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。

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。

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-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。

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。

陕西省风的时空分布及ERA5风资料检验评估

利用2017-2019年陕西省99个地面气象观测站资料分析近地面风场的时空分布特征,并对ERA5再分析资料10 m风速产品进行质量评估。结果显示:年平均风速陕北、关中北部及东部、商洛较大,汉江河谷及关中平原西部风速较小;大多数站点春季风速最大,秋季风速最小,4月风速最大,10月风速最小,8月风速存在次高点;白天风速明显大于夜间,最大风速一般出现在14-16时,最小风速多出现在20-21时前后和日出前后;夏季最大风速出现时间较其他季节提早2 h左右,前半夜风速明显大于后半夜。大部分站点有接近相反的两个主导风向,风速随季节有明显变化,陕北主导风向存在明显的季节变化。ERA5再分析资料10 m风速产品和自动气象站观测相比能够反映风场最基本的时空分布特征,风力日较差和标准差较站点观测偏小,连续性、均匀化特征明显;最大风速以及白天风速开始增大的时间较站点观测偏晚1 h左右;ERA510 m风速产品在陕北地区偏大,关中、陕南地区偏小,关中地区相对误差和均方根误差小,相关系数高,代表性优于陕北和陕南地区。

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。

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。

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。

基于ERA5再分析数据的中国邻近海域极端波高特征分析

极端波浪对沿海地区基础设施有着深远的影响,了解它们的变化规律是进行海岸带风险分析和灾害预防的基础。文章基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting,ECMWF)第五代再分析数据集(ECMWFreanalysisv5,ERA5),对中国邻近海域1979~2018年间极端波高展开时空特征分析,并统计了40a厄尔尼诺系数,利用广义极值分布(generalized extreme value,GEV)函数探究了近40 a厄尔尼诺现象对我国海域极端波高的影响,结果显示:统计1979~2018年整个研究区域前2%极端波浪年均值在6~10 m间浮动,且整体趋势递增,在四季趋势变化中,春夏极端波高增长趋势较秋冬高,且波动明显,在年际极端波高变化趋势中有较大波动时大多伴随着厄尔尼诺或是拉尼娜现象的发生,结合厄尔尼诺现象对GEV分布中位置参数的影响分布图和极端波高年、季节际趋势变化分布图,厄尔尼诺现象影响大的地区极端波高大多呈现增长趋势,表明厄尔尼诺现象对极端波高有较高影响。

基于ERA5资料的陕西地区云水资源评估

利用1981—2020年欧洲中心高分辨率ERA5再分析资料及站点实测降水资料,通过中国气象局人工影响天气中心发布的云水资源监测评估方法,对陕西云水资源进行了评估。结果表明:陕西年均水汽总量28670.2×10^(8) t,水凝物总量1938.4×10^(8) t,降水总量1390.7×10^(8) t,云水资源总量547.7×10^(8) t,“南多北少”的纬向分布特征明显;近40 a陕西全域云水资源呈下降趋势,含量丰沛的南部地区下降最为明显;液态水凝物主要位于低层850~600 hPa,固态水凝物主要位于中层650~350 hPa,根据水凝物垂直分布,春、秋两季人工影响天气的适宜催化高度约为3~5 km,冬季2~4 km,夏季4~8 km;陕西西、南边界水汽和水凝物净流入,东、北边界净流出,区域整体净收支为正,多年气候倾向率为负,呈下降趋势。

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。

川西高原和攀西地区不同级别短时强降水环境参量特征对比分析

利用2010—2021年5—9月川西高原和攀西地区62个国家级自动站逐小时观测资料及时间分辨率为1 h的ERA5再分析资料,对比分析了两区域不同级别短时强降水发生发展过程中水汽、热力和垂直风切变等环境参量特征。结果表明:川西高原和攀西地区短时强降水主要集中在6—8月,午后至前半夜是川西高原短时强降水的高发时段,攀西地区则表现出明显的夜雨特征。就川西高原而言,较好的水汽、热力条件和较强的垂直风切变、上升运动均有利于高级别短时强降水的产生;不同级别短时强降水的CAPE值差异显著,1100 J·kg^(−1)可作为判断是否出现20 mm·h^(−1)以上短时强降水的参考阈值。就攀西地区而言,不同级别短时强降水在暖云层厚度、700 hPa比湿、700 hPa假相当位温、CAPE、0~3 km垂直风切变等环境参量的值域分布上均存在明显差异;当700 hPa比湿大于13 g·kg^(−1)、CPAE值超过1100 J·kg^(−1)、0~3 km垂直风切变达到10 m·s^(−1)时,极易出现50 mm·h^(−1)以上的短时强降水。

HRCLDAS与ERA5-Land气温日统计数据在山东地区的对比评估

基于山东省2021年3月—2022年2月1519个气象观测站2 m气温观测数据,对中国气象局高分辨率陆面数据同化系统(High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,HRCLDAS)和欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析数据集(ERA5-Land)逐小时2 m气温分析的日统计数据(平均气温、最高气温、最低气温)进行对比评估。结果显示:(1)HRCLDAS/ERA5-Land日统计平均气温、最高气温、最低气温的均方根误差分别为0.1/1.2℃、0.6/1.9℃、0.4/1.7℃,表明HRCLDAS具有更高的精度,且在不同地理区域、不同海拔高度的表现均优于ERA5-Land,大部地区的偏差(-0.5~0.5℃)远低于ERA5-Land(-2.0~2.0℃)。(2)两套数据对高温及寒潮过程的监测能力对比评估表明,HRCLDAS能够捕捉到大部分的高温以及寒潮过程,其与观测的高温日数及寒潮日数空间分布较为相似,但对影响范围存在一定的低估;ERA5-Land则只能监测到部分高温及寒潮过程,并对高温日数与寒潮日数存在严重的低估。

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。