多套土壤温湿度资料在青藏高原的适用性

利用青藏高原中部和东部土壤温度和湿度观测资料,通过计算两套再分析资料(ERA-Interim和CFSR)和六套陆面模式资料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-M OSAIC和GLDAS-VIC)分别与观测资料之间的平均偏差、偏差标准差、相关系数、标准差比等统计参数,结合Brunke排名法,综合评估了再分析资料和陆面模式资料中土壤温湿度数据在青藏高原的适用性。结果表明:对于土壤温度,CFSR与观测值最接近,其次是MERRA/land和GLDAS-CLM,而ERA-Interim和ERA/land与观测值相差较大;除GLDAS-CLM土壤温度比观测值偏高外,其他资料土壤温度在大部分站点比观测值偏低,其中ERA-Interim和ERA/land土壤温度比观测值偏低较多,部分站点平均偏差超过-20℃。对于非冻结期(5 10月)土壤湿度,GLDAS-CLM与观测值最接近,其次是GLDAS-NOAH或ERA-Interim;与观测值相比,CFSR、ERA-Interim和ERA/land的土壤湿度偏湿,平均偏差大部分在0.05~0.20 m3·m-3之间,而GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM和GLDAS-M OSAIC的土壤湿度偏干。     

卫星反演降水资料在青藏高原地区的适用性分析

利用2000—2012年青藏高原附近地区251个台站的降水观测资料评估了CMOR.PH、PERSI—ANN、TRMM3B41RT、TRMM3B42RT和TRMM3B42V7等5种卫星反演降水资料在青藏高原地区的差异性和一致性。结果表明,5种卫星反演降水资料均能较好地表征降水量在青藏高原地区从东南向西北递减和夏季降水多、冬季降水少的特征。通过分析相对误差和空间相关系数表明,5种卫星资料在夏季的反演效果最好、冬季最差,白天好于夜间。相对于其他4种资料,TRMM3B42V7资料与观测值之间的差异最小,除了冬季一段较短时间内空间相关系数较低外,一年之中大部分时段空间相关系数都在0.5以上。CMORPH仅次于TRMM3B42V7,在青藏高原地区的适用性也较好;对不同等级降水频数的反演效果表明,CMORPH和TRMM3B42V7反演的小雨降水频数与台站观测值基本一致,高估了大雨和暴雨的降水频数,而TRMM3B42V7对中雨降水频数的反演较为合理。     

三种再分析气温降水资料在青藏高原的适用性评价

基于青藏高原61个区域级气象站的气温降水地面观测数据,对CMFD(中国区域高分辨率地区驱动数据集)、CRA(全球大气和陆面再分析资料)以及MERRA-2(大气再分析资料)数据集的日、月、季节以及年气温、降水数据进行精度对比分析,评估3套数据的准确性以及在青藏高原的适用性,结果表明：(1)3套年平均气温资料70%的R_MSE<4℃,其中CMFD拟合精度最高,2/3的站点R_MSE<2℃;CMFD和CRA对年降水的拟合精度较高,MERRA-2低估了高原中部的年降水量。(2)CMFD对季节平均气温整体拟合结果最好,尤其是气温较高的夏季和秋季;CRA在降水较为集中的夏季和秋季拟合结果最接近观测值,而在降水较少的春季和冬季CMFD拟合结果最好。(3)CMFD对月平均气温拟合结果整体上最接近观测值;月降水拟合结果与季节降水结果相似,CMFD对降水偏少月份拟合结果较好,CRA在降水偏多月份最接近观测值。(4)对61个区域站进行日尺度平均气温和降水数据精度评估,发现CMFD和CRA拟合效果最好,CMFD拟合趋势一致性好。     

三种再分析地表温度资料在青藏高原区域的适用性分析

利用气象台站观测地表温度,比较和分析了ERA-Interim、NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析地表温度资料在青藏高原的适用性.结果表明:三种再分析资料都揭示了青藏高原地表温度的基本特征,并较好地描述了高原地表温度的季节变化和年际变化特征;但三种再分析资料都比观测地表温度明显偏低,且对地表温度的长期变化趋势估计不足.比较而言,ERA-1nterim再分析地表温度产品在青藏高原的适用性最好,与观测地表温度的相关最显著,且能较好地反映高原地表温度的异常变化强度,可作为研究高原地表温度年际变化的代用资料;而NCEP/NCAR和NCEP/DOE 再分析地表温度产品在青藏高原的适用性不佳,其适用时段和适用区域需要进一步考察.     

三套再分析资料在青藏高原湖泊模拟研究中的适用性分析

湖泊模式为青藏高原湖-气相互作用研究提供了有效方法,而驱动数据对模拟结果影响显著,但目前用来驱动模式的再分析资料对高原不同地区湖泊的适用性依然不够清楚。利用野外观测数据、M ODIS地表温度数据和WRF耦合的一维湖泊模式,对比分析了中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(简称ITPCAS)、ERA-Interim和NCEP/NCAR三套再分析资料在青藏高原地区纳木错、班公错和鄂陵湖三个不同深度湖泊的适用性,并对三套再分析资料的准确性进行了初步验证,进一步分析了不同校正方式后的再分析资料对模拟结果的影响。结果表明,用三套不同再分析资料作为模式驱动数据时,WRF耦合的一维湖泊模型均能够较好地模拟出高原湖泊表面温度的变化,但仍然与MODIS观测结果存在偏差。三套再分析资料中ITPCAS数据集的各气象要素与站点观测更为接近,ERA-Interim数据的向下长波和短波辐射比观测值偏大,NCEP/NCAR数据中的向下长波较观测值偏小而风速偏大。利用站点观测对再分析资料进行校正,ITPCAS数据进行全要素校正前后模拟结果差别不大,ERA-Interim和NCEP/NCAR进行全要素校正后模拟结果准确性显著提高;对于实地观测资料匮乏的地区,单独对ERA-Interim向下短波辐射数据进行校正以及同时对NCEP/NCAR气温和向下长波辐射数据进行校正均能优化湖表面温度的模拟结果。     

多套土壤湿度替代资料在青藏高原的适用性分析

目前,仍没有一套公认的能够很好的描述高原土壤湿度变化特征的替代资料,为此利用收集到的多套观测资料作为参考,分别对各种替代资料在高原的适用性进行了评估。结果表明:(1)观测资料表明,高原的土壤湿度在表层、中层、深层的变化具有较好的一致性,表层与中层、中层与深层的土壤湿度相关系数均在0.8以上。(2)卫星反演资料SSM/I RETRIEVALS在各个站点与观测值的相关系数都为正,在高原东南部、中部、北部相关系数都在0.5以上,且标准差与高原东南和中部的观测标准差较为接近,适用于高原的大范围地区,是研究青藏高原土壤湿度多年变化特征的一套较好的替代资料。(3)春季高原土壤湿度的空间分布具有南部边缘较大、由东南向西北递减的特征,大部分地区的土壤湿度具有明显的线性增加趋势;去除趋势后,高原东、西各有一个均方差大值区,东、西关键区内的土壤湿度从春到夏都具有较好的持续性,可以作为预测我国夏季降水的重要因子。     

三套位势高度再分析资料在青藏高原地区的对比分析

利用ERA40、NCEP/NCAR和JRA25再分析资料以及青藏高原（下称高原）地区的探空资料和1979年高原地区第一次气象科学试验资料,较详细地比较了高原地区位势高度的分布和变化特征。结果表明,三套再分析资料在高原地区具有一定的相似性,但仍存在明显的差别。相比较而言,再分析资料与探空资料位势高度值呈显著正相关关系,J...     

1984—2017年ISCCP-FH辐射资料在青藏高原地区的适用性评估

长序列卫星辐射资料的缺乏一直是制约青藏高原(以下简称高原)辐射长期变化研究的重要原因之一。对国际上最新提供的1984—2017年ISCCP-FH(以下简称FH)长序列卫星辐射资料中的大气顶逸出长波辐射(OLR)、到达地面短波辐射(SWD)、地面向上长波辐射(LWU)、到达地面长波辐射(LWD)进行分析,评估了FH辐射资料在全天气条件下的青藏高原地区的适用性。结果表明:与观测相比,FH资料的4种辐射通量气候平均值误差均小于5%,其中OLR和SWD的偏差较小,LWU的偏差最大。FH资料能正确反映高原各辐射通量的冬季增强趋势,OLR和LWD在各季节的长期变化趋势均与观测一致,LWU则呈现虚假的减弱趋势。总体来说,在高原地区,FH资料的地面短波辐射通量比长波辐射通量适用性好。进一步对长波辐射偏差原因分析显示,气温偏差会增强LWD的气候态和长期趋势,而地温偏差对LWU的作用与之相反。辐射模型、云和水汽的差异导致最终FH资料中的LWD气候态和长期趋势较观测略偏弱,FH资料的计算方案在一定程度上修正了地温偏差造成的LWU偏弱。研究结果将为使用FH辐射资料提供参考依据。     

冬季雪深再分析资料在欧亚中高纬地区的适用性评价

欧亚中高纬地区的积雪是影响气候的重要因子,但是观测台站稀疏且记录只到1996年,导致积雪观测资料严重缺乏。基于目前国际上应用较为广泛的3套再分析资料:美国国家大气海洋局(NOAA)的20世纪再分析资料(NCAR-20th century reanalysis)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料(ERA-Interim)及日本气象厅(JMA)的全球大气再分析资料(JRA-55),利用前苏联站点观测的雪深资料评估雪深再分析资料在欧亚大陆区域的适用性。结果表明:3套再分析资料对积雪的时空变化均具有一定的描述能力;其中,尤以JRA-55再分析资料与观测事实最为接近,能较好揭示欧亚中高纬雪深变化的空间分布特征,反映雪深的长期变化趋势。JRA-55再分析资料揭示的欧亚雪深与169站观测有90%吻合,20世纪再分析资料有76%一致,而ERA-Interim再分析资料只有一半。区域尺度上,JRA-55再分析资料揭示的欧洲、西伯利亚南部雪深在1961~1990年的变化与观测是正相关,相关系数达到0.91、0.87,而20世纪再分析资料仅有0.77、0.32。长时间序列的雪深资料(JRA-55)表明欧亚大陆积雪存在年代际的变化特征:1960年代积雪偏少;1970年代偏多;从1980年代开始呈现减少趋势,持续至20世纪末,并且积雪的减少是高纬度积雪变化造成的。     

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。     

基于土壤温湿度观测资料估算藏北高原地区土壤热通量

基于"全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验研究"(CAMP/Tibet)土壤温湿度观测资料(2004年6月8日至7月30日),利用TDEC(土壤温度预报校正)法估算并分析了藏北高原地区土壤热通量的变化特征。通过与热通量板测量结果比较发现,它们在热流方向和相位上基本一致,且在量值上具有很好的线性关系(R~20.74),但热通量板测量值普遍偏小。通过对比不同天气条件下TDEC法的估算结果表明,云的存在以及降水发生都可导致土壤热通量的波动,且表层土壤热通量波动更加强烈。对于TDEC法估算的表层土壤热通量,发现它与净辐射通量线性关系密切(R20.78),而在土壤热传导率较大的地区,其日变化相位明显先于其他地区。对于土质均匀的砂质土壤,其土壤热通量日变化振幅最大,土壤的垂直热量交换最剧烈。     

青藏高原地区NCEP新再分析地面通量资料的检验

利用1979—1998年地面气象站温度观测资料和1982年8月-1983年7月高原热源观测资料,检验了NCEP／DOE新再分析地面气温和地面辐射收支在青藏高原地区的偏差。比较表明,气温和地面辐射量新再分析值能反映实际年变化特征,但其温度值系统性偏低,偏低幅度随地区和季节而变化。由于其气温和地表温度偏低造成地表长波辐射和大气逆辐射系统性偏低;冬季积雪地区的地表吸收太阳辐射和净辐射新再分析值偏小;地面净长波、净短波和总的净辐射与实测的偏差比较小。分析发现,同化模式地形高度与地面气象站海拔高度的差异是造成气温新再分析与实测偏差的主要原因,冬季积雪区地表反照率新再分析值偏大是造成冬季地面净辐射偏小的因素,并加剧了冬季气温新再分析的偏差。其研究对改进气候模拟结果分析有一定的启发。     

多源资料在青藏高原大气热源计算中的适用性分析

大气热源是高原气象学的理论要点,研究其计算方法及其适用性,对加深高原气象学的认识,开拓"高原气象学"课程学生的视野,都具有重要意义。然而,精确计算大气热源仍是个挑战。本文详细介绍了大气热源两种计算方法,即正算法和倒算法,并基于站点观测、卫星辐射资料(ISCCP和SRB)及4套再分析资料(NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-Interim和JRA55),比较了不同资料计算所得夏季高原热源多尺度变率的差异。结果显示利用正算法时,辐射资料的选择需慎重;而在利用倒算法时,再分析资料的选择则需根据热源的研究尺度而定,不同再分析资料差异颇大。就长期趋势变化而言,再分析结果Q_1-JRA55最接近观测;而在年际尺度上,Q_1-ERAI与Q_1-JRA55两套结果能近似重复观测计算所得热源变率;在季节内尺度上,多套再分析资料差异性缩小,均可细致刻画高原夏季热源变化周期,在高原地区均有较好的适用性。     

积雪深度再分析资料在内蒙古的适用性评价

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)最新推出的两套再分析资料ERA-Interim/Land(简称"Land")和ERA-20C(简称"20C")1981—2010年积雪深度资料,以内蒙古地区气象台站观测资料为标准,综合评估积雪深度再分析资料在内蒙古地区的适用性。结果表明:(1)两套再分析资料都较好地再现了内蒙古积雪深度从东北向西南逐渐减少的空间分布特征,其中20C再分析资料更好地体现中东部积雪深度依次递减的趋势。(2)Land再分析资料的积雪深度与观测值差值的月际变化整体呈现负差值,系统模式低估计了积雪深度;而20C再分析资料的模拟效果在东西部较好,中部20C再分析资料的积雪深度与观测值的正差值较大。(3)两套再分析资料均能较好地再现内蒙东部、中部和西部地区积雪深度的逐月变化特征,均表现为东部模拟最好、中部次之、西部最差。(4)两套再分析资料的积雪深度平均偏差和均方根误差较小,再分析值和观测值的相关系数通过0.001的显著性检验,20C和Land再分析资料的积雪深度差距不大,但与观测值比较均出现负偏差现象。     

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。     

ERA-Interim地表温度资料在青藏高原多年冻土区的适用性

地表温度综合反映了大气和地表植被、土壤等局地因素相互作用的能量交换状况,是许多冻土分布模型和寒区陆面过程模式的上边界条件,对多年冻土分布和活动层厚度估算具有重要意义。为了检验ERA-Interim再分析地表温度资料在青藏高原(下称高原)多年冻土区的适用性,综合比较了2011年1月1日至2012年12月31日期间高原不同类型多年冻土区3个综合观测场的观测地表温度和ERA-Interim再分析资料之间的偏差、均方差、相关系数、解释方差、均方根误差和平均绝对误差。结果表明,ERA-Interim再分析资料能较好地再现高原多年冻土区3个综合观测场地表温度的基本特征,并能较好地描述高原地表温度的季节变化。但ERA-Interim再分析年平均地表温度比观测值偏低,西大滩、五道梁和唐古拉站依次偏低1.7,1.0和0.9℃;地表温度的再分析值和观测值之间的相关系数和解释方差都较高,均方差也相近。ERA-Interim再分析地表温度资料对观测站点相对稀少且空间分布不均匀的高原多年冻土区具有较好的适用性,可以作为地表温度的有效代用资料。     

四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性分析

利用国家气象信息中心提供的"中国农业气象土壤水分数据集(1981-2010年)(V1.0)"中150个农业气象站的土壤湿度观测资料,对2001-2010年CFSR、ERA-Interim、NCEP R-1和NCEP R-2四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性进行了比较与评估。结果表明:(1)从空间分布来看,四套再分析资料都可以正确描述出中国区域土壤湿度的分布特征,但是NCEP R-1对于青藏高原土壤湿度的模拟存在一定的问题;(2)从时间变化来看,CFSR再分析资料能够较好地描述了土壤湿度的时间变化,而NCEP R-2再分析资料表现得较差;(3)从土壤湿度的季节循环看,在表层,CFSR和ERA-Interim再分析资料模拟地比较好,而NCEP R-1和NCEP R-2再分析资料出现了高估现象;而在深层,除NCEP R-1外,其他三种再分析资料都可以较好地模拟出土壤湿度的季节循环。     

4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40和JRA-25共4种比较常用的再分析资料在中国区域的适用性研究作了概述。结果表明：发现4种资料既呈现出一定的共性,又在不同区域、不同时间尺度上差异显著。再分析资料的可信度普遍表现为在东部地区好于西部地区,低纬地区好于高纬地区,这可能与中国地面气象站点“东密西疏”有关;1979年前的再分析资料存在较大的不确定性,因此应用该时段NCEP/NCAR资料研究长期气候变化研究时需要谨慎;再分析资料的不同要素在不同时间、不同地域的适用性不同,因此应分区域、分要素、分季节选择合适的资料。从不同角度研讨了再分析资料的优缺点及在中国区域的适用性,旨在为中国区域气候变化研究选用再分析资料提供借鉴和参考。     

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%。     

三套再分析降水资料在华南地区的适用性评估

利用1980-2017年观测站降水数据(OBS)为参照标准,对目前广泛应用的三套再分析资料,即ERAI资料、JRA-55资料和CFSR资料在华南地区降水空间分布和年际变化的再现能力进行分析与评估。结果表明,不同资料对不同季节降水的再现能力存在显著差异,三者对降水年际变化的刻画都较为优秀,但对降水空间分布描述偏差较大,且在夏季最为明显;三者之间对比,ERAI对春季和冬季降水时空变化表现能力较为优秀,但在秋季表现一般;CFSR降水与实测时空相关性较好,但都存在降水系统性高估,在夏季最为严重,偏差达到5 mm·d~(-1);JRA-55对夏季和秋季降水刻画相对最佳,但对冬季降水存在高估。