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。     

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。     

ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料在我国东南近海适用性分析

利用我国东南近海5个浮标站观测资料,对2012—2016年ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料10 m风、2 m气温、海平面气压的适用性进行了评估。结果表明:NCEP/NCAR的再分析10 m风适用性更好,ERA-Interim的2 m气温适用性更好,海平面气压两者差异不大。风速再分析值与观测值具有较好的一致性,相关系数达0.8～0.9,但再分析风速总体上有偏小的趋势,平均偏差在-1.3～0 m/s之间,均方根误差在1.5～3 m/s。再分析资料的平均风向有顺时针偏差的趋势,温州浮标偏右达14°以上,均方根误差大多在40°～50°。不管风速还是风向,5个浮标站中均以舟山浮标的再分析值与观测值最为接近;分析还表明,再分析资料的冬季风代表性相对较差,这是造成风速和风向系统性偏差的主要原因。再分析资料与观测2 m气温相关系数均在0.95以上,且有偏高的趋势,NCEP偏高更为明显,有4个浮标站平均偏差达1～2℃,而ERA-I仅1个浮标站偏差1～2℃,4个在1℃以内。春季和冬季气温偏高最为明显,春季升温过程存在异常偏高的可能,秋季气温与观测值最为接近。海平面气压适用性较好,总体优于10 m风和2 m气温,且季节间差异也不大。     

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。     

ERA-Interim风速再分析数据在山东省的适用性评估

利用1979—2013年山东省32个气象观测台站的逐日平均风速数据,对比分析了欧洲中期数值预报中心ERA-Interim风速再分析资料在山东省的适用性。结果表明:ERA-Interim风速再分析数据整体具有较高的可信度,月尺度相关系数在0.40~0.83之间,存在明显季节差异,半岛地区相关系数最高,且北部高于南部,鲁中地区最低。月尺度均方根误差在0.83~4.25m/s之间,半岛地区均方根误差最小,鲁中和鲁西北地区季节差异十分明显,鲁南地区的季节差异性最小。月尺度绝对误差在-0.20~3.89m/s之间,仅个别站点出现负误差,说明ERA-Interim平均风速资料在山东省普遍偏大。代表台站绝对误差均符合正态分布,风速较小时,以正误差为主,随风速增大,负误差增多,当风力大于5级时基本以负误差为主。     

3种海面风场资料在台湾海峡的比较和评估

本文对3种海面风场资料(CCMP、NCEP、ERA)在台湾海峡风场的平面分布和时间变化特征进行了相互比较,并应用2011年浮标观测的风速和风向资料分别对3种风场的误差进行了分析及评估。主要结论如下:(1)3种资料风场的平面分布、季节变化和年际变化特征基本一致,差异主要表现在冬季NCEP资料在海峡中部和南部的风速相对CCMP和ERA资料较大;(2)CCMP资料的风速偏差、风速均方根误差和风向均方根误差分别为-0.62m/s、1.67m/s和31°,NCEP分别为0.15m/s、1.64m/s和31°,ERA分别为-1.36m/s、2.4m/s和33°;NCEP资料的风速整体略偏大、CCMP略偏小、ERA偏小明显,CCMP和NCEP资料比ERA资料更接近观测;(3)在西南季风影响期以及风速较小时(风速不大于10m/s)CCMP资料的风速可信度较高、NCEP资料的风速偏大;在东北季风影响期以及风速较大时(大于10m/s)NCEP资料的风速可信度较高、CCMP资料的风速偏小;(4)3种资料的风向误差接近,均在低风速时(风速小于5m/s)误差较大。本文的结论可以为台湾海峡的海洋和大气科学研究选择合适的海面风场资料提供借鉴和参考。     

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。     

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。     

中国近海ASCAT风场反演结果验证分析

利用NCEP风场产品和dropsonde探测资料,对中国近海ASCAT全场和单点的风速反演精度进行验证分析.研究发现ASCAT反演风场与NCEP风场的风速、风向平均绝对偏差分别为2.06 m/s和21.98°;均方根误差分别为2.87 m/s和34.29°.两者风速反演精度较一致,风向误差相对偏大.ASCAT反演风场与dropsonde探测资料的风速、风向平均绝对偏差分别为1.55 m/s和3.43°;均方根误差分别为1.73 m/s和4.15°.ASCAT资料可以较好的反演台风风场.     

两种海面风场的对比及对海浪模拟的影响

海面风场在海浪模拟研究和预报中起着关键性的作用,再分析风场数据可为海浪模式提供长时间的大范围、高时空分辨率海面风场。利用日本浮标站资料和卫星高度计资料对再分析风场QuickSCAT/NCEP(Q/N)混合风场和ERA风场进行验证分析,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续12个月的数值模拟试验。对比风场和计算得到的海浪场得出结论:在风速较小的时候,ERA和Q/N风场较实测风场大,在风速较大的时候,ERA和Q/N风场较实测风场小;ERA风场模拟浪高较浮标观测波高偏小;Q/N混合风场模拟的浪高更接近实测浪高。     

不同驱动场对东亚区域再分析系统中华南台风降水影响的对比研究

使用ERA-Interim和ERA5两套再分析资料分别驱动东亚区域再分析系统(East Asia Reanalysis System,EARS),并输出2015年一年期试验再分析资料,通过评估其中3次代表性的华南登陆台风降水过程,对比不同驱动场对该系统的影响,研究发现以ERA5驱动的EARS输出结果较ERA-Interim驱动的结果更准确,尤其在丘陵和山地等复杂地形下的降水模拟改进明显。进一步用ERA5驱动的EARS输出结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)新一代陆面再分析资料ERA5-Land对比分析,发现ERA5-Land对于台风大尺度降水的把握更好,而EARS对中小尺度降水过程的再现更完整,特别是对沿海降水的模拟更准确。相较于ERA5-Land,EARS目前同化的观测资料有限,对物理过程参数化方案的选择仍欠准确,后续需要有针对性地改进。     

三种再分析气温数据在浙江周边岛屿的适用性评估

由于海岛资料相对匮乏,对其气象条件的分析工作较为零散,对海岛气候分布特征尚缺乏清晰的认识。本文利用浙江及周边岛屿26个站点的观测资料,通过均值、标准差和相关系数等统计方法定量评估了NCEP/NCAR-Reanalysis 1(NCEP-1),ERA-Interim和JRA-55三种再分析气温数据在浙江周边海岛的可信度。结果表明:3种再分析数据均能够重现近地面气温的年循环特征,但再分析数据得到的冬季气温偏高,而在夏季,NCEP-1相对于其他2种再分析数据重构的气温显著偏低。从相关系数、标准偏差等多个统计指标来看,ERA-Interim再分析数据对浙江周边岛屿气温的再现能力较好。积温的分析结果表明,基于ERA-Interim计算的26个测站的平均积温和标准差分别为5 818和498℃,与实测5 728和324℃最为接近,JRA-55的平均积温偏差最大,NCEP-1标准差偏差最大。从26个测站积温的空间分布来看,基于ERA-Interim得到的积温空间分布基本上重现了浙江周边岛屿积温带受纬度和海陆分布影响的特征;JRA-55再分析数据次之,因三门健跳至岱山的部分海岛上积温比实测资料偏高,从而导致积温南北分布与实测不一致;而NCEP-1存在明显的偏差,在27°～28°N区积温偏低,在29°～30°N区积温却偏高,甚至超过了6 000℃,这使得根据NCEP-1得到的积温带南北分布与实测差别较大。整体而言,针对气温的分析研究,ERA-Interim再分析数据对浙江周边岛屿地区具有较好的适用性,可以作为地表温度的替代数据。     

1979—2018年长江口及邻近海域风速和波高的分布特征与变化趋势

本文基于欧洲中期天气预报中心 （ECMWF） 的 ERA5 与 ERA-Interim 再分析资料，提取长江口及其邻近海域1979— 2018 年间共 40 年的风场和海浪场数据，探讨该海域风浪和波高的时空变化特征，EOF 经验正交函数分解法分析结果显示风速与波高的数值在外海普遍高于近岸，且符合长江口所在东海海域受盛行东亚季风影响的特征。Mann-Kendall 检验法分析结果显示，在 1979—2018 年间该海域海表面年均风速呈增长趋势，平均增长速率为 0.228 cm/（s·a），累计增长 1.6 %；年均有效波高呈增长趋势，平均增长速率为 0.120 cm/a，累计增长 5.4 %；年风速和波高的极端值也呈不同程度的增长趋势。     

利用浮标资料初步评估NCEP再分析湍通量

通过与浮标观测资料的对比分析,指出NCEP动量通量、再计算NCEP热通量更能够代表NCEP再分析数据库的数值模拟效果。当风速大于20m/s时,数值模拟的湍通量低于浮标块体湍通量,当风速在10～20m/s时,数值模拟的湍通量高于浮标块体湍通量。同时还发现数值模拟结果的延迟现象,以及不能反映大风过后快速的海气温差变化而引起的感热通量变化。     

中国近海ASCAT和ERA-Interim风场资料的评估

利用中国近海23个浮标对2015年一整年的ASCAT轨道风场和ERA-Interim再分析风场进行质量评估,并对比了ERA-Interim和CFSV2两种再分析风场资料在中国近海的适用性。结果表明:ASCAT在中国近海与浮标风速的一致性优于ERA-Interim,而二者与浮标风向的一致性则相差不大。同时,对比CFSV2与ERA-Interim的误差统计结果发现,CFSV2的风速误差较ERAInterim略小,风向误差相差不大。     

2008年冬季台湾海峡及其邻近海域QuikSCAT卫星遥感风场的检验及应用分析

采用布放在台湾海峡及其邻近海域的2个浮标对2008年冬季（2008年12月至2009年2月）QuikSCAT卫星遥感观测的风场资料进行了检验.结果表明,这两者风速的相关系数为0.93,平均偏差为-0.03 m/s,均方根误差为1.10 m/s,平均绝对误差为1.54 m/s;风向平均偏差为-9.53°,均方根误差为22.83°,平均绝对误差为33.84.°这表明QuikSCAT卫星遥感风场资料在台湾海峡及其邻近海域冬季风观测中具有很高的适用性.本文利用2008年冬季QuikSCAT卫星遥感的平均风速场,分析了在＂狭管效应＂影响下台湾海峡及其邻近海域的风速特征.结果显示其平均风速具有3个基本特征：（1）台湾海峡中部存在着明显高于附近其他海域的高风速区,平均风速高出1~4m/s,风速高值区更贴近海峡东岸.（2）台湾海峡南部平均风速大于北部.（3）台湾岛东北角和西南角各有一个风速低值区.结合对2009年2月15~18日一次冷空气大风过程的分析发现,风速越大台湾海峡＂狭管效应＂越明显.     

山东高分辨率风能资源分布特征的数值模拟研究

基于WRF3. 8. 1数值模式,利用FNL 1°×1°再分析资料,对山东边界层10 m、70 m、100 m等高度2017年风场进行了逐日动力降尺度模拟,使用山东122个气象站逐日平均风速,对模拟结果进行了客观评估。结果表明:WRF模式可以较好地模拟出山东逐日平均风速变化特征,但模拟值普遍大于实测值,山东不同区域平均风速模拟效果差异较大,四季误差分析结果与全年略不同;山东沿海、半岛北部丘陵、崂山、日照中部五莲山、鲁中山区各山脉等区域以及微山湖、东平湖等大型湖泊区域年和四季10 m、70 m、100 m高度平均风速、平均风功率密度较大,大汶河、大清河、泗水河、沂河及其支流、淄河、潍河等流域中上游的山区间低矮平原地带较小,但各地风能资源的差异随高度增加而明显减小。平均风速、平均风功率密度时空分布结果可为山东内陆地区分散式低风速风电场的选址、风能资源开发利用提供参考。     

台风条件下ERA5再分析数据对中国近海适用性评估

2019年第9号台风“利奇马”是自1949年以来在浙江登陆的第三强台风,对中国近海沿岸地区造成了巨大的经济损失以及人员伤亡。为了研究ERA5再分析数据在渤黄东海的适用性,本文利用统计方法,针对台风“利奇马”期间位于渤海（QF104）、黄海（QF108）和东海（QF5003）的三套浮标观测数据对ECMWF最新推出的ERA5再分析数据进行评估分析。评估结果表明：1） ERA5再分析风速、风向、有效波高数据与浮标观测数据的匹配度较好,平均周期与海面温度数据次之;2）ERA5再分析平均波向数据相对平滑,而实测数据波动性大,两者之间的相关性有待进一步提高。     

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...     

WWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析

利用美国NOAA/NCEP环境模拟中心海洋模拟小组近年新开发的一个准业务化的海浪数值模式WAVEWATCH Ⅲ(以下简称WWATCH),以每天4次的NOAA/NCEP再分析风场资料为输入,模拟了1996年的南海海域的海面风浪场,通过分析TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)高度计的上升和下降轨道在南海海域的交叉点位置处的风、浪观测资料与NCEP风场和WWATCH模式模拟的有效波高大小,可以看出,NCEP风场基本与T/P高度计的风速观测结果一致,相应的模式模拟的有效波高也基本与卫星高度计的有效波高观测结果相一致,但从空间上看,在计算区域中心附近海域的结果一致性较好,靠近计算边界附近海域的结果相对较差,但这种因边界而影响模拟结果的范围很有限;从时间上看,冬季风期间的结果一致性较好,而夏季风期间的结果偏小的趋势明显,并且这种偏小主要出现在夏季风期间的极小风速值附近。