基于ERA5再分析数据的伊犁河流域干旱灾害风险评估与区划

依据ERA5再分析数据的分布特点,以0.25°×0.25°的网格为旱灾风险评估的基本单元,从危险性、脆弱性、易损性和防灾减灾能力4个方面选取12个指标,采用AHP-熵值法确定指标权重,对基础数据资料匮乏的伊犁河流域构建干旱灾害风险指数模型,进行干旱灾害风险评估与区划。结果表明,分时段校正后的ERA5再分析降水数据精度显著提高,可用于干旱灾害风险评估;次高、高危险性区域主要分布在研究区西北部和东北部,次高、高脆弱性区域主要分布在海拔较高的山区,次高、高易损性区域主要分布在伊宁市及周边地区,次高、高防灾减灾能力主要分布在研究区西北部,分别占研究区总面积的33.45%、31.04%、16.13%、15.09%;旱灾风险区划图显示,低、次低风险区主要分布在研究区西南部,次高、高风险区主要分布在研究区西北部,分别占研究区总面积的44.69%、22.53%。

基于机器学习与再分析数据集的黄河水源涵养区蒸散发研究

蒸散发是水循环的关键要素,分析其变化特征有助于理解区域水资源的时空分布格局。黄河水源涵养区是黄河流域重要的生态功能区,对该区域的蒸散发变化特征进行研究并归因分析,有助于缓解黄河流域的水资源供需矛盾。基于机器学习与ERA5-land再分析数据集,探究黄河水源涵养区2000—2022年蒸散发时空变化特征及影响因素,利用驱动要素去趋势方法分析不同影响因素的作用区域。结果表明:(1)黄河水源涵养区蒸散发多年平均值分布区间为256.49—841.45 mm,空间分布特征为自东向西递减,整体呈增加趋势;(2)黄河水源涵养区蒸散发的主要影响因素是地表净太阳辐射、总降水量、相对湿度,不同子流域内的主导影响因素不同,主导影响因素与区域内的水热条件及下垫面状况有关;(3)ERA5-land再分析数据集有着较好的模拟精度,可以作为大空间尺度和长时间区间研究的数据来源,但是由于下垫面的复杂性,仍需要在研究区内开展适应性评估。

中法海洋卫星与ERA5数据在中国邻近海域的波高对比分析

中法海洋卫星CFOSAT搭载的高性能海浪谱仪SWIM获得了连续、大范围的海浪数据。CFOSAT海浪波高数据在全球范围已开展了许多验证与校准工作,但大多是与站点数据的比对,将卫星数据应用于面域波浪场特性研究时缺乏与已有成熟数据集的对比。通过将中国邻近海域作为研究区域,对CFOSAT与ERA5数据的有效波高进行对比,分析了二者间的差异。结果表明,CFOSAT数据与ERA5数据在波浪的面域观测上表现相似,相关性较高;二者有效波高的差值呈现季节变化特征,秋冬季节的数据离散程度较大,春夏季节较稳定;随海浪高度的增加,CFOSAT与ERA5数据的差异明显增加。

基于ERA5海浪再分析数据的风浪涌浪分离方法

为了探究和分析海浪中的主要成分,本文基于ERA5海浪再分析数据,依据能量因子分离风、涌浪的原理,研究了风、涌浪的平均波周期与风速的分布规律。利用最小二乘拟合方法,提出了一种分离风、涌浪的方法,并将其命名为TU方法。通过将TU方法与波龄方法进行比较分析,验证TU方法的可行性和可靠性。结果显示:在本文的研究区域中,TU方法与波龄方法识别风浪的正确率为98.57%和98.55%,TU方法与波龄方法识别涌浪的正确率为78.9%和65.1%,表明根据风速与平均波周期2个参数识别涌浪,TU方法效果比波龄方法更好。对高度计等缺少风向信息情况下分离风浪与涌浪有着重要的意义。

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。

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。

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。

ERA5再分析数据适用性初步评估

利用山东省及周边地区10个站点的地面和高空观测资料对ERA5再分析资料的适用性进行了初步评估。结果表明:再分析的海平面气压和2 m温度与实况资料的相关性明显优于2 m相对湿度和10 m风场;高空温度和相对湿度在对流层中低层的适用性要好于高层,而位势高度和风场在中高层适用性较好;海平面气压再分析与实况的相关有着最明显的季节变化,2 m温度、2 m相对湿度和10 m风速则在部分站点有较明显的季节变化,而10 m风向的相关系数更多地表现出站点之间的差异,高空要素的适用性,季节和区域差异不明显。另外,对比发现,ERA5的适用性总体上要优于ERA-Interim再分析资料,地面和对流层低层的相对湿度、风场提高更为明显。

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。

利用地面观测评估ERA5云底高度产品

云底高度对天气预报和飞行保障有着重要作用,但目前十分缺乏高时空分辨率的云底高度资料。本文利用中国东部地区云底高度的地面观测对ERA5再分析资料的云底高度进行评估,基于地面观测和ERA云底高度的小时平均偏差对ERA进行了初步订正和验证,综合分析了中国地区的云底高度分布特征。分析发现,ERA5再分析数据中的云底高度比观测值整体偏低,其中高估了低云的云底高度,低估了中、高云云底高度,且中、高云云底高度的偏差较大。另外,在有降水的条件下,ERA5数据中低云云底高度的准确性比无降水条件下的相对较高,但中、高云云底高度的准确性却更低。综合地面观测和ERA5数据云底高度的日变化和月变化分析发现,在我国东部地区,白天的云底高度整体低于夜间,峰值出现在夜间22:00(北京时间,下同),谷值出现在上午09:00,秋季和冬季的ERA5云底高度月变化与地面观测资料较为一致。基于日变化分析获得的小时平均偏差对ERA5数据的云底高度进行订正和验证,分析发现,2010~2019年间,中国地区的云底高度呈现自西北向东南逐渐降低的分布特征;中国南部、东北地区和青藏高原区域的云底高度相对较低,其中,青藏高原夏季和秋季的云底高度较低,春季和冬季较高,而沙漠地区在四个季节的云底高度都较高。

多种降水再分析数据在长江流域的适用性对比

为评估CMFD、MSWEP和ERA5这3种降水再分析数据在长江流域的适用性,基于长江流域1979~2016年226个地面气象站点逐日降水资料,运用定量评价指标和分类统计指标对3种降水再分析数据精度进行多尺度评估。结果表明:3种降水再分析数据中,ERA5在长江流域整体上呈现出高估现象;CMFD无论是对于日尺度、月尺度还是年尺度精度评估,都能较好地反映实际降水变化;对于不同量级降水探测能力方面,3种降水再分析数据总体上表现为CMFD>ERA5>MSWEP;CMFD以及MSWEP在汛期的表现要优于非汛期;ERA5虽高估各月降水,但其年内降水分布趋势与地面站点降水一致。总体而言,CMFD在长江流域的适用性要高于MSWEP以及ERA5。研究成果可为长江流域降水及水文模拟等相关研究选择可靠的降水再分析产品提供依据。

GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析

为了进一步研究利用全球卫星导航系统(GNSS)大气可降水量(PWV)分析不同气候类型特征,进行GNSS PWV典型季风气候特征奇异谱分析:选取中国中东部地区2016—2021年部分连续运行参考站(CORS)数据,提出将全球气压和温度(GPT(GPT3_1、GPT3_5))模型、欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5)模型3种大气模型分别与GNSS解算的对流层总延迟(ZTD)数据融合获取的PWV值进行对比分析,得出中国3种典型季风气候类型GNSS PWV最优大气模型;然后提出利用奇异谱分析(SSA)法分解重构出GNSS PWV时间序列,从而基于GNSS PWV分析不同季风气候类型特征。结果表明,中国3种典型季风气候类型条件下ERA5模型精度较优,选择ERA5模型为最优大气模型,重构后的GNSS PWV变化趋势能够很好地反映出3种典型季风气候类型的特征;因此GNSS PWV可应用于气候特征分析。

苏皖地区强降水过程双雨带漏报原因分析

基于降水量观测数据、ECMWF模式降水预报数据和ERA5再分析数据,研究了2022年3月19—20日苏皖地区一次降水过程中双雨带漏报个例,并对比分析了一次双雨带成功预报个例.结果表明:①漏报个例的北雨带中,16个站降水量进入近30年3月日降水量前10名,两个站降雨量刷新3月份的历史极值,是一次极端性较强的降水过程.②ECMWF模式未能准确预报北雨带冷平流,未反映实况中出现的对流活动,且预报的对流层低层相对湿度始终偏小,两个原因直接导致北雨带降水量预报值显著偏少.③成功预报个例中,过程开始阶段,ECMWF模式有700hPa高湿区预报范围偏大、850hPa高湿区预报位置偏南的情况,以后逐渐调整为与实况一致,较好地预报了苏皖地区对流层低层湿度条件,佐证了湿度预报偏差是造成雨带预报偏差的重要原因.

中国南海海洋牧场的波浪能资源评估

利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)近10年的ERA5再分析海浪场数据,为中国南海周边4个省(自治区)的国家级海洋牧场选取最适合开发波浪能资源的电站位置,重点研究各站点的波浪能开发潜力以及与波浪能装置布放方向有关的指标。研究表明:广东省惠州小星山以及福建省莆田市南日岛两个国家级海洋牧场所选站点的波浪能开发潜力最高,获得高经济收益的潜力也最强;此外,后者所选站点的波浪能传播方向最集中,最有利于装置吸收波浪能资源。

顾及周期性变化的大气加权平均温度模型构建

针对大气加权平均温度(T_(m))是地基全球卫星导航系统(GNSS)水汽反演过程中的一个中间变量,其精度会影响地基GNSS水汽反演精度,同时T_(m)表现出较强的地域性差异的现状,研究建立地区的T_(m)模型:利用兰州市榆中探空站气象数据和欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5)分别建立单因子、顾及年周期变化、顾及年和半年周期变化的T_(m)模型;并对2种气象数据所建的3类模型进行显著性检验和精度验证。结果表明:模型均能通过显著性水平为0.05的显著性检验,同时顾及周期性变化模型的预测值的均方根误差和平均绝对误差均小于贝维斯(Bevis)模型和单因子模型;利用顾及周期变化的模型预测的T_(m)偏差中大于5 K和大于10 K的值占比明显减小且预测残差的周期趋势明显减弱,具有零均值的正态分布特性,仅表现出误差的随机性。总体而言,ERA5气象数据所建模型预测精度高于探空站气象数据所建模型;用ERA5气象数据建立的顾及周期性变化的T_(m)模型可用于兰州市GNSS大气水汽反演。

一种中国区GNSS加权平均温度分层格网模型

为了进一步提升大气加权平均温度(T_(m))模型在地基全球卫星导航系统(GNSS)反演可降水量(PWV)中的精度,提出一种中国区GNSS加权平均温度模型:针对中国地势复杂多变,气候多样的环境特征,基于1990—2019年欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集(ERA5),综合考虑T_(m)的季节性变化及长期线性趋势,构建T_(m)的分层格网模型(CT_(m)S);然后以74个无线电探空站提供的2020年气象数据为参考,评估CT_(m)S的精度及可用性,并利用第三代全球T_(m)模型(GT_(m)-III)及全球气压温度(GPT3)模型进行对比验证。结果表明:CT_(m)S模型的均方根偏差(RMSE)均值为4.0 K,较GPT3及GT_(m)-III模型分别提升21.6%及8.0%,且在高海拔地区表现出明显的精度优势;CT_(m)S模型的PWV不确定度均值为0.32mm,相比于GPT3及GT_(m)-III模型分别减少16.6%及6.5%,且在中国西北地区表现出更优的精度及稳定性;提出的模型可为中国地区GNSS实时水汽监测提供参考。

2013-2020年呼伦湖流域植被碳源/汇估算及影响因子分析

陆地生态系统碳循环是气候变化和全球碳循环研究的重要组成部分。植被净生态系统生产力(NEP)是定量描述植被生态系统碳源/汇能力的重要指标。草地生态系统是全球陆地生态系统重要组成部分,呼伦湖流域是以草地生态系统为主的混合农田、森林和湿地等生态系统的多生态系统区域,其碳源/汇时空规律及其影响机制对该区域生态环境保护和修复以及区域气候变化研究具有重要意义。基于Landsat 8 OLI高分辨率卫星遥感影像以及ERA5气候再分析数据和地表覆盖分类数据,采用光能利用率模型和土壤呼吸模型估算呼伦湖流域不同植被类型碳汇时空变化规律及对气候因子的响应差异。结果表明,2013年以来,呼伦湖流域生态系统整体发挥碳汇功能,但植被固碳能力降低,58.29%的区域植被NEP呈减少趋势,36.77%的区域植被NEP呈微弱增加趋势;区域月均NEP(以C计)呈现先减少后增大的年际变化特征,变化区间为8.41~16.44 g·m^(-2)·月^(-1);流域内草地生态系统具有最高碳汇总量(以C计),约为37 Tg·月^(-1);流域内农田NEP受温度影响最大,森林NEP受温度、降水量和辐射共同影响,草地NEP主要受温度和降水量共同影响,而湿地NEP与气候因子相关不明显。

基于网格化大气再分析气象资料的“一带一路”沿线合作国家暖通空调设计用室外计算参数集研究

“一带一路”沿线合作国家基础设施建设需求日益增加,越来越多的研究和工程在此背景下开展。气象参数作为暖通空调设计和工程建设的重要数据基础,室外计算参数资料如何获取是亟待解决的问题。本研究对目前“一带一路”沿线合作国家的气象资料的现状进行了综述,提出基于全球网格化大气再分析数据集生成室外计算参数资料的方法,并以欧洲中期天气预报中心的第五代再分析气象数据集(ERA5)为例,通过与地面台站观测数据的对比,对网格化大气再分析数据集作为逐时数据源生成暖通空调及建筑节能用气象参数的可用性进行讨论分析。对比结果表明,ERA5网格化大气再分析气象资料与地面台站观测数据资料有较好的一致性。另外本研究基于ERA5,采用目前我国现行暖通空调规范中室外空气计算参数的统计方法,统计得到“一带一路”沿线合作国家的室外计算参数集,为“一带一路”沿线合作国家基础设施建设相关研究及工程应用提供数据支持。

基于不同降水产品的WRF-Hydro模式径流模拟——以漳河流域为例

以漳河流域为研究区域,以CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料为WRF-Hydro模式的输入,进行径流模拟,对比分析模拟径流与实测径流的差异,探讨基于两种降水数据的WRF-Hydro模式在漳河流域的径流模拟效果。结果表明:三源降水融合数据的径流模拟效果较优,纳什系数均达到0.7以上,模拟径流与实测径流过程吻合较好;采用三源降水融合数据和ERA5再分析降水资料率定WRF-Hydro模式,以ERA5再分析降水资料为输入,径流模拟结果都不佳;总体而言,三源降水融合数据与WRF-Hydro模式耦合能够较好地模拟漳河流域径流过程。

江苏区域格网加权平均温度线性模型研究

针对建立区域加权平均温度线性模型的问题,该文提出了将ERA5再分析数据和无线探空数据结合的方法,利用线性回归方法建立单因子和多因子模型,实现对江苏及周边地区的加权平均温度建模。对于有探空站点分布的ERA5格网区域,利用探空数据对ERA5建立的线性Tm模型进行修正,对于无探空站分布的ERA5格网区域使用江苏及周边区域整体修正系数对Tm进行修正。根据2018年数据进行验证,结果表明,本文所建立的单因子模型精度与之相当甚至略优,建立双因子模型的精度提高最大可达10.52%,证明了利用ERA5再分析资料和无线电探空建立江苏区域Tm模型的适用性。