ERA-Interim 和NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)氣溫和氣壓值在天山山區(qū)適用性分析

白 磊，王維霞，姚亞楠，馬 杰，李蘭海

（1.中國科學(xué)院綠洲生態(tài)與荒漠環(huán)境重點實驗室，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100046；3.新疆干旱區(qū)水循環(huán)與水利用重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011）

天山山脈起自烏茲別克斯坦克孜爾庫姆沙漠，經(jīng)哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦進入中國。以烏魯木齊和達坂城為界，以東的天山劃為東天山區(qū)；吉爾吉斯斯坦境內(nèi)吉爾吉斯山和費爾干納山以東，伊犁河谷以南的天山，劃為中天山[1]，新疆地處歐亞大陸中部，受青藏高原和“三山兩盆”的地形影響，干旱少雨，但是天山山區(qū)由于大陸性冰川和季節(jié)性積雪的存在，使之成為新疆主要河流的發(fā)源地[2]。在天山山脈，西天山（吉爾吉斯斯坦）山區(qū)氣象站點分布較多，但在天山山區(qū)，國家基本氣象觀測站點主要分布在中山帶。對于水文及生態(tài)研究工作，往往需要整個流域不同高程帶上的氣象資料作為基礎(chǔ)研究資料。在烏魯木齊河流域研究中，在高山帶僅有“一號冰川”下的大西溝站。為了解決高山“無站點”的問題，在其他研究區(qū)域通過在高山帶架設(shè)自動氣象站獲取數(shù)據(jù)。但是自動氣象站在高山帶受到復(fù)雜氣象條件影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，且氣象資料的時間序列較短，故這些氣象數(shù)據(jù)很難準確地體現(xiàn)流域年際尺度的氣候變化。因此，山區(qū)高山帶氣象站點稀少逐漸成為各個學(xué)科建模及模型應(yīng)用的“瓶頸”。

目前對于氣候變化和診斷都是基于歷史觀測數(shù)據(jù)。長時間再分析數(shù)據(jù)有兩類：NCEP 系列和ECMWF 系列[3-4]，NCEP2 精度較高。本文使用ERAInterim 和NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)作為研究對象。ERA-Interim 采用T255L91 網(wǎng)格水平分辨率為1.5°×1.5°，同化方為4D-Var；NCEP/NCAR 采用T62L28網(wǎng)格，網(wǎng)格水平分辨率為2.5°×2.5°，同化方案為3D-Var[5]。

在對NCEP 再分析數(shù)據(jù)的研究中，地表氣溫距平，冬季的可信度最好，夏季的可信度較差[6]；對氣候的長期趨勢變化研究中，再分析數(shù)據(jù)對氣溫的模擬比氣壓精度高；對中國范圍的應(yīng)用中，東部好于兩部[7]。在NCEP2 與ERA-40 再分析數(shù)據(jù)的比較研究中發(fā)現(xiàn)：對于溫度場，ERA-40 利NCEP2 與觀測值的空間分布基本一致，但比觀測值偏低。在西部地區(qū)，ERA-40 比觀測值平均偏低2 ℃左右，而NCEP2比觀測值平均偏低4 ℃左右[8]。在新疆地區(qū)，夏季降水年際變化[9]、夏季大氣環(huán)流異常分析[10]、空中水汽收支[11]和空中水汽時空分布[12]的研究中，都使用NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)作為大尺度區(qū)域的氣象資料。在2008年于田地震的研究[13]中發(fā)現(xiàn)，NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)體現(xiàn)了地震發(fā)生前區(qū)域異常增溫現(xiàn)象。在新疆水汽源地變化的研究中，也使用ERA-40 再分析數(shù)據(jù)在半球尺度上分析了20 a 內(nèi)新疆地區(qū)水汽源地的變化[14]。

新疆地區(qū)的氣象站點主要集中在人口聚集區(qū)域，在高山地區(qū)氣象站點分布稀疏。再分析數(shù)據(jù)為新疆大尺度區(qū)域氣候研究提供了長時間序列的氣候資料。在數(shù)據(jù)同化中，在不同的區(qū)域可能存在偏差，從而降低再分析數(shù)據(jù)在區(qū)域尺度氣候研究中的精度。在東亞及全國的大尺度范圍內(nèi)，已經(jīng)對再分析數(shù)據(jù)適用性評價做了大量工作，而在西北地區(qū)評價工作較少。本文主要分析ERA-Interim 和NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集中氣壓和氣溫變量在天山地區(qū)的偏差及不確定性。從而通過偏差校正方法提高再分析數(shù)據(jù)在新疆地區(qū)的精度，擴展其應(yīng)用范圍。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文選取中國境內(nèi)的天山山區(qū)（37.77°～43.48°N，75.23°～87.10°E）作為研究區(qū)域。地面站點選取研究區(qū)域內(nèi)8個海拔高度超過1 500 m 的國家基本氣象站和中國科學(xué)院積雪與雪崩研究站（TSSAR）逐日的平均氣溫和平均氣壓數(shù)據(jù)（表1）。9個站點時間覆蓋從2004年1月1日至2006年12月31日，共計1 096 d。對于少量缺失數(shù)據(jù)采用分類回歸樹算法進行缺失數(shù)據(jù)填補。中國科學(xué)院天山積雪與雪崩研究站冬春兩季自動氣象站缺測較多，故本文僅對夏秋兩季進行分析。再分析數(shù)據(jù)選取歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心（ECMWF）中ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)（下文簡寫為ERA，格點與站點分布對照見圖1）和NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)（下文簡寫為NCEP，格點與站點分布對照見圖2）。再分析數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)為2004—2006年 每日4個 時 次（OOUTC，06UTC，12UTC，18UTC）的地表2 m 氣溫和地表氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過算術(shù)平均得到2004—2006年的逐日平均氣溫和平均氣壓數(shù)據(jù)。在本文中，再分析數(shù)據(jù)氣溫單位為℃，氣壓單位為hPa。

為了更加客觀地比較再分析數(shù)據(jù)在天山山區(qū)的精度，故將再分析數(shù)據(jù)分別在水平方向和垂直方向上進行插值。在水平方向上，利用雙線性插值方法將再分析數(shù)據(jù)插值到氣象站點；在垂直方向上，分別利用中天山和西天山南坡的氣溫垂直遞減率和氣壓垂直遞減率，將水平插值后的再分析數(shù)據(jù)修正到氣象站的高度。表1 中的氣溫垂直遞減率和氣壓垂直遞減率，是將再分析數(shù)據(jù)疊加在其各自DEM 上計算得出。

表1 兩套再分析數(shù)據(jù)的氣溫遞減率和氣壓遞減率

圖1 氣象站點空間分布及ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)格點分布

按照熱量和水分的指標，可以將中天山山區(qū)氣候劃為溫帶氣候(中天山氣候區(qū))和暖溫帶氣候（南天山氣候）[2]。由于高山帶站點稀少，因此增加昆侖山一阿爾金山北坡氣候區(qū)中塔什庫爾干作為參考站點。同時，參考柯本氣候分類[15]（圖2）、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[16]和站點位置（圖1）后，將巴倫臺、巴音布魯克、積雪站、大西溝4 站劃分為中天山氣候區(qū)；吐爾尕特、烏恰、阿合奇3 站劃分為南天山氣候區(qū)；塔什庫爾干劃分為昆侖山—阿爾金山北坡氣候區(qū)。在同一氣候區(qū)內(nèi)，氣候的各個要素之間應(yīng)保持一致，所以再分析數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)之間的誤差聚類結(jié)果應(yīng)與氣候區(qū)保持一致。

為了評價兩種再分析數(shù)據(jù)在一年中不同時間的精度，將一年劃分春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—翌年2月）進行比較。對再分析數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行回歸分析，計算斜率（a）、截距（b）、回歸系數(shù)（R2）和平均誤差（ME）。在回歸分析中，定義截距（b）為偏值，單位為℃。當(dāng)b>0 時，表明再分析數(shù)據(jù)數(shù)值大于實測值；當(dāng)b<0 時，再分析數(shù)據(jù)數(shù)值小于實測值。又定義斜率（a）為偏差傾向系數(shù)。當(dāng)a>1 時，表明再分析數(shù)據(jù)變化范圍大于實測數(shù)據(jù)變化范圍；當(dāng)0

圖2 新疆柯本氣候分類與NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)格點分布

2 結(jié)果

從表2 可以看出，在春季，結(jié)合ERA 和NCEP兩套再分析數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：中天山氣候區(qū)內(nèi)除巴倫臺存在冷偏差外，大西溝、巴音布魯克均表現(xiàn)為暖偏差。在南天山氣候區(qū)內(nèi)，除吐爾尕特為暖偏差，烏恰和阿合奇表現(xiàn)為冷偏差。塔什庫爾干屬昆侖山北坡氣候，表現(xiàn)為冷偏差。大西溝和塔什庫爾干兩站的偏差值略大。在8 站中（除TSSAR），兩套再分析數(shù)據(jù)的平均傾向系數(shù)均小于1，說明實測氣溫的變化范圍要略微大于再分析數(shù)據(jù)氣溫的變化范圍。

在夏季，ERA 數(shù)據(jù)的氣溫在研究區(qū)域（除塔什庫爾干外）內(nèi)均呈現(xiàn)暖偏差。ERA 數(shù)據(jù)的氣溫在巴音布魯克和巴倫臺平均偏差為3.27 ℃；在TSSAR、大西溝和吐爾尕特3 站，平均偏差超過6 ℃；在小渠子偏差最小，回歸系數(shù)最高。NCEP 數(shù)據(jù)氣溫在研究區(qū)域（除塔什庫爾干和烏恰外）內(nèi)均呈現(xiàn)暖偏差。NCEP 數(shù)據(jù)氣溫在巴音布魯克和巴倫臺偏差較為接近；在TSSAR 和大西溝，平均偏差超過11℃。

在秋季，ERA 數(shù)據(jù)中氣溫除大西溝、巴音布魯克和吐爾尕特外均呈現(xiàn)冷偏差。大西溝站氣溫變化范圍超過1，小渠子、巴倫臺和阿合奇的回歸系數(shù)超過0.9，與春季變化類似。NCEP 數(shù)據(jù)中的氣溫在研究區(qū)內(nèi)大部分站點氣溫變化范圍超過1，且平均回歸系數(shù)為0.9。

在冬季，除吐爾尕特外其余各站在兩套再分析數(shù)據(jù)中的氣溫偏差均表現(xiàn)為冷偏差。巴倫臺和阿合奇兩站的回歸系數(shù)高于其他站點。

在一年中，結(jié)合回歸系數(shù)（R2）和偏差值（b）分析發(fā)現(xiàn)，ERA 數(shù)據(jù)氣溫在小渠子、巴倫臺和阿合奇精度較高；NCEP 數(shù)據(jù)在小渠子、巴倫臺和吐爾尕特精度較高。在兩套再分析數(shù)據(jù)中，春、秋兩季氣溫的相關(guān)系數(shù)和偏差優(yōu)于夏、冬兩季。對比ERA 數(shù)據(jù)和NCEP 數(shù)據(jù)，在四季中ERA 數(shù)據(jù)的平均偏差和平均相關(guān)系數(shù)均小于NCEP 數(shù)據(jù)。從ERA 數(shù)據(jù)中可以看山，除大西溝、巴音布魯克和吐爾尕特三站外，其他各站的平均偏差均為負值。在NCEP 數(shù)據(jù)中，僅阿合奇、烏恰和塔什庫爾干偏差為負值。ERA 氣溫值在中天山氣候區(qū)的平均偏差約為0.94 ℃，ERA 在南天山氣候區(qū)的平均偏差約為0.38 ℃，NCEP 在中天山氣候區(qū)的平均偏差約為3.76 ℃，NCEP 在南大山氣候區(qū)的平均偏差約為-0.62 ℃。

表3 中，春季大西溝站的氣壓偏差超過400 hPa，其次烏恰的偏差也較大。同時其他各站的回歸系數(shù)平均在0.78 以上。在3 000 m 以上的站點，吐爾尕特和塔什庫爾干的偏差小于大西溝的偏差。在夏季，ERA 數(shù)據(jù)氣壓只有大西溝和塔什爾爾干氣壓偏差值超過200 hPa；NCEP 數(shù)據(jù)大西溝、吐爾尕特和塔什庫爾干的氣壓均超過200 hPa，而小渠子的偏差為-78.9 hPa。在秋季，ERA 數(shù)據(jù)氣壓在小渠子和巴音布魯克的偏差較低，在大西溝和烏恰的偏差較大；NCEP 數(shù)據(jù)在小渠子和TSSAR 的偏差平均為-26 hPa；在冬季，ERA 數(shù)據(jù)氣壓在小渠子、巴音布魯克和吐爾尕特的偏差較??；NCEP 數(shù)據(jù)僅在小渠子的偏差較小。

在一年中，結(jié)合回歸系數(shù)和偏差值進行分析發(fā)現(xiàn)，ERA 數(shù)據(jù)氣壓在小渠子和巴音布魯克精度較高；NCEP 數(shù)據(jù)氣壓在小渠子和巴倫臺精度較高。在一年中，ERA 數(shù)據(jù)氣壓在夏季的精度優(yōu)于其他三季；NCEP 數(shù)據(jù)氣壓在夏冬兩季的精度優(yōu)于春秋兩季的精度。兩套再分析數(shù)據(jù)的氣壓在3 000 m 以上的站點的回歸系數(shù)較低，平均為0.6，但吐爾尕特的回歸系數(shù)卻超過大西溝和塔什庫爾干。在ERA 數(shù)據(jù)中，偏差傾向系數(shù)均小于1，而在NCEP 數(shù)據(jù)中，個別站點在不同季節(jié)偏差傾向系數(shù)大于1。這說明再分析數(shù)據(jù)的氣壓變化范圍小于實測氣壓變化范圍。

兩套再分析數(shù)據(jù)氣溫在小渠子、大西溝、巴音布魯克和吐爾尕特平均誤差為正值，而在巴倫臺、阿合奇、烏恰和塔什庫爾干為負值表4。在春季，除巴倫臺和吐爾尕特外，ERA 數(shù)據(jù)氣溫的平均誤差絕對值小于NCEP 數(shù)據(jù)。在夏秋兩季，ERA 數(shù)據(jù)氣溫僅在天山北坡和中天山氣候區(qū)平均誤差絕對值小于NCEP 數(shù)據(jù)，而在天山南坡，NCEP 數(shù)據(jù)氣溫平均誤

籌絕對值小于ERA 數(shù)據(jù)。在冬季，ERA 數(shù)據(jù)氣溫平均誤差僅在大西溝和巴音布魯克小于NCEP 數(shù)據(jù)。

表2 再分析數(shù)據(jù)氣溫值與站點實測氣溫回歸方程系數(shù)

表3 再分析數(shù)據(jù)氣壓值與站點實測氣壓回歸方程系數(shù)

表4 兩套數(shù)據(jù)的氣溫與實測值的平均誤差/℃

在表5 中，兩套再分析資料氣壓在小渠子、大西溝、巴倫臺和吐爾尕特平均誤差為正值，而在烏恰和塔什庫爾干為負值。ERA 數(shù)據(jù)氣壓平均誤差的絕對值在除阿合奇和烏恰外各站小于NCEP 數(shù)據(jù)。兩套再分析數(shù)據(jù)氣壓的平均誤差在夏季最低，冬季最高。

表5 ERA-Interim 和NCEP/NCAR 的氣溫與實測值的平均誤差/hPa

3 結(jié)論與討論

首先，兩套再分析數(shù)據(jù)的偏差可能是由于水平分辨率導(dǎo)致，因為ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)的水平分辨率為1.5°×1.5°，NCFP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)的水平分辨率為2.5°×2.5°。高分辨率模式可能會對由復(fù)雜地形引起的氣候差異有較強的捕捉能力。其次，兩套再分析數(shù)據(jù)的偏差可能由于數(shù)據(jù)同化時的地面資料不足或不全有關(guān)。中國西北地區(qū)站點相對于中國東部地區(qū)站點較為稀疏，主要集中在居住地區(qū)，而在氣候環(huán)境極端惡劣的地區(qū)分布更為稀疏（塔里木盆地中部）。數(shù)據(jù)同化過程采用的地面站點數(shù)據(jù)主要來自WMO 國際交換站點數(shù)據(jù)，所以能夠有效利用的站點數(shù)據(jù)更少。最后兩套再分析數(shù)據(jù)的偏差可能由于數(shù)據(jù)同化時不同的參數(shù)設(shè)置及數(shù)值格式，因為不同數(shù)值模式對于復(fù)雜地形的精度不盡相同。

對于近代的氣候模擬，區(qū)域氣候模式（如RegCM，WRF 等）一般采用再分析數(shù)據(jù)作為邊界條件進行計算。計算的結(jié)果普遍存在1～2 ℃冷偏差[17]。這些偏差一方面可能是由于數(shù)值模式的各個模塊對于中國復(fù)雜地形的適用性較差，更主要來源為再分析數(shù)據(jù)生成的初始邊界條件。為了提高精度，可以利用高分辨率的觀測數(shù)據(jù)，如國家氣候中心提供的0.5°×0.5°的中國平均氣溫[18]和降水[19]，對再分析數(shù)據(jù)進行偏差校正。利用校正后的再分析數(shù)據(jù)，可以對氣象資料缺乏地區(qū)進行長時間序列的氣候分析。

通過對比天山山區(qū)7 站的再分析數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)氣溫和氣壓的精度整體比NCEP/NCAR 數(shù)據(jù)高，但在局部仍有差異。

（2）以氣溫偏差變化作為標準，可以將天山山區(qū)7 站按照氣候分區(qū)劃分為兩類。在中天山氣候區(qū)兩套再分析數(shù)據(jù)氣溫偏差呈現(xiàn)暖偏差，在天山南坡呈現(xiàn)冷偏差。ERA 氣溫值在中天山氣候區(qū)的平均偏差約為0.68 ℃，ERA 在天山南坡的平均偏差約為0.38℃，NCEP 在中天山氣候區(qū)的平均偏差約為3.31 ℃，NCEP 在天山南坡的平均偏差約為-0.62 ℃。

（3）結(jié)合氣溫變化，以高程和偏差變化為標準，將中天山山區(qū)大西溝和天山南坡吐爾尕特兩站劃分為高山帶類偏差，其余5 站劃分為中山帶類偏差。高山帶氣溫存在暖偏差，中山帶氣溫存在冷偏差。

（4）天山山區(qū)7 站氣溫和氣壓偏差存在明顯的季節(jié)性變化。在兩套再分析數(shù)據(jù)中，春、秋兩季氣溫的相關(guān)系數(shù)和偏差優(yōu)于夏、冬兩季。在一年中，ERA數(shù)據(jù)氣壓在夏季的精度優(yōu)于其他三季；NCEP 數(shù)據(jù)氣壓在夏冬兩季的精度優(yōu)于春秋兩季的精度。

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