中国地区NCEP再分析资料与台站观测的地表温度差异及其影响（英文）

作为时间序列非线性的一个重要指标,从NCEP再分析得到日气温异常的时间不可逆性(TI)与观测站的相比几乎一致地被高估了.因为非线性与可预报性/极端事件之间有着密切的关系,除了高估的TI外,这些大气测度也可能被高估.本文结果表明:NCEP再分析的日最低和最高气温异常序列的内在可预报性,预报技巧和极端事件发生次数也几乎一致被高估.而且,这些高估的测度与高估的TI只存在微弱的相关性,这表明利用NCEP再分析研究可预测性和极端事件时,需要仔细考虑其质量对结论的可能影响.     

大气再分析资料中潜在可预报性的特征及其差异

利用1957年9月—2002年8月ECMWF和NCEP/NCAR月平均再分析资料,分别讨论了冬季和夏季SLP(sea level pressure,海平面气压)、500hPa高度、200hPa纬向风和850hPa经向风年际变率的潜在可预报性特征。结果表明:热带地区的潜在可预报性较高,尤其是赤道中东太平洋地区,而中高纬地区的潜在可预报性则较低。比较两套资料潜在可预报性的异同后发现:南半球的差异均明显大于北半球,特别是南极地区;低层变量的差异均大于中高层变量;东亚大陆在冬、夏季均具有一定的潜在可预报性;冬季各变量均表现出东亚冬季风具有较高的年际变率潜在可预报性,且两套资料的差异较小;500hPa位势高度表现的东亚夏季风潜在可预报性在两套资料中较一致,而低层变量(SLP和850hPa经向风)表现的东亚夏季风年际变率潜在可预报性在两套资料中存在较大差异。     

Discrepancies in surface temperature between NCEP reanalysis data and station observations over China and their implications: 中国地区NCEP再分析资料与台站观测的地表温度差异及其影响

Previous studies show that temporal irreversibility (TI), as an important indicator of the nonlinearity of time series, is almost uniformly overestimated in the daily air temperature anomaly series over China in NCEP reanalysis data, as compared with station observations. Apart from this highly overestimated TI in the NCEP reanalysis, some other important atmospheric metrics, such as predictability and extreme events, might also be overestimated since there are close relations between nonlinearity and predictability/extreme events. In this study, these issues are fully addressed, i.e., intrinsic predictability, prediction skill, and the number of extreme events. The results show that intrinsic predictability, prediction skill, and the occurrence number of extreme events are also almost uniformly overestimated in the NCEP reanalysis daily minimum and maximum air temperature anomaly series over China. Furthermore, these overestimations of intrinsic predictability, prediction skill, and the number of extreme events are only weakly correlated with the overestimated TI, which indicates that the quality of the NCEP reanalysis should be carefully considered when conclusions on both predictability and extreme events are derived.摘要作为时间序列非线性的一个重要指标, 从NCEP再分析得到日气温异常的时间不可逆性 (TI) 与观测站的相比几乎一致地被高估了.因为非线性与可预报性/极端事件之间有着密切的关系, 除了高估的TI外, 这些大气测度也可能被高估.本文结果表明:NCEP再分析的日最低和最高气温异常序列的内在可预报性,预报技巧和极端事件发生次数也几乎一致被高估.而且, 这些高估的测度与高估的TI只存在微弱的相关性, 这表明利用NCEP再分析研究可预测性和极端事件时, 需要仔细考虑其质量对结论的可能影响.     

比较NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料与观测资料计算得到的感热资料的差异

利用1951～2000年我国西北干旱、半干旱区地温、气温和表面风场逐日4个时次（北京时间2、8、14和20时）的台站观测资料,以及NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料,计算并比较了在我国西北地区春夏季感热输送的差异。分析结果表明:NCEP/NCAR和ERA-40的感热输送再分析资料都能显示出我国西北地区是欧亚大陆上的感热中心之一。从年代际时间尺度上,ERA-40再分析资料的感热资料更接近于实际台站观测资料计算得到的感热资料。       

NCEP再分析资料和中国站点观测资料的分析与比较

美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料,在很多气候模拟和预测研究中都被作为区域气候模式的驱动场和初始场资料,并用来检验模拟结果的.作者通过对NCEP的2种再分析资料NCEPI和NCEPⅡ与中国台站观测资料的月平均温度和月降水总量进行相互插值,分析和比较了NCEPⅠ、NCEPⅡ再分析值与中国区域内观测值之间的差异以及2种再分析资料之间的差异.从结果可以看到,NCEP再分析资料的月平均温度较观测值普遍偏低,而月降水总量较观测值则偏高;就季节变化而言,NCEP再分析值在夏季和年平均模拟的较好,冬季较差.同时可以看到,在温度和降水方面NCEPⅡ较NCEPⅠ都有所改进,尤其在中国东部地区,改进较为明显.     

青藏高原地区上空NCEP/NCAR再分析温度和位势高度资料与观测资料的比较分析

利用青藏高原12个探空站资料及NCEP/NCAR再分析资料,对各标准等压面上的月平均温度和位势高度资料进行了比较,结果表明:NCEP/NCAR再分析资料能够客观地反映青藏高原上空温度和位势高度多年平均的气候特征;与实际探空资料相比,在年际变化中再分析资料的温度和位势高度也具有较高的可信度;但在长期趋势变化上,再分析资料在青藏高原对流层低层存在着明显虚假的变化趋势.总之,再分析温度和位势高度资料在青藏高原气候研究中有较高的参考价值,尤其是1979年后再分析资料的质量在平流层低层得到明显的改善.     

美国NCEP/NCAR全球再分析资料及其初步分析

对美国国家环境预测中心（ＮＣＥＰ）及国家大气研究中心（ＮＣＡＲ）的４０年全球再分析资料在中国应用的可信度进行了初步分析,其中包括温、压、风、湿、降雨量、地面辐射、地面感热、地面蒸发潜热及青藏高原地面热源等。除降水量再分析资料与气候资料的比较属同一时段外,其余均属非同一时段比较。两者基本特征和分布形势一致,再分析资料比较合理。     

江苏省土壤湿度观测资料与再分析资料对比分析研究

利用江苏省2010—2015年的60个站点土壤湿度观测资料,对欧洲中心ERA-Interim再分析资料(ERA)和美国宇航局再分析资料(MERRA)的两套土壤湿度数据在江苏地区的可靠性进行了评估。结果表明:相比于ERA再分析资料,MERRA较好地再现出江苏省次表层年平均土壤湿度的空间分布特征,但是两种资料的次表层和深层土壤湿度的数值均小于观测。ERA和MERRA基本都能揭示出江苏省次表层土壤湿度的季节变化特征,但是深层土壤湿度与观测仍有较大差距。在时间演变方面,ERA次表层土壤湿度与站点观测在研究时段内较为接近,EOF分析揭示出1979—2016年江苏省次表层土壤湿度存在区域一致型与南北偶极型两个主要的年代际变率模态。但是对于深层土壤湿度时间演变而言,两种再分析资料都与观测有较大的差距。总体而言,再分析资料的次表层土壤湿度与站点观测较为接近,但是由于再分析资料陆面模式中地下水等影响深层土壤湿度的关键过程刻画较为简单,使得深层土壤湿度与观测有较大的差距。     

NCEP和ECMWF资料表征南海夏季风的差异

比较美国国家环境预报中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的再分析资料,分析了二者用低层风场表征南海夏季风上的差异.结果表明,NCEP得到的南海夏季风指数有明显的减小趋势,而ECMWF则没有;二者在年际尺度上都能较好地表征南海夏季风强度,而年代际尺度上有明显的位相差.与西沙站的探空资料比较结果表明,NCEP在经向风上更接近观测资料,而经向风的趋势变化正是西沙站西南风减小趋势的主要贡献项;ECMWF资料在年代际尺度变化上更接近观测资料.与1998年南海夏季风试验SCSMEX的再分析资料比较显示,NCEP资料在空间上与SCSMEX资料更相似.     

江淮地区ERA-Interim再分析与观测温度资料对比分析

通过对比江淮地区1992-2016年08和20时的ERA-Interim再分析资料与观测资料的温度要素,发现它们在垂直方向上的偏差存在从低层到高层先减小后增大的特点,对流层低层各站偏差的空间差异明显,到中高层各站偏差趋于一致。偏差存在明显年际变化,500 hPa及以上等压面在2000年前后再分析资料比观测资料存在由偏低向偏高的转折;除地面外,其他高度上两种资料的平均绝对偏差均呈显著减小趋势。在偏差的月际分布上,地面和500 hPa以上高度再分析资料普遍比观测资料偏高,各高度上平均绝对偏差在8-9月最小。进一步对各天气现象下两种资料比较发现,雪、雨夹雪、冰粒子和冻雨天气发生时,地面至1000 hPa和850 hPa上再分析资料比观测资料偏高;大雾天气发生时,再分析资料比观测资料在1000 hPa偏高幅度明显高于地面。可见,在江淮地区使用ERA-Interim再分析温度资料判别降水相态时,大气边界层和850 hPa温度需慎重使用,近地层虚假逆温对大雾判别会产生很大影响。     

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。      

Comparison of surface variables from ERA and NCEP reanalysis with station data over eastern China

This study compared precipitation, mean air temperature (MAT) and mean sea level pressure (MSLP) from two widely used reanalysis datasets (ERA-40 and NCEP) with those from observed stations across eastern China. The evaluation was based on a comparison of both temporal and spatial variability and included several assessment criteria such as the mean values, normalized root mean square error, Mann–Kendall test, empirical orthogonal functions (EOFs) and probability density functions. The results showed that both the ERA-40 and NCEP datasets could capture temporal and spatial variability of the observed precipitation, MAT and MSLP over eastern China. The results showed that the two reanalysis datasets performed better for MAT and MSLP than for precipitation. Overall, the two reanalysis datasets revealed reasonable agreement with observations according to the evaluation. ERA-40 was better at capturing the temporal and spatial distributions for these three variables than NCEP, especially for MAT and MSLP. NCEP tended to overestimate the annual precipitation for both mean and extreme values, while ERA-40 tended to underestimate it, particularly for extreme values. The two reanalysis datasets performed better in the east and northeast regions of the study area than in other regions for capturing the temporal variability of MAT and MSLP. ERA-40 was poor at capturing the temporal variability of precipitation in northeastern China. According to the trend analysis, the two reanalysis datasets showed lower trends for MAT and precipitation and higher trends for MSLP. Both ERA-40 and NCEP had larger explained variances for the first two EOFs than the observed precipitation. This implies that both reanalysis datasets tend to simulate a more uniform spatial distribution for precipitation in the study area.     

中国冬季最低气温观测与再分析资料的比较

运用EOF分解、线性趋势分析、方差分析、小波分析、相关分析等方法,从均值、长期变化、年际和年代际变化特征等方面对NCEP/NCAR(N1T)、NCEP/DOE(N2T)、ERA-Interim(ET)、JRA-25(JT)4种再分析资料集和194站观测资料集中1979—2012年我国冬季最低气温(WTMIN)进行比较。结果表明:(1)ET在再现观测冬季最低气温多年平均时最优;(2)除新疆北部和西南部以及东北北部有降低趋势外,我国大部分地区WTMIN有升高的趋势,N1T对观测温度长期变化趋势再现能力优于其他3种资料;(3)观测WTMIN在中国北方和高原地区年际和年代际变化大于南方地区,四种再分析WTMIN对我国冬季最低气温的年际和年代际变化的再现在不同区域各有所长,总体上以ET为优。(4)再分析资料在再现观测WTMIN年代际时间尺度上的能力相当,以ET最优,尤其是在我国中东部地区和新疆北部地区。N1T和N2T对东北地区观测冬季最低气温年际变化的再现能力较好,ET再现观测WTMIN在1990s之前,2005年之后的3~4 a变化周期特征时能力略优于其他3种资料。     

中国区域位势高度场探空与再分析资料的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及JRA 3种再分析资料,采用偏差、线性趋势、EOF等统计方法,分析、讨论了再分析资料位势高度场在中国区域的适用性问题。结果表明:在年平均场上,探空资料在中国北方地区对流层中存在上升趋势,在平流层低层存在下降趋势;并且有整层变化相同的年际变化特征和对流层南北方反位相变化的年代际变化特征。再分析资料位势高度场数值上普遍小于探空资料;NCEP/NCAR资料与探空资料较为接近。在季节平均场上,探空资料在冬季对流层中存在一致的上升趋势,在春、夏和秋季的长期变化趋势与年平均场类似;探空资料与再分析资料在冬季的偏差最小。不同资料的EOF第一模态分布,在不同季节中差别较大,NCEP/NCAR资料在春季、夏季和冬季适用性较高,ERA资料在秋季适用性较高。     

近30多年江淮流域极端气温指数的时空变化分析:站点观测和再分析的对比

利用1979—2011年江淮流域的区域站点、NCEP/DOE和ERA-Interim再分析资料中的逐日最高、最低气温资料集,对比分析了近33 a江淮流域极端气温指数的时空变化特征,对再分析资料的再现能力进行检验和评估。结果表明:(1)近33 a来大部分极端气温指数及其趋势系数的空间分布都表现出南北向梯度分布特征,而极端最高、最低气温的极值区分布在长江三角洲地区;(2)夏日指数、作物生产指数、极端最高、极端最低、暖期长度指数和高百分位指数在年际变化中均有上升趋势,而且多次出现异常低值和异常高值;近10多年来,极端气温频率指数和百分位指数的年际变化趋势有所减缓;(3)月最高气温在近30 a中不断被突破,最低气温不断上升,而且高温天气日数也在不断增加,但低温日数逐渐减少;(4)再分析资料能较合理地再现大部分极端指数的时空变化和线性趋势特征,ERA-Interim比NCEP/DOE具有更好的再现能力。     

中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的对比研究

为评估中国探空观测与第3代再分析大气湿度资料的差异,基于ERA-Interim、JRA-55、MERRA和CFSR再分析和中国118探空站1979-2015年逐月850-300 hPa大气比湿和相对湿度的原始值及均一化序列,通过分析探空与再分析资料的相对偏差、相关系数、标准差比和变化趋势,研究了两者在多年平均值、年际变率、离散度及长期变化趋势等方面的差异。结果表明,中国探空原始湿度序列存在显著的非均一性问题,均一化提高了序列的连续性,但存在显著的低偏差,总体较原始湿度偏低5%-43%。再分析中国平均对流层大气比湿和相对湿度较探空观测偏高,相对湿度的偏差幅度（7%-48%）较比湿大（4%-13%）,对流层高层较低层大,春秋季偏差较夏季显著。各再分析资料间的差别较小,JRA-55在对流层高层较其他再分析资料偏低,与探空观测较接近。再分析与均一化后中国探空比湿和相对湿度年际变率和离散度在对流层低层较为一致,对流层中高层再分析资料的离散度明显高于探空。再分析与均一化探空中国平均比湿在对流层低层一致呈上升趋势;对流层中层探空为上升趋势,再分析资料为下降趋势。再分析与均一化探空相对湿度变化趋势差异较大,探空为上升趋势且对流层中高层上升显著,对流层再分析为下降趋势。      

中国东北和西北区域三种再分析资料与探空资料的温度对比分析

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA三种再分析资料,采用均方根误差、趋势分析等多种统计分析方法,对再分析资料的高空温度在中国东北和西北区域的可信度进行了分析。结果表明：在气候平均方面,JRA资料相比于探空资料的均方根误差较小,冬季的均方根误差较小,西北区的均方根误差普遍大于东北区;在年际变化方面,东北区三种再分析资料在低层的反映程度明显好于高层,西北区各层三种再分析资料与探空资料的差值普遍比东北区大;在长期变化方面,三种再分析资料在对流层低层都较好,东北区NCEP资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势,而在西北区,则是JRA资料能更好地反映探空资料高层的降温趋势。     

An intercomparison between the surface heat flux feedback in five coupled models,COADS and the NCEP reanalysis

The surface heat flux feedback is estimated in the Atlantic and the extra-tropical Indo-Pacific, using monthly heat flux and sea surface temperature anomaly data from control simulations with five global climate models, and it is compared to estimates derived from COADS and the NCEP reanalysis. In all data sets, the heat flux feedback is negative nearly everywhere and damps the sea surface temperature anomalies. At extra-tropical latitudes, it is strongly dominated by the turbulent fluxes. The radiative feedback can be positive or negative, depending on location and season, but it remains small, except in some models in the tropical Atlantic. The negative heat flux feedback is strong in the mid-latitude storm tracks, exceeding 40 W m^–2 K^–1 at place, but in the Northern Hemisphere it is substantially underestimated in several models. The negative feedback weakens at high latitudes, although the models do not reproduce the weak positive feedback found in NCEP in the northern North Atlantic. The main differences are found in the tropical Atlantic where the heat flux feedback is weakly negative in some models , as in the observations, and strongly negative in others where it can exceed 30 W m^–2 K^–1 at large scales, in part because of a strong contribution of the radiative fluxes, in particular during spring. A comparison between models with similar atmospheric or oceanic components suggests that the atmospheric model is primarily responsible for the heat flux feedback differences at extra-tropical latitudes. In the tropical Atlantic, the ocean behavior plays an equal role. The differences in heat flux feedback in the tropical Atlantic are reflected in the sea surface temperature anomaly persistence, which is too small in models where the heat flux damping is large. A good representation of the heat flux feedback is thus required to simulate climate variability realistically.