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。

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。

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。

我国全球大气再分析(CRA-40)卫星遥感资料的收集和预处理

卫星资料对数值天气预报准确率的影响非常显著。可用于1979年以来全球大气再分析的卫星资料,来源于80余颗卫星的约60种星载传感器,卫星观测资料数据格式的标准化、长时间序列数据使用和均一化处理技术难点多。在推进我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)研发时,已优先开展并全面完成了83.5TB的1979年以来53种115个子类气象卫星资料的收集整合。介绍了面向我国全球大气再分析所用卫星资料的收集整合情况、对应于10年再分析试制产品CRA-Interim(2007—2016年)的数据格式标准化和卫星资料数据质量预评估等观测资料预处理情况。近年发布的重处理卫星数据产品已替换了原同期业务产品。所收集整合的这些历史和实时卫星资料,已逐步通过全国综合气象信息共享平台(CIMISS)归档和提供应用服务。

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。

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)。

两套土壤湿度再分析资料在黑河流域的对比分析

利用黑河流域少量观测台站的实测降水和土壤湿度资料,对比分析了欧洲中心ERA40及美国NCEP R—1两套常用的土壤湿度再分析资料在黑河流域的空间分布、年际变化和季节循环特征,结果表明:两套资料在黑河流域均能表现出"南湿北干"的分布格局,湿度高值中心位于祁连山区东南部。以此为中心,土壤湿度从上游山区向中下游递减。ERA40土壤湿度在祁连山区年际变化明显,与降水的响应关系要好于NCEP资料,在中下游站点,NCEP 10 cm层土壤湿度对降水的响应好于ERA40。祁连站ERA40土壤湿度在6～8月接近观测值,在额济纳站两套资料对于土壤湿度的描述都不理想。

2022年长江三峡地区气候状况分析

利用长江三峡地区逐日观测资料和我国自主研发的全球再分析资料CRA-40,分析了2022年三峡地区气候特征,梳理了气候事件及气象灾害,简析了发生在夏季的极端高温事件成因。得出以下结论:2022年,长江三峡地区暖干气候特点突出,年平均气温较常年高0.8℃,为1961年以来第二高,夏季平均气温和高温日数均为历史同期最高,分别较常年高出2.4℃和24.8d;三峡地区年降水量较常年减少18.4%,与常年相比大部分地区更加干燥,阶段性变化大,夏季和秋季降水偏少,年暴雨日数较常年减少。三峡地区夏秋季持续高温少雨引发严重气象干旱,对农业生产、水库蓄水、能源供应及人体健康产生较大影响。分析表明,全球变暖是造成极端高温发生的大背景,大气环流异常,特别是西太平洋副热带高压及南亚高压异常,是高温发生且极端性突出的直接原因。

中国第一代全球陆面再分析(CRA40/Land)气温和降水产品在中国大陆的适用性评估

利用中国大陆区域2231个国家气象观测站的月平均气温和降水资料为参照,以欧洲中期天气预报中心的再分析产品ERA5和美国再分析产品CFSR作为对比评估对象,应用三角剖分线性插值方法将格点数据与站点数据进行插值,分别计算了偏差、标准差比值、相关系数、均方根误差和模式技巧,从月平均气温和降水在空间分布及时间变化方面对比评估了中国第一代陆面再分析(CRA40/Land)产品在中国大陆的适用性。评估结果表明:CRA40、ERA5和CFSR资料都能反映出中国大陆区域月平均气温和降水的时空分布特征,同时都表现为东部地区优于西部地区,冬季(1月)优于夏季(7月),三种再分析月平均气温资料的误差基本控制在2℃以内,CRA40和ERA5略优于CFSR。而对于月平均降水,3套再分析资料的误差差异较大,在三套再分析资料中CRA40的误差最小,在中国的适用性最高。

2021年京津冀地区一次典型回流沙尘天气多元资料分析

利用CALIPSO卫星观测资料和ERA5再分析资料等多元观测资料对2021年3月28~30日京津冀地区发生的一次沙尘回流天气进行分析,结果表明:回流阶段沙尘传输高度较强沙尘阶段有所降低,集中在3km及以下,由深达700hPa偏南风输送而来,该阶段沙尘浓度较低,风速较小。与正面传输强沙尘阶段对比,相对涡度、位势涡度、水平螺旋度的极端性较弱,但回流阶段沙尘落区附近同样为负水平螺旋度中心,近地面位势涡度转为正值,相对涡度具有不对称性。

南海海浪场与厄尔尼诺的相关性分析

利用来自ECMWF具有较高时空分辨率的近45年ERA-40海表风场资料和将风浪、涌浪分离的ERA-40海浪再分析资料,分析了南海海表风场、海浪场与厄尔尼诺的相关性。研究发现:(1)南海的海表风场、海浪场与nino3指数有着密切的关系,其中涌浪、混合浪与nino3指数的相关性好于风浪;7月和10月海浪场与nino3指数的相关性好于1月和4月,其中4月相关性为全年最低。(2)南海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场第一模态空间分布均呈现东北-西南走向的高值区分布,风浪场与海表风场具有较好的对应关系,而混合浪场则更多的是包含了涌浪的信息。(3)南海海表风场、风浪、涌浪、混合浪场存在3—3.75年的共同周期。南海的海表风场、风浪场与nino3指数存在的3.3年左右、5年左右的共同周期,涌浪场、混合浪场与nino3指数存在的3—4年左右的共同周期。

近45年太平洋海浪特征分析

利用来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)将风浪、涌浪分离的具有较高时空分辨率的45年ERA-40海浪资料,对太平洋的海表风场、风浪、涌浪、混合浪的特征进行分析。研究发现太平洋大部分海域的涌浪波高、混合浪波高呈显著的逐年线性递增趋势,趋势分别为0.3—0.6cm.a 1、0.3—1.2cm.a 1;太平洋的涌浪在混合浪中四季皆起主导作用,涌浪指标的低值区主要集中在南北半球的西风带,太平洋赤道附近海域存在明显的涌浪池;北太平洋的风场与风浪场的相关系数好于南太平洋,风场与涌浪场的相关系数则是南太平洋好于北太平洋;研究还发现太平洋的浪场与Nino3指数有着密切的关系。

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.

北大西洋海域波浪能资源特征分析

利用来自ECMWF的ERA-40海浪资料对北大西洋的波浪能资源进行统计分析,研究方法可为我国的波浪能资源评估提供参考。研究发现如下主要特征:(1)北大西洋蕴藏着丰富的波浪能,波浪能流密度的大值区常年位于冰岛南部及西南部海域;(2)整个北大西洋能流密度大于2 kW/m出现的频率较高,基本都在90%左右;(3)在北大西洋,涌浪的能流密度比风浪能流密度更为稳定,低纬度海域的波浪能流密度比中高纬海域更为稳定。充分依据涌浪具有能量大、稳定性好等优点,在该海域进行海水淡化、海浪发电等波浪能资源开发工作,有利于缓解人类能源危机,将具有广阔前景。

融合物理信息的热带气旋强度估计

热带气旋强度的精确估计是进行有效强度预测的基础工作,对于灾害预报至关重要.当前基于深度学习的热带气旋强度估计技术展现出了优越的性能,但仍然存在着物理信息融合不足的问题.因此,本文基于深度学习框架,提出一种融合物理信息的热带气旋强度估计模型(physical factor fusion for tropical cyclone intensity estimation,PF-TCIE),来估计西北太平洋的热带气旋强度.PF-TCIE由多通道卫星云图学习分支和物理信息提取分支组成.多通道卫星云图学习分支用于提取热带气旋云系特征,物理信息提取分支用于提取物理因子特征,来约束云系特征的学习.本文数据选用葵花-8卫星资料和ERA-5再分析资料.实验证明,在引入多个通道后,模型的RMSE误差较单通道降低了3.7%.同时,物理信息的引入使模型的误差进一步下降了8.5%.PF-TCIE的RMSE最终达到了4.83 m/s,优于大部分深度学习方法.

区域气候模式RegCM3初始和侧边界条件的敏感性分析

不同初始和侧边界条件的选取对区域气候模式的模拟结果有着直接影响。本文分别采用NNRP1和ERA40两套应用广泛的全球再分析资料作为区域气候模式RegCM3的初始场和侧边值,采用20km水平分辨率和An thes-Kuo积云对流参数化方案对海河流域1998年夏季(6—8月)降雨和温度进行了模拟。结果表明:两套资料驱动下模式都能够模拟出海河流域降雨和温度的大尺度空间分布特征。从降雨中心、高(低)温中心位置和分布范围上,使用ERA40资料要好于NNRP1资料;从不同时间(日、月、季)尺度站点降雨和温度模拟与观测值上,ERA40资料也好于NNRP1资料,但两套资料驱动下对降水极值过程模拟效果均不理想。就本次模拟而言,ERA40再分析资料的可信度更高,更适合海河流域气候变化的数值模拟研究。

基于BDS精密星历产品的水汽探测性能分析

研究北斗卫星导航系统(BDS)反演大气可降水量的性能有利于推动BDS在数值天气预报、气象学研究等方面的应用.基于武汉大学发布的BDS最终精密星历产品(WUM)、快速精密星历产品(WHR)和超快速精密星历产品(WHU),利用MGEX站和单基站连续运行参考站(CORS)提供的全球卫星导航系统(GNSS)多模观测数据,在验证三种BDS精密星历产品解算对流层天顶延迟的精度达到要求后,将基于三种BDS精密星历产品解算的大气可降水量分别与GPS水汽探测结果、ERA-5再分析资料和探空站数据进行对比,分析基于三种精密星历产品的BDS水汽探测性能.实验结果表明:基于BDS最终精密星历产品的大气水汽探测精度高于快速星历产品和超快速星历产品,三种BDS星历产品反演大气可降水量的相对精度和可靠性与GPS相当,满足中小尺度数值天气预报和气象学研究等要求.

印度洋的风浪、涌浪和混合浪的时空特征

为了展现印度洋的海浪特征,利用来自欧洲中期天气预报中心的ERA-40海浪再分析资料,对印度洋的海表风场、风浪、涌浪、混合浪场进行研究,主要分析了季节特征、月变化特征、风速和波高的变化趋势、涌浪指标,定义了南印度洋西风指数和涌浪北伸脊点。结果表明:印度洋的风浪场与海表风场整体上对应较好,尤其是季风期间的北印度洋,涌浪场与混合浪场对应较好;从波高来看,阿拉伯海在1-5月和9-12月的涌浪以及孟加拉湾全年的涌浪对混合浪的贡献大于风浪;印度洋海表风速呈显著递增的区域主要集中在咆哮西风带和30°S以北,风浪波高变化趋势的分布与风速大体一致,大部分海域的涌浪波高、混合浪波高表现显著性逐年递增;印度洋的涌浪在混合浪中占据主导地位,40°S以北的涌浪常年向北传播,且南印度洋西风带西南季风的强度直接决定着涌浪北传的程度。

南海—北印度洋的大浪频率特征

为了深入分析南海—北印度洋的大浪频率,利用来自欧洲中期天气预报中心的ERA-interim海浪再分析资料,统计了南海—北印度洋海域1979-2014年每月的大浪频率,并利用线性回归方法,分别计算了大浪频率在不同月份的长期变化趋势,以及大浪频率变化趋势的主导月份。计算结果表明：阿拉伯海的年大浪频率为10%-40%,明显高于孟加拉湾和南海;南海—北印度洋一半以上区域的大浪频率显著递增,趋势为0.03%-0.33%/a;一些零星海域的大浪频率显著递减,其余海域无显著变化;每年大浪频率发生变化的主导月份,南海为1,3,9月,孟加拉湾为7,9,10月,阿拉伯海为6,7,9月。