105站 CRA40日平均气温与测站实况之间的相关系数CRA40_r为0.973，通过0.001信度检验。新疆区域CRA40气温与实况比较，日平均气温的年平均值、年最大值和最小值分别相差0.12℃、0.02℃和1.94℃，日平均气温年最大、最小值出现日期完全一致。（2）逐年检验结果中，在2004之前CRA40_ME为负偏差，在2005年之后为正偏差，无论是CRA40_ME和CRA40_RMSE还是CRA40_r，都反映出在2005-2020年新疆区域CRA40气温数据质量有所改进，较前期更加接近ERA5。（3）逐月检验结果中，新疆区域CRA40_ME绝对值和CRA40_RMSE均在冬季最大。结合ME与RMSE指标，在3月和10—11月新疆区域CRA40气温数据质量略优于ERA5。（4）逐日检验结果中，新疆区域CRA40_ME的绝对值在1.0℃以内的日数占全年365d的80.8%，CRA40_RMSE小于3.0℃的日数占72.3%。以RMSE为指标，新疆区域CRA40数据质量优于ERA5的日数有79d，集中在3—4月和10—11月；以相关系数r为指标，新疆区域CRA40数据质量优于ERA5的日数有22d，其中21d集中在3月份。（5）逐站检验结果中，新疆区域105站中有49站的CRA40_ME绝对值较小，38站的CRA40_RMSE较小，有51站的CRA40_r较大。整体上ERA5气温数据质量略优于CRA40，但是依据不同指标，CRA40气温数据质量占优的测站分别占36.2～48.6%。（6）在分海拔高度的次级区域检验结果中，在Ⅰ区海拔低于1500m的区域，ERA5气温数据质量整体占优；在Ⅱ海拔1500～2000m的山区，CRA40气温数据质量优于ERA5；在Ⅲ区海拔超过2000m的山区，CRA40气温数据质量略差，与ERA5十分接近。     

Evaluation of regional climate model simulations versus gridded observed and regional reanalysis products using a combined weighting scheme

This study presents a combined weighting scheme which contains five attributes that reflect accuracy of climate data, i.e. short-term (daily), mid-term (annual), and long-term (decadal) timescales, as well as spatial pattern, and extreme values, as simulated from Regional Climate Models (RCMs) with respect to observed and regional reanalysis products. Southern areas of Quebec and Ontario provinces in Canada are used for the study area. Three series of simulation from two different versions of the Canadian RCM (CRCM4.1.1, and CRCM4.2.3) are employed over 23?years from 1979 to 2001, driven by both NCEP and ERA40 global reanalysis products. One series of regional reanalysis dataset (i.e. NARR) over North America is also used as reference for comparison and validation purpose, as well as gridded historical observed daily data of precipitation and temperatures, both series have been beforehand interpolated on the CRCM 45-km grid resolution. Monthly weighting factors are calculated and then combined into four seasons to reflect seasonal variability of climate data accuracy. In addition, this study generates weight averaged references (WARs) with different weighting factors and ensemble size as new reference climate data set. The simulation results indicate that the NARR is in general superior to the CRCM simulated precipitation values, but the CRCM4.1.1 provides the highest weighting factors during the winter season. For minimum and maximum temperature, both the CRCM4.1.1 and the NARR products provide the highest weighting factors, respectively. The NARR provides more accurate short- and mid-term climate data, but the two versions of the CRCM provide more precise long-term data, spatial pattern and extreme events. Or study confirms also that the global reanalysis data (i.e. NCEP vs. ERA40) used as boundary conditions in the CRCM runs has non-negligible effects on the accuracy of CRCM simulated precipitation and temperature values. In addition, this study demonstrates that the proposed weighting factors reflect well all five attributes and the performances of weighted averaged references are better than that of the best single model. This study also found that the improvement of WARs’ performance is due to the reliability (accuracy) of RCMs rather than the ensemble size.     

Assessment of ERA5 and ERA-Interim in Reproducing Mean and Extreme Climates over West Africa

In situ data in West Africa are scarce, and reanalysis datasets could be an alternative source to alleviate the problem of data availability. Nevertheless, because of uncertainties in numerical prediction models and assimilation methods, among other things, existing reanalysis datasets can perform with various degrees of quality and accuracy. Therefore, a proper assessment of their shortcomings and strengths should be performed prior to their usage. In this study, we examine the performance of E...     

CLDAS陆面同化资料和ERA5-Land再分析资料气温产品在江西省的适用性评估

以江西省376个气象自动观测站的逐小时气温数据为基准,采用偏差、相关性和平均绝对误差等评价指标,对比分析2017—2022年CLDAS陆面同化和ERA5 Land再分析气温资料在江西省的适用性。结果表明： 1） ERA5 Land、CLDAS资料均能很好反映大部分站点的气温变化,CLDAS资料与观测资料的相关系数为0.99,相关系数区间分布较为集中;ERA5 Land资料与观测资料的相关系数为0.97,分布较为分散。2） 相较于观测站点多年平均气温,CLDAS资料较为接近,ERA5 Land资料则偏离较大。3） CLDAS资料的平均绝对误差明显低于ERA5 Land资料,二者均存在平原、盆地部分站点平均绝对误差较小而局部高海拔山区站点异常偏大的空间特征,以及秋季最大而冬季最小的季节特征。4） ERA5 Land资料偏差的日变化范围为-0.65—0.39 ℃,整体呈现单谷形分布;CLDAS资料偏差日变化范围为-0.05—0.05 ℃,波动幅度较小,没有明显的变化特征。5） 两种格点资料均能较好反映大部分站点的低温日数变化,但对于高温日数变化,ERA5 Land资料偏差较大,CLDAS资料偏差较小。     

Seasonal to yearly assessment of temperature and precipitation trends in the North Western Mediterranean Basin by dynamical downscaling of climate scenarios at high resolution (1971–2050)

The complex topography and high climatic variability of the North Western Mediterranean Basin (NWMB) require a detailed assessment of climate change projections at high resolution. ECHAM5/MPIOM global climate projections for mid-21st century and three different emission scenarios are downscaled at 10 km resolution over the NWMB, using the WRF-ARW regional model. High resolution improves the spatial distribution of temperature and precipitation climatologies, with Pearson's correlation against observation being higher for WRF-ARW (0.98 for temperature and 0.81 for precipitation) when compared to the ERA40 reanalysis (0.69 and 0.53, respectively). However, downscaled results slightly underestimate mean temperature (≈1.3 K) and overestimate the precipitation field (≈400 mm/year). Temperature is expected to raise in the NWMB in all considered scenarios (up to 1.4 K for the annual mean), and particularly during summertime and at high altitude areas. Annual mean precipitation is likely to decrease (around ?5 % to ?13 % for the most extreme scenarios). The climate signal for seasonal precipitation is not so clear, as it is highly influenced by the driving GCM simulation. All scenarios suggest statistically significant decreases of precipitation for mountain ranges in winter and autumn. High resolution simulations of regional climate are potentially useful to decision makers. Nevertheless, uncertainties related to seasonal precipitation projections still persist and have to be addressed.     

重庆地区极端高温事件的模拟研究

该文使用了中国科学院大气物理研究所大气环流模式IAP AGCM4.1和中尺度数值模式WRF3.2建立的耦合模式(IWRF),利用该耦合模式对1982—2014年重庆夏季气候进行了试验,将模拟结果与NCEP/DOE再分析资料驱动WRF3.2(NWRF)的模拟结果进行了比较,并利用观测资料评估了这2个试验对于重庆极端高温事件的模拟能力。结果表明:(1)2个试验均能较为合理地再现重庆夏季地表气温的气候态特征,IWRF的模拟偏差较大,尤其对于高海拔地区。它们对极端高温事件的模拟存在较大偏差,对日最高气温最大值(TXx),两者的距平分布相似,对暖昼指数(TX90p)和热浪持续指数(HWDI),IWRF的表现好于NWRF。在西部和东南部地区,2个试验对暖昼指数都具有一定的模拟能力;(2)NWRF能够模拟出极端高温指数的年际变化特征,而IWRF表现欠佳;(3)它们都不能模拟出TXx的变化趋势,但是,NWRF能够模拟出HWDI和TX90p的增加趋势。该文的结论可为重庆短期气候预测系统用于极端高温的预测提供一定参考。     

ERA5再分析数据适用性初步评估

利用山东省及周边地区10个站点的地面和高空观测资料对ERA5再分析资料的适用性进行了初步评估。结果表明：再分析的海平面气压和2 m温度与实况资料的相关性明显优于2 m相对湿度和10 m风场;高空温度和相对湿度在对流层中低层的适用性要好于高层,而位势高度和风场在中高层适用性较好;海平面气压再分析与实况的相关有着最明显的季节变化,2 m温度、2 m相对湿度和10 m风速则在部分站点有较明显的季节变化,而10 m风向的相关系数更多地表现出站点之间的差异,高空要素的适用性,季节和区域差异不明显。另外,对比发现,ERA5的适用性总体上要优于ERA-Interim再分析资料,地面和对流层低层的相对湿度、风场提高更为明显。     

1951-2006年包头气温极端事件变化分析

利用包头气象站1951-2006年逐日平均气温资料,建立了高温和低温极端气候事件的阈值,检测了56年来包头逐日气温的极端事件出现频率,分析了极端事件的年、季、月变率。统计了逐日平均气温的各级别出现频数。结果显示：该地区56年里气温显著升高,平均每10年升高0．42℃;在56年时间尺度上平均气温有明显的由冷变暖的突变特征,突变点为1987年;气候变暖后,高温事件明显增多,低温事件明显减少。     

2000—2016年中国再分析辐射资料与观测值对比

大气再分析辐射资料克服了传统的地面观测资料缺乏和台站分布不均的缺点,以及卫星遥感反演算法的适用性和传感器精度等问题,采用不同的模型对太阳辐射状况进行动态模拟,并结合实际观测数据对模型进行校正,建立了长时间序列和不同分辨率的数据产品。尽管目前再分析辐射产品评估已经有较多的研究,但是针对我国长时间序列太阳辐射变化的不同再分析辐射资料间的精度对比评估较少,尤其缺乏不同再分析辐射资料空间差异性研究。选取2000—2016年NCEP/DOE、ERA-Interim、GLDASV2.1三种不同空间分辨率的再分析辐射资料,通过对比三种资料与我国辐射观测数据的差异,对三种再分析辐射资料在空间分布和时间序列的适用性进行详细的精确度评估。结果表明,从年资料对比来看,2000—2016年中国区域NCEP辐射资料显著高于其他三种资料,与观测值平均偏差约为1 342.2 MJ/（m2a）,东部地区高估现象严重。ERA辐射资料平均偏差为681.8 MJ/（m2a）,中国西部、华北及华中地区高估严重。GLDAS辐射资料平均偏差最小为130.2 MJ/（m2a）。从月资料对比来看,三种再分析数据在夏秋季月份的精度比冬春季月份要高。冬半年,三种再分析资料在海拔>1 000 m的东北大兴安岭、西北和云南等地相对误差低于海拔 < 1 000 m的华北、华中、华东、西南和华南地区;但夏半年这种分布现象不明显。      

Statistical downscaling of daily mean temperature, pan evaporation and precipitation for climate change scenarios in Haihe River, China

A statistical downscaling method (SDSM) was evaluated by simultaneously downscaling air temperature, evaporation, and precipitation in Haihe River basin, China. The data used for evaluation were large-scale atmospheric data encompassing daily NCEP/NCAR reanalysis data and the daily mean climate model results for scenarios A2 and B2 of the HadCM3 model. Selected as climate variables for downscaling were measured daily mean air temperature, pan evaporation, and precipitation data (1961–2000) from 11 weather stations in the Haihe River basin. The results obtained from SDSM showed that: (1) the pattern of change in and numerical values of the climate variables can be reasonably simulated, with the coefficients of determination between observed and downscaled mean temperature, pan evaporation, and precipitation being 99%, 93%, and 73%, respectively; (2) systematic errors existed in simulating extreme events, but the results were acceptable for practical applications; and (3) the mean air temperature would increase by about 0.7°C during 2011~2040; the total annual precipitation would decrease by about 7% in A2 scenario but increase by about 4% in B2 scenario; and there were no apparent changes in pan evaporation. It was concluded that in the next 30 years, climate would be warmer and drier, extreme events could be more intense, and autumn might be the most distinct season among all the changes.