NCEP/NCAR(Ⅰ、Ⅱ)和ERA40再分析加熱資料比較*

王同美，吳國(guó)雄，應(yīng) 明

(1．中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣東廣州 510275；2．中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所LASG，北京 100029；3．中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030)

大氣中的非絕熱加熱是推動(dòng)大氣環(huán)流系統(tǒng)、使天氣系統(tǒng)發(fā)展的主要熱力強(qiáng)迫因子，其計(jì)算對(duì)于診斷分析以及數(shù)值預(yù)報(bào)等都非常重要。對(duì)大氣非絕熱加熱率的計(jì)算一般有兩種方法，一種是順?biāo)惴?，即直接?jì)算非絕熱加熱三個(gè)組成部分，潛熱加熱、感熱加熱和輻射加熱后求和，這種方法能得到總加熱和各加熱分量的貢獻(xiàn)，以及各量隨高度的分布，計(jì)算結(jié)果的精確度在很大程度上與所選取的計(jì)算方案有關(guān)；另一種常用的方法是倒算法[1]，即根據(jù)熱力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)方程，利用風(fēng)場(chǎng)和溫壓場(chǎng)的資料來(lái)倒算加熱率的分布。再分析資料中的非絕熱加熱資料基于第一種方法計(jì)算，與一套同化資料的其它物理量場(chǎng)之間具有動(dòng)力一致性和協(xié)調(diào)性，對(duì)機(jī)制分析而言十分有利。但模式的加熱資料屬于C類(lèi)資料，即無(wú)直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，完全依賴(lài)于同化模式而得到，因而使用中需額外謹(jǐn)慎[2]，對(duì)其進(jìn)行比較和適用性的分析也是十分必要的。

目前被認(rèn)為質(zhì)量較好、可信度較高并在世界范圍廣泛使用的再分析資料，包括美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP / NCAR)再分析數(shù)據(jù)集，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)再分析資料ERA40，日本JRA-25再分析數(shù)據(jù)集等。其中，NCEP/NCAR和ECMWF的資料年代是最長(zhǎng)的。

NCEP/NCAR Reanalysis資料[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)NCEP-1)，是現(xiàn)在氣候研究中廣泛使用的時(shí)間序列最長(zhǎng)的再分析資料，在氣候診斷、模擬的各個(gè)方面有廣泛應(yīng)用，但Kistler等[4]指出，NCEP-1存在3處人為錯(cuò)誤，包括1974-1994年期間誤用了1973年的地面積雪數(shù)據(jù)，由澳大利亞整編的南半球海平面氣壓數(shù)據(jù)在經(jīng)度上180°錯(cuò)位，水汽擴(kuò)散計(jì)算問(wèn)題導(dǎo)致冬季某些高緯度地區(qū)出現(xiàn)虛假降雪，以及當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速為0時(shí)感熱通量為0而造成地面溫度不真實(shí)，這些問(wèn)題在不同程度上影響了地面通量場(chǎng)的可信度。

鑒于此，NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis[5](NCEP-2)對(duì)1979年1月以后的資料重新進(jìn)行同化再分析，修正了NCEP-1中的人為誤差，在土壤濕度(尤其是年際變化)、短波輻射通量、雪蓋和地表溫度、海洋的校正反照率和輻射通量方面對(duì)NCEP-1有較大的改進(jìn)；對(duì)熱帶地區(qū)降水、高緯度降水和地表溫度以及地表通量方面的改進(jìn)也較明顯。但是對(duì)熱帶暖池區(qū)的長(zhǎng)波輻射和對(duì)流層頂?shù)拇髿鉂穸?，NCEP-2的結(jié)果沒(méi)有NCEP-1 好。

ECMWF的40年再分析資料[6](ERA-40)是另一套廣泛使用的再分析資料，它同化了TOVS晴空輻射的所有資料，這對(duì)于加熱場(chǎng)的改進(jìn)是非常有利的。

再分析資料的質(zhì)量主要受預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)、同化系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)誤差等方面的影響，因而對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估是十分必要的，很多學(xué)者從不同角度對(duì)此進(jìn)行了分析和比較[7-10]，也有不少工作針對(duì)這幾種再分析資料在我國(guó)區(qū)域氣候中的適用性進(jìn)行了研究[11 -15]。總的來(lái)說(shuō)，再分析資料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，我們應(yīng)該針對(duì)不同的研究目的和研究對(duì)象來(lái)選擇適用的資料。

本文對(duì)NCEP-1、NCEP-2和ERA-40三套資料中垂直積分的總加熱率和地表感熱通量進(jìn)行初步的比較，從多年平均的水平分布和季節(jié)變化，以及高原地區(qū)平均加熱的年際變化等方面做對(duì)比，以分析其在亞洲地區(qū)特別是在高原和亞洲熱帶地區(qū)的適用性。

1 資料簡(jiǎn)介及其處理

1.1 加熱率

本文所用NCEP-1和NCEP-2月平均加熱率資料，水平分辨率為高斯網(wǎng)格約1.875×1.875經(jīng)緯度，垂直分辨率為σ面28層，包括深對(duì)流、淺對(duì)流、大尺度凝結(jié)、長(zhǎng)波輻射、短波輻射和垂直擴(kuò)散加熱率，資料時(shí)段NCEP-1為1958-1999年，NCEP-2為1979-2004年。EC的非絕熱加熱資料為水平分辨率約1.125×1.125，包括垂直4層(0～250，250～500，500～750和750 hPa-表面)的分層加熱和垂直積分的總加熱，時(shí)間分辨率為逐月，時(shí)段為1958-2001年。

為了便于比較，本文選取各類(lèi)資料相同的時(shí)段1979-1999共21 a資料，并對(duì)NCEP/NCAR的各類(lèi)天氣非絕熱加熱率的總和按下式做垂直積分：

其中Cp是定壓比熱，Ps是地面氣壓，g為地球重力加速度。

1.2 地表感熱通量

三套再分析資料的地表感熱通量，時(shí)間分辨率均為逐日4次，本文將之處理為逐候平均。NCEP-1和NCEP-2的水平分辨率為高斯網(wǎng)格約1.875×1.875經(jīng)緯度，時(shí)間段分別為1951-2006年和1979-2006年。ERA-40地表感熱通量水平分辨率為2.5×2.5，時(shí)間段為1958-2001年。在做比較時(shí)均取其中的1979-2001年共23 a資料。

2 垂直積分總加熱率的比較

2.1 多年平均加熱場(chǎng)的水平分布及比較

圖1從左至右依次為NCEP-1、NCEP-2和ERA-40資料 1979-1999年平均1、4、7、10月(從上至下)總加熱的水平分布，可以看到，從總體上來(lái)說(shuō)，各月加熱場(chǎng)的分布態(tài)、中心和量級(jí)相似。1月亞洲陸地上基本為負(fù)值；東亞沿岸，從臺(tái)灣島以東至日本海以及日本島以東洋面上有正的加熱；此外，ERA40在高原南側(cè)邊緣有正的加熱。4月陸地上的加熱轉(zhuǎn)為正值，并在中南半島至華南地區(qū)有超過(guò)100 W/m2的帶狀加熱區(qū)，高原地區(qū)也有明顯的正加熱。NCEP-2和ERA-40對(duì)高原地區(qū)加熱的估算，大部地區(qū)超過(guò)50 W/m2，比NCEP-1要大。ERA-40在高原南側(cè)的加熱尤其大，對(duì)中南半島加熱中心的估算也比NCEP資料大，中心可達(dá)300 W/m2，但它在華南地區(qū)(江南春雨雨帶位置)的加熱估算比NCEP資料小。7月亞洲季風(fēng)區(qū)均為明顯的加熱，比較起來(lái)，在中高緯NCEP-2資料最大，且NCEP-1/2沿亞洲東部都有一條帶狀的大值加熱區(qū)，而ERA-40的大值帶是在日本島附近。低緯的加熱從量級(jí)上看NCEP-2和ERA-40更接近，特別是BOB東部至中南半島、阿拉伯海東部，都比NCEP-1大；但ERA-40在低緯半島上的加熱比NCEP-1/2偏小。10月正的加熱回到BOB以東熱帶地區(qū)和西太洋面，高原東南部仍為正的加熱，且對(duì)于這些區(qū)域正的加熱，以ERA-40量值最大，NCEP-2次之，NCEP-1最小。

圖1 1979-1999年平均1、4、7、10月垂直積分總加熱的水平分布(W/m2)

從標(biāo)準(zhǔn)差的平面場(chǎng)(圖略)來(lái)看，年際變率的分布與加熱場(chǎng)相似，總體上，從中心以及大值區(qū)的分布形勢(shì)上看，NCEP-1和NCEP-2一致，從量值來(lái)看，則NCEP-2與ERA-40更接近。

2.2 多年平均青藏高原區(qū)域總加熱的季節(jié)變化

三套資料在高原地區(qū)(80-100°E，27.5-37.5°N)月平均的非絕熱加熱季節(jié)變化如圖2所示，其中NCEP-1(圖a)和NCEP-2(圖b)包括感熱、潛熱、輻射和總加熱，可見(jiàn)兩套資料各量的季節(jié)變化基本一致，冬季較小的潛熱加熱和負(fù)的感熱量值相當(dāng)，總加熱表現(xiàn)為與輻射加熱相近的負(fù)值。春季感熱加熱加強(qiáng)明顯，致使總加熱明顯增強(qiáng)，初春輻射和潛熱加熱的變化很小，總加熱的增長(zhǎng)斜率與感熱加熱幾乎相同，4月后潛熱加熱也明顯增強(qiáng)，感熱加熱在5月達(dá)到最大；之后的總加熱變化趨勢(shì)和潛熱加熱變化一致，在7月達(dá)到最大，秋季減小，總加熱在10月轉(zhuǎn)為負(fù)，11月又與輻射加熱值相當(dāng)。兩套NCEP資料最明顯的區(qū)別在于NCEP-2對(duì)全年輻射加熱的估算較小，而對(duì)冬、春季感熱加熱的估算較大，因此高原總的加熱在3月即轉(zhuǎn)為正值較早，而NCEP-1到4月才有正的總加熱。

圖2(c)顯示的ERA-40高原加熱，除11、12和1月為負(fù)外，其余月份均有正的加熱，峰值出現(xiàn)在6月，與NCEP資料的總加熱相比，除峰值出現(xiàn)月份不同外，全年的加熱都比NCEP資料的要高。

圖2 多年平均高原區(qū)域(80-100°E,27.5-37.5°N)非絕熱加熱的年變化a/b：NCEP-1/2感熱(SH)、潛熱(LH)、輻射(RD)以及總的非絕熱加熱(total);c：ERA-40 總非絕熱加熱

高原地區(qū)為季風(fēng)氣候，從氣候平均的角度來(lái)說(shuō)，盛夏季節(jié)降水最大，對(duì)應(yīng)比較強(qiáng)的降水和潛熱釋放，由于潛熱加熱比感熱加熱量級(jí)要大，因此可以認(rèn)為，與季風(fēng)降水相對(duì)應(yīng)，加熱的峰值出現(xiàn)在7月是比較合理的。

圖3是高原區(qū)域三套資料總加熱標(biāo)準(zhǔn)差的季節(jié)變化，可見(jiàn)，幾乎全年各月，NCEP-2的年際變率都是最大的，而ERA-40較小，NCEP-1介于二者之間。從年變化來(lái)看，NCEP-1/2在春季，季風(fēng)爆發(fā)前的4、5月和夏季7、8月的年際變率較大，而ERA-40的峰值出現(xiàn)在6月和8月。

圖3 高原區(qū)域總加熱標(biāo)準(zhǔn)差的年變化

2.3 高原區(qū)域平均總加熱的年際變化

將1979年1月-1999年12月共252個(gè)月的高原區(qū)域平均總加熱，減去各月氣候平均值所得的偏差做標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差序列如圖4，從NCEP-1來(lái)看，在1995年前偏差分布都比較均勻，1995年后波動(dòng)較大。比較大的偏差多發(fā)生在冬季，NCEP-2在1984年前加熱明顯偏低，1985-1997年，除冬季的月份多見(jiàn)偏低外，其它季節(jié)加熱普遍偏高。ERA-40與NCEP資料偏差序列相比，明顯的區(qū)別在1986-1990年之間ERA-40標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，而在1995-1999年間則偏大。從總體上來(lái)說(shuō)，3條曲線(xiàn)走向基本一致，序列之間的關(guān)系分別為，NCEP-1與NCEP-2相關(guān)系數(shù)為0.56，NCEP-1與ERA-40相關(guān)系數(shù)為0.48， NCEP-2與ERA-40相關(guān)系數(shù)為0.45，均超過(guò)99.9%置信度檢驗(yàn)(252個(gè)樣本99.9%置信度檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)為0.206)，有顯著相關(guān)。

圖4 高原區(qū)域平均總加熱逐月標(biāo)準(zhǔn)化距平序列

3 地面熱通量資料的比較

3.1 春季地面感熱通量的水平分布

圖2a、2b表明高原上空春季的非絕熱加熱加強(qiáng)主要是因?yàn)楦袩峒訜岬募訌?qiáng)引起。感熱加熱的垂直積分與地表感熱通量基本一致。由于再分析資料提供的表面通量資料時(shí)間分辨率更高，在研究春季過(guò)渡季節(jié)的氣候現(xiàn)象，如季風(fēng)爆發(fā)進(jìn)程等時(shí)，可以用感熱通量場(chǎng)的分析來(lái)代替加熱場(chǎng)狀況。

圖5是春季地面感熱通量的水平分布及其變化，從上至下依次為春季3個(gè)月平均的感熱通量場(chǎng)和4月減3月、5月減4月以及6月減5月的感熱通量變化的水平分布。春季平均的感熱通量零線(xiàn)基本上沿海岸線(xiàn)分布，除中南半島和華南地區(qū)外，基本表現(xiàn)為陸地正，海洋面負(fù)的分布形勢(shì)，與圖1之APR相對(duì)應(yīng)，陸地上的負(fù)感熱區(qū)正好是總加熱的大值區(qū)，說(shuō)明該大值區(qū)加熱主要是因?yàn)闈摕峒訜嵋稹Ｓ《劝雿u、非洲東部有感熱通量大值，高原地區(qū)也普遍超過(guò)50 W/m2。從資料的比較來(lái)看，低緯陸地NCEP-1最大，高原及其以北地區(qū)NCEP-2較大，ERA-40量值相對(duì)較小。

圖5 春季地面感熱通量(MAM)和感熱通量變化的水平分布(W/m2)

從各月減前月差值場(chǎng)的比較可以看到各資料反映的各地感熱通量的季節(jié)變化， 4月減3月，中南半島和華南地區(qū)為負(fù)值，說(shuō)明該地區(qū)最大感熱通量出現(xiàn)在3月，其它地區(qū)則表現(xiàn)為陸地上感熱增強(qiáng)而海洋面上的感熱減?。?月印度半島東部感熱也開(kāi)始減小，6月東亞季風(fēng)區(qū)感熱普遍減小，這是因?yàn)榧撅L(fēng)爆發(fā)后的降水引起的。三套資料在季節(jié)變化上的區(qū)別除量值的大小外，最明顯的是5月減4月的差值場(chǎng)，與NCEP資料在高原及其西北地區(qū)均為正不同，ERA-40在高原大部分地區(qū)為負(fù)，即，ERA-40的高原感熱加熱5月小于4月。

3.2 多年平均青藏高原區(qū)域地面感熱通量的年變化

圖6是高原區(qū)域平均的地表感熱通量的季節(jié)變化，NCEP兩套資料除1-3月NCEP-2略高于NCEP-1外，其余月份比較一致，冬季為負(fù)，其余月份為正，峰值出現(xiàn)在5-6月。ERA-40感熱通量的季節(jié)變化幅度比NCEP?。?0月至4月初較NCEP資料大，4月中至9月底比NCEP資料小，峰值區(qū)出現(xiàn)在4月，這和圖5中5月減4月的差值圖一致。

圖6 高原區(qū)域平均地表感熱通量的年變化

3.3 春季月平均青藏高原區(qū)域感熱通量的年際變化

以4月為例(其余月份類(lèi)似)，圖7是1979-2001年4月平均高原區(qū)域地表感熱通量標(biāo)準(zhǔn)差的年際變化曲線(xiàn)，從圖可以看出，除個(gè)別年份(1981、1988)外，三條曲線(xiàn)的趨勢(shì)非常一致，其相關(guān)系數(shù)NCEP-1與NCEP-2為0.67，NCEP-2與ERA-40為0.72，超過(guò)99.9%置信度檢驗(yàn)，NCEP-1與ERA-40相關(guān)系數(shù)達(dá)0.63，超過(guò)99%置信度檢驗(yàn)(23個(gè)樣本99.9%和99%置信度檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)分別為0.640，0.526)。

圖7 4月高原區(qū)域平均地表感熱通量的逐年標(biāo)準(zhǔn)化距平序列

4 結(jié) 論

本文著重比較分析了再分析資料NCEP-1、NCEP-2和ERA-40垂直積分總非絕熱加熱和地表感熱通量資料，結(jié)果表明：

1) 垂直積分的總非絕熱加熱在空間分布上三套資料基本一致。 NCEP兩套資料在大值中心的分布上相似，量值上則NCEP-2和ERA-40比較接近， ERA-40在高原南緣的加熱估算比NCEP大；年際變率的分布與加熱場(chǎng)類(lèi)似；

2) 高原區(qū)域平均的非絕熱加熱，NCEP兩套資料對(duì)輻射加熱的估算差異較大，感熱、潛熱和總非絕熱加熱的季節(jié)變化趨勢(shì)基本相同，峰值出現(xiàn)在7月，季節(jié)變化較ERA-40合理；

3) 三套資料在高原區(qū)域平均的總非絕熱加熱的標(biāo)準(zhǔn)差序列相關(guān)均達(dá)99.9%以上，說(shuō)明三套資料在年際變化上有較好的一致性；

4) 對(duì)春季地表感熱通量場(chǎng)及其隨時(shí)間變化的分析表明，無(wú)論從形勢(shì)分布還是時(shí)間變化上，三套資料都有較好的一致性。在感熱通量的量值上，NCEP要比ERA-40大；

5) 高原區(qū)域平均感熱通量的季節(jié)變化，NCEP兩套資料相對(duì)一致，最大值出現(xiàn)在5月，ERA-40與之相比，季節(jié)變化幅度偏小，且在4月達(dá)到峰值；年際變化則三者趨勢(shì)比較一致，相關(guān)系數(shù)超過(guò)99%甚至99.9%置信度檢驗(yàn)。

從上述的比較不難發(fā)現(xiàn)，盡管若干作者認(rèn)為ERA-40在一些方面優(yōu)于NCEP/NCAR，但NCEP/NCAR的加熱率資料還是比較可靠的，有些方面比ERA-40更合理。Duan and Wu[16]還發(fā)現(xiàn)，NCEP/NCAR和基于AMS觀測(cè)的地面熱通量資料也是比較接近的。如果從季節(jié)變化和年際變化的尺度進(jìn)行分析研究，再分析加熱資料的結(jié)果從一定程度上來(lái)說(shuō)是可信的。此外，由于同化資料的動(dòng)力一致性，以及再分析資料(如NCEP/NCAR資料)對(duì)非絕熱加熱的描述具有種類(lèi)及空間分層較細(xì)的優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行機(jī)制分析時(shí)更能夠得到合理的分析結(jié)果。

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