環(huán)渤海區(qū)域再分析資料地面風(fēng)速場(chǎng)的適用性對(duì)比分析

陳艷春，王娜，顧偉宗，湯子?xùn)|，劉煥彬，孟祥新，伯忠凱

(山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

環(huán)渤海區(qū)域再分析資料地面風(fēng)速場(chǎng)的適用性對(duì)比分析

陳艷春，王娜，顧偉宗，湯子?xùn)|，劉煥彬，孟祥新，伯忠凱

(山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

利用環(huán)渤海區(qū)域的氣象站資料和NCEP/NCAR、NCEP/DOE、CFSR、ERA-Interim、JRA-55共5種再分析資料，討論了再分析資料近地面10 m平均風(fēng)速場(chǎng)在環(huán)渤海區(qū)域的適用性問(wèn)題。結(jié)果表明：JRA資料與觀測(cè)站的相關(guān)系數(shù)最大，ERA資料與23站均方根誤差的平均最??；再分析資料與氣象站觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)在山東半島和遼東半島高于其他地區(qū)、冬半年大于夏半年。環(huán)渤海區(qū)域地面10 m平均風(fēng)速場(chǎng)JRA和ERA兩套資料的適用性較好。由于ERA-Interim的水平分辨率更高，所以在強(qiáng)風(fēng)過(guò)程分析中確定使用ERA-Interim再分析資料。

再分析資料； 平均風(fēng)速場(chǎng)； 相關(guān)系數(shù)； 均方根誤差； 強(qiáng)風(fēng)過(guò)程

引言

近年來(lái)，環(huán)渤海區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)規(guī)模發(fā)展迅速，海上強(qiáng)風(fēng)對(duì)海洋工程、安全生產(chǎn)、航運(yùn)作業(yè)等影響愈來(lái)愈大，但是由于環(huán)渤海海上氣象站大范圍空白，觀測(cè)資料嚴(yán)重匱乏，制約了對(duì)海上強(qiáng)風(fēng)時(shí)空分布特征和影響評(píng)估的研究。

20世紀(jì)80年代后期，科學(xué)家們提出了大氣資料“再分析”，即利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的資料同化技術(shù)來(lái)恢復(fù)長(zhǎng)期的氣候記錄。20世紀(jì)90年代中期至今重建了多套全球氣候要素的歷史數(shù)據(jù)，比如，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的合作項(xiàng)目NCEP/NCAR[1]，NCEP與美國(guó)能源部(DOE)的NCEP/DOE[2]，NCEP氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)再分析計(jì)劃CFSR、CFSv2[3]，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-interim[4]，日本氣象廳(JMA)和日本電力中央研究所(CRIEPI)聯(lián)合組織實(shí)施的JRA-55[5]等。

再分析資料的出現(xiàn)解決了觀測(cè)資料的匱乏和時(shí)空不均等問(wèn)題，在氣象研究中得到廣泛使用，但受觀測(cè)資料、數(shù)值預(yù)報(bào)模式和同化方案等因素影響，不同數(shù)據(jù)集存在差異，可信度也有待于進(jìn)一步檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了較多關(guān)于全球和區(qū)域尺度上再分析資料地表及高空變量適用性的研究，Monney等[6]發(fā)現(xiàn)再分析資料易高估陸地上的冬季氣溫，ERA-Interim對(duì)冬季氣溫的描述優(yōu)于NCEP/NCAR；ERA-Interim對(duì)中亞地區(qū)降水的模擬精度高于CFSR，夏季的可信度高于冬季、東部地區(qū)的可信度高于西北地區(qū)[7-8]；NCEP/NCAR在冬季對(duì)流層中、低層風(fēng)場(chǎng)的可信度較高，ERA-interim在對(duì)流層高層和平流層低層風(fēng)場(chǎng)的可信度較高，中國(guó)東部地區(qū)高空風(fēng)場(chǎng)的適用性優(yōu)于西部地區(qū)[9-10]；Decker等[11]研究表明ERA-Interim對(duì)近地面氣溫、風(fēng)速和降水的描述均優(yōu)于NCEP/DOE和CFSR。

圖1 5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)Fig.1 Correlation coefficients of daily mean speed between 5 reanalysis datasets and observations of 23 weather stations

本文利用環(huán)渤海區(qū)域沿海氣象觀測(cè)站評(píng)估了5種再分析資料近地面10 m平均風(fēng)速場(chǎng)的適用性，確定了能夠較好表征環(huán)渤海海上大風(fēng)的再分析資料。

1 資料

文中使用了1979年1月1日—2014年12月31日環(huán)渤海區(qū)域23個(gè)國(guó)家氣象站的逐日地面10 m平均風(fēng)速資料。本研究還使用了同時(shí)段的NCEP/NCAR(Sig995層，水平分辨率2.5°×2.5°，逐日數(shù)據(jù))、NCEP/DOE(10 m高度，水平向?yàn)楦咚垢顸c(diǎn)分布，逐日數(shù)據(jù))、CFSR(Sig995層，水平分辨率0.5°×0.5°，一日4次數(shù)據(jù))、ERA-Interim(10 m高度，水平分辨率0.125°×0.125°，下文簡(jiǎn)稱ERA，一日4次數(shù)據(jù))、JRA-55(10 m高度，水平分辨率1.25°×1.25°，下文簡(jiǎn)稱JRA，一日4次數(shù)據(jù))共5種再分析資料的U、V變量。

2 方法

3 結(jié)果分析

3.1 平均風(fēng)速相關(guān)系數(shù)的對(duì)比分析

對(duì)比5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)(圖1)，相關(guān)系數(shù)全部通過(guò)信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)(10 000個(gè)樣本時(shí)通過(guò)信度為0.001顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)臨界值為0.06)，山東半島和遼東半島氣象站的相關(guān)系數(shù)普遍高于其他地區(qū)(圖2a-e)。JRA的相關(guān)系數(shù)最大，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.66，20站的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.60及以上；ERA的相關(guān)系數(shù)次大，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.63，15站的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.60及以上；NCEP/DOE的相關(guān)系數(shù)最小，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.48。

圖2 5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分布(a.NCEP/NCAR，b.NCEP/DOE，c.CFSR， d.ERA，e.JRA)Fig.2 Spatial distribution of correlation coefficients of daily mean wind speed between 5 reanalysis datasets and observations of 23 weather stations(a.NCEP/NCAR, b.NCEP/DOE, c.CFSR, d.ERA, e.JRA)

圖3 5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速在不同月份的相關(guān)系數(shù)(a.NCEP/NCAR，b.NCEP/DOE，c.CFSR， d.ERA，e.JRA)Fig.3 Correlation coefficients of daily mean wind speed between 5 reanalysis datasets and observations of 23 weather stations in different months(a. NCEP/NCAR, b. NCEP/DOE, c. CFSR, d. ERA, e. JRA)

對(duì)比5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速在不同月份的相關(guān)系數(shù)(圖3a-e)，相關(guān)系數(shù)全部通過(guò)信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)(1 000個(gè)樣本時(shí)通過(guò)信度為0.001顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)臨界值為0.10)。JRA、ERA和CFSR各月的相關(guān)系數(shù)明顯高于NCEP/NCAR和NCEP/DOE，前3種資料秋、冬季各站的相關(guān)系數(shù)基本在0.60以上，春、夏季環(huán)渤海西部地區(qū)的相關(guān)系數(shù)較其他地區(qū)偏小，但絕大多數(shù)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.50以上。NCEP/DOE各月的相關(guān)系數(shù)最小，大部分站點(diǎn)各月的相關(guān)系數(shù)在0.50以下。4—9月的相關(guān)系數(shù)普遍小于其他月份。

3.2 平均風(fēng)速均方根誤差的對(duì)比分析

比較5種再分析資料與23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速的均方根誤差(圖4)，ERA和JRA的均方根誤差小于其他3種再分析資料，各站均方根誤差的差異也較小。ERA的均方根誤差最小，23站平均的均方根誤差值為1.6 m/s，18站的均方根誤差在2.0 m/s及以下；NCEP/DOE的均方根誤差最大，23站平均的均方根誤差值為3.0 m/s，14站的均方根誤差在3.0 m/s及以上。

圖4 5種再分析資料與23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速的均方根誤差(單位：m/s)Fig.4 Root mean square error of daily mean wind speed in 5 reanalysis datasets compared with observations of 23 weather stations(unit: m/s)

圖5 5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速在不同月份的的均方根誤差(單位：m/s)(a.NCEP/NCAR，b.NCEP/DOE，c.CFSR，d.ERA，e.JRA)Fig.5 Root mean square error of daily mean wind speed in 5 reanalysis datasets compared with observations of 23 weather stations in different months (unit:m/s)(a. NCEP/NCAR, b. NCEP/DOE, c. CFSR, d. ERA, e. JRA)

對(duì)比5種再分析資料和23個(gè)氣象站逐日平均風(fēng)速在不同月份的均方根誤差(圖5)，夏季的均方根誤差整體小于冬季、山東半島和遼東半島的均方根誤差整體大于其他區(qū)域，大的均方根誤差與平均風(fēng)速有一定關(guān)系。ERA的均方根誤差最小，冬、春、秋季山東半島和遼東半島各站的均方根誤差較大，數(shù)值在2.0 m/s以上，其他各站在各月的誤差都小于2.0 m/s。NCEP/DOE的均方根誤差最大，僅部分站點(diǎn)在夏、秋季有均方根誤差小于2.0 m/s的月份，大部分站點(diǎn)各月的均方根誤差都在2.5 m/s以上。

3.3 強(qiáng)風(fēng)過(guò)程平均風(fēng)速的對(duì)比分析

根據(jù)韓永清等[13]的定義標(biāo)準(zhǔn)：某日環(huán)渤海區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)速超過(guò)10.8 m/s(6級(jí)風(fēng)及以上)站數(shù)≥12站、且其中一站最大風(fēng)速超過(guò)20 m/s，或者出現(xiàn)超過(guò)10.8 m/s大風(fēng)站數(shù)≥17站、且其中一站最大風(fēng)速超過(guò)17.2 m/s時(shí)，為一次影響環(huán)渤海區(qū)域強(qiáng)風(fēng)天氣過(guò)程，挑選1980—2012年環(huán)渤海區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的天數(shù)，共202 d。

5種再分析資料和23個(gè)氣象站強(qiáng)風(fēng)過(guò)程日平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)全部通過(guò)信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)(200個(gè)樣本時(shí)通過(guò)信度為0.001顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)臨界值為0.23)，相關(guān)系數(shù)整體大于再分析資料和氣象站全序列逐日平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，表明強(qiáng)風(fēng)時(shí)段再分析資料與觀測(cè)資料更為接近，山東半島和遼東半島地區(qū)的優(yōu)勢(shì)有所減弱。JRA的相關(guān)系數(shù)最大，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.70，13站的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70及以上；海陽(yáng)和成山頭站強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)比全序列的系數(shù)小，其他各站的相關(guān)系數(shù)增大。ERA的相關(guān)系數(shù)次大，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.67，8站的系數(shù)達(dá)到0.70及以上，大連、旅順、長(zhǎng)島、成山頭和海陽(yáng)5站強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)比全序列的相關(guān)系數(shù)小。NCEP/DOE的相關(guān)系數(shù)最小，23站平均的相關(guān)系數(shù)為0.50。

對(duì)比5種再分析資料與23個(gè)氣象站強(qiáng)風(fēng)過(guò)程日平均風(fēng)速的均方根誤差(圖6)，誤差數(shù)值整體大于再分析資料和氣象站全序列逐日平均風(fēng)速的誤差數(shù)值。ERA和JRA的均方根誤差較其他3種再分析資料偏小，各站均方根誤差數(shù)值的差異也較小。ERA的均方根誤差最小，23站平均的均方根誤差值為2.4 m/s，19站的誤差在3.0 m/s及以下；NCEP/DOE的均方根誤差最大，23站平均的均方根誤差值為4.3 m/s，14站的誤差在4.0 m/s及以上。

圖6 5種再分析資料與23個(gè)氣象站強(qiáng)風(fēng)過(guò)程日平均風(fēng)速的均方根誤差(單位：m/s)Fig.6 Root mean square error of daily mean wind speed in 5 reanalysis datasets compared with observations of 23 weather stations during strong gale processes(unit:m/s)

4 結(jié)論

本文利用NCEP/NCAR、NCEP/DOE、CFSR、ERA-Interim、JRA-55共5種再分析資料和環(huán)渤海區(qū)域23個(gè)氣象站的平均風(fēng)速資料，采用相關(guān)系數(shù)和均方根誤差統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)環(huán)渤海區(qū)域再分析資料近地面平均風(fēng)速場(chǎng)的適用性進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：1)從相關(guān)系數(shù)看，JRA資料與氣象站觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)最大，其次是ERA資料，從均方根誤差看，ERA資料與23站平均的均方根誤差最小，可見(jiàn)JRA和ERA兩套再分析資料都能較好地代表地面風(fēng)速；2)從空間分布特征來(lái)看，山東半島和遼東半島再分析資料與氣象站觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)高于其他地區(qū)，從季節(jié)分布特征來(lái)看，秋、冬季大于春、夏季。

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，認(rèn)為再分析資料可以較好地表征強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的近地面平均風(fēng)速，環(huán)渤海區(qū)域地面平均風(fēng)速場(chǎng)JRA和ERA兩套資料的適用性較好，由于ERA的水平分辨率更高，所以在強(qiáng)風(fēng)過(guò)程分析中確定使用ERA-Interim再分析資料。

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Comparative analysis of wind velocity of reanalysis datasets over the Bohai Rim Region

CHEN Yanchun, WANG Na, GU Weizong, TANG Zidong, LIU Huanbin, MENG Xiangxin, BO Zhongkai

(ShandongClimateCenter,Jinan250031,China)

Using weather stations and reanalysis data of NCEP/NCAR, NCEP/DOE, CFSR, ERA-Interim and JRA-55, the applicability evaluation of the ground wind velocity over the Bohai Rim Region is conducted in this paper. Results showed as follows: JRA dataset has the highest correlation coefficient with weather stations observations, and ERA dataset has the smallest average root mean square error compared with observations of 23 weather stations. The correlation coefficients are higher in the Shandong and Liaodong Peninsulas than in other areas and also higher in winter half year than in summer half year. Results indicate that the JRA and ERA-interim ground wind velocities have better evaluation applicability over the Bohai Rim Region, and on account of higher horizontal resolution, ERA-interim dataset is selected to use in the strong gale process analysis.

reanalysis data; mean wind velocity; correlation coefficient; RMSE; strong gale

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.007. (in Chinese)

2016-08-26；

2017-01-12

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306034)

陳艷春(1963—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象、氣候工作，ycch126@126.com。

P412.16

A

2096-3599(2017)01-0067-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.007

陳艷春，王娜，顧偉宗，等.環(huán)渤海區(qū)域再分析資料地面風(fēng)速場(chǎng)的適用性對(duì)比分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(1)：67-72.

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