4种再分析气温资料在羌塘国家级自然保护区的适用性研究

利用1979 - 2018年羌塘国家级自然保护区边缘的3个气象站点狮泉河（西部）、 申扎（中部）和安多（东部）的观测气温（OT）， 与ERA-Interim（ET）、 NCEP/NCAR（NT1）、 NCEP/DOE（NT2）和JRA-55（JT）4种再分析气温资料， 从年际变化和年变化两方面采用多年气温变化趋势、 均方差、 相关性等参数方法在羌塘自然保护区进行了适用性研究。结果表明： 从多年平均气温年际变化来看， 4种再分析资料在狮泉河（西部）的适用性较差， JRA-55资料在安多（东部）和申扎（中部）的适用性较好， 且冬季再分析气温资料与观测气温的相关性好于夏季； 从多年平均气温年变化来看， 均表现为冬季（1月或12月）最低， 夏季（7月或8月）最高的“单峰型”变化。综合来看， JRA-55资料在羌塘自然保护区的适用性较好， ERA-Interim对多年气温趋势变化表现不准确， NCEP/NCAR和NCEP/DOE与观测气温相比显著偏低。     

青藏高原地区多套位势高度和风场再分析资料的对比分析

针对20CR、CFSR、NCEP1、NCEP2、ERA-Interim、ERA-20CM和JRA-55再分析位势高度和风场资料,基于探空资料,采用计算均方根误差、相关分析等方法从气候均值、长期变化趋势和年际变率三个方面评估再分析资料在青藏高原地区的适用性.结果表明:再分析资料的适用性存在季节、空间和垂直层次上的差异.气候均值方面,NCEP1和ERA-Interim位势高度资料与观测资料最接近,适用性最佳,而ERA-20CM资料偏差最大.春夏季,NCEP2和NCEP1的风速资料质量较优,20CR和ERA-20CM资料质量相对较差;而秋冬季,ERA-20CM风速资料与探空资料最接近,质量最好.气候变化趋势方面,JRA-55、ERA-Interim和NCEP1资料质量存在时空的差异,但均能很好地反映出位势高度的变化趋势.年际变率方面,除了ERA-20CM,各再分析资料与探空资料相关性高,对年际变率的刻画基本一致,其中JRA-55和ERA-Interim位势高度资料与探空资料相关性最好.就季节而言,冬季再分析资料质量最高,适用性好,其次为春季,夏季资料质量最低.     

ERA-Interim地表温度数据集在青藏高原冻土分布制图应用的适用性评估

地表温度综合反映了大气、植被和土壤等因素的能量交换状况, 是冻土分布模型和一些寒区陆面过程模式的上边界条件, 对多年冻土分布制图和活动层厚度估算有重要意义. 为了评估ERA-Interim 地表温度产品在青藏高原地区的适用性, 综合比较了青藏高原69个海拔2 000 m以上气象站1981-2013年地面实际观测值与ERA-Interim之间的差异及其分布状况. 结果表明, 两种资料的变化趋势一致, 但是ERA-Interim地表温度在数值上与实际观测值差别显著, 平均偏低7.4℃. 原因之一可能是由ERA-Interim再分析资料格点的海拔高度与气象站实际海拔高度差异引起的. 根据两种温度产品之间海拔的差异, 对ERA-Interim地表温度重新进行模拟, 经过模拟后的ERA-Interim地表温度与实际观测值的差值在大部分气象站变小, 平均偏高0.4℃. 因此, 经过重新模拟的ERA-Interim地表温度基本能够反映青藏高原地表温度的真实情况. 以模拟后的ERA-Interim地表温度作为地面冻结数模型的输入参数模拟了青藏高原冻土分布, 结果表明青藏高原多年冻土区面积为1.14×10⁶ km², 季节冻土区面积为1.43×10⁶km².     

五种降水产品在疏勒河上游山区和中下游月尺度降水的适用性对比研究

降水产品为理解降水时空分布提供了新的视角,然而其在不同地区适用性差异很大,目前对不同降水产品在西北内陆河流域上游山区和中下游平原适用性的对比研究还十分有限。利用疏勒河流域及周边9个国家气象站2001-2013年和4个山区自建气象站2008-2013年降水观测数据,基于皮尔逊相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和相对偏差（BIAS）指标,对CMFD、ERA-Interim、GPCC、GPCP V2.3和JRA-55共五种常用降水产品的月尺度降水数据在疏勒河上游山区和中下游平原区的适用性进行了评估对比,结果表明：五种降水产品都可以较好地模拟疏勒河流域多年平均降水的空间分布,总体来说,降水产品在上游的评估的相对误差优于中下游,但绝对误差比中下游大,这与上游降水远大于中下游有关。各产品在上游和中下游的精度排序结果一致,均为CMFD > GPCC > ERA-Interim > GPCP V2.3 > JRA-55。CMFD效果最佳可能与融合了中国更多的地面降水资料有关,其在自建站的效果也表现最佳。不同产品在疏勒河上游山区和中下游月尺度的降水评估中表现较好,但尚不能满足流域水文过程分析和模拟的需要。     

ERA-Interim和CMFD气象驱动数据在新疆额尔齐斯河流域的适用性评价

气象驱动数据质量是影响流域水文过程模拟精度的一个重要因素。基于新疆额尔齐斯河流域及周边区域8个气象站记录的数据,对ERA-Interim再分析资料和中国区域地面气象要素驱动数据集（CMFD）在流域的适用性进行了评价,并对比了ERA-Interim和CMFD气象要素年均值在流域的空间分布。结果表明：ERA-Interim和CMFD记录气温、相对湿度、向下短波辐射和向下长波辐射数据与观测数据具有较高的一致性,但降水和风速数据与观测数据的一致性比较差。小时尺度上ERA-Interim记录的气温、相对湿度、降水量、向下短波辐射准确度略高于CMFD数据,而日尺度上CMFD记录的所有气象要素的准确度均高于ERA-Interim数据,结合Noah-MP模型的模拟结果,认为CMFD数据在新疆额尔齐斯河流域的适用性整体优于ERA-Interim数据。从两种驱动数据获取的流域气象要素空间分布来看,ERA-Interim和CMFD获取的年平均气温、风速、相对湿度、降水量、向下长波辐射在流域空间具有高度一致性,但向下短波辐射空间分布差别较大。     

NCEP/NCAR再分析气温在南极中山站-Dome A考察断面的适用性研究

以东南极冰盖边缘地带LGB69、冰盖内陆Eagle、冰盖顶点Dome A自动气象站2005—2006年记录的日平均气温为基础,辅以南极大陆边缘中山站2005年的连续气温资料,根据4个站点的海拔、气温、气压和地形,选择最接近气象站观测点的气压层,通过改进的9格点反距离加权内插法,分析NCEP/NCAR再分析气温在该断面的适用性.结果表明:NCEP/NCAR再分析气温与中山站、LGB69站、Eagle站和Dome A站实际观测值之间的相关系数分别高达0.624、0.648、0.744和0.705(p0.001,n≥365),能够反映本地区气温的年变化和季节变化.但与实测值相比,再分析资料具有气温普遍偏高、年温差和标准偏差偏小、春夏季适用性强而秋冬季适用性差等特点.此外,从南极冰盖边缘至内陆,再分析气温误差有增大的趋势.     

青藏铁路沿线地表融冻指数的计算分析

利用青藏高原地表温度观测资料, 计算了青藏铁路沿线地表融化和冻结指数, 并分析其变化特征和发展趋势. 结果表明: 在平均气候状况下, 青藏高原暖/冷季地表温度和融化/冻结指数的分布主要受地理纬度和海拔高度的影响;太阳辐射的纬度效应叠加在气温的海拔递减作用上, 形成了青藏铁路沿线地表的融化/冻结特征分布. 青藏铁路沿线各站地表气温的融化/冻结指数与地表的融化/冻结指数有较好的换算关系, 各站的n系数比较稳定, 标准偏差和变异系数都比较小. 1980-2005年平均的五道梁地区的融冻比为0.8, 沱沱河地区的融冻比为1.0;但从青藏铁路沿线地表融化/冻结指数的长期变化趋势来看, 融冻比目前处于近50 a的较低水平, 存在有缓慢的、清楚的波动上升趋势. 近10 a的线性变化趋势约为14 ℃·d·a-1, 对处于弱的冻结平衡边缘的冻土路基的安全稳定是一个明显的、重要的威胁.     

两种数值模式资料的平均海平面气压和地面风速在中国区域的评估

利用中国气象局国家级自动站(2 421个)的观测资料, 分别对2012年的ECMWF(欧洲中期数值预报中心)和JMA(日本气象厅)数值模式资料的平均海平面气压和地面风速在中国地区的适用性进行了对比研究.结果表明:两种数值模式资料均能在一定程度上反映观测资料所具有的时空分布特征, 东部地区的适用性均要高于西部地区. 对于平均海平面气压, 在西南地区JMA比ECMWF资料更接近实际观测; 而在其他地区, 两种数值模式资料都较接近实际观测, 冬季的结果比夏季好. 对于地面风速, 这两种数值模式资料各具优势.在中国东南部地区, JMA相对于ECMWF的地面风速资料更接近实际观测值, 而在中国西部地区, 则相反.就8个时次的年变化而言, ECMWF资料的年变化趋势与观测资料更为一致, 而JMA资料的地面风速大小与观测资料更为接近.     

中国地区地面观测积雪深度和遥感雪深资料的对比分析

比较了气象台站观测和卫星遥感(SMMR、 SSM/I、 AMSR-E)的积雪深度两种资料在空间分布、 年际变化及其与中国夏季降水之间关系的异同性.结果表明: 两种资料在积雪稳定区的分布比较一致, 积雪深度的大值区位于东北地区、 新疆北部和青藏高原地区; 对于季节性积雪区且积雪深度不大的区域而言, 二者之间存在着较大的差异, 尤其在江淮流域及长江中下游地区, 台站观测的积雪深度大于遥感得到的积雪深度; 平均而言, 两种资料获得的积雪深度在各地区基本一致.在新疆北部和高原南部, 二种资料的年际变化存在着差异, 在新疆北部, 台站观测大于遥感得到的积雪深度, 而在高原东南部遥感大于台站观测积雪.近30 a来, 两种资料获得的积雪深度在新疆北部和青藏高原的年际变化趋势基本一致, 新疆北部为增加趋势, 青藏高原有减少的趋势.值得注意的是, 在东北地区, 近30 a来两种类型资料的年际变化趋势呈相反变化.两种资料在新疆北部的相关最强; 东北、 青藏高原其次; 而高原东南部最差, 在使用时应加注意.青藏高原地区的两种积雪资料与中国夏季降水的相关"信号"基本一致.青藏高原地区积雪与东北西部地区和长江中下游夏季降水之间的相关最为显著.资料间的差异性并不影响高原地区积雪对中国夏季降水"信号"的应用.     

过去1000年不同强迫因子对中国东部5～9月降水及其环流场特征影响分析

利用CCSM2.0全球耦合气候系统模式在不同强迫因子下模拟的近千年降水、温度、500hPa位势高度场、850hPa和200hPa风场资料,以及NCEP再分析资料、GPCP降水观测再分析资料、青海德令哈地区近千年降水重建资料,对过去1000年我国东部5～9月降水及环流场特征进行了初步研究.在考虑自然和人为因子的共同影响下...     

Reliability of reanalyses products in simulating precipitation and temperature characteristics over India

Various reanalyses have been utilized in numerous climate related researches around the globe, however, there exists considerable biasedness in these products, especially in precipitation and temperature data. The ability of these reanalysis products to simulate the precipitation and temperature patterns is observed to be satisfactory at global scale, while it differs significantly at regional scale, especially over regions of high spatio-temporal heterogeneity such as India. Therefore, it is essential to evaluate the applicability and robustness of reanalyses in climate related research. The annual and seasonal variability in spatio-temporal patterns and trends of precipitation and temperature data, with respect to the IMD gridded data over 34 yrs, are evaluated for six global reanalyses namely, NCEP/NCAR Reanalysis (NCEP R1), NCEP-DOE AMIP-2 Reanalysis (NCEP R2), Climate Forecast System Reanalysis (CFSR), ECMWF Interim Reanalysis (ERA-Interim), Modern Era Retrospective Analysis for Research and Application Land only model (MERRA-Land) and JMA 55-year Reanalysis (JRA-55). The ability of the reanalyses was tested based on several factors such as statistical and categorical indices, spells and trends, for annual and seasonal daily values. Several regional and seasonal differences were observed, particularly over high rainfall regions such as Western Ghats and northeastern India. MERRA-Land is found to give the best results for precipitation over India, which is attributed to the updated forcing data using gauge-based precipitation observations. Similarly, ERA-Interim and JRA-55 exhibit better performance for temperature than other datasets. All reanalyses failed to correctly reproduce the trends in IMD data, for both precipitation and temperature. These observations will provide a better perception on the reliability and applicability of reanalyses for climate and hydrological studies over India.     

黑河上游山区典型站的水热过程模拟研究

Noah LSM陆面过程模型在国际上被广泛应用于陆面的水热过程模拟, 但在高寒山区的适用性研究并不充分, 目前还没有在黑河上游高寒山区应用的案例. 利用Noah和黑河上游两个典型站(大冬树山垭口站和阿柔站)2008-2009年的观测数据, 对两站的水热过程进行了模拟. 通过比较模拟结果和实测的地温和液态水含量, 表明Noah能够较真实地反映该地区的水热过程. Noah对观测站的地温模拟较好, 但冬季存在一定偏差; 液态水含量的模拟总体偏低, 表层液态水含量在春季土壤融化期的模拟偏差较大. 以上现象与该地区土壤异质性较大、 春季融化期土壤冻融过程中土壤含冰量判定存在偏差、 冬季降水量观测不准等有关. 此外, 结合模拟结果, 讨论了观测数据的质量问题.     

青藏高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化

基于ERA-Interim逐日4次600 hPa位势高度再分析资料, 以及青藏高原和周边地区75个气象站日平均温度、降水和相对湿度资料, 对高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化进行了分析. 结果表明: 高原近地层及北侧气压系统强度在围绕中心点顺时针运动时不断加强, 逆时针运动时不断减弱. 两气压系统呈明显的跷跷板式变化, 在600 hPa上表现为高度场空间结构沿经向上的调整; 低高压差负值的开始和结束时间与高原季风起讫时间吻合. 高原夏季降水的起讫不仅与高原及北侧气压系统结构密切相关, 而且与高原东南或南部水汽输送条件息息相关.     

被动微波遥感近地表土壤冻融状态数据产品对比及分析

近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的“开关”,对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响。除了依靠传统观测手段判别地表冻融,被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中。利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三个主要过程,并基于不同的算法针对不同目的分别发布了不同地区、不同时间序列的近地表土壤冻融数据集。以中国气象局435个气象台站观测的0 cm土壤温度为标准,对比分析了基于目前较为通用的双指标算法、单指标算法、决策树算法和判别式算法建立的近地表土壤冻融数据集的分类结果。结果表明：单指标算法数据集冻结指标的平均值与观测资料最接近,其偏差和均方根误差最小,而决策树算法由于全局采用单一的37 GHz垂直极化亮温阈值,低估了地表冻结,导致偏差和均方根误差最大。近地表土壤冻融数据集和观测资料均表明随着全球变暖,近地表土壤呈冻结首日推迟、冻结终日提前和冻结天数减少的趋势。通过对不同冻融数据集的比较研究,为未来被动微波卫星遥感算法改进、近地表土壤冻融数据的合理使用提供了可靠的科学依据。     

Extraction and Analysis of Land Cover Heterogeneity over China

Spatial heterogeneity exists in land surface at every scale, and it is one of key factors to bring uncertainty to land parameter retrieval from remote-sensed data. This paper proposed a methodology to use the boundary length among different land cover types to characterize and quantify land surface heterogeneity based on high-resolution land cover images. Then the heterogeneity feature at 1 kilometer scale in China was extracted from “GlobalLand30” land cover datasets with the spatial resolution of 30 m. The mixed structure, degree of fragmentation and intra-heterogeneity of eight main vegetation biomes from MODIS land cover product over heterogeneous surface in china were analyzed. Mountain area and ecotone are more heterogeneous than other regions. Savanna biome (average boundary length is 7 426 meters) is the most heterogeneous zone followed by forest, grass/crop and shrub biome with average boundary length of 4 323, 3 160, 1 779 meters, respectively.