基于再分析资料与观测资料的中国低温阈值变化特征研究

采用1979—2013年中国192站逐日最低温度观测资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、JRA-55、ERA-Interim再分析资料及1979—2004年均一化资料,分别计算低温阈值并对比分析其气候态、年际和年代际变化、长期趋势等特征。结果表明:与观测结果相比,均一化资料阈值在东北、内蒙古西部和两广等地偏低,在青藏高原东侧、新疆北部和黄河中下游偏高,线性趋势则相反;再分析资料阈值在南方偏低、东北偏高,在东部的可信度高于西部;再分析资料能显示内蒙古中西部的降温趋势和青藏高原的增温趋势,但在数值和范围上有差异,且均低估了观测资料反映的华北地区的显著升温现象;再分析资料能体现观测资料阈值的全区一致性、东北与其他地区反相的空间分布及其年际变化特征,仅JRA-55和ERA-Interim可再现低温阈值的年代际变化特征。     

不同时间尺度下中国东部夏季最高温度观测与再分析资料的比较

利用中国气象局中国气象数据网提供的地面观测资料集及JRA-55、ERA-Interim、NCEP/NCAR和NCEP/DOE四种再分析资料集的日最高温度资料,运用线性分析、方差分析、EOF分析和滤波等方法,对1979—2013年中国东部地区夏季不同再分析资料和观测资料日最高温度的多时间尺度特征进行对比分析。结果表明:夏季最高温度多年平均由南向北逐渐降低,长江以南在30℃以上,JRA-55对东部地区夏季日最高温度的多年平均特征的再现能力较优;近35年东部地区夏季日最高温度整体呈增长趋势,长江中下游以及内蒙古东部地区增长趋势明显;再分析资料对最高温度长期变化特征的再现能力在不同地区各有优劣,JRA-55略优于其他资料。夏季最高温度空间上以长江中下游以南与其以北地区反位相变化为其主要特征,其中ERA-Interim的空间分布特征与观测资料较为相似,其次为NCEP/DOE;时间变化则以年际变化为主,ERA-Interim的年际变化特征最接近观测资料。JRA-55、NCEP/NCAR以及NCEP/DOE在21世纪之后变化特征与观测资料较为相似,表现为振幅减弱而后回升的趋势;在季节内尺度上,夏季日最高温度主要周期为20~60天,其方差贡献在云贵、东北地区以及甘肃东部、陕西一带较大,再分析资料对季节内时间尺度的再现能力由高到低依次为JRA-55、ERA-Interim、NCEP/DOE、NCEP/NCAR。     

两种再分析月平均气温资料在蒙古国的适用性评估北大核心CSCD

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。     

青藏高原东部三种再分析资料与地面气温观测资料的对比分析

为了检验再分析资料在青藏高原(下称高原)的适用性,以地面观测资料为标准,综合比较了1989-2009年间NCEP/DOE(简称NCEP)、ERA-interim(ERA)和JRA-25(JRA)三种再分析资料在高原东部地区的月平均地面气温的分布和变化规律。从平均季节变化来看,夏季再分析资料与观测资料的一致性总体好于冬季,其中NCEP资料整体偏低于观测资料,JRA则相反。从线性趋势来看,ERA和JRA资料与观测资料较一致,均表现出高原东部区域整体增暖趋势,而NCEP资料则表现出略微的下降趋势。从年际尺度变化来看,ERA和JRA资料所反映的年际变化和变率特征要好于NCEP资料,并且JRA资料的结果要优于ERA资料。最后,比较了三种再分析资料的质量指数,发现ERA资料质量最好,NCEP资料最差,而且NCEP和JRA资料在近20年质量有变差趋势,ERA资料有变好趋势;ENSO、东亚季风和高原季风对再分析资料地面气温场的质量均有一定的影响。     

环渤海区域再分析资料地面风速场的适用性对比分析

利用环渤海区域的气象站资料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、CFSR、ERA Interim、JRA-55共5种再分析资料,讨论了再分析资料近地面10 m平均风速场在环渤海区域的适用性问题。结果表明：JRA资料与观测站的相关系数最大,ERA资料与23站均方根误差的平均最小;再分析资料与气象站观测资料的相关系数在山东半岛和辽东半岛高于其他地区、冬半年大于夏半年。环渤海区域地面10 m平均风速场JRA和ERA两套资料的适用性较好。由于ERA-Interim的水平分辨率更高,所以在强风过程分析中确定使用ERA Interim再分析资料。     

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。     

中国区域探空资料与再分析资料风速场的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及MERRA三种再分析资料,讨论了再分析资料风速场在中国区域的适用性问题。结果表明:在中国区域的年平均场上,高空风速在我国对流层高层和中层均存在长期减弱的趋势,在我国东部和南部地区的对流层低层也存在减弱趋势,ERA-interim资料和MERRA资料适用性相对较好。再分析资料风速在多年年平均场上普遍小于探空风速。在对流层高层,1980年代至1990年代ERA-interim资料适用性好,而21世纪以后,NCEP/NCAR的适用性较好;在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料适用性较好。在中国区域的季节平均场上,高空风速在冬季的对流层高层和中层中普遍存在增加的趋势,而在春季、夏季和秋季的对流层高层和中层存在减小的趋势。探空资料与再分析资料在冬季偏差最小,在夏季偏差最大。在对流层中层和低层,NCEP/NCAR资料和MERRA资料在冬季的可信度相对较好,MERRA资料在夏季的可信度相对较好;在对流层高层和平流层低层,ERA-interim资料和MERRA资料在四季中的可信度都相对较好。     

中国冬季最低气温观测与再分析资料的比较

运用EOF分解、线性趋势分析、方差分析、小波分析、相关分析等方法,从均值、长期变化、年际和年代际变化特征等方面对NCEP/NCAR(N1T)、NCEP/DOE(N2T)、ERA-Interim(ET)、JRA-25(JT)4种再分析资料集和194站观测资料集中1979—2012年我国冬季最低气温(WTMIN)进行比较。结果表明:(1)ET在再现观测冬季最低气温多年平均时最优;(2)除新疆北部和西南部以及东北北部有降低趋势外,我国大部分地区WTMIN有升高的趋势,N1T对观测温度长期变化趋势再现能力优于其他3种资料;(3)观测WTMIN在中国北方和高原地区年际和年代际变化大于南方地区,四种再分析WTMIN对我国冬季最低气温的年际和年代际变化的再现在不同区域各有所长,总体上以ET为优。(4)再分析资料在再现观测WTMIN年代际时间尺度上的能力相当,以ET最优,尤其是在我国中东部地区和新疆北部地区。N1T和N2T对东北地区观测冬季最低气温年际变化的再现能力较好,ET再现观测WTMIN在1990s之前,2005年之后的3~4 a变化周期特征时能力略优于其他3种资料。     

几种再分析地表气温资料在中国区域的适用性评估

应用台站观测资料对ERA-40、NCEP/NCAR、NCEP/DOE和JRA-25等几种再分析地表(2m)气温资料在中国不同区域、不同年代和季节的气候均值、年际变化和变率特征及其气候趋势等所反映出来的适用性问题进行了系统评估.结果表明,几种再分析产品在全国大多数地区的气候变化研究中都具有一定的合理性,特别是1979年以后的资料可靠性更高一些.但相比而言,它们在冬季的可信度一般要高于夏季,东部地区的可信度一般要高于西部地区;ERA-40和JRA-25再分析产品的适用性要高于NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析产品;其中,JRA-25在均值、年际变化和变率特征的描述上具有更高的可靠性,而ERA-40在长期气候变化趋势(44年)的描述上则要明显优于NCEP/NCAR再分析产品.     

多种再分析地面气温资料在江西省的适用性

为评估不同再分析地面气温资料的适用性和模拟精度，采用双线性内插法将JRA55、ERA Interim、ERA5和MERRA2等再分析地面气温资料降尺度至气象观测站，评估其对实测气温的平均态（平均偏差、均方根误差、相关性分析）、趋势态（年际趋势）和极端态（高温日数、低温日数）的再现能力。通过在江西省的对比分析，结果表明：①利用邻近格点气温和高度值计算的逐时气温垂直递减率具有合理的波动范围以及季节性周期，适用于复杂地形下逐时再分析资料的内插订正；②订正后JRA55地面气温资料的均方根误差最小，MERRA2其次，ERA Interim和ERA5最大；③从气温年际变化趋势来看，JRA55、ERA Interim和ERA5增温速率与实测值较为一致，且JRA55对增温中心的刻画更优；④4种再分析资料均能再现高、低温日数的年际波动，但JRA55在量级上描述最优。综上，再分析地面气温资料的适用性JRA55＞ERA Interim＞ERA5＞MERRA2，JRA55再分析资料能较好地再现气温实际观测资料。     

3种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的对比:年平均特征

利用中国105站的探空资料以及NCEP/NCAR、ERA和JRA 3种再分析资料,采用线性趋势、标准差、相关系数、EOF分析等多种统计分析方法,对再分析资料年平均的高空温度在中国区域的可信度进行了分析.研究表明:在数值上,3种再分析资料的高空温度均小于探空资料的高空温度,NCEP/NCAR资料在对流层上层更接近于探空资料,ERA和JRA资料则在对流层中下层与探空资料更为接近;在描述年际变化和长期变化趋势方面,ERA资料在我国北方的对流层上层的再现能力较好,NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层的再现能力较好,而3种再分析资料在对流层中下层的再现能力相当;在时空变化特征方面,NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现高空温度的年代际变化特征,而ERA和JRA资料则能较好地表现年际变化特征.     

NCEP再分析资料和中国站点观测资料的分析与比较

美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料,在很多气候模拟和预测研究中都被作为区域气候模式的驱动场和初始场资料,并用来检验模拟结果的.作者通过对NCEP的2种再分析资料NCEPI和NCEPⅡ与中国台站观测资料的月平均温度和月降水总量进行相互插值,分析和比较了NCEPⅠ、NCEPⅡ再分析值与中国区域内观测值之间的差异以及2种再分析资料之间的差异.从结果可以看到,NCEP再分析资料的月平均温度较观测值普遍偏低,而月降水总量较观测值则偏高;就季节变化而言,NCEP再分析值在夏季和年平均模拟的较好,冬季较差.同时可以看到,在温度和降水方面NCEPⅡ较NCEPⅠ都有所改进,尤其在中国东部地区,改进较为明显.     

中国区域再分析湿度资料与均一化探空湿度资料的对比分析

利用1980—2010年中国98个探空站均一化月平均温度和温度露点差资料(OBS)和NCEP/NCAR(NCEP)、ERAInterim(ERA)、JRA-25(JRA)3种再分析月平均比湿资料,使用相似分析、趋势分析等方法对中国区域4种资料高空比湿进行了对比分析。结果表明:(1)从空间分布特征分析,JRA比湿与OBS比湿的空间分布相似系数最大。(2)3种再分析资料比湿普遍大于OBS比湿,除个别站点个别层次外,JRA和OBS比湿更加接近;再分析比湿和OBS比湿的相对偏差随高度增加而增大,且冬春季大于夏季。(3)从长期变化趋势分析,在对流层低层,JRA和0BS比湿较接近,在对流层中高层ERA和OBS比湿较接近。     

4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40和JRA-25共4种比较常用的再分析资料在中国区域的适用性研究作了概述。结果表明：4种资料既呈现出一定的共性,又在不同区域、不同时间尺度上差异显著;再分析资料的可信度普遍表现为在东部地区好于西部地区,低纬地区好于高纬地区,这可能与中国地面气象站点＂东密西疏＂有关;1979年前的再分析资料存在较大的不确定性,因此在应用该时段NCEP/NCAR资料研究长期气候变化研究时需要谨慎;再分析资料的不同要素在不同时间、不同地域的适用性不同,因此应分区域、分要素和分季节选择合适的资料。从不同角度探讨了再分析资料的优缺点及在中国区域的适用性,旨在为中国区域气候变化研究选用再分析资料提供借鉴和参考。     

江淮流域极端降水时空变化特征:站点观测和再分析的对比

利用淮河流域1979—2011年260个站点观测、ERA-Interim和NCEP/DOE再分析资料的日降水量数据,选用8个极端降水指数,从空间分布、发展趋势、时间变化等方面对比分析了我国江淮流域极端降水的变化规律,研究了再分析数据的适用性,结果表明:1)持续湿润指数(CWD)、强降水日数(R10mm,R20mm)以及百分位指数(R95p,R99p)具有一致的北少南多的分布特征,而持续干燥指数(CDD)为北多南少,且强度指数(Rx1day,Rx5day)和百分位指数在浙江沿海均有极大值存在。2)大部分地区的强降水日数呈减少趋势,仅在江淮周边地区有弱上升趋势。3)区域平均的降水强度指数具有上升的趋势变化,逐月变化具有先增长后减少的结构特征,5—6月的增长量最大,峰值出现在7月,在夏末、冬季有较明显的随年代增加的趋势,在秋季则随年代减少。4)再分析资料ERA-Interim和NCEP/DOE对不同指数的再现能力有所不同,ERA-Interim对强降水日数(R10mm)、CDD、百分位指数的空间分布以及CDD的变化趋势再现能力较好,与强度指数和百分位指数年际变化的相关性较高,但对CWD变化趋势分布特点的再现能力较弱;NCEP/DOE更善于再现较强降水日数(R20mm)的空间分布以及强度指数和百分位指数的线性变化趋势。5)两种再分析资料能合理地再现强降水日数(R10mm,R20mm)和CDD年际变化特征和强度指数的季节变化特征。     

东亚地区500 hPa位势高度场NCEP/NCAR再分析资料与ERA-40资料的比较

运用统计分析方法对3份500 hPa位势高度场资料,即NCEP/NCAR全球大气再分析月平均资料和欧洲中心ERA-40资料,国家气候中心的NMC资料(该资料的基础是站点观测资料的实测数据,并结合中央气象台的日常累积资料整编而成)进行比较,以讨论NCEP/NCAR再分析资料与ERA-40资料以及NMC资料的相关性,尤其在东亚地区的可靠性.3份资料综合分析得到如下结论:在东亚地区,特别是贝加尔湖以南至中国西北和中西部的大部分区域内(30°-50°N,80°-115°E),NCEP/NCAR资料和ERA-40资料各季的平均场、相关场均存在大范围的显著性差异区,差异最大的季节在夏季,时段为1958-1970年,而在冬季相关较好.同时NCEP/NCAR资料在20世纪60年代初出现异常低值,在60年代中期有突然的增长,而欧洲中心的ERA-40资料和国家气候中心的NMC资料均无此现象.针对以上问题,对北半球500 hPa资料的使用提出如下建议:在东亚地区应用NCEP/NCAR资料时,如果范围涉及贝加尔湖以南至中国西北和中西部地区(30°-50°N,80°-115°E),尽量应用20世纪70年代以后的资料,尤其在春、夏两季;而该区域内的ERA-40资料和NMC资料在这一时段内是基本一致,具有可信性.     

中国区域位势高度场探空与再分析资料的对比分析

利用中国高空探空资料和NCEP/NCAR、ERA以及JRA 3种再分析资料,采用偏差、线性趋势、EOF等统计方法,分析、讨论了再分析资料位势高度场在中国区域的适用性问题。结果表明:在年平均场上,探空资料在中国北方地区对流层中存在上升趋势,在平流层低层存在下降趋势;并且有整层变化相同的年际变化特征和对流层南北方反位相变化的年代际变化特征。再分析资料位势高度场数值上普遍小于探空资料;NCEP/NCAR资料与探空资料较为接近。在季节平均场上,探空资料在冬季对流层中存在一致的上升趋势,在春、夏和秋季的长期变化趋势与年平均场类似;探空资料与再分析资料在冬季的偏差最小。不同资料的EOF第一模态分布,在不同季节中差别较大,NCEP/NCAR资料在春季、夏季和冬季适用性较高,ERA资料在秋季适用性较高。     

对三套再分析资料中国大陆地区夏季降水量的评估分析

以中国台站降水为参照,评估分析了三套再分析资料(NCEP/DOE,ERA和JRA)对中国夏季降水场的再现能力。结果显示,三套资料均能基本再现夏季降水量分布的主要特征,亦能较好刻画大部分地区降水的年际和季节内变化特征,但同时也存在诸多问题:NCEP资料在青藏高原东坡存在一个虚假降水中心,且对中西部和西南地区夏季降水的季节内演变特征再现能力较差;ERA资料降水量系统性偏小,且不能合理描述中西部地区降水的年际变化;JRA资料高估了华南沿海地区的降水量。三套资料均存在高估弱降水、低估强降水的问题。对日降水量≥0.1 mm的降水事件进行TS、BS评分,三套资料的TS评分在0.6左右,BS评分在1.5左右;随着参与评分的降水等级的提升,两项评分都迅速下降,三套资料对暴雨的预报评分都非常低。通过分析可了解当前较先进的数值预报模式在基本真实的环流场强迫下对我国夏季降水的预报能力,认识模式中物理参数化过程导致的模拟偏差,为模式发展和评估提供参照。     

4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40和JRA-25共4种比较常用的再分析资料在中国区域的适用性研究作了概述。结果表明：发现4种资料既呈现出一定的共性,又在不同区域、不同时间尺度上差异显著。再分析资料的可信度普遍表现为在东部地区好于西部地区,低纬地区好于高纬地区,这可能与中国地面气象站点“东密西疏”有关;1979年前的再分析资料存在较大的不确定性,因此应用该时段NCEP/NCAR资料研究长期气候变化研究时需要谨慎;再分析资料的不同要素在不同时间、不同地域的适用性不同,因此应分区域、分要素、分季节选择合适的资料。从不同角度研讨了再分析资料的优缺点及在中国区域的适用性,旨在为中国区域气候变化研究选用再分析资料提供借鉴和参考。     

几种再分析地表气压资料在中国区域的适用性评估

应用台站观测资料对ERA-40, NCEP/NCAR以及NCEP/DOE再分析地表气压产品在中国不同区域、不同年代和不同季节的适用性进行了评估。分析发现, 几种再分析产品虽然能在一定程度上反映出观测资料所具有的时空分布特征, 但它们之间的差异却具有明显的区域和季节变化特征, 即冬季小而夏季大、东部地区小而西部地区大; 同时还发现ERA-40和NCEP/NCAR再分析产品在20世纪70年代以前均与观测资料有相对较大的差别, 特别是NCEP/NCAR在70年代以前的夏季气压值过于偏低, 从而夸大了很多地区的年代际变化特征。相比而言, ERA-40地表气压的长期变化趋势以及时空演变规律在中国大多数地区要优于NCEP/NCAR再分析产品, 特别是在中国西部地区。分析还表明, NCEP/DOE虽与观测资料存在一定的系统性偏差, 却与另外两种再分析产品有着较为相似的年际变化特征及趋势。