HRCLDAS與ERA5-Land氣溫日統(tǒng)計數(shù)據(jù)在山東的對比評估

孔祥寧，劉煥彬，曹潔，鄭娜

摘要：基于山東省2021年3月—2022年2月1 519個氣象觀測站2 m氣溫觀測數(shù)據(jù)，對中國氣象局高分辨率陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System，HRCLDAS）和歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代陸面再分析數(shù)據(jù)集（ERA5-Land）逐小時2 m氣溫分析的日統(tǒng)計數(shù)據(jù)（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫）進(jìn)行對比評估。HRCLDAS/ERA5-Land日統(tǒng)計平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的均方根誤差分別為0.1/1.2 ℃、0.6/1.9 ℃、0.4/1.7 ℃，分析表明HRCLDAS具有更高的精度，且在不同地理區(qū)域、不同海拔高度的表現(xiàn)均優(yōu)于ERA5-Land，大部地區(qū)的偏差（-0.5～0.5 ℃）遠(yuǎn)低于ERA5-Land（-2.0～2.0 ℃）。兩套數(shù)據(jù)對高溫及寒潮過程的監(jiān)測能力對比評估結(jié)果表明，HRCLDAS能夠捕捉到大部分的高溫以及寒潮過程，其與觀測的高溫日數(shù)及寒潮日數(shù)空間分布較為相似，但對影響范圍存在一定的低估，ERA5-Land則只能監(jiān)測到部分高溫及寒潮過程，并對高溫日數(shù)與寒潮日數(shù)存在嚴(yán)重的低估。

關(guān)鍵詞：HRCLDAS；ERA5-Land；山東；氣溫；適用性評估

中圖分類號：P423;P413? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）02-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.02.008

Comparison and evaluation of HRCLDAS and ERA5-Land daily temperature statistics in Shandong

KONG Xiangning1，2， LIU Huanbin1，2， CAO Jie1，2， ZHENG Na3

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Climate Center， Jinan 250031， China; 3. Zouping Meteorological Bureau， Zouping 256200， China）

Abstract： Based on the 2-m air temperature data of 1 519 meteorological observation stations in Shandong from March 2021 to February 2022， the applicability of the 2-m temperature daily statistics （mean， maximum， and minimum temperature） from HRCLDAS （High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System） and ERA5-Land （ECMWF Reanalysis v5-Land） in Shandong is compared and evaluated. The RMSE （root mean square error） of mean， maximum， and minimum temperature from HRCLDAS/ERA5-Land daily statistics is 0.1/1.2 ℃， 0.6/1.9 ℃， and 0.4/1.7 ℃， respectively， which means that HRCLDAS is more accurate， and HRCLDAS in different geographical areas and at different altitudes performs better than ERA5-Land. The deviation of HRCLDAS in most areas （?0.5 to 0.5 ℃） is much lower than that of ERA5-Land （?2.0 to 2.0 ℃）. The comparison and evaluation results of the two datasets on the monitoring ability of high temperature and cold wave show that HRCLDAS can capture most of the high temperature and cold wave processes， and the spatial distribution of the number of high temperature and cold wave days is similar to the observation， but it somewhat underestimates the influence range. However， ERA5-Land can only monitor part of the high temperature and cold wave processes， and the number of high temperature and cold wave days is seriously underestimated.

Keywords： HRCLDAS; ERA5-Land; Shandong; air temperature; applicability evaluation

引言

在全球氣候變暖背景下，各類極端天氣事件頻發(fā)，其中，極端高溫事件的頻率和強度均在增加[1-3]，比如2022年夏季中國出現(xiàn)的大范圍持續(xù)性高溫事件，影響人口超過9億人，多省電網(wǎng)用電負(fù)荷創(chuàng)歷史新高，部分地區(qū)氣象干旱持續(xù)或發(fā)展。日益嚴(yán)峻的天氣氣候事件需要更高質(zhì)量的氣象服務(wù)，但目前的氣象服務(wù)主要基于站點數(shù)據(jù)，分布不均的地面觀測站點難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜地形地貌下不同區(qū)域間的氣溫要素差異，且對極端冷暖事件的捕捉能力較差[4-5]，因此亟需更加精細(xì)的氣象數(shù)據(jù)集以了解極端冷暖事件特征，滿足高精度、網(wǎng)格化的氣象服務(wù)需求。

再分析數(shù)據(jù)是基于歷史多源觀測，通過數(shù)據(jù)同化研發(fā)的規(guī)則網(wǎng)格產(chǎn)品[6]，其氣溫產(chǎn)品較為成熟，用于極端冷暖事件監(jiān)測的潛力巨大。目前國際主流的全球再分析產(chǎn)品主要有ERA5、NCEP/NCAR再分析產(chǎn)品、JRA-55、MERRA-2等，其中ERA5再分析數(shù)據(jù)受到廣泛認(rèn)可且空間分辨率最高[7-9]。ERA5提供了1950年以來全球大氣、地表和海浪的再分析數(shù)據(jù)，相較ERA-Interim，采用每小時輸出，并添加了不確定性估計[10]。ERA5-Land數(shù)據(jù)集與ERA5共享大部分參數(shù)化方案，與ERA5（0.25°×0.25°）相比具有更精細(xì)的水平分辨率（0.1°×0.1°），并提供更準(zhǔn)確的水和能量循環(huán)描述。大量學(xué)者針對ERA5、ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)開展評估工作。單帥等[11]研究指出ERA5氣溫資料在中國北部積雪區(qū)整體表現(xiàn)好于JRA-55、CFSR及MERRA-2。孟憲貴等[8]發(fā)現(xiàn)ERA5在山東的適用性要優(yōu)于ERA-Interim資料，其2 m氣溫與觀測資料的相關(guān)性較好；Zou等[12]對ERA-Land氣溫數(shù)據(jù)在粵港澳大灣區(qū)的表現(xiàn)能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)ERA5-Land與觀測氣溫存在較好的一致性，且能夠較好地捕捉氣溫日變化與季節(jié)性變化，但存在一定的低估，在低溫下的表現(xiàn)優(yōu)于高溫，下墊面、離海岸線的距離與海拔高度會影響 ERA5-Land數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

中國的融合與再分析技術(shù)起步較晚，但發(fā)展較快。國家氣象信息中心先后研制出CRA40、CRA40/Land、CLDAS、HRCLDAS等一系列再分析與融合產(chǎn)品[9，13-18]，其中，HRCLDAS沿用CLDAS的核心算法，同時結(jié)合高分辨率地形參數(shù)數(shù)據(jù)，對氣溫等要素進(jìn)行地形調(diào)整，空間分辨率可達(dá)0.01°×0.01°[19]。與國內(nèi)外再分析產(chǎn)品相比，HRCLDAS系列的陸面融合分析產(chǎn)品在中國區(qū)域的時空分辨率更高，能夠刻畫出中國區(qū)域更多的細(xì)節(jié)，且誤差更小，更適合用于中國區(qū)域的極端天氣事件的研究[5，20-21]。劉瑩等[22]對CLDAS氣溫數(shù)據(jù)在中國區(qū)域的適用性進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示，CLDAS氣溫較好地反映了中國氣溫的年際變化，東部誤差小于西部誤差。齊鐸等[23]與董春卿[24]等分別基于CLDAS數(shù)據(jù)對中國東北與山西省的氣溫預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正。Wang等[5]通過評估HRCLDAS與ERA5氣溫數(shù)據(jù)在中國的適用性發(fā)現(xiàn)，二者均能夠還原氣溫空間分布與季節(jié)變化的總體特征，HRCLDAS能夠表現(xiàn)出更細(xì)致的分布特征，且誤差較ERA5更小。

HRCLDAS與ERA5-Land數(shù)據(jù)集為目前國內(nèi)外空間分辨率較高的兩類數(shù)據(jù)，但目前缺少對兩套數(shù)據(jù)在山東境內(nèi)的對比研究，因此本文基于山東省2 m氣溫觀測數(shù)據(jù)，對HRCLDAS與ERA5-Land逐小時氣溫的日統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比評估，分析二者的時空分布特征與誤差分布特征，并對HRCLDAS與ERA5-Land數(shù)據(jù)對高溫以及寒潮過程的監(jiān)測能力進(jìn)行評估，以為高分辨率氣溫格點數(shù)據(jù)在山東的應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1資料

采用2021年3月—2022年2月山東省內(nèi)國家級氣象觀測站和地面自動氣象站逐日2 m觀測氣溫數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)過國家氣象信息中心的質(zhì)量控制，包括氣候界限值檢查、要素允許范圍值檢查、時間一致性檢查、空間一致性檢查和質(zhì)控綜合判斷等[22]。原始數(shù)據(jù)共1 776站（含國家級氣象觀測站123站），本文為減少缺測站點對評估結(jié)果的影響，對缺測1個月以上的站點進(jìn)行去除，并進(jìn)一步對不可信數(shù)據(jù)進(jìn)行人工篩查與去除，主要是通過對某日個別站點出現(xiàn)的高溫過程以及寒潮過程進(jìn)行人工核驗，如其與地形、天氣過程矛盾，則對站點進(jìn)行去除。經(jīng)過缺測處理與人工核驗后的站點剩余1 519站（含國家級氣象觀測站123站）。

高分辨率陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（HRCLDAS）數(shù)據(jù)集由國家氣象信息中心研發(fā)，利用多重網(wǎng)格變分技術(shù)（STMAS）對地面觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星觀測產(chǎn)品以及數(shù)值模式數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，同時為進(jìn)一步描述1 km分辨率尺度的細(xì)節(jié)，尤其是氣溫、氣壓等隨海拔高度變化較為明顯的要素，引入了0.01°空間分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）地形參數(shù)數(shù)據(jù)，對氣溫等要素進(jìn)行地形調(diào)整，從而獲取高質(zhì)量的氣溫、濕度和風(fēng)速數(shù)據(jù)[19]。該數(shù)據(jù)覆蓋范圍為70°～140°E，15°～60°N，空間分辨率為0.01°×0.01°，時間分辨率為1 h[5，20]。目前可下載HRCLDAS 2021年1月21日以來的數(shù)據(jù)，選取2021年3月—2022年2月整年數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。

ERA5-Land是通過對歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA5再分析數(shù)據(jù)的陸面部分進(jìn)行重算得到的，其僅包含陸面變量，空間分辨率較ERA5更高，為0.1°×0.1°，空間覆蓋范圍為全球，時間范圍為1950年1月以來[25]。ERA5-Land提供兩種時間分辨率數(shù)據(jù)：逐小時與逐月。為與HRCLDAS進(jìn)行對比，選取2021年3月—2022年2月逐小時ERA5-Land氣溫數(shù)據(jù)。

為評估格點數(shù)據(jù)對極端情況的刻畫情況，將逐小時HRCLDAS、ERA5-Land氣溫數(shù)據(jù)處理為日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫，其中日平均氣溫與觀測日平均氣溫采用相同的統(tǒng)計方法，取每日02時、08時、14時、20時氣溫的平均值，日最高氣溫與日最低氣溫受限于格點數(shù)據(jù)時間分辨率，取每日20時—次日20時逐小時數(shù)據(jù)中的極大值與極小值。下文將逐小時HRCLDAS、ERA5-Land氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫簡稱為HRCLDAS、ERA5-Land日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫。