中国区域ERA5-ZTD/PWV精度评估与台风事件响应研究

再分析数据能够提供多种历史气象数据同化产品,为了评估欧洲中期天气预报中心的最新一代ERA5再分析数据集估计的天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay,ZTD)和大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)产品在中国区域的精度,利用2017—2019年中国区域内14个全球导航卫星系统地面监测站和89个探空站反演的ZTD和PWV数据分别对ERA5-ZTD和ERA5-PWV精度进行了评估。结果表明,除青藏地区的站点外,ERA5-ZTD的精度分布较为均匀,平均Bias、RMSE和STD分别为-6.3 mm、19.3 mm和17.5 mm;ERA5-PWV的精度分布呈现西部内陆高和东南沿海低的趋势,平均Bias、RMSE和STD分别为0.3 mm,2.9 mm和2.7 mm。此外,在研究2019年“利奇马”台风期间ZTD和PWV的时空分布中,提出了使用水汽到达时间差的方法定量估计台风的水汽移动速度。得到台风期间ZTD和PWV具有相同的空间分布规律,且移动方向与台风的移动路径方向是一致的,估计的水汽平均移动速度为12.4 km/h,与台风的平均移动速度16.1 km/h非常接近。因此,ERA5-ZTD/PWV在中国区域内具有较高的精度,ZTD和PWV可作为重要气象因子为台风的预警预报研究提供重要参考。

基于多套卫星资料的ERA5全球小时降水频率评估

最近发布的新一代全球再分析资料集ERA5,提供了全球小时降水再分析值,为全球小时降水研究提供又一个数据参考。然而,目前针对ERA5小时降水频率的评估工作还较为有限。本研究采用多套全球卫星观测小时降水对ERA5小时降水的频率进行了评估。对比分析发现:尽管ERA5总降水量与卫星资料出现较好的一致性,但ERA5的小时降水频率约为卫星资料的2~3倍,呈现系统性偏高。进一步分析表明,这主要是由于ERA5大大高估了中、低强度降水事件的数量。其中,ERA5对弱降水频率的高估尤为明显,平均可达卫星降水频率的6倍;此外,ERA5对海洋降水频率的高估程度也大于陆地。ERA5小时降水频率的系统性高估问题对相关研究的潜在影响,尚在进一步评估中。

新疆地区ERA5和MERRA-2大气可降水量精度分析

大气再分析资料提供的大气可降水量(PWV)产品在天气变化和气候研究中扮演着极为重要的角色。新疆地区存在地形起伏大、气候复杂和实测高分辨率PWV产品缺乏等特点,大气再分析资料提供的PWV产品可作为有力补充。以新疆地区2018年11个GNSS站数据反演得到的PWV(GNSS-PWV)信息作为参考值,评估ERA5和MERRA-2提供PWV产品在新疆地区的精度,并分析两种再分析资料PWV的偏差(Bias)和均方根差(RMSE)的时空变化特性及其日变化。结果表明:以GNSS-PWV为参考值,ERA5和MERRA-2在新疆地区的PWV年均Bias分别为-0.97和-1.20 mm,年均RMSE分别为1.81和2.11 mm,两种再分析资料PWV均具有较高精度,其中ERA5 PWV精度略高于MERRA-2 PWV;两种再分析资料的PWV精度都有明显的季节性变化,总体表现为夏季精度低,冬季精度高;在PWV日变化分布上,两种再分析资料与GNSS-PWV展现出较高的一致性,能较好地反映新疆地区PWV的日变化特性。

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。

采用ERA5数据构建基于人工神经网络的天津ZWD模型

提出一种高精度的ZWD模型(tianjin_zwd,TZ)。TZ基于2016-2018年逐小时气压分层的ERA5,欧洲中尺度气象预报中心第五代再分析产品数据,采用BP神经网络建立。然后,根据2019年的ERA5产品导出的ZWD对TZ模型进行了验证。结果表明:相比GPT3模型,TZ模型可提供更贴近真值的ZWD估值;并且,其RMSE由5.0 cm (GPT3)降至4.5 cm,表明10%的精度提升。上述结果表明TZ模型实现了更优的预测性能,该模型的构建策略可为全国其他地区的ZWD建模提供借鉴。

利用地面观测评估ERA5云底高度产品

云底高度对天气预报和飞行保障有着重要作用,但目前十分缺乏高时空分辨率的云底高度资料。本文利用中国东部地区云底高度的地面观测对ERA5再分析资料的云底高度进行评估,基于地面观测和ERA云底高度的小时平均偏差对ERA进行了初步订正和验证,综合分析了中国地区的云底高度分布特征。分析发现,ERA5再分析数据中的云底高度比观测值整体偏低,其中高估了低云的云底高度,低估了中、高云云底高度,且中、高云云底高度的偏差较大。另外,在有降水的条件下,ERA5数据中低云云底高度的准确性比无降水条件下的相对较高,但中、高云云底高度的准确性却更低。综合地面观测和ERA5数据云底高度的日变化和月变化分析发现,在我国东部地区,白天的云底高度整体低于夜间,峰值出现在夜间22:00(北京时间,下同),谷值出现在上午09:00,秋季和冬季的ERA5云底高度月变化与地面观测资料较为一致。基于日变化分析获得的小时平均偏差对ERA5数据的云底高度进行订正和验证,分析发现,2010~2019年间,中国地区的云底高度呈现自西北向东南逐渐降低的分布特征;中国南部、东北地区和青藏高原区域的云底高度相对较低,其中,青藏高原夏季和秋季的云底高度较低,春季和冬季较高,而沙漠地区在四个季节的云底高度都较高。

ERA5资料在蓟州复杂地形下的检验与应用

以复杂地形的天津蓟州为例,通过对比距离蓟州最近的大兴探空站资料与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第五代大气再分析(ECMWF Reanalysis v5,ERA5)资料的差异,对基于ERA5资料生成的强对流指数在蓟州的适用性进行检验和评估。结果表明:(1)ERA5资料与大兴探空站探测的位势高度、气温和风速在对流层高度吻合,说明ERA5资料能够描述蓟州高空气象条件,且对低空的表现能力比高空准确,各要素中大气湿度的表现相对较差;(2)基于ERA5生成的对流指数中,与强对流天气密切相关的对流有效位能(convective available potential energy, CAPE)、K指数、沙瓦特指数(Showalter index, SI)和大气可降水量(precipitable water, PW)与大兴探空站对应参数的相关系数分别达到0.66、0.90、0.93和0.99,表明利用ERA5构建的对流指数能够揭示大气不稳定层结条件;(3)ERA5对流指数变化与蓟州降水过程相对应,ERA5能够反映天气的变化和发展,为强对流潜势分析提供参考。

Comparison of ERA5 turbulent fluxes at the air-sea interface with measurements from a wave-following platform

Turbulent fluxes at the air-sea interface were estimated with data collected in 2011-2020 with a low-profile platform named OCARINA during eight experiments in five regions:2011,2015,and 2016 in the Iroise Sea;2012 in the tropical Atlantic;2014 in the Chilie-Peru upwelling;2017 and 2018 in the Mediterranean Sea,and 2018 and 2020 in Barbados.The observations were carried out with moderate winds(2-10 m s^(-1))and average wave heights of 1.5 m.In this study,the authors used the fluxes calculated by the bulk method using OCARINA-sampled data as the input.These data can validate the fluxes estimated from ERAS reanalysis data.The OCARINA and ERA5 data were taken concomitantly.To do this,the authors established an algorithm to extract the OCARINA data as closely as possible to the reanalysis data in time and position.The measurements of the OCARINA platform can conclude on the relevance of the widely used reanalysis data.

Long-Term Extreme Wave Characteristics in the Water Adjacent to China Based on ERA5 Reanalysis Data

Extreme waves have a profound impact on coastal infrastructure;thus,understanding the variation law of risky analysis and disaster prevention in coastal zones is necessary.This paper analyzed the spatiotemporal characteristics of extreme wave heights adjacent to China from 1979 to 2018 based on the ERA5 datasets.Nonstationary extreme value analysis is undertaken in eight repre-sentative points to investigate the trends in the values of 50-and 100-year wave heights.Results show that the mean value of extreme waves is the largest in the eastern part of Taiwan Island and the smallest in the Bohai Sea from 1979 to 2018.Only the extreme wave height in the northeastern part of Taiwan Island shows a significant increase trend in the study area.Nonstationary analysis shows remarkable variations in the values of 50-and 100-year significant wave heights in eight points.Considering the annual mean change,E1,E2,S1,and S2 present an increasing trend,while S3 shows a decreasing trend.Most points for the seasonal mean change demon-strate an increasing trend in spring and winter,while other points show a decreasing trend in summer and autumn.Notably,the E1 point growth rate is large in autumn,which is related to the change in typhoon intensity and the northward movement of the typhoon path.

The GNSS PWV retrieval using non-observation meteorological parameters based on ERA5 and its relation with precipitation

The pressure and temperature significantly influence precipitable water vapor(PWV) retrieval. Global Navigation Satellite System(GNSS) PWV retrieval is limited because the GNSS stations lack meteorological sensors. First, this article evaluated the accuracy of pressure and temperature in 68 radiosonde stations in China based on ERA5 Reanalysis data from 2015 to 2019 and compared them with GPT3model. Then, the accuracy of pressure and temperature calculated by ERA5 were estimated in 5 representative IGS stations in China. And the PWV calculated by these meteorological parameters from ERA5(ERA5-PWV) were analyzed. Finally, the relation between ERA5-PWV and precipitation was deeply explored using wavelet coherence analysis in IGS stations. These results indicate that the accuracy of pressure and temperature of ERA5 is better than the GPT3 model. In radiosonde stations, the mean BIAS and MAE of pressure and temperature in ERA5 are-0.41/1.15 hpa and-0.97/2.12 K. And the mean RMSEs are 1.35 hpa and 2.87 K, which improve 74.77% and 40.58% compared with GPT3 model. The errors of pressure and temperature of ERA5 are smaller than the GPT3 model in bjfs, hksl and wuh2, and the accuracy of ERA5-PWV is improved by 18.77% compared with the GPT3 model. In addition, there is a significant positive correlation between ERA5-PWV and precipitation. And precipitation is always associated with the sharp rise of ERA5-PWV, which provides important references for rainfall prediction.

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。

融合GNSS、ERA5、大气污染物的PM_(2.5)浓度预测研究

冬春季节的空气质量预测有助于公众合理安排出行和政府相关部门的交通治理.细颗粒物(PM_(2.5))的浓度主要影响因素有大气污染物、水汽等.为提高PM_(2.5)浓度预测的精度,以京津冀地区为例,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)与长短期记忆(long short term memory,LSTM)神经网络方法相结合,考虑GNSS、ERA5水汽、大气污染物等观测要素,构建PM_(2.5)的浓度预测模型,预测研究未来24 h的PM_(2.5)的浓度.利用GNSS水汽校正区域ERA5水汽,并进行精度评定.利用FFT取大气污染物、第五代大气再分析产品(ECMWF atmospheric reanalysis 5,ERA5)水汽等观测要素的公共变化周期,获得最佳公共周期为78 h;选取最佳公共周期长度的各类要素作为模型输入,24 h序列的PM_(2.5)浓度作为模型输出.通过均方根误差(root mean square error,RMSE)评价指标进行模型精度评价.研究结果表明:基于GNSS的ERA5水汽校正模型在秋冬季节ERA5水汽精度优于2 mm.FFT-LSTM模型预测精度在平原地区、山地地区和高原地区为10.22μg/m^(3)、8.56μg/m^(3)和9.02μg/m^(3),预测时效达到24 h.可有效预测未来24 h的PM_(2.5)浓度.该模型可为相关部门大气污染治理提供参考.

基于ERA5数据的内蒙古降水量时空变化特征研究

本文采用内蒙古自治区1979~2018年精度为1小时的ERA5降水数据,通过使用趋势分析法、线性拟合和统计分析法计算获得月降水量,四季降水量和近40年平均降水量的时间和空间分布。经过研究结果表明,不同时间段里,各个地区的降水量变化特征不一样,东部呼伦贝尔一带地区、中部赤峰地区和西部阿拉善一带地区的气候倾向率不同;并且1979年到2018年降水量呈现出减少趋势,一年中降水量主要分布在夏季,夏季降水量是214毫米;一年里降水量最少的季节是冬季,降水量仅有14毫米左右。内蒙古地区在近40年平均降水量空间分布图上在呼伦贝尔市最多,其次是赤峰一带地区,在阿拉善盟降水量分布最少。

基于ERA5的巴彦淖尔市冬旱发生模式分析

本文以内蒙古自治区巴彦淖尔市为研究区,以ERA5再分析气象数据为数据源,利用时空模式挖掘方法分析了近70年研究区冬旱发生的变化模式。结果表明,从空间上看,巴彦淖尔市冬旱状况由西北至东南逐渐降低;从时间上看,总降水量逐年呈下降趋势,冬季干旱发生率为27.5%,其中中旱频率为10%,轻旱频率为17.5%。冬旱发生时空模式主要为震荡的冷点和热点,说明研究区在90%的时间步长内冬季降水量有显著减少(冷点)或增加(热点)趋势,并在最后的时间步长内也显著减少或增加,也不排除历史上曾经出现过显著冷点或热点。从逐月分析中能看出当年10月和翌年的3月以震荡的冷点为主,而其他月份均出现了震荡的冷点和热点,其中西北部地区模式为震荡的冷点,东南部地区为震荡的热点。

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。

ERA5资料应用于中国地区太阳能资源评估研究

利用中国40个地面台站观测资料对ERA5再分析资料太阳能资源要素进行误差评估,结果表明:ERA5资料与台站资料的地表月水平面总辐射回归方程可决系数为0.999。ERA5资料与各台站资料均方根误差最大值为8.7 MJ/m^(2),平均值为4.9 MJ/m^(2);相对均方根误差最大值为2.4%,平均值为1.0%。ERA5资料与各台站资料年际变化误差最大值为19 MJ/m^(2),平均值为3 MJ/m^(2);百分比年际变化误差最大值为0.5%,平均值为0.1%。ERA5资料与台站资料稳定度误差最大值为0.013,平均值为0.003;百分比误差最大值为2.9%,平均值为0.8%。ERA5资料与台站资料具有较好的一致性,应用于中国太阳能资源评估是可行的。

ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性研究

以河北省7个国家级气象站为例,利用1979—2013年ERA5云量和地面实测云量数据,依国标推荐法计算混合层高度,通过公式推导出通风量和大气自净能力指数,比较两套数据的计算结果,对ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性进行了研究;采用ERA5云量计算2013年3月至2021年2月的大气自净能力指数,对其与PM2.5浓度之间的关系进行分析。结果表明:(1)两种云量资料计算的月平均混合层高度、通风量和大气自净能力指数的相对误差近似符合正态分布,主要集中在0~5%;各月混合层高度:相对误差>通风量>大气自净能力指数,相关性则相反。秋冬季的相对误差(相关系数)大都低(高)于春夏季,邢台、石家庄和保定的误差明显小于其他站。(2)利用两种云量数据计算的大气自净能力指数的多年平均相对误差最小,通风量的次之,历年值的相关性和偏差也是中南部站点的更为理想。(3)2013年3月至2021年2月,各站月平均大气自净能力指数和PM2.5浓度呈反向相关,中南部站点的相关性更为显著。

基于ERA5-Land产品的黄河流域蒸散时空变化特征

近年来,黄河流域气候发生明显变化,对流域地表水文、生态等过程产生显著影响。研究黄河流域蒸散时空变化特征,对加深陆-气相互作用认识及区域水资源管理有重要意义。本文分别在黄河源区、河套地区以及黄河下游地区选取一个代表性站点[海北、SACOL(Semi-Arid Climate and Environ⁃ment Observatory of Lanzhou University)和禹城站]的观测资料,检验欧洲中期天气预报中心ERA5-Land产品中蒸散资料在黄河流域的适用性。在此基础上,利用ERA5-Land资料中1980—2021年逐月潜热通量资料,结合经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)、功率谱和回归分析研究近42 a黄河流域蒸散时空变化特征。结果表明:ERA5-Land资料能够反映海北、SACOL和禹城站蒸散变化特征,与观测资料的相关性较好,偏差和均方根误差较小,适用于黄河流域蒸散时空变化特征分析。黄河流域不同区域蒸散存在多时间尺度变化,显著振荡周期主要为5、15 a,有明显的年际和年代际变化。黄河流域不同区域年蒸散EOF分解第1模态表现出同位相变化,在2004年前后由增大转为减少趋势;第2模态为偶极子分布,空间分布表现反向变化特征。近42 a黄河流域年蒸散为明显减少趋势,不同区域减幅不同,下游减少速率最快,为-3.74 mm·a^(-1),河套地区为-2.82 mm·a^(-1),黄河源区减少速率相对平缓。夏季蒸散变率最大,河套和下游减少速率较大;冬季蒸散变率较小,黄河源区减少速率最大,为-0.48 mm·a^(-1)。

基于ERA5海浪再分析数据的风浪涌浪分离方法

为了探究和分析海浪中的主要成分,本文基于ERA5海浪再分析数据,依据能量因子分离风、涌浪的原理,研究了风、涌浪的平均波周期与风速的分布规律。利用最小二乘拟合方法,提出了一种分离风、涌浪的方法,并将其命名为TU方法。通过将TU方法与波龄方法进行比较分析,验证TU方法的可行性和可靠性。结果显示:在本文的研究区域中,TU方法与波龄方法识别风浪的正确率为98.57%和98.55%,TU方法与波龄方法识别涌浪的正确率为78.9%和65.1%,表明根据风速与平均波周期2个参数识别涌浪,TU方法效果比波龄方法更好。对高度计等缺少风向信息情况下分离风浪与涌浪有着重要的意义。