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。

基于长时间序列ERA-Interim再分析资料的广东沿海波浪能资源分布特征分析

波浪能的开发利用作为海洋可再生能源发展的重要组成部分,持续受到社会和学界的广泛关注。广东省波浪能资源的开发利用具有得天独厚的优势,但其发展水平还处于探索阶段,亟须进一步加强。本文利用长达40年(1979—2018年)的ERA-Interim再分析波浪资料,从总体分布特征上分析了广东沿海波浪能资源及其长期变化趋势。粤东-珠江口-粤西沿岸一线,波浪能资源呈现“低-高-低-高-低”的分布特征,具有显著的季节变化特征;长期变化趋势上呈现显著的逐年线性递增特征,递增速率为0.0543 kW/(m·a),其中1979—1994年变化较为快速,2001—2018年变化较为平缓。

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。

江淮地区ERA-Interim再分析与观测温度资料对比分析

通过对比江淮地区1992-2016年08和20时的ERA-Interim再分析资料与观测资料的温度要素,发现它们在垂直方向上的偏差存在从低层到高层先减小后增大的特点,对流层低层各站偏差的空间差异明显,到中高层各站偏差趋于一致。偏差存在明显年际变化,500 hPa及以上等压面在2000年前后再分析资料比观测资料存在由偏低向偏高的转折;除地面外,其他高度上两种资料的平均绝对偏差均呈显著减小趋势。在偏差的月际分布上,地面和500 hPa以上高度再分析资料普遍比观测资料偏高,各高度上平均绝对偏差在8-9月最小。进一步对各天气现象下两种资料比较发现,雪、雨夹雪、冰粒子和冻雨天气发生时,地面至1000 hPa和850 hPa上再分析资料比观测资料偏高;大雾天气发生时,再分析资料比观测资料在1000 hPa偏高幅度明显高于地面。可见,在江淮地区使用ERA-Interim再分析温度资料判别降水相态时,大气边界层和850 hPa温度需慎重使用,近地层虚假逆温对大雾判别会产生很大影响。

再分析温度资料与西藏地区冬、夏季观测气温的比较

利用西藏地区地面气温(OT)及NCEP/NCAR(NT1)、ERA-40(ET1)、NCEP/DOE(NT2)、ERA-Interim(ET2)和JRA-25(JT)五种月平均2m气温再分析资料,对其气候均值、方差、气候趋势及年际和年代际变化等进行了分析和评估。结果表明:(1)五种再分析资料对西藏地区冬、夏季气温的估计均偏低,且冬季偏低大于夏季;经地形高度差订正,再分析资料与观测气温的偏差明显缩小,ET1、ET2和JT效果最佳;(2)西藏冬、夏季气温北部变化大、南部变化小,冬季变化大于夏季。ET1、ET2和JT对西藏东部气温年际变率的再现能力略强于NT1,在中西部,ET1、ET2、JT和NT1再现能力相当;NT2对年际变率的估计较差;(3)西藏大部分地区OT有明显增温趋势,冬季增温大于夏季,再分析资料增温不明显;(4)NT1与ET1均不能反映OT所具有的20世纪80年代以前多低于均值,80年代初期到90年代后期接近均值,此后高于均值的年代际变化特征;(5)ET2和JT对均值、年际变化和变率特征的描述较为接近,且优于NT2;(6)再分析资料温度与观测温度空间分布的相似性从高到低依次为JT>ET2>ET1>NT1>NT2。

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。

两种再分析月平均气温资料在蒙古国的适用性评估

利用蒙古国18个气象站1987-2006年实测月平均气温资料与JRA-55和ERA-interim两种再分析资料月平均气温进行了比较和分析。首先对比了两种再分析气温资料在蒙古国校正前后的质量状况,并分析了资料的误差来源;然后将再分析气温资料与实测气温资料变化趋势进行对比,评估其对于温度变化趋势的反映能力。结果表明,利用气温直减率对再分析资料校正可以显著提升再分析资料春、夏、秋季数据质量,再分析资料偏差主要源于冬季气温偏差;JRA-55和ERA-interim气温数据在蒙古国地区可信度都比较高并各具优势,ERA-interim相对JRA-55偏差略小,而JRA-55则可以更为精准的拟合气温的变化趋势。

利用再分析与探空资料对0℃层高度和地面气温变化特征及其相关性的分析

利用北京多年ERA-Interim再分析资料和探空观测资料分析地面气温及0℃层高度特征,对比再分析资料和探空资料的差异,并利用北京和寿县资料分析0℃层高度与地面气温的相关性,拟合0℃层高度与地面气温的线性关系,另外,利用未参与公式拟合的观测资料进行验证。结果表明:地面气温与0℃层高度存在明显季节变化;与探空观测值相比,无论是全年还是分季节,再分析资料的地面气温和0℃层高度值都偏低,地面气温平均偏低2℃,0℃层高度平均偏低200 m;再分析与探空资料的相关性较好,相关系数都大于0.89;地面气温与0℃层高度的变化趋势一致,再分析资料和观测资料地面气温与0℃层高度的相关系数均大于0.9,20:00大于08:00(北京时),都通过了0.01的显著水平统计检验,且观测资料获得的线性关系优于再分析资料;线性拟合得到的地面气温与0℃层高度的线性关系,可为天气雷达判别0℃层和预报降水等应用提供辅助信息。

土壤湿度再分析资料在江苏地区的适用性

针对欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析土壤湿度资料在江苏区域的适用性未知的问题,利用23年江苏省农业气象观测站的土壤湿度资料,对ERA-Interim再分析土壤湿度资料在江苏区域的适用性进行评估分析。结果表明:1)ERA-Interim土壤湿度的空间分布与农业气象观测站的资料有较好的一致性,2套数据整体上均呈现"南湿北干"的空间格局;ERA-Interim与农业气象观测站的资料在江苏大部分地区相关系数都达到0.75以上,ERA-Interim能较好地体现该地区的土壤湿度的时间变化特征。2)ERA-Interim季节性波动与观测数据较为一致,体现为春季、秋季较干的变化特征,但冬季明显低估了土壤湿度。3)就年际变化而言,ERA-Interim资料与观测资料在春、夏、秋、冬4个季节具有较好的一致性;冬季最高达0.88,夏季最低到0.75,因此能较好地反映土壤湿度的年际变化特征。

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。

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。

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。

江苏近35年空中水汽资源气候特征及开发潜力分析

研究旨在精细化分析江苏空中水汽资源气候特征与开发潜力。笔者应用高分辨率再分析资料,计算资源总量及降水效率,给出空间分布、季节变化、长期变化趋势与模态。结果表明:江苏上空水汽资源(Q)达9223 mm,降水效率(P)仅11.4%,近35年减少量约3 mm/a,异常主要表现为一致偏多或偏少、南北反相2类空间型。Q与P均呈南多北少的纬向分布,其中淮北Q、P最低,且秋、冬季P持续下降,环太湖与沿海Q、P在春、夏、秋3季均呈下降趋势,宁镇扬Q、P在春、秋季也呈下降趋势。春季Q减少量最大,达4.4 mm/a,P南多北少的差异最大达18%,秋季P最低,仅8.4%。可见,江苏空中水汽资源开发潜力巨大,需加强春、秋季开发力度,以及冬季以淮北、夏季以环太湖与沿海为重点区的开发力度。

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。

近30年全球干旱半干旱区的蒸散变化特征

全球变暖加剧了气候系统能量和水分循环相互作用的变化,水分平衡变化导致极端旱涝事件频发。地表蒸散是能量水分循环的重要过程,是理解气候变化的关键环节。本文基于1982~2011年FLUXNET-MTE观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了全球干旱半干旱区蒸散的时空变化特征及典型区域的变幅、趋势和季节变化。结果表明:(1)干旱半干旱区多年平均蒸散量小于300 mm。冬季蒸散量最小,夏季最大且变率也最强。1990年代前后,干旱半干旱区蒸散发生了明显的年代际转变,暖季的年代际差异尤为明显。(2)近30年来,东半球干旱半干旱区蒸散量呈增加趋势,西半球呈减小趋势。典型区域来看,南非呈显著增加趋势[25.14 mm(10 a)-1],美国西南部呈显著减小趋势[-19.86 mm(10 a)-1];萨赫勒、中国北部和澳大利亚呈增加趋势,阿根廷及智利南部呈减小趋势。(3)蒸散变化与温度、降水的变化联系密切,三者具有相似的年循环变化,但三者间相关性在干旱半干旱区具有显著的差异性。

山东半岛周边近岸海域波浪能开发潜力研究

利用近20年的ERA-Interim再分析海浪场数据,对山东半岛周边近岸海域波浪能开发潜力进行评估,重点研究优势区域重点单站和波浪能装置有关的指标。结果表明:山东半岛周边近岸海域波浪能资源开发潜力较高的优势区域位于威海东北部近岸海域、荣成东部和东南部近岸海域。优势区域重点单站波浪能的集中度较好,各季节主波功率密度的方向集中在北向上;对总能量有突出贡献的波高和波周期范围大致相同,为Hs:0~3.5 m,Te:0~8 s。Wave Star是目前最适合于重点单站波浪能开发的装置,但其能量利用率仅约为6.2%,并非最理想的选择,还需研发效率更高的波浪能装置。

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。

三江源区大气水汽含量时空特征及其转化变化

利用1979—2016年ERA-Interim再分析资料提供的1°×1°水汽通量和大气可降水量(PWV)数据,采用相关性分析、趋势分析法、累积距平及反距离加权(IDW)等方法,研究三江源地区PWV与水汽通量的时空分布特征和降水转化率(PCE)。结果表明:①过去38年来,经、纬向多年平均水汽通量分别为2. 0 kg/(m·s)、10. 3 kg/(m·s),水汽通量纬向增幅高于经向,水汽在纬向汇入为主,经向输出为主;②PWV呈微弱增多趋势,年平均PWV为1 791. 6～2 278. 9 mm,季节平均PWV为122. 2～1 134. 2 mm,不同季节内空间差异明显;③三江源区多年平均PCE为24. 6%,1989年最高,达32. 8%;季节与多年平均PCE空间分布一致,都表现出由东南向西北递减的变化特征,季节分布变化差异大;④该地区空中水资源丰富但自然PCE低,开发潜力大,应用前景广阔。

稻麦轮作农田区大气边界层高度的日变化和季节特征

利用2015年7月至2016年5月寿县稻麦轮作农田区观测站地基多通道微波辐射计观测的高时间分辨率温度廓线资料,结合位温梯度法,计算了该站点的大气边界层高度,分析了边界层高度的日、月和季节演变规律。结果显示,晴朗天气情况下,边界层高度具备典型的日变化特征,随着地面温度的升高边界层高度不断增大。其最大平均值通常出现在午后,8月平均高度最高,超过1520m,1月最低,只有520m。而且边界层高度具有季节变化趋势,春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)平均高度分别为436m,499m,377m和322m。将边界层高度结果与FNL和ERA-Interim数据进行对比,发现在白天时间段(08:00—19:00)FNL和ERA-Interim比观测平均值分别高258m,346m,夜间时间段(19:00至次日08:00)比观测平均值分别低144m,102m。