基于ERA-5再分析资料的黄石市太阳总辐射变化特征分析

利用黄石站1981~2020年的ERA-5再分析辐射资料,采用线性倾向估计、5年滑动平均、M-K突变检验和累积距平法对近40年来黄石市太阳总辐射的变化特征进行分析。结果表明:近40年来黄石市年际、春季、夏季和秋季太阳总辐射随年际的变化均呈上升趋势,而冬季呈下降趋势;夏季太阳总辐射历年均值最大,春季次之,冬季最小;月平均太阳总辐射随月份变化呈单峰型分布,在7月份达到最大。

ERA-Interim和ERA-5再分析资料中台风模拟精度评估

针对海洋水动力模拟中常用的10 m高度风速和海平面气压参数,通过对欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-Interim(ERA-I)和其最新开发的ERA-5两套再分析风资料中的台风中心、最大风速和中心气压等要素进行识别,分析了2013—2015年两套资料对西北太平洋台风的模拟精度。结果表明:ECMWF再分析风资料对台风中心位置的反映存在一定偏差,台风强度越低,台风中心位置模拟的偏差越大;再分析资料中的台风最大风速较实测偏低,中心低压较实测偏高;ERA-5资料对台风的模拟精度显著优于ERA-I资料,但在西北太平洋仍低估了台风的强度,且台风强度越高,低估越明显。基于ERA-5资料建立了台风风场再分析最大风速与实测最大风速的相关关系,提出了在不具备实测台风数据的情况下直接修正ERA-5资料的方法。通过与实测资料比较,修正后风场显著优于修正前。

ERA5大气再分析资料约束的GNSS精密单点定位性能分析

全球卫星导航系统(GNSS)的快速发展有效地促进了精密单点定位(PPP)技术的研究和发展。针对GNSS PPP收敛时间较长的问题,利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的最新一代ERA5大气再分析资料,并将其应用于GNSS PPP解算。以中国区域7个IGS测站观测数据为例,分别进行ERA5约束GNSS PPP方案和标准GNSS PPP方案解算,结果表明,ERA5约束GNSS PPP方案在E方向和N方向上收敛时间提升并不明显,但在U方向上平均收敛时间减少了36.0%。定位精度上,ERA5约束GNSS PPP方案E、N、U方向精度平均分别提高了10.0%、4.3%和21.8%,并且在相同的时间段内解算的精度更高。这对于有效利用ERA5大气再分析资料及提升GNSS PPP定位性能具有一定的应用价值。

基于浮标站和ERA5再分析资料的浙江沿海台风浪特征分析

为了分析台风影响下浙江沿海风和浪的演变特点,利用浙江省海洋浮标站监测数据和欧洲中期天气预报中心第五代全球气候大气再分析数据(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5,ERA5),选取2010年以来严重影响浙江的7次台风个例,对台风作用下浙江沿海海面风和浪的演变特点进行分析。结果表明:在台风影响过程中,海浪波型多数呈现混合浪-风浪-混合浪的演变规律;涌浪波型的出现与台风强度及其与浮标站的距离和方位有关,也与海洋潮汐现象紧密相关。台风影响期间,浙江沿海浪高的变化受风速和风向共同作用影响。在风向不变的情况下,持续风速增大对浪高的增大有明显作用;风向的变化也会对浪高变化产生影响,向岸风和离岸风的转变会造成浪高出现剧烈变化。ERA5再分析资料有效波高在台风浪较大时会呈现偏小的趋势,分析订正后的ERA5有效波高发现,台风浪有效波高大值区与台风中心位置相关。研究结果可为严重影响浙江沿海的台风浪预报服务提供参考。

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。

NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及探空观测资料分析中国北方地区年代际气候变化

利用中国东部的探空站资料以及ERA40和NCAR/NCEP再分析资料,详细地比较了我国北方地区(主要指内蒙古以及华北地区)的高低层位势高度以及温度的特征。结果表明,在20世纪70年代以前,NCEP/NCAR再分析资料对我国北方地区对流层低层无论是位势高度或温度都描述不好,存在着很明显的虚假年代际变化趋势。与实际探空资料相比,相对于NCEP/NCAR再分析资料,ERA-40再分析资料对东亚地区对流层低层位势高度或温度的描述明显好于NCEP/NCAR再分析资料,因此,研究东亚气候的年代际变化应用ERA-40再分析资料要好一些。高层的结果要比低层好。在70年代以后,NCEP/NCAR再分析资料对于内蒙古和华北对流层上层的位势高度和温度的描述要好于ERA-40再分析资料,更接近于实际探空值,这说明这两份再分析资料各有优缺点。

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。

CRA40再分析资料在“21·7”极端强降水研究中适用性评估

本文基于实际观测数据对比分析ERA5、CRA40、CFSR和NCEP/NCAR四套再分析资料在“21·7”极端暴雨研究中的表现,同时采用ERA5作为资料对比的基准,对CRA40在极端暴雨研究中的适用性进行评估。结果表明:(1)四套资料对台风“烟花”、副高等关键环流系统的强度估计均偏低,CRA40与ERA5所分析的高度场流型总体一致,且环流更接近实况。ERA5对200 hPa高空急流的强度估计最高,CRA40与ERA5的差异最小。对流层低层风速的再现能力CRA40与ERA5相当。对于台风“烟花”的加强转折,四套资料均无法再现。(2)925 hPa温度场上,相较其他资料,在青藏高原地区ERA5温度较低,CRA40温度最高,对于弱冷空气侵入河南北部的过程以CRA40与ERA5的结果最为接近。CRA40对水汽通量及其散度的描述与ERA5在分布形势以及数值上较为接近。(3)CRA40与ERA5资料均能刻画出“21·7”暴雨期间郑州站上空良好的动力条件,强度上CRA40基本略弱于ERA5,两套资料所表现出的经向/纬向环流和位涡总体特征一致。

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明:基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402℃、2.607℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m^(3)、0.369 g/m^(3)。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。

基于ERA5再分析资料的中国近海浅水区域风能潜力评估

风能潜力评估是风电场选址工作的基础。本文基于欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据,采用风功率密度(Wind Power Density,WPD)中值、容量系数(Capacity Factor,CF)以及鲁棒性变异系数(Robust Coefficient of Variation,RCoV)三种指标,对中国近海浅水区域的风能潜力进行评估。研究结果表明:(1)台湾海峡和东海南部风能资源最为丰富并且风能利用率最高,风功率密度中值和容量系数分别为400-900 W/m^(2)和0.45~0.7。总体来看,风功率密度中值从渤海到台湾海峡呈逐渐增加的趋势,从台湾海峡到琼州湾呈逐渐减小的趋势,容量系数大小分布情况相似。(2)鲁棒性变异系数大小无明显分布规律,广东湛江近岸海域鲁棒性变异系数在0.70~0.75之间,风能发电量最为稳定,但该地区的风能资源丰富程度较低。(3)福州近岸海域不仅有丰富的风能资源和风能利用率,且发电量较为稳定,在不考虑其他因素的影响下,是中国近海浅水区域建设海上风电场的最佳地点。

ERA5-Land降水再分析资料在中国西南地区的适用性评估

为了探究欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析ERA5-Land(ERA5L)降水资料在中国西南的四川、重庆、贵州、云南及西藏5省(区、市)的适用性。以2018-2020年中国气象局441个国家级地面站雨量器自动观测数据为参考基准,使用Pearson相关系数、平均相对误差、均方根误差、命中率、空报率以及临界成功指数评分,对ERA5L降水资料在评估时段内各区域和站点的整体精度、不同海拔、不同时间尺度(月、季),以及不同量级降水的特征和偏差进行分析。结果表明:(1)ERA5L降水资料能较好反映西南区域的降水变化特征,但相对站点观测存在不同程度的偏高,以西藏地区最为明显。(2)在四川盆地,ERA5L降水与站点观测相关性高、误差较小,在西藏、云南、贵州及四川西部的地形复杂山区,误差相对较大。(3)ERA5L降水的误差存在明显的月变化特征,从7月开始到次年的2月,平均相对误差随降水总量的降低而增加,命中率减小、空报率增大,随后从2-7月,平均相对误差又随着降水量的增大而减小,命中率增加、空报率减少;各省(区、市)在不同季节质量表现不一,春季和秋季重庆相对表现最优,夏季贵州最优,冬季四川最优。(4)相对站点观测,ERA5L降水在小雨量级高估;在中雨及以上量级低估,且随着雨强的增大,低估现象更为严重。综合来看,ERA5L降水再分析资料在西南区域表现出一定的应用潜力,在不同海拔的质量排序为:低海拔>中海拔>高海拔;在西南5省(区、市)适用性排序为:重庆>贵州>四川>云南>西藏。

基于ERA5再分析资料的余姚地区阵风预报模型探究

利用2007-2017年余姚地区44个气象自动站观测数据和欧洲中心ERA5再分析资料,对余姚地区日极大风分布进行了统计分析,并提出一种本地化的经验阵风预报模型(雷暴日除外)。研究发现:余姚地区日极大风呈正态分布,风力峰值为4~5级,平均每年大风日占比达7.03%,累计大风时次占比3.32%,年平均大风日26 d。风力越小,阵风与平均风之间的线性拟合效果越好。影响阵风预报的因子主要有10 m平均风速、925 hPa风速、地面粗糙度、摩擦速度和3 h变压。6级及以下阵风预报中,业务中的阵风经验系数1.4容易造成余姚本地阵风预报偏低,适用于余姚本地阵风预报经验系数为1.775;6级以上阵风预报经验方程考虑了平均风速、垂直动量下传、水平动量传输、地面摩擦和海拔高度订正,其与925 hPa风速的平方呈正相关,与摩擦速度呈自然指数相关,经验方程相对于经验阵风系数的预报拟合优度提升了59.61%;经验阵风预报方程通过了2018-2019年的数据检验,该方程对1~2级阵风预报偏高,3~5级效果最好,6级阵风的预报偏低;6级以上的阵风等级预报准确率达55.2%。地形摩擦作用在冷空气大风与台风大风过程中尤为重要,这两类过程阵风系数分布类似,但台风带来的动量下传比冷空气更为明显。

风廓线雷达产品与ERA5再分析资料的对比分析

利用2019—2020年广西三部风廓线雷达的实时风产品与ERA5再分析资料进行分析对比,检验风廓线雷达数据质量。结果表明,三种风廓线雷达产品(ROBS、HOBS、OOBS)数值差距小,OOBS产品稍显优势,在1h内风廓线雷达探测的水平风波动不大。风廓线雷达数据整体小于ERA5再分析资料。三个站中,北海站的误差最小。北海站误差在2~6km,柳州站在4~6km,南宁站风向误差最小在1~4km,风速在4~6km。三个站的数据在0.5km以下误差都很大,柳州站和南宁站在9km以上误差也很大。分别选取北海站105°、6.5m·s^(-1),南宁站100°、7m·s^(-1),柳州站85°、8m·s^(-1)作为极端误差阈值,剔除极端误差后三个站的MAE都小于25°和3m·s^(-1),并且数据有效率都能达到70%以上。

中国东部夏季气压气候变率:测站资料与再分析资料的比较

应用中国194站地表气压(OP)、NCEP/NCAR再分析月平均地表气压(NP)和海平面气压(NS)及ERA-40再分析月平均海平面气压(ES)资料,分析了中国区域夏季气压的气候变率,特别是再分析资料集中地表气压和海平面气压的再现能力。分析发现:1)3种资料均显示我国东部气压升高,NP(NS)中1976年前后的年代际突变特征显著,ES的变化量与OP相当,NP(NS)远高于其他两种资料;1965年以前NP、NS与OP、ES差异较大,NP(NS)显著偏低。2)OP和ES在20世纪70年代中期到90年代初期具有较为相似的3～4年的周期变化,而NP周期特征与OP、ES有显著差异,存在虚假的14年左右的周期特征;3)3种气压资料为一致的线性增高趋势,NP线性变化趋势最大,OP最小,北方大于南方,但再分析资料在对气压变化长期趋势的研究中,不确定性较大;4)OP显示气压变化不大,而ES、NP(NS)反映气压变化较大,以我国北方变化最为明显,从北向南逐渐降低,中心均在内蒙古中部一带。NP对我国北方地区气压变化估计偏高,对我国长江中下游地区、华南和山东半岛气压变化的反映略有不足;5)再分析资料可以再现我国气压年际变化特征,对我国气压的再现能力在东部优于西部,低纬度地区优于高纬度地区,并且ES的再现能力要优于NP(NS)。

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。

再分析降水资料的适用性评估与偏差校正——以长江中下游地区为例

为弥补长江中下游地区台站观测资料的部分缺失,探究再分析数据集的适用性,从时间和空间上评估ERA5和CFSR再分析降水数据集精度,建立了包含相关系数、相对偏差、均方根误差和Kling Gupta系数多指标定量综合评价体系,提出了结合校正系数法与自回归模型的组合校正法(C-AR);并将C-AR校正法与单一的校正系数法、AR模型以及校正系数法与最邻近抽样法组合的校正法(C-KNN)进行对比,探究C-AR组合校正法的校正效果。研究结果表明:①ERA5和CFSR与实测降水数据在年、季尺度上降水趋势变化和年内分配规律上较为一致,且与实测数据的相关性均较好;②ERA5和CFSR在实测降水量多的区域均存在正偏差,而在实测降水量少的区域存在负偏差;③C-AR组合校正模型不仅可在量级上校正数据集,还可提升数据集与实测数据的相关性,可多方面综合改善数据集精度,提高数据集适用性,校正效果要优于校正系数法、AR模型和C-KNN组合校正法。

ERA5和ERA5-Land地面风速资料在中国陆地区域的适用性对比初步研究

利用全国40个地面台站的观测资料对ERA5及ERA5-Land两种不同空间分辨率的再分析资料开展了地面风速误差评估研究,结果表明:ERA5和ERA5-Land资料多年平均风速偏差的平均值分别为0.08 m s^(−1)、-0.06 m s^(−1),偏差的最大值分别为0.46 m s^(−1)、-0.19 m s^(−1),相对偏差的平均值为4.4%、-2.0%,相对偏差的最大值分别为33.0%、-10.1%;月平均风速线性拟合方程的斜率分别为0.93、0.97,截距分别为0.29 m s^(−1)、0.02 m s^(−1),相关系数分别为0.98、0.99;月平均风速均方根误差的平均值分别为0.17 m s^(−1)、0.14 m s^(−1),均方根误差的最大值分别为0.49 m s^(−1)、0.22 m s^(−1),相对均方根误差的平均值为7.4%、5.7%,相对均方根误差的最大值分别为35.2%、13.3%。ERA5-Land高分辨率资料地面风速误差相对较低,有利于提高风能资源评估的准确性。

基于ERA5资料的吉林省东部山区分类强对流预报阈值分析

利用高时空分辨率的ERA5再分析资料分析了吉林省东部山区近10a暖季(4—9月)出现的雷暴大风型、冰雹大风型、复合型等3种类型的分类强对流个例,通过绘制箱线图后进行不同类型环境对流参数分析,得到预报阈值。结果表明:基本对流参数中,3种类型的强对流天气对应的850hPa与500hPa温差阈值为25.3℃;广义位温阈值分别为297K、301K、308K;K指数分别为26℃、29℃、33℃。与各个类型强对流相关的参数中,当平均温度露点差≥5.2℃时,需要警惕雷暴大风的产生;当融化层高度位于2.8~3.4km时,需要警惕冰雹大风的产生;当暖云层厚度≥3.5km时,需要注意复合型强对流的产生。

基于高分辨率再分析资料的西南地区风资源特征分析

为评估高分辨率再分析近地层风速资料在西南地区的适用性,得到西南地区风资源基本时空分布特征,采用2015-2019年欧洲中期数值天气预报中心ERA5再分析资料和西南地区42个气象台站逐日10 m风速观测资料,利用幂律推导、误差分析和双参数Weibull概率分布等方法对ERA5再分析资料在西南地区的适用性以及西南地区风能资源时空分布特征进行分析。结果表明:尽管ERA5再分析资料整体上对西南地区近地面风速有所低估,但区域平均偏差仅为0.27 m/s,多数地区再分析资料与气象台站实测10 m风速之间存在较好的相关性,风速概率拟合也具有较好的一致性,表明ERA5再分析资料可用于西南地区风资源分析。西南地区风速概率分布也存在明显的地域差异,其中四川盆地与周边山地交界地区弱风累积概率明显高于四川盆地、贵州大部、川西高原西北部和云南中东部。同时,西南地区大部分区域风资源较为匮乏,但云南中部和川西北高原属风资源可利用区,其平均风速、最大概率风速、风能最大风速、风功率密度和年有效风时数等风能指标相对其他区域更优。