Intercomparison of CRA-Interim Precipitation Products with ERA5 and JRA-55

By using the hourly data from surface meteorological stations in China, the 3-hour precipitation data from CRA-Interim (Chinese Reanalysis-Interim), ERA5 (ECMWF Reanalysis 5) and JRA-55 (Japanese Reanalysis-55) are compared, both on the spatial-temporal distributions and on bias with observation precipitation in China. The results show that: (1) The three sets of reanalysis datasets can all reflect the basic spatial distribution characteristics of annual average precipitation in China. The simulation of topographic forced precipitation in complex terrain by CRA-interim is more detailed, while CRA-interim has larger negative bias in central and East China, and larger positive bias in southwest China. (2) In terms of seasonal precipitation, the three sets of reanalysis datasets overestimate the precipitation in the heavy rainfall zone of spring and summer, especially in southwest China. CRA interim’s location of the rain belt in the First Rainy Season in South China is west by south, the summer precipitation has positive bias in southwest and South China. (3) All of the reanalysis datasets can basically reflect the distribution difference of inter-annual variation of drought and flood, but the overall the CRA-Interim generally shows negative bias, while the ERA5 and JRA-55 exhibit positive bias. (4) For the diurnal variation of precipitation in summer, all the reanalysis datasets perform better in simulating the daytime precipitation than in the night, and bias of CRA-interim is less in southeast and northeast than elsewhere. (5) ERA5 generally performs the best on the evaluation of quantitative precipitation forecast, the JRA-55 is the next, followed by the CRA-Interim. CRA-Interim has higher missing rate and lower threat score for heavy rains; however, at the level of downpour, the CRA-Interim performs slightly better.     

基于客观判识的青藏高原横切变线结构及演变特征合成研究

利用1981—2016年6—8月每天4次,分辨率为1°×1°的ERA-Interim再分析资料,基于纬向风的经向切变、纬向风速0线和相对涡度3个参数,在计算机客观自动判识青藏高原横切变线（简称高原横切变线）基础上,选取位于33°—35°N的高原横切变线个例13个,采用合成分析技术,研究了高原横切变线结构及演变特征。表明高原横切变线位于青藏高原主体80°—100°E范围内,在500 hPa呈东西走向、水平尺度近2000 km,垂直方向在高原上空可伸展至480 hPa、厚度可达近2 km。高原横切变线出现的环流背景是:500 hPa高纬度两槽两脊,青藏高原两侧分别为带状分布的西太平洋副热带高压（西太副高）和伊朗高压。在动力场上,高原横切变线走向与500 hPa正涡度带轴线走向一致,切变线附近为带状的涡度正值区和上升运动区,对应于无辐散带,辐散/辐合带分布在高原横切变线北/南侧;高原横切变线附近正涡度带垂直可伸展到350 hPa,上升运动伸展至200 hPa,但高原横切变线仅至480 hPa左右,为浅薄的斜压性天气系统,呈现随高度升高向北倾斜的特征。在水汽热力场上,高原横切变线是水汽汇聚带;高原横切变线附近南侧的600—500 hPa存在高假相当位温中心,具有非常明显的高温、高湿特征。高原横切变线从初始产生到发展强盛再减弱的演变过程中,其生命期近4 d,伴随西太副高西移过程,随着高原横切变线附近正涡度带范围增大、强度增强,高原横切变线发展,干冷空气的侵入导致高原横切变线强度减弱甚至消亡。      

Climatology of Shear Line and Related Rainstorm over the Southern Yangtze River Valley Based on an Improved Intelligent Identification Method

Based on four reanalysis datasets including CMA-RA, ERA5, ERA-Interim, and FNL, this paper proposes an improved intelligent method for shear line identification by introducing a second-order zonal-wind shear. Climatic characteristics of shear lines and related rainstorms over the Southern Yangtze River Valley (SYRV) during the summers (June-August) from 2008 to 2018 are then analyzed by using two types of unsupervised machine learning algorithm, namely the t-distributed stochastic neighbor embedding method (t-SNE) and the k-means clustering method. The results are as follows: (1) The reproducibility of the 850 hPa wind fields over the SYRV using China’s reanalysis product CMA-RA is superior to that of European and American products including ERA5, ERA-Interim, and FNL. (2) Theory and observations indicate that the introduction of a second-order zonal-wind shear criterion can effectively eliminate the continuous cyclonic curvature of the wind field and identify shear lines with significant discontinuities. (3) The occurrence frequency of shear lines appearing in the daytime and nighttime is almost equal, but the intensity and the accompanying rainstorm have a clear diurnal variation: they are significantly stronger during daytime than those at nighttime. (4) Half (47%) of the shear lines can cause short-duration rainstorms (≥20 mm (3h)-1 ), and shear line rainstorms account for one-sixth (16%) of the total summer short-duration rainstorms. Rainstorms caused by shear lines are significantly stronger than that caused by other synoptic forcing. (5) Under the influence of stronger water vapor transport and barotropic instability, shear lines and related rainstorms in the north and middle of the SYRV are stronger than those in the south.     

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。     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午...     

华东地区夏季中尺度对流系统的活动特征及成因研究

采用FY-2E卫星云图TBB(Black Body Temperature)资料,统计分析2010-2014年夏季(6-8月)华东地区的α中尺度对流系统(MαCS)和β中尺度对流系统(MβCS),发现两类MCS(Mesoscale Convective System)均具有夜发性,且发生主要集中于安徽、江苏、江西和浙江地区,形成后自西向东移动。进一步利用NCEP-CFSR和NCEP-CFSV2每6 h的再分析数据,通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和K-means聚类分析对两种尺度MCS成因进行分析,结果显示:850 hPa切变线和低空急流、500 hPa副高和中纬度短波槽以及200 hPa的高空急流是影响MCS形成主要的天气系统,对流层中层以下的水汽供应、低层大气不稳定性和低层辐合、高层辐散的动力结构是MCS形成的必要条件。MαCS发生前的天气形势可以分为两类:①生成位置位于850 hPa低空急流的西侧、气旋性环流的南侧,500 hPa、200 hPa分别受槽前西南气流、反气旋性环流的影响;②850 hPa切变线南部的偏西气流、500 hPa的偏西气流和200 hPa的高空急流配合。MβCS发生前的两类环流形势中,850 hPa切变线南部的偏西气流控制的为第一类,切变线南部的西南气流和生成位置东部的低空急流影响的为第二类,500 hPa生成位置位于短波槽东部,200 hPa均有西风急流与中低层配合。     

两种再分析资料平流层温度场的对比分析

在Lorenz环流分解基础上,比较了全球平流层低层ECMWF和NCEP/NCAR两种再分析资料月平均温度场的差异。结果表明：（1）纬向的平均温度无论DJF季度还是JJA季度100 hPa,30°S～30°N纬带都是冷中心;在该冷纬带ECMWF资料温度均值显著低于NCEP资料,ECWMF资料的年际方差显著小于NCEP资料。（2）30 hPa以上NCEP资料的定常波比较杂乱,在中纬大陆上出现与事实不符的高低中心,而ECMWF资料反映的气温定常波则比较合理。（3）ECMWF资料在100 hPa和10 hPa上气温异常未能充分地反映近50 a来3次强的火山喷发引起的平流层增温。     

高原切变线的客观识别与时空分布的统计分析

本文利用计算机客观识别技术,稳定地识别出高原切变线并分析了高原切变线的气候特征。通过对比三套常用的高分辨率再分析资料（ERA-Interim、NCEP CFSR和JRA-55）在高原地区中低层大气的适用性,筛选出与高原地区500 hPa风场较为吻合的NCEP CFSR（National Centers for Environmental Prediction Climate ForecastSystem Reanalysis）再分析资料作为基础数据,根据人工判识切变线的基本标准与计算机几何学知识,定义了高原切变线的客观识别标准。对客观识别出的2005~2015年高原切变线与《青藏高原低涡切变线年鉴》中的结果进行对比分析与验证,并在此基础上统计分析了近11年高原切变线的气候特征。高原切变线年均生成49.4条,其中东部型切变线年均38条,是高原切变线的基本型;高原切变线维持时间多为6 h;切变线两侧的水平散度、垂直涡度和总变形三个物理量的大值区均出现在94°~95°E。客观识别高原切变线的方法可以较为高效地识别高原切变线,为高原切变线研究提供了新的途径。     

Intercomparison of Multiple Hydroclimatic Datasets across the Lower Nelson River Basin,Manitoba, Canada

ABSTRACT

This study evaluates the 1981–2010 spatiotemporal differences in six available climate datasets (daily total precipitation and mean air temperature) over the Lower Nelson River Basin (LNRB) in ten of its sub-watersheds at seasonal and annual time scales. We find that the Australian National University spline interpolation (ANUSPLIN), and inverse distance weighted (IDW) interpolated observations from 14 Environment and Climate Change Canada (ECCC) meteorological stations show dry biases, whereas reanalysis products tend to overestimate precipitation across most of the basin. All datasets exhibit prominent disagreement in precipitation trends whereby the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) interim reanalysis (ERA-Interim) and European Union Water and Global Change (WATCH) Forcing Data ERA-Interim (WFDEI) show exceptional wetting trends, while the IDW and ANUSPLIN data manifest drying trends. Mean air temperature trends generally agree across most of the datasets; however, the North American Regional Reanalysis (NARR) and IDW show stronger warming relative to other datasets. Overall, analyses of the different climate datasets and their ensemble reveal that the choice of input dataset plays a crucial role in the accurate estimation of historical climatic conditions, particularly when assessing trends, for the LNRB. Using the ensemble has the distinct advantage of preserving the unique strengths of all datasets and affords the opportunity to estimate the uncertainty for hydrologic modelling and climate change impact studies.     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。      

冷平流强迫背景下攀枝花市一次雷暴过程综合分析

基于欧洲中心ERA5再分析资料、NCEP再分析资料、卫星和雷达资料以及MICAPS气象资料,运用天气学方法对2020年4月13日四川省攀枝花市发生的冷平流强迫类雷暴天气过程进行综合分析。结果表明:本次雷暴过程混合了冰雹、短时强降水、雷暴大风等多种天气,其主要影响系统为200 hPa高空急流、500 hPa高原槽、700 hPa切变线和西南急流以及地面辐合线。200~500 hPa西北干冷空气顺高原槽南下对本次过程起主导作用,弱的700 hPa西南急流为本地输送了水汽和不稳定能量,中低层切变线和地面辐合线促进了暖湿气流的辐合抬升。此外,“上冷下暖”的气层结构、中低层较强的垂直风切变、气流的低层辐合与高层辐散、适宜的0℃和-20℃层高度、较强的CAPE和K指数、较大的700~500 hPa温度垂直递减率等因素也是本次雷暴天气过程发生发展的关键。      

江淮地区强降水分型及其环流演变

使用新建的强降水历史个例数据集、1981-2016年我国逐日降水量观测资料、2016年T639与ECMWF模式1~10 d的逐日降水量预报,采用经验正交函数展开（EOF）提炼出江淮地区强降水的典型模态,并运用场相似法对江淮地区强降水进行客观分型,分析强降水的环流演变;定量诊断型环流相似所得与实测环流和降水的对应关系。结果表明:江淮地区强降水可分为Q_Ⅰ,Q_Ⅱ和Q_Ⅲ 3种类型,其中,Q_Ⅰ型降水中心位于江淮中部,Q_Ⅱ型表现为降水北多南少,Q_Ⅲ型表现为降水中间少南北多的分布。强降水对应的前期至当日,各型降水对应在亚洲的中高纬度地区均有显著的环流异常,且环流演变存在明显不同;但各类型降水对应的系统移动速度缓慢,且到强降水发生日江淮地区处于西太平洋副热带高压西北侧低值系统的控制,有利于该地区强降水的发生。按环流相似依不同时效得到的强降水发生日环流与实际环流存在很好的相关。独立试验中,该文方法对25 mm降水的TS评分在各时效均高于模式预报,50 mm降水的TS评分在3 d以上时效的评分也均高于模式预报。     

A 10-Yr Global Land Surface Reanalysis Interim Dataset (CRA-Interim/Land): Implementation and Preliminary Evaluation

A land surface reanalysis dataset covering the most recent decades is able to provide temporally consistent initial conditions for weather and climate models, and thus is crucial to verifying/improving numerical weather/climate forecasts/predictions. In this paper, we report the development of a 10-yr China Meteorological Administration (CMA) global Land surface ReAnalysis Interim dataset (CRA-Interim/Land; 2007–2016, 6-h intervals, approximately 34-km horizontal resolution). The dataset was produced and evaluated by using the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) and NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) global land surface reanalysis datasets, as well as in situ observations in China. The results show that the global spatial patterns and monthly variations of the CRA-Interim/Land, GLDAS, and CFSR climatology are highly consistent, while the soil moisture and temperature values of the CRA-Interim/Land dataset are in between those of the GLDAS and CFSR datasets. Compared with ground observations in China, CRA-Interim/Land soil moisture is comparable to or better than that of GLDAS and CFSR datasets for the 0-10-cm soil layer and has higher correlations and slightly lower root mean square errors (RMSE) for the 10-40-cm soil layer. However, CRA-Interim/Land shows negative biases in 10-40-cm soil moisture in Northeast China and north of central China. For ground temperature and the soil temperature in different layers, CRA-Interim/Land behaves better than the CFSR, especially in East and central China. CRA-Interim/Land has added value over the land components of CRA-Interim due to the introduction of global precipitation observations and improved soil/vegetation parameters. Therefore, this dataset is potentially a critical supplement to the CRA-Interim. Further evaluation of the CRA-Interim/Land, assimilation of near-surface atmospheric forcing variables, and extension of the current dataset to 40 yr (1979–2018) are in progress.     

中国区域再分析湿度资料与均一化探空湿度资料的对比分析

利用1980—2010年中国98个探空站均一化月平均温度和温度露点差资料(OBS)和NCEP/NCAR(NCEP)、ERAInterim(ERA)、JRA-25(JRA)3种再分析月平均比湿资料,使用相似分析、趋势分析等方法对中国区域4种资料高空比湿进行了对比分析。结果表明:(1)从空间分布特征分析,JRA比湿与OBS比湿的空间分布相似系数最大。(2)3种再分析资料比湿普遍大于OBS比湿,除个别站点个别层次外,JRA和OBS比湿更加接近;再分析比湿和OBS比湿的相对偏差随高度增加而增大,且冬春季大于夏季。(3)从长期变化趋势分析,在对流层低层,JRA和0BS比湿较接近,在对流层中高层ERA和OBS比湿较接近。     

高原地区ERA40与NCEPI再分析资料对比分析

利用ERA40、NCEPI (NCEP/NCAR version Ⅰ)再分析资料以及高原地区的探空资料和1979年青藏高原地区第1次气象科学试验资料,详细的比较了高原地区位势高度的特征.结果表明,两套再分析资料在高原地区具有一定的相似性,但仍存在着明显的差别.相比较而言,高原北部地区ERA40再分析资料除1980-19...     

2012年西南低涡影响下四川地区一次强降水过程研究

本文利用中国气象科学数据共享服务网提供的中国地面降水日值0.1°×0.1°格点数据集(V2.0)、FY-2E逐小时红外黑体辐射亮温(Temperature of Black Body,以下简称TBB)资料和欧洲中心ERA-Interim0.5°×0.5°,6小时一次温度、风场、位势高度、相对湿度等资料对2012年7月21~22日一次四川暴雨进行了初步分析。结果表明,西南低涡活动为此次四川盆地强降水过程提供了有利的发生条件。在此基础之上,副热带高压引导的暖湿空气与西伯利亚南下的冷空气相汇于四川盆地,风切变的生成,大量不稳定能量在四川盆地东部累积,和盆地上空形成的上升气流,为此次降水过程提供了有利的天气条件。随着西南低涡的东移减弱,四川盆地此次降水过程也随之结束。     

利用多种再分析资料对比分析青藏高原夏季大气水汽含量变化情况

利用ERA-Interim、MERRA和NCEP/NCAR三套再分析资料,分析1979~2014年夏季青藏高原大气水汽含量的时空变化特征,同时对比了各套资料异同点,结果表明:(1) ERA-Interim和MERRA资料均显示出夏季青藏高原大气水汽含量呈现显著的上升趋势,在1994~1995年前后发生明显突变,大气水汽含量由偏低时期向偏高时期转变;而NCEP/NCAR资料并没有出现类似的显著上升趋势和突变年份;ERA-Interim资料与MERRA资料的夏季青藏高原湿池指数之间的相关性明显强于NCEP/NCAR资料与它们任何一个之间的相关性。(2)夏季青藏高原大气水汽含量呈现出自高原东南边缘地区向西北部递减的分布形式。其中,MERRA与ERA-Interim资料显示的水汽含量分布更为相似,而NCEP/NCAR资料反映的水汽含量在高原中部往北递减不明显,湿度中心较为分散。(3)从空间分布上,MERRA与ERA-Interim资料显示青藏高原大部分地区夏季水汽含量均呈显著的增加趋势,而NCEP/NCAR资料仅在高原东北部小部分区域存在显著的增加趋势。(4)从夏季青藏高原大气水汽含量的年际变化特征分析来看,ERA-Interim和MERRA资料相对于NCEP/NCAR资料也更为接近。      

1410号台风Matmo登陆前后的动热力结构演变和水汽输送特征分析

利用NCEP/NCAR（美国国家环境预报中心/国家大气研究中心）的全球预报系统（GFS）再分析资料、欧洲气象中心（ERA-interim）资料以及中国气象局观测站点的实况降水观测结合CMORPH卫星反演降水资料,对2014年第10号台风Matmo生成后西北行并登陆台湾及福建过程中的特征进行了分析,揭示出Matmo移动路径主要受西太平洋副热带高压（简称西太副高）外围引导气流影响。动、热力物理量场分析表明,Matmo在登陆福建前后,福建上空一直维持深厚的涡旋结构,福建东南部上空的上升区与台湾海峡及福建西部附近的下沉运动区形成明显的垂直环流圈。同时,南海上空有明显的西南急流（风速大于16 m s-1）,Matmo的水汽来源主要有两条,分别为孟加拉湾和南海以及西太副高南侧。充足的水汽输送及低层水汽辐合抬升有利于Matmo登陆后的强降水发生和维持。Matmo登陆福建后仍然保持低层辐合、高层辐散,有利于持续暴雨的发生。Matmo登陆福建期间始终处于风速垂直切变小值区（小于9 m s-1）中,环境风速的弱垂直切变有利于Matmo暖心结构及高空辐散形势的维持,是Matmo在登陆后依然能维持自身强度不衰减的原因之一。     

夏季亚洲阻塞高压识别及其对中国东北气候异常的可能影响:不同再分析资料对比

基于阻塞高压（阻高）客观识别方法,利用1979-2016年夏季（6-8月）NCEP-Ⅰ、NCEP-Ⅱ逐日再分析资料和ERA-interim逐6 h再分析资料对识别结果进行对比分析;并以D类（130°-160°E）阻高为例,讨论其对6月中国东北地区气候的可能影响。结果表明:NCEP-Ⅰ和NCEP-Ⅱ再分析资料对阻高活动天数、发生频次及年代际变化的识别结果差异较小,而ERA-interim与前两种资料的结果差别较大。3种再分析资料下,夏季各类阻高活动天数均与500 hPa高度场存在相应的显著相关区,且形态相近。但前两种资料对于各类阻高的表征结果较为一致,而ERA-interim再分析资料对各类阻高面积和范围的表征偏小。6月D类阻高活动日数与东北地区气温和降水关系密切,D类阻高活跃年,大气环流以经向型为主,东北地区低层低温、暖平流,高层高温、冷平流的结构指示大气层结不稳定,且东北上空为异常低压环流控制,上升气流较强,有利于6月东北地区出现低温多雨天气。鄂霍次克海地区是6月罗斯贝波的重要来源地之一,而6月D类阻高的形成可能与海-陆温差有关。      

秦岭及周边地区夏季降水的主模态分析

基于秦岭及周边地区394站气象观测资料、欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析ERA-Interim数据,利用小波和回归等分析方法,讨论了秦岭及周边地区夏季降水年际变化的主模态以及与其相联系的大气环流异常。结果表明:1)在年际变化的时间尺度上,秦岭及周边地区夏季降水主要表现为秦岭南北降水的气候差异性变化(EOF1)、黄土高原第二地形抬升带与其两侧降水的反位相振荡(EOF2)、秦岭西南部降水正异常和其东北部降水负异常变化(EOF3)和关中平原的地形降水贡献(EOF4)4个模态,其解释方差总贡献为73%,并且具有显著的2~4 a周期,其中EOF3和EOF4还具有4~8 a左右的年际变化周期。2)回归分析表明,EOF1正位相环流特征表现为200 hPa急流偏弱,中纬度槽填塞,西太平洋副热带高压强度偏弱,有来源于东海的水汽输送,使得秦岭北部降水偏多;EOF2和EOF3分别具有显著的蒙古低压和东北冷涡环流特征;EOF4的500 hPa环流异常不显著。3)根据新定义的秦岭季风指数回归分析表明,回归场的季风指数和降水模态的时间系数显著相关,秦岭北部降水偏多(少),南部降水偏少(多),反映了强(弱)季风年的年际转换。反之则具有多态性,不同年份强(弱)秦岭回归季风指数的环流形势存在较大的差异,可能触发多种降水模态和位相振荡。