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。

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ERA-Interim再分析资料的中国极端气温分析

采用中国陆域1989年-2009年3小时0.71°格点的ERA-Interim地表2m气温预报数据,运用累积分布函数与分位数对研究区的极端低温和极端高温进行分析。结果表明:东北、青藏高原及西北地区为极端低温的集聚区,极端低温逐步沿西北-东南方向递增;青藏高原为全国极端高温中的唯一冷中心,西北盆地为最热中心;ERA-Interim再分析资料能够较好地反映中国极端低温和极端高温空间分布规律,整体上具有较好的可信度。结合分位数方法定量分析了极端气温的持续时间,为极端气候事件的定量研究提供了方法借鉴。

ERA Interim再分析资料的云量可靠性分析——以太原和五寨为例

利用气象信息综合分析处理系统地面实况报文和欧洲中期天气预报中心再分析(ERA Interim)的4次/d总低云量资料,对比分析了再分析资料对太原和五寨总低云量的代表性.结果表明,太原和五寨不同观测时次总云量和低云量多年平均(2002年2月1日-2013年12月31日)观测值与ERA Interim再分析云量变化趋势较为一致,除02:00外,08:00、14:00、20:00的ERA Interim再分析资料均偏低,ERA Interim低云量均低于观测值.总云量月平均值ERA Interim资料高于站点观测值,14:00偏差较大.太原和五寨不同观测时次总云量累积分布趋势整体较一致.太原和五寨总云量的相关系数在0.6以上,08:00和14:00相关系数在0.7以上.低云量相关系数明显低于同时次的总云量相关系数,低云量不同月份不同时次的相关系数差异较大,总云量平均绝对误差相差不大;低云量平均绝对误差部分时次较大.

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。

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。

基于观测和再分析资料的气温、海表温度在江苏海域的比较分析

文章利用海洋台站观测资料,对3类再分析资料的气温、海表温度数据在江苏海域进行比较分析。结果表明:总体而言,气温、海表温度的再分析数据与观测数据均具有很高的一致性,且海表温度再分析数据与观测数据的一致性高于气温再分析数据;在3种再分析资料中,ERA5的可靠性优于JRA-55和NCEP;在离岸较远的外磕脚测点,再分析数据与观测数据的一致性高于另2个测点;在台风影响期间,吕四测点、外磕脚测点的再分析数据与观测数据更为接近,在更近岸的连云港测点,再分析数据与观测数据的差异更大;在冷空气造成的气温下降期间,再分析数据与观测数据的差异较小,但在气温缓步回升期间,吕四测点、外磕脚测点的再分析数据明显高于观测数据;在冷空气影响过程中,再分析数据反映的海表温度下降幅度明显低于观测数据。本研究可为再分析资料在江苏海域的适用性和可信度提供评估依据。

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。

南海-西北太平洋季风槽及其与热带气旋的关系:不同再分析资料对比

利用1981—2020年中国气象局(CMA)热带气旋最佳路径数据集、CMA大气再分析资料(CMA-RA)、欧洲中期天气预报中心再分析资料(ERA5)及NCEP/NCAR再分析资料(NCEP-I),对比CMA-RA与ERA5、NCEP-I对南海-西北太平洋季风槽及其与南海热带气旋活动关系的表现能力,探讨CMA-RA的适用性。结果表明:不同资料均表征出南海和西北太平洋西段槽区低层气旋式涡旋明显、东段均匀的特征,CMA-RA和ERA5对低层涡度场描述的差异较小。两两资料间得到的季风槽强度的相关性较高,且为CMA-RA>ERA5>NCEP-I,对南海槽区的描述差异最大;对东伸点的刻画具有较高一致性,CMA-RA较ERA5和NCEP-I偏西;但对南北位置的刻画一致性较差,其中CMA-RA与ERA5的差异较小。所有资料均刻画出季风槽区中、低层强辐合、高层强辐散的结构,沿105°~160°E平均的涡度垂直剖面差异以CMA-RA与ERA5最小、CMA-RA与NCEP-I最大。CMA-RA季风槽与热带气旋频数关系最密切,ERA5次之,ERA5季风槽强度与热带气旋强度关系最密切,ERA5和CMA-RA季风槽东伸点与热带气旋强度关系较NCEP-I密切。总体来看,CMA-RA对季风槽及其与南海热带气旋活动关系的刻画具有与ERA5和NCEP-I相当的表现能力,且与ERA5的一致性高。

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。

基于再分析资料的近百年中国极端冷事件的变化

全球变暖背景下,中国区域极端冷事件发生明显变化。由于观测资料的限制,近百年极端冷事件变化特征的研究还较少。通过对比观测资料和两套百年尺度的再分析资料计算得到的13个极端冷事件指数,对中国区域极端冷事件变化特征的分析表明:同全球变暖一致,20世纪早期以来,中国极端冷事件的强度、频率、持续时间均呈减小趋势,基于过冷系数定义的寒流次数、持续日数均呈现减少趋势,采暖度日数减小,反映我国供暖能源需求呈减少趋势。1951年以后极端冷事件的特征的变化更为显著,一些指数的变化明显超过百年尺度的变化,说明20世纪中期以后冷事件迅速减弱、减少。两套百年尺度的再分析资料可用来研究中国区域极端冷事件变化,但在资料匮乏的地区不确定性很大,需要谨慎考虑资料分布范围和资料质量等问题。

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。

三套再分析降水资料在安徽省的适用性评估

利用1979—2018年安徽省台站降水观测资料,分别从年、季、月尺度和梅雨量对三套高分辨率再分析降水资料(CMA-RA、CMFD、ERA5)在安徽省的适用性进行分析评估。结果表明:三套再分析资料均能模拟出安徽省夏雨集中,春雨多于秋雨,冬雨最少的季节降水特征;多年平均月降水量较实况均为正偏差,12月降水量的平均绝对百分比误差最大。三套资料均明显高估了安徽省山区的降水量。其中,CMA-RA资料的年降水和夏、冬季降水及沿江江南地区梅雨量空间分布表征最好;CMFD资料的降水量年际变化表征较好,但空间分布较差,春、秋季降水时空分布以及梅雨量年际变化表征最好;ERA5资料的降水量模拟存在系统性高估,且偏差最大,仅1月降水量较其他资料略好。

三种再分析气温降水资料在青藏高原的适用性评价

基于青藏高原61个区域级气象站的气温降水地面观测数据,对CMFD(中国区域高分辨率地区驱动数据集)、CRA(全球大气和陆面再分析资料)以及MERRA-2(大气再分析资料)数据集的日、月、季节以及年气温、降水数据进行精度对比分析,评估3套数据的准确性以及在青藏高原的适用性,结果表明:(1)3套年平均气温资料70%的R_(MSE)<4℃,其中CMFD拟合精度最高,2/3的站点R_(MSE)<2℃;CMFD和CRA对年降水的拟合精度较高,MERRA-2低估了高原中部的年降水量。(2)CMFD对季节平均气温整体拟合结果最好,尤其是气温较高的夏季和秋季;CRA在降水较为集中的夏季和秋季拟合结果最接近观测值,而在降水较少的春季和冬季CMFD拟合结果最好。(3)CMFD对月平均气温拟合结果整体上最接近观测值;月降水拟合结果与季节降水结果相似,CMFD对降水偏少月份拟合结果较好,CRA在降水偏多月份最接近观测值。(4)对61个区域站进行日尺度平均气温和降水数据精度评估,发现CMFD和CRA拟合效果最好,CMFD拟合趋势一致性好。

ERA5再分析资料在辽宁省的适用性分析与订正

基于2009—2018年辽宁省62个地面站和9个探空站(省内4部,省外5部)资料,提取了温度、湿度、气压、风场等常用物理量,采用统计分析方法对ERA5资料在辽宁省的适用性进行了分析,并尝试使用机器学习的方法订正ERA5资料的偏差。结果表明:在地面观测要素分析中,2 m温度相关系数普遍较高,均方根误差普遍偏低,辽河流域及其西侧地区效果好于其他地区;10 m风速对比结果总体稍差,U分量相关系数总体低于V分量;ERA5资料质量有明显的月变化特征,相关系数总体呈现春秋季高于夏冬季,且相关系数总体较高的季节,均方根误差也普遍偏高。在高空观测要素分析中,辽宁中部地区的数据质量高于东西部,温度的平均相关系数最高,相对湿度相关系数平均较低,均方根误差总体较大;相对湿度的相关系数在春夏之交时最低,夏季上升较快,夏秋之交时达到最高,相关系数快速上升的月,均方根误差也呈现出快速上升的趋势;高空U风场和V风场的均方根误差总体相差不大,且均方根误差月变化一致,总体经向风(V风场)质量低于纬向风(U风场)。通过机器学习的订正方法有效提升了地面温度和相对湿度的应用能力,使ERA5地面温度资料的均方根误差缩小0.5~1.0℃,地面相对湿度资料的均方根误差缩小最高可达26%。

基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征

使用柏林自由大学发布的1980—2020年近赤道站点探空月平均纬向风资料,首先评估ERA5赤道地区平流层中低层纬向风,然后结合ERA5、NCEP1、NCEP2、CFSR、JRA55和MERRA2等六套再分析资料和探空资料,分析了热带平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)位相转换时间、周期和振幅的年际变化以及QBO周期和振幅的长期变化趋势。结果表明,ERA5的赤道平流层中低层纬向风存在明显的QBO信号,且ERA5的各层纬向风与探空资料的相关系数都大于0.97,除10 hPa外,均方根误差(RMSE)都小于3;再分析资料与探空资料的QBO位相转换时间的差异主要为超前或滞后1个月,总体上,ERA5和MERRA2与探空资料最接近;再分析资料与探空资料QBO周期以及东、西风位相持续时间都很接近,相关系数高达0.97以上,RMSE几乎都小于1,且几乎都无显著长期变化趋势,但都表现出随时间越来越不稳定的特征,其中ERA5和MERRA2同样与探空资料更接近;探空资料的QBO振幅在10 hPa和50 hPa显著减弱,30 hPa和70 hPa显著增强,但在20 hPa变化趋势不明显,ERA5的QBO振幅变化趋势和年际变化与探空资料最接近,其次是JRA55和MERRA2。

基于GNSS的再分析资料对流层延迟精度评估

对流层延迟对导航定位精度有着重要的影响,而再分析资料提供的高精度气象参数计算的对流层延迟可应用于定位过程中以提升定位精度.本文针对三种再分析资料计算的对流层延迟进行精度评估,并将其应用在精密单点定位中,分析其对定位精度的影响.首先,利用2020年全球范围内125个IGS(International GNSS Service)站的对流层天顶总延迟(Zenith Total Delay, ZTD)作为真值对三种再分析资料(ERA5、MERRA2、CRA40)计算的ZTD进行了精度评估,并分析其时空分布特性.研究结果表明:ERA5-ZTD的均方根误差(RMS)最小(12.1 mm),其次为CRA40-ZTD(15.8 mm)和MERRA2-ZTD(16.9 mm),整体上ERA5-ZTD的精度最高;据所选的IGS站点的比较结果发现赤道平均偏差(BIAS)呈现负值,在中高纬度地区CRA40的精度优于MERRA2,在低纬度地区则相反,而ERA5在各纬度平均精度均为最优;当考虑季节因素时,三者计算的ZTD-RMS在夏秋季较大,其中ERA5的RMS季节变化最稳定.之后还利用180个探空站点对三者计算的ZTD、天顶干延迟(Zenith Hydrostatic Delay, ZHD)、天顶湿延迟(Zenith Wet Delay, ZWD)进行了进一步精度评估,ERA5、MERRA2、CRA40的年均ZTD-RMS分别为13.2, 18.7, 14.9 mm.而年均ZHD-RMS分别为8.2, 8.5, 8.2 mm,差异较小,年均ZWD-RMS分别为9.3, 14.6, 11.6 mm,变化较大.最后,使用ERA5、MERRA2、CRA40计算的ZTD进行精密单点定位实验,结果显示,相对于Saastamoinen模型,其在N方向分别提升了59%、56%、47%、E方向提升了51%、47%、41%、U方向提升了81%、78%、75%.总体而言,ERA5对流层延迟精度在各方面表现均为最优.

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。