ERA5再分析10m风速数据在“两洋一海”的适用性分析

西太平洋-南海-东印度洋(以下简称“两洋一海”)地区对我国的天气气候、国家安全和社会经济有重要影响,但由于资料条件的限制,现有的海上高风速事件研究主要集中于近海,导致对“两洋一海”地区远洋高风速事件的时空分布、变化特征及其机理仍然不够了解,急需利用新的高分辨率资料进行深入的研究。目前欧州中期天气预报中心第五代全球大气再分析资料(ERA5)再分析近地面10 m风速数据与现场观测风速的比较研究还相对较少,因此本文将“两洋一海”地区的国际海洋大气综合数据集(ICOADS)锚定浮标观测资料与ERA5进行了对比分析。结果表明:ERA5再分析10 m风速数据能够较好地表现出海面风场的分布特点和变化特征。ERA5再分析资料具有较高的时空分辨率、较长的时间序列以及完整的数据记录,将其用于海上高风速事件的气候分析是可行的,且具有一定的优势。需要注意的是,ERA5再分析风速总体上存在低估实测风速的系统偏差,尤其是实测风速较大时,ERA5偏离于实测风速的现象更为明显。

概率密度匹配方法在我国近海海面10 m风速预报中的应用

海面风速对航运及海上生产作业影响重大,但数值模式对于海面的风速预报仍存在较大误差。为降低数值模式海面10 m风速预报的系统性误差,提高海上大风预报准确率,基于2017—2019年中国气象局地面气象观测资料对ECMWF确定性模式的10 m风场预报结果进行检验评估,并采用概率密度匹配方法对模式误差进行订正。分析结果表明,概率密度匹配方法可有效地改善数值模式10 m风速预报的系统性误差,订正后风速在各个预报时效和风速量级的平均误差均较订正前有所降低。对于大量级风速的预报,经概率密度匹配方法订正后的风速预报的漏报率可减少10%以上。订正后12 h预报时效的8、9级风速预报的平均绝对误差分别由4.15 m/s、5.61 m/s降低至3.12 m/s、4.08 m/s,120 h预报时效的8、9级风速预报的平均绝对误差由7.38 m/s、9.35 m/s减小至6.46 m/s、8.07 m/s。在冷空气、台风大风天气过程中,基于概率密度匹配方法订正后的风速与实况观测更接近,能够为我国近海洋面10 m风速的预报提供更准确的参考。

浙江沿海基于浮标的有效波高分析和数值预报订正

基于2010年10月―2022年12月浙江沿海5个浮标站观测资料和2020—2022年欧洲中期天气预报中心细网格模式海浪和海面10 m风预报资料,对浮标站的风、浪相关性进行分析,对有效波高预报进行评估和订正方法研究。0~240 h预报偏差和均方根误差表明:模式对远岸浮标的预报比实况稍偏大,对近岸浮标预报则略偏小,预报不稳定性随预报时效的延长而增大。远离海岸的浮标站24 h预报与实况的相关性高于近岸站,两者的相关系数分别约为0.94和0.85。有效波高预报存在一定系统偏差,且是预报误差的主要来源。近岸浮标有效波高预报值小于观测值,远岸浮标的预报值偏差则随着有效波高的增大由正转负,负偏差的绝对值逐渐增大。对于远岸浮标,仅针对有效波高进行预报和实况的一元一次回归就有很好的订正效果,但近岸浮标受地形影响大,海浪预报的误差更大,同时引入有效波高和10 m风速作为预报因子,进行二元一次回归的订正效果更好。订正方程应用到同类型的周边海区浮标站仍然有很好的订正效果,可推广到浙江沿海同类型海区。

北印度洋—南海海面风速和有效波高的年代际变化

采用1958年1月—2001年12月ECMWF ERA-40的10m风场资料,以及由该风场资料驱动WAVEWATCHⅢ得到的北印度洋—南海海域44a的海浪场资料,通过EOF分析、正交小波分析和M-K检测方法,分析了北印度洋—南海海域海面风场和有效波高的年代际变化特征。结果表明:北印度洋—南海海域存在3个大风、大浪区,其中亚丁湾以东洋面风力最强,有效波高最高;表面风场和有效波高存在35、15和3a的主周期变化,并自20世纪70年代中期以来,年平均风场和有效波高均存在明显增强趋势,1977年为突变起始年;年平均海表10m风速和有效波高随时间增大主要是由冬季和春季海表10m风速和有效波高随时间增大引起的;冬、秋季海面风场与有效波高的年际、年代际变化周期较一致,冬季以35～40a的周期为主,秋季以11～12a的周期为主。

1958—2001年全球海域海表风速变化趋势

基于ECMWF的ERA-40海表10 m风场,对1958-2001年全球海表风速的变化趋势进行分析,主要分析了整体变化趋势、变化趋势的季节性差异、区域性差异、变化周期.结果表明：①近44年期间,全球海域海表风速整体上以0.0067 m·s-1·a1的速度显著性逐年线性递增.1958-1975年全球海域的海表风速变化较为平缓,1975-1983年递增趋势较为强劲,年平均海表风速的峰值出现在1999年,波谷出现在1975年.②全球海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异.递增趋势明显的区域主要分布于：南极、热带大西洋海域、北太平洋西风带海域、印度洋中低纬度海域、南半球60°S附近大面积带状海域;呈显著性逐年递减的区域主要分布于：赤道中东太平洋、胡安·费尔南德斯群岛附近海域、南大西洋西风带的中部海域,以及一些零星海域.③全球海表风速的变化趋势表现出较大的季节性差异.在各月均表现出显著的线性递增趋势,以1月的递增趋势最为强劲,达到0.0103m·s-1·a-1,7月的递增趋势弱于其余月份,约0.0033 m·s-1·a-1.④全球海域海表风速存在明显的2.2～4.3年变化周期,以及6.5年以上长周期震荡.

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。

热带海洋潜热长期变化趋势分析

利用1948—2010年热带西太平洋和热带大西洋暖池区上空月平均潜热场、10m海表面风速及海气温差场,研究了西太平洋和大西洋暖池区上空潜热的多年变化特征,并分析了潜热异常与海表面10m风速及海气温差异常的关系。研究表明,热带西太平洋暖池区潜热的长期变化趋势为:年平均潜热在吕宋岛附近海区上空随时间持续增加,而在菲律宾海以东、关岛以南海区则持续减少;热带大西洋暖池区上空潜热的长期变化趋势为:年平均潜热释放在加勒比海区随时间持续增加,而在加勒比海以东及以南的热带大西洋中部地区则持续减少。对比分析表明,潜热的长期变化趋势与强台风(飓风)的长期趋势比较一致,潜热变化受强台风和飓风的影响明显。热带西太平洋暖池区6～9月的潜热长期变化与全年变化有较大差别;热带大西洋暖池区在11月到次年3月的潜热长期变化与全年变化有很大差别。潜热长期变化趋势随季节的变化在两大洋都存在冬季增加的特征。除暖流海区外,两大洋海区潜热变化主要受海表面风速的影响。

基于再分析数据的黄岩岛及邻近海域气象条件分析

采用美国NCEP-CFSR数据库资料,提取了1979—2010年的海平面大气要素场,在中国南海区域(0°~25°N、105°~125°E)和黄岩岛附近点(15°N、118°E),按日、月、年统计了32 a间海平面气压、海面2 m气温、海面2 m相对湿度、海面10 m风场基本气象要素特征。分析发现:黄岩岛及邻近中国南海区域属于赤道带、热带海洋性季风气候,其气候特征是:(1)海平面气压呈北高南低、冬季高夏季低的分布形势;黄岩岛日平均海平面气压冬季约为1 012 hPa,其他季节约为1 008 hPa,年平均海平面气压变化具有准5 a的周期;(2)全年平均气温较高,分布呈现北低南高,大陆低海面高,冬季低夏季高的特点;黄岩岛海面2 m气温日变化较小,年平均值约为27~28℃,年际变化上具有整体增加的趋势;(3)全年相对湿度较大,基本在60%以上,随季节变化明显,冬季较小,夏季较大;黄岩岛日平均相对湿度为80%,总体也具有略微增大的年际变化趋势;(4)受季风影响明显,冬季盛行东北季风,平均风速约为10~12 m/s,夏季盛行西南季风,平均风速约为4~8 m/s;黄岩岛海面风速的变化具有2.5~5 a的变化周期,年平均风速在5.3 m/s上下波动。