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。

ERA-interim气温、土壤温度再分析数据在青海东部农业区的适用性评估

利用1999—2018年逐月ERA-interim再分析数据,选取青海省东部农业区的15个气象站点平均气温和土壤温度,采用误差和相关性分析,对比两种资料时间和站点空间变化规律,并对ERA-interim再分析资料的准确性进行验证评估。结果表明:ERA-interim再分析数据平均气温、5和15 cm土壤温度均低于观测值,分别偏低3.5、4.3和4.5℃;观测值与订正前后的再分析资料月际和季节变化基本一致,空间变化均表现出从东南部向西北部减小的趋势,而且最大值和最小值出现的站点完全一致。近20年来,观测值与再分析资料平均气温均呈现上升趋势,5和15 cm土壤温度观测值表现为升高趋势,而再分析数据呈减小趋势。与订正前相比,订正后的再分析资料与观测值的平均偏差和均方根误差明显减小,同时平均偏差和均方根误差年际变化均呈先增大后减小的趋势。年内平均偏差和均方根误差均呈现“M”型,最大值均出现在4月,最小值出现在12或1月。东部农业区地形复杂、海拔高度差异是再分析资料比观测值偏低的主要原因,利用回归方程实现平均气温和土壤温度再分析数据的订正,有效降低了ERA-interim再分析数据的偏差,提高再分析数据评估的准确性,提升再分析资料对青海省东部农业区农时农事服务及评估。

COSMIC与ERA-Interim折射率数据分析海洋边界层时空分布的对比

本文基于小波协方差变换法,使用COSMIC和ERA-Interim两种数据的折射率获取了全球海洋边界层的时空分布情况并进行了对比分析.结果表明:在空间上,由两种数据反演出的海洋边界层高度所显示出的分布特征大致相同,即沿着赤道呈不完全对称分布,仅在个别海域有所差别;在季节及月变化方面,两者均呈现出夏季较高的特点;在日变化特征上,两者变化均不明显,但ERA-Interim数据的海洋边界层高度的日变化特征与太阳辐射的日变化特征更加符合;在数值差异上,COSMIC数据要比ERA-Interim数据的结果高500~1000 m,且低纬度地区两者差异大于高纬度地区,夏季两者差异小于冬季.

ERA-Interim再分析数据在中国沿海的质量评估

本文采用1979~2012年的中国沿海台站观测数据对ERA-Interim（简称＂ERA-I＂）的气温、气压和海温数据进行质量评估。结果表明：（1）从常年平均来看,ERA-I气温、气压和海温多年月平均变化与观测数据吻合较好,可以反映气候态的季节变化特征。与台站观测数据相比,ERA-I气温平均偏高0.19℃,气压平均偏低0.17 h Pa,海温平均偏高0.70℃。（2）从年际变化情况来看,ERA-I和台站观测的气温、气压和海温变化趋势一致,气温和海温呈上升趋势,气压呈下降趋势。但在海南岛附近使用ERA-I气温做年际变化分析和在东海台湾海峡至北部湾沿岸使用ERA-I海温做年际变化趋势分析时要谨慎。（3）从月均变化分析来看,ERA-I月均气温、气压和海温数据与台站实测数据具有很好的一致性。从误差空间分布来看,ERA-I气温在黄海沿岸平均误差最小,ERA-I气压在渤海沿岸平均误差最小,ERA-I海温在南海沿岸平均误差最小。需要特别指出的是,ERA-I月均海温在渤海和台湾海峡附近沿岸平均误差较大（部分站均方根误差超过2.5℃）,在上述区域使用ERA-I海温数据时应考虑其产品偏差。

基于ERA-Interim高分辨率数据的中国东海南海波浪能评估

利用近20年ERA-Interim再分析资料提供的海浪场数据研究东海、南海近海和近岸（4个波能富集区）波浪能资源的分布状况。研究表明：波功率密度大值区位于南海中北部、吕宋海峡、琉球群岛附近、台湾和菲律宾东部海域，P。约为14～18kW／m，波能资源秋冬季大，春夏季小；波能丰富且稳定的区域位于东海、南海北部近岸海域、台湾东部海域；南海年总波能量高于东海，越接近外海，年总波能量越大。近岸波能富集区波功率指向性好，波功率方向集中，有利于获得最大吸能效率；极值波功率最大可达330kW／m，对总波能密度有突出贡献的波况大致相同，H2为0．5～4．0m，Te为4～9s，该波况范围的能量约占总能量的90．0％以上。所得结果可为波能电站的选址及波能装置的设计提供参考。

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高;20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著;20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因;ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。

ERA-Interim地表温度数据集在青藏高原冻土分布制图应用的适用性评估

地表温度综合反映了大气、植被和土壤等因素的能量交换状况,是冻土分布模型和一些寒区陆面过程模式的上边界条件,对多年冻土分布制图和活动层厚度估算有重要意义.为了评估ERAInterim地表温度产品在青藏高原地区的适用性,综合比较了青藏高原69个海拔2 000 m以上气象站1981-2013年地面实际观测值与ERA-Interim之间的差异及其分布状况.结果表明,两种资料的变化趋势一致,但是ERA-Interim地表温度在数值上与实际观测值差别显著,平均偏低7.4℃.原因之一可能是由ERA-Interim再分析资料格点的海拔高度与气象站实际海拔高度差异引起的.根据两种温度产品之间海拔的差异,对ERA-Interim地表温度重新进行模拟,经过模拟后的ERA-Interim地表温度与实际观测值的差值在大部分气象站变小,平均偏高0.4℃.因此,经过重新模拟的ERA-Interim地表温度基本能够反映青藏高原地表温度的真实情况.以模拟后的ERA-Interim地表温度作为地面冻结数模型的输入参数模拟了青藏高原冻土分布,结果表明青藏高原多年冻土区面积为1.14×106km2,季节冻土区面积为1.43×106km2.

ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析数据气温和气压值在天山山区适用性分析

利用在天山山区海拔超过1 500 m的气象站的逐日气温和气压数据与同期经过水平方向和垂直方向插值后ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析数据进行回归分析,研究再分析数据在天山山区不同季节的适用性,并验证再分析数据偏差与气候区的一致性。结果表明:从整体上,ERA-Interim数据气压和气温的可信度优于NCEP/NCAR数据,但在局部存在差异。两套再分析数据的偏差与气候分区、高程和季节相关。中天山山区再分析数据气温偏差呈现暖偏差,而天山南坡呈现冷偏差。两套再分析数据的气温偏差在高山带呈现暖偏差,在中山带呈现冷偏差。春秋两季气温的偏差小于夏冬两季。气压的偏差在夏季低于其他三季。而偏差可能会导致以再分析数据为驱动的气候模式结果的偏差。

青藏高原观测地表温度与ERA-Interim再分析资料的差异及归因分析

再分析资料评估对观测资料稀少的青藏高原具有重要意义,是开展青藏高原相关研究的基础。本文分析了2012—2016年观测与ERA-Interim再分析地表温度资料在青藏高原的时空分布差异,同时讨论了产生差异的可能原因。结果表明,两种资料变化趋势基本一致,极值出现月份相同,相关性的空间分布表现为北高南低。ERA-Interim再分析资料对地表温度存在低估,年平均值比观测资料低8.86℃,其中春季绝对误差最大。年平均绝对误差呈北低南高的空间分布形态,且绝对误差极值中心的强度及范围具有明显的季节变化。ERA-Interim与观测地表温度之间的偏差随气象站海拔高度的变化是非单调的,分析认为气象站与所在格点的海拔差是导致偏差出现南北差异的原因之一,而春季青藏高原南部的偏差异常可能与积雪有关。ERA-Interim再分析地表温度资料在青藏高原北部具有较好的适用性,南部受地形影响适用性相对较差。

基于ERA-interim再分析资料的ASCAT风场产品在南海的精度评估及南海月平均风场特征分析

利用ERA-interim再分析资料作为参照,统计分析了南海季风盛行时ASCAT散射计L2B和L3风场产品的误差特征。结果表明:季风盛行时,南海中南部大部分海域,ASCAT两种散射计风场产品精度较好,与设计精度一致,风速标准偏差小于2 m/s,偏差小于1 m/s,风向标准偏差小于20°,偏差小于5°,ASCATL2B相对L3产品表现更好,西南风盛行时,风场相关性强,在0.8以上,ASCAT与ERA-interim一致性好,东北风盛行时,风场也具有强相关,不过在南海东部海域,风向相关性较弱,小于0.7。另外,利用ASCAT L2B分析了南海月平均风场分布特征,结果表明:南海季风盛行时,存在两个风速大值中心,分别位于南海中南部和台湾海峡及巴士海峡一带,其位置和大小随时间而变化。

CFSR、ERA-Interim再分析降水数据在高寒山区径流模拟中的适用性

为能更好地在严重稀缺资料地区开展水文水资源相关方面的工作,以天山西部山区的喀什河流域为典型研究区,基于1990~2000年现有的实测水文气象站点资料、CFSR与ERA-Interim数据,通过对比流域内两再分析降水数据空间分布情况、水文站点处实测与两再分析数据的降水时间序列变化及两再分析降水数据经过一定处理后驱动VIC模型所得的径流过程与实测径流过程三个方面,并评价了各再分析降水数据在喀什河流域的适用性。结果表明,两再分析降水分布符合山区大于平原、东部多于西部的规律,符合实际地理分布特点。流域内ERA-Interim年降水范围较为合理,而CFSR年降水范围则不太符合现实情况;两再分析降水数据春夏秋三季降水分布较为一致,其中ERA-Interim降水在流域内的高值区随季节变化较为明显,CFSR降水可能由于数据集本身或分辨率较低的缘故导致变化不为明显。冬季降水可能由于所针对的对象并非高寒区及冬季固液态降水的转化关系未深究这两个因素而较为反常。此外,CFSR降水高估了ERAInterim弱降水区,低估了其强降水区;研究区内CFSR降水存在高估实际降水的现象,而ERA-Interim降水存在低估强降水的现象;ERA-Interim在两套水文参数下均具有较为良好的模拟效果,且ERA-Interim数据在喀什河流域具有更好的适用性。

基于ERA-Interim再分析数据的南海波浪能资源评估

利用欧洲中期天气预报中心近37 a(1979年1月—2015年12月)ERA-interim高分辨率(0.125°×0.125°)波浪再分析数据,计算南海海域的波浪能流密度、有效波高、平均周期、有效波时等波浪能参数,分析南海海域的波浪能资源时空分布特征。研究表明:1)南海波浪能资源呈现明显的季节分布特征,冬季资源最丰富,秋季次之,夏季最贫乏;2)波浪能资源丰富区位于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线,呈东北—西南走向,大值区为吕宋海峡附近海域,波浪能流密度高达16 kW/m;3)综合考虑能流密度、有效波时间、与大陆最近港口距离和岛礁面积,建议A(112.33°E,16.81°N)岛屿作为开发利用的首选。

利用高分辨率ERA-Interim再分析资料对2011年夏季江淮区域水汽汇的诊断分析

利用水平分辨率接近0.7°×0.7°、垂直方向60层的ERA-Interim再分析资料,分析了2011年夏季江淮区域水汽汇的演变及各项的贡献,研究了与水汽辐合项有关的水汽输送及相应的月平均环流和天气尺度扰动。结果表明:(1)ERA-Interim再分析资料对江淮区域夏季水汽平衡有较好的描述能力。由水汽辐合项与水汽局地变化项计算的水汽汇值和用降水与蒸发求得的水汽汇值高度一致,说明该资料可用于研究江淮区域的水汽汇。(2)2011年夏季江淮区域整体处于水汽汇区,且水汽汇值具有明显的2~6天的天气尺度振荡。降水对水汽汇的贡献远大于蒸发,而水汽辐合项与水汽局地变化项对水汽汇均有较大贡献,并且对水汽汇具有超前1~2天的指示作用。(3)月平均环流和天气尺度扰动均通过与水汽输送密切相关的水汽辐合项对江淮区域水汽汇产生显著影响。月际尺度的水汽汇变化与大尺度大气环流尤其是副高有密切关系;而江淮流域及西南地区的天气扰动对江淮区域水汽汇的天气尺度振荡起到至关重要的作用。

ERA-Interim再分析和NCEP FNL分析资料在东南极中山站至Dome A断面的适用性研究

利用2008年南极中山站至Dome A断面上观测站的近地面气象观测资料对ECMWF ERA-Interim再分析和NCEP FNL分析资料在东南极地区的适用性进行了验证。结果表明,ERA-Interim再分析资料的气温表现明显优于FNL分析资料,其与观测的年均绝对偏差在南极大陆沿岸地区<1℃,在内陆高原<2℃;而FNL分析资料的气温在南极内陆高原地区较观测明显偏暖,尤其在冬季偏暖达8—10℃,表明其不能直接用于南极内陆高原气温的变化分析。FNL的地面气压与观测比较接近,逐月平均偏差仅约1 h Pa,其精度明显高于ERA-Interim再分析资料的地面气压,而后者在沿岸地区存在明显的系统性偏低。ERA-Interim和FNL的近地表风速、风向差异不显著,其与观测的年平均、季节平均绝对风速偏差在沿岸和下降风区<1 m·s-1,在内陆高原约2—4 m·s-1,年平均风向绝对偏差<10°。

1979—2013年ERA-Interim资料的青藏高原低涡活动特征分析

为分析青藏高原低涡活动特征,利用1979—2013年ERA-Interim再分析资料500 hPa高度场,基于气旋客观识别和追踪算法得到青藏高原及其附近地区低涡路径,同时利用客观分析方法对500 hPa温度场进行分析得到低涡的冷暖性质,从而得到一套青藏高原低涡活动的资料。对高原低涡的频次、强度、持续时间、地理位置和移出高原等特征分析结果表明,35年间青藏高原上活动的系统主要为高原低涡,年均约53个,其中,年均6.7个高原低涡移出青藏高原;高原低涡持续时间从少至多呈指数减少,强度和冷暖性质的出现频次均呈正态分布,初生的高原低涡以暖涡居多,占81%。高原低涡发生且强度较大主要在青藏高原的汛期(5—9月),高原低涡源地主要在西藏那曲地区西部和阿里地区北部,消亡地主要位于源地高频中心东侧的唐古拉山地区和青海西部当曲河流域,高原低涡的消亡可能受地形影响。近35年来高原低涡生成频次呈不显著减少趋势(-2个/(10 a));移出高原低涡数(-1.4个/(10 a))和高原低涡移出率(-2.3%/(10 a))均显著减少。

中国沿岸ERA-Interim和MERRA感热通量和潜热通量的资料评估

选择33个沿岸代表性海洋站,采用1981—2012年海洋站观测数据统计计算中国沿岸整体的海气感热通量和潜热通量历年逐月平均值,并对ERA-Interim、MERRA两种再分析数据的感热通量和潜热通量数据进行对比检验分析,为ERA-I、MERRA热通量资料的使用提供参考。结果表明:1)历年逐月均值检验显示,两种再分析资料感热通量和潜热通量与海洋站计算结果均值差异不显著,ERA-I结果略高于海洋站结果,MERRA的均值与海洋站更接近。再分析资料的感热通量和潜热通量与海洋站相关性显著,但方差差异均明显,ERA-I与海洋站的方差差异比MERRA小。2)季节变化特征检验显示,两种再分析数据感热通量和潜热通量的季节变化时间序列与海洋站统计计算结果相关性均显著,能够较好地体现中国沿岸整体的感热通量和潜热通量季节变化特征。但也存在一些差异:2—7月中国沿岸整体的感热通量,海洋站数据明显低于再分析数据;潜热通量季节变化振幅海洋站大于再分析数据,MERRA数据季节变化振幅最小。3)年际变化特征的检验结果显示:1981—2012年,对于中国沿岸整体,ERA-I数据感热通量和潜热通量年际变化和海洋站相关性显著,均下降趋势明显,可以用于海气热通量的年际变化趋势分析;MERRA数据的感热通量年际变化略有下降趋势,但和海洋站的相关性不显著,MERRA数据潜热通量的年际变化呈略上升的趋势,与海洋站计算的潜热通量趋势明显不一致,在1981—2012年不能代表中国沿岸整体的海气热通量的年际变化特征。

ERA-Interim资料和NeQuick电离层模型用于D-InSAR沉降监测的可靠性研究

采用ROI_PAC软件处理汶川地震前后ALOS PALSAR 474轨道的4景影像,利用ERA-Interim资料和NeQuick电离层模型对其进行对流层和电离层延迟误差修正,得到地表垂直位移,并和5个GPS台站测量的地表沉降值进行比较,结果表明合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)得出的垂直位移和其经过对流层、电离层延迟改正后的垂直位移,与GPS实测值相比,前者差值平均值为0.104 m,后者差值平均值为0.057 m,说明加入对流层和电离层大气延迟误差改正后,D-InSAR的精度得到了提高。

中国地区ERA-Interim资料计算ZTD精度评估

利用中国大陆地区7个IGS站2011年实测的高精度对流层天顶延迟(ZTD)数据对ERA-Interim资料计算ZTD的精度进行了评估。结果表明在中国地区ERA-Interim资料计算ZTD的年均偏差的绝对值BIAS和RMS分别优于1和2 cm,且无明显的季节变化。

基于ERA-interim资料中国近海风能资源时空分布

未来风能开发的重心将逐渐转移到风能更为丰富的近海区域,通过1979—2014年的ERA-interim再分析资料,对不同高度和水深条件下的中国近海风能资源的时空分布特征进行了分析研究。结果显示我国近海风能资源整体呈南高北低分布,大值区位于台湾海峡、巴士海峡及南海东南部,过去36 a我国近海风能资源没有显著变化趋势。风能资源所研究区域的水深越深、风机高度越高,风电的可开发潜力就越大,100 m高度条件及50 m水深条件下我国近海年平均风功率密度约为160 W/m2。此外我国近海风能资源存在明显的季节差异,冬季开发条件最好,夏季最差,且与ENSO存在显著的遥相关关系。

基于ERA-Interim的L波段探空秒级风速算法检验

本文基于L波段探空雷达高垂直分辨率方位数据,通过在不同探空高度处选取不同尺度的时间窗口,设计了计算秒级风速的3种方案。通过比较3种计算方案得到的秒级风速与ERA-Interim再分析资料在平均偏差Bias和均方根误差RMSE等指标上的差异,给出了计算秒级风速的最优算法。结果表明:由于雷达的定位存在系统偏差,窗口选取过大或过小均会引入较大的秒级风速误差,选取适当尺度的时间窗口是准确计算秒级风速的必要条件。另外,基于ERA-Interim再分析资料具备良好的时空一致性,本文提出了1种检验L波段秒级风速算法优劣的新方案。