NCEP再分析资料和浮标观测资料计算海气热通量的比较

黄艳松,宋金宝

(1.中国科学院 海洋研究所 环流与波动重点实验室,山东 青岛 266071; 2.中国科学院 研究生院,北京100039)

海-气热交换在海气相互作用过程中起着非常重要的作用。海表净热通量(Fnh)包括向下短波辐射通量(Fds)、向下长波辐射通量(Fdl)、向上短波辐射通量(Fus)、向上长波辐射通量(Ful)、感热通量(Hs)和潜热通量(HL)。这些通量被用来驱动海洋模式并检验气象预报模式结果的可信度。但由于现场观测资料的匮乏,我们对这些通量参数了解很少。目前使用最广泛的用于为海洋、大气模式提供初始场且验证模式结果正确与否的通量产品来自于 NCEP再分析资料。NCEP再分析资料是由美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)协作,对来源于地面、船舶、无线电探空、探空气球、飞机、卫星等气象观测资料进行同化处理后,研制的全球气象资料数据库,包含一天4次、日平均和月平均3种时间格式的数据。NCEP再分析资料分为两个版本,即NCEP1(NCEP/NCAR Reanalysis 1)和NCEP2(NCEP/DOE Reanalysis 2)。NCEP2是NCEP1的升级版,两者具有相同的分辨率且用的是相同的原始观测数据,其感热和潜热通量算法相同,但两者在涉及到辐射通量的一些参数上、同化数据源和同化方法是不一样的[1-3]。关于NCEP再分析资料在世界大洋各个区域的可信性评估前人已经作了很多工作,包括：阿拉伯海[4]、热带太平洋[5-7]、东北大西洋[8-9]、拉布拉多海[10]、北大西洋的西边界流[11]、南半球[12]、印度洋[13-14],中国南海[15]和中国东海[16]。NCEP再分析资料在不同区域表现不同,文献[17]根据东南阿拉伯海的浮标资料结果指出 NCEP再分析资料低估了海表气象学参数,进而低估了海表的感热通量和潜热通量; 文献[4]应用阿拉伯海上另一点观测资料,文献[9]应用东北大西洋的浮标观测资料分别指出NCEP再分析资料计算的湍流热通量存在高估现象。比较研究表明 NCEP再分析资料与现场观测资料计算结果之间的差异在不同的区域甚至同一区域不同时间内都是表现不同的[18-19]。

在本文研究中,我们对 NCEP再分析资料中的海表气象学参数及其海表热通量与布放在黄海北部的浮标观测资料及通量计算结果进行了比较。对其可信度进行了初步检验和评估,以便为研究中国近海选用合适的再分析资料提供借鉴和参考。

1 观测数据及数据处理方法

本文资料对应时间为2009年9月26日到2009年11月20日(世界时)。现场观测资料来自于布放在黄海北部 122°44.355′E 和 39°02.908′N 的锚定浮标观测数据,关于该浮标的具体描述可见文献[20]。浮标上距离海面6.8 m左右的常规气象站可以每分钟输出一次风速(U)、风向、大气温度(Tair)、大气压力(P)和相对湿度,应用Tair、P和相对湿度,我们计算出比湿Q; 海面以下0.2 m左右的水温仪每5 s观测一次水温,我们将其作为海表温度Tsea; 另外,在距离海面4 m左右的浮标桁架上还安装了4个辐射仪,可以分别观测Fds、Fdl、Fus和Ful,辐射通量也是每分钟观测一次。所有的数据在使用之前都经过了质量控制。6.8 m处常规风速仪观测到的风速通过中性条件下对数定律[23]转换成 10 m 风速U10; 感热通量和潜热通量是通过COARE3.0块体通量程序[22]计算得到的。为了与NCEP再分析资料进行对比,我们对浮标观测到的海表气象参数、辐射通量和湍流热通量进行日平均。

关于 NCEP 再分析资料日平均U10、Q、Tair、Tsea、Fds、Fdl、Fus、Ful、Hs和HL来自于两个数据库NCEP/NCAR Reanalysis 1与NCEP/DOE Reanalysis 2,分别命名为NCEP1和NCEP2。为了与浮标数据进行对比,我们采用最邻近插值法将 NCEP再分析资料空间插值到锚定浮标的位置。

为了更细致地比较 NCEP再分析资料与浮标资料给出的海表气象学参数和热通量间的异同,我们考虑平均偏差、相对误差、均方根误差和相关系数4个统计量,计算公式如下：

其中Xi表示浮标资料时间序列,Yi代表NCEP再分析资料时间序列,上划线代表平均值,“| |”表示取绝对值,σ代表均方差。

2 结果

2.1 气象学参数比对

图1给出了来自于浮标、NCEP1和 NCEP2的U10、Q、Tair、Tsea数据的日平均时间序列图。可以看出 NCEP资料与浮标观测资料之间还是存在一定差异的。表1给出了NCEP资料与浮标观测资料中海表气象参数及各种热通量的对比,表 2给出了NCEP再计算热通量(应用NCEP1、NCEP2海表气象资料而采用 COARE3.0块体通量程序计算出的热通量)与浮标观测资料计算结果的对比,包括平均偏差、相对误差、均方根误差和相关系数,计算方法见公式(1)～(4),表格中的Fns代表净短波辐射通量(Fns=Fus-Fds),Fnl代表净长波辐射通量(Fnl=Ful-Fdl),Fnr代表净辐射通量(Fnr=Fns+Fnl)。

图1 海表气象参数日平均值的时间序列Fig.1 Time series plots of daily averaged values of marine meteorological parameters

图1(a)为海面U10时间序列。可以看出,NCEP再分析资料与浮标观测风速变化趋势基本一致(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相关系数分别为0.76,0.79); 在风速小于11 m/s时,NCEP1和NCEP2风速资料一般要低于浮标观测风速,NCEP2与浮标观测的风速更接近; 当风速大于11 m/s时,NCEP1和NCEP2一般要高于浮标观测风速,NCEP1与浮标观测的风速更接近。该结果与文献[15,16]存在相似性。文献[15]给出了中国南海现场观测资料和 NCEP2资料的对比,除科学3号比较结果外其他4组比较结果均在风速小于10 m/s时,NCEP2风速资料要低于浮标观测风速。文献[16]应用东海浮标资料指出当风速处于10～20 m/s之间时,NCEP再分析资料中的动量通量要高于浮标资料计算的结果,因为动量通量高也代表着风速高,所以这一点与本文风速的比较结果是一致的。对于整个比较期间,NCEP1风速与浮标风速之间的平均误差为-1.22 m/s,平均低估风速达17.69%,NCEP2风速与浮标风速之间的平均误差为0.22 m/s,平均高估风速为3.19%,NCEP2风速的长期平均值更接近于浮标风速的长期平均值。

表1 NCEP再分析资料与浮标观测资料之间的比对Tab.1 Comparison of NCEP reanalysis and buoy data

表2 NCEP再计算湍流热通量与浮标观测资料计算结果的对比Tab.2 Comparison of NCEP recomputed turbulence heat fluxes and that from buoy data

图1(b)为海面以上2 m处Q日平均值的时间序列。NCEP1、NCEP2和浮标的Q变化趋势基本一致(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相关系数分别为0.96,0.96),NCEP1、NCEP2的Q在相对湿度较低时存在高估现象,NCEP2的Q更接近于浮标测量值。Q高估会造成潜热通量结果低估。文献[25]也指出在地球热带之外,NCEP1、NCEP2的Q普遍存在高估现象。对于整个比较期间,NCEP1的Q与浮标Q之间的平均误差为 1.1 g/kg,平均高估Q达 16.18%,NCEP2的Q与浮标Q之间的平均误差为0.3 g/kg,平均高估Q为4.64%,NCEP2的Q的长期平均值更接近于浮标Q的长期平均值。

图1(c)为海面Tair日平均值时间序列。与Q比较结果相类似,NCEP1、NCEP2和浮标的Tair结果变化趋势基本一致(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相关系数分别为 0.99,0.99); 在开始风速较弱的 6 d里,NCEP1、NCEP2的Tair存在低估现象; 6 d之后,NCEP1、NCEP2的Tair结果普遍存在高估现象,尤其是相对湿度比较低时更明显; NCEP2的Tair结果更接近于浮标观测值。文献[17]指出在季风爆发前即弱风下 NCEP再分析气温资料存在低估现象,这与本文在弱风下得到的结论相一致。文献[23]指出在地球热带之外,NCEP1、NCEP2的大气温度结果普遍存在低估现象,这与本文结果不太一致。对于整个比较期间,NCEP1 的Tair与浮标Tair之间的平均误差为 1.22℃,平均高估Tair达 9.96%,NCEP2 的Tair与浮标Tair之间的平均误差为 0.27℃,平均高估Tair为 2.24%,NCEP2 的Tair长期平均值更接近于浮标Tair的长期平均值。

图1(d)为海表水温日平均值时间序列。可以看出,NCEP1、NCEP2的Tsea资料与真实的Tsea总体变化趋势相似(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的R分别为 0.97,0.97); 在大部分时间里 NCEP1、NCEP2的Tsea资料存在高估现象; 9月末NCEP1、NCEP2的Tsea资料存在低估现象; NCEP2的Tsea结果更接近于浮标观测值。另外,NCEP再分析Tsea资料指的是皮温,而我们浮标观测到的Tsea指的是水下0.2 m左右的海水温度,关于这两种温度的关系在文献[24]中有详细介绍。对于整个比较期间,NCEP1Tsea与浮标Tsea之间的平均误差为 0.70℃,平均高估Tsea达 1.08%,NCEP2Tsea与浮标Tsea之间的平均误差为0.27℃,平均高估Tsea为0.34%,NCEP2Tsea的长期平均值更接近于浮标Tsea的长期平均值。

2.2 通量对比

2.2.1 辐射通量

海面辐射通量由Fds、Fdl、Fus和Ful四部分组成。

图2给出了来自于NCEP1、NCEP2和浮标的辐射通量日平均值时间序列图。图2(a)为Fds日平均值时间序列,可以看出 NCEP1、NCEP2的Fds与浮标观测值之间存在一定的差异,普遍大于浮标观测值,存在高估现象(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的平均误差分别为 44.56,45.56 W/m2),变化趋势大体一致(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相关系数分别为0.77,0.71); NCEP2的Fds相对于NCEP1改变不大,基本相等(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相对误差分别为34.13%,34.89%)。图2(b)为Fdl日平均值时间序列,可以看出NCEP1、NCEP2的Fdl普遍小于浮标观测值,存在低估现象(NCEP1、NCEP2与浮标的平均误差分别为-13.3,-26.07 W/m2),变化趋势大体一致(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相关系数分别为0.90,0.93); NCEP1的Fdl大于NCEP2,与浮标观测值更接近(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的相对误差分别为-4.24%,-8.31%)。图2(c)为USWR日平均值时间序列,可以看出 NCEP2的Fus与浮标观测值比较接近,而 NCEP1要比浮标观测值高很多 (NCEP1、NCEP2与浮标的平均误差分别为21.47,1.33 W/m2)。图 2(d)为Ful日平均值时间序列,可以看出除了在 9月末之外,NCEP1、NCEP2的Ful普遍大于浮标观测值,存在高估现象(NCEP1、NCEP2与浮标观测值的平均误差分别为9.15,10.94 W/m2); NCEP再分析Ful资料不能反映出真实Ful的巨大变化; NCEP2的Ful相对于NCEP1改变不大,基本相等(NCEP1、NCEP2与浮标的相对误差分别为 2.33%,2.78%)。从表 1中可以看出,NCEP再分析资料中的海面吸收的Fns、海面释放的Fnl与浮标观测资料相比存在高估现象,这与文献[9]中表 2b中的结果相一致; 而针对于Fnr而言,NCEP1,NCEP2的平均值都要高于浮标观测值且NCEP1的Fnr更接近浮标观测值(NCEP1、NCEP2与浮标Fnr的平均误差分别为0.65,7.22 W/m2)。

图2 辐射通量日平均值的时间序列Fig.2 Time series plots of daily averaged values of radiative flux

2.2.2 湍流热通量

海表面的湍流热通量指的是Hs和HL。图3给出了湍流热通量日平均值的时间序列图。该图中正通量代表热量从海洋传到大气; NCEP1和NCEP2代表NCEP再分析资料中直接下载的湍流热通量值;NCEP1-COARE和 NCEP2-COARE分别代表应用NCEP1和NCEP2各自数据库中的海表面气象参数,采用 COARE3.0块体通量计算程序获得的感热通量和潜热通量,参考文献[16]我们将其称为“再计算感热通量”和“再计算潜热通量”,合称为“再计算湍流热通量”; 浮标-COARE代表应用浮标观测到的海表面气象参数,同样采用 COARE3.0块体通量计算程序获得的湍流热通量结果。可以看出,NCEP再分析资料中的感热通量和潜热通量都存在很大程度上的高估现象,很多前人的研究都证实了这一点[9,23],这与模式计算中采用了过大的交换系数有关。当我们采用块体通量计算程序 COARE3.0来计算湍流热通量时,发现与 NCEP再分析资料中提供湍流热通量相比较,再计算湍流热通量大大地减小了,NCEP1再计算湍流热通量与浮标计算的湍流热通量相比存在低估现象,NCEP2再计算湍流热通量与浮标计算的湍流热通量相比发现在较低风速下存在低估现象,而高风速下由于NCEP2的风速要远大于浮标观测风速,造成此时NCEP2再计算湍流热通量要大于浮标计算的湍流热通量。文献[12,17]都指出再计算湍流热通量存在低估现象。从表1可知,对于整个比较期间,NCEP1与浮标Hs、HL之间的平均误差分别为28.83和50.95 W/m2,平均高估Hs、HL分别为41.41%和32.19%,NCEP2与浮标Hs、HL之间的平均误差分别为44.69和90.96 W/m2,平均高估Hs、HL分别为64.19%和 57.47%,NCEP1 中Hs、HL的长期平均值更接近于浮标Hs、HL的长期平均值。从表2可知,对于整个比较期间,NCEP1-COARE与浮标Hs、HL之间的平均误差分别为-23.01和-52.00W/m2,平均低估Hs、HL分别为-33.06%和-32.85%,NCEP2-COARE与浮标Hs、HL之间的平均误差分别为 9.21和7.39W/m2,平均高估Hs、HL分别为13.22%和4.67%,NCEP2-COARE 中Hs、HL的长期平均值更接近于浮标Hs、HL的长期平均值。

图3 湍流热通量日平均值的时间序列Fig.3 Time series plots of daily averaged values of turbulent heat flux

图4 净热通量日平均值的时间序列Fig.4 Time series plots of daily averaged values of net heat flux

2.2.3 净热通量

海表面的净热通量Fnh=Fus+Ful-Fds-Fdl+Hs+HL。图 4给出了 5种海表面Fnh日平均值的时间序列。NCEP1和 NCEP2分别代表各自数据库中直接下载的Fns、Fnl和湍流热通量值计算的Fnh结果;NCEP1-COARE和 NCEP2-COARE分别代表应用NCEP1和NCEP2各自数据库中的Fns、Fnl和再计算湍流热通量得到的再计算净热通量; 浮标-COARE代表应用浮标观测到的净辐射通量和湍流热通量计算的浮标净热通量。可以看出,除了9月末10月初之外,NCEP1和NCEP2的净热通量结果要高于浮标计算结果; 但用再计算湍流热通量替代 NCEP再分析资料中的湍流热通量之后,再计算净热通量大大地降低,NCEP1再计算净热通量与浮标计算的净热通量相比除了 9月末两者符号相反外其他时间存在低估现象,NCEP2再计算净热通量与浮标计算的净热通量相比在10月9日左右、10月末和10月10日左右存在高估的现象,9月末两者符号相反,其他时间点两者比较接近。结合表1和表2中的Fnr、Hs、HL和Fnh,可知与浮标观测数据计算得到的海面净热通量相比,NCEP1净热通量(NCEP1再计算净热通量)高估(低估)了42%(40%); NCEP2净热通量(NCEP2再计算净热通量)高估(高估)了 68%(5%); 对于 NCEP1数据库来讲,海面净热通量的高估主要取决于Hs和HL的高估,海面再计算净热通量的低估主要取决于Hs和HL的低估; 对于NCEP2数据库来讲,海面净热通量的高估同样主要取决于Hs和HL的高估,但海面再计算净热通量的高估主要取决于Hs、HL和Fnr的高估。

3 讨论

在资料分析过程中发现NCEP2的再计算湍流热通量与NCEP1相比要更接近于浮标观测值,但在11月1号和10号两天也存在较大的误差,试验观测数据正好在两个版本的中间。针对这一问题我们采取了如下处理方式,即计算两个版本的再计算湍流热通量平均值,然后与浮标计算得到的湍流热通量进行比较,两者之间的平均偏差、相对误差、均方根误差和相关系数 4个统计量分别为-29.21W/m2,-12.81%,65.68 W/m2和 0.95,而 NCEP1(NCEP2)的再计算湍流热通量与实际观测到的湍流热通量之间的 4个统计量分别为：-75.01 W/m2(16.60 W/m2)、-32.91%(7.28%)、102.36 W/m2(84.41 W/m2)和0.96(0.94)。从统计量上来讲,NCEP1和NCEP2之间的平均再计算湍流热通量要比NCEP1再计算湍流热通量更接近于观测值,但其平均偏差要大于 NCEP2再计算湍流热通量与浮标之间的平均偏差。图 5为采用新的组合方式计算的湍流热通量日平均值和浮标观测结果的时间序列比较图,这里的混合风场指的是在风速U10＜11.5 m/s时,风速取为NCEP2的风速资料,在风速U10＞11.5 m/s时,风速取为 NCEP1的风速资料。从图5可以直观地看出,对于11月1号和10号两天来讲,NCEP1、NCEP 2之间的再计算湍流热通量平均值要明显的好于 NCEP1或 NCEP2的再计算湍流热通量。

另外,11月1号和10号两天NCEP2的再计算湍流热通量与浮标观测值误差较大的原因在于两者海表气象参数之间的差异,尤其是海面上10 m风速的差异。通过比较可以发现,在高风速下(U10＞11.5 m/s),NCEP1的风速会更接近于浮标测量风速,则我们又考虑了另外一种处理方式,即在高风速下,利用NCEP1的风速代替NCEP2的风速,重新计算NCEP2的再计算湍流热通量,最后得到其与浮标数据之间的平均偏差、相对误差、均方根误差和相关系数 4个统计量分别为8.17 W/m2,3.58%,65.39 W/m2和0.95,这一结果要优于 NCEP1或NCEP2的再计算湍流热通量,从图 5中也可以看出使用混合风场计算的再计算湍流热通量非常地接近。所以说,针对本文的分析结果来讲,这也许给我们以后应用 NCEP数据库的数据提供了一个新的思路：在使用块体通量程序COARE3.0计算湍流热通量的过程中,可以考虑使用混合风场,即高风速下采用 NCEP1的风速资料,其余情况下使用NCEP2的风速资料,当然这一想法还需要通过更多的实测资料来获得验证。

图5 采用新的组合方式计算的湍流热通量日平均值的时间序列Fig.5 Time series plots of daily averaged values of turbulent heat flux by new recomposed way

4 结论

本文对 NCEP再分析资料中的海表气象学参数及海表热通量日平均值与定点布放在黄海北部的浮标观测资料及通量计算结果进行了比较分析。比较时间从2009年9月26日至2009年11月20日。统计量平均偏差、相对误差、均方根误差和相关系数比对表明：NCEP1和NCEP2再分析资料中海表气象学参数及海表热通量日平均值的时间序列与浮标结果变化趋势基本一致,但NCEP1对风速存在低估现象,对大气比湿、大气温度和海表温度存在高估现象,NCEP2中海表气象学参数都存在高估现象但更接近浮标观测资料; 虽然在向上短波辐射通量上 NCEP2比NCEP1更接近浮标观测值,但NCEP1的净辐射通量值更接近浮标观测值。对湍流热通量而言,与NCEP1和 NCEP2再分析资料中自带的感热通量和潜热通量及NCEP1再计算湍流热通量相比,NCEP2再计算湍流热通量最接近于浮标资料计算的湍流热通量。对于海表净热通量而言,应用 NCEP1和NCEP2资料提供的湍流热通量计算的结果要普遍高于浮标计算结果; 但用再计算湍流热通量替代NCEP再分析资料中的湍流热通量之后,再计算净热通量大大地降低,NCEP1的再计算净热通量低估了42%,而NCEP2的再计算净热通量高估了5%; 对于NCEP1数据库来讲,海面净热通量的高估主要取决于感热和潜热通量的高估,海面再计算净热通量的低估主要取决于感热和潜热通量的低估; 对于NCEP2数据库来讲,海面净热通量的高估同样主要取决于感热和潜热通量的高估,但海面再计算净热通量的高估主要取决于感热、潜热通量和净辐射通量的高估。

海面风场的比对表明,在风速小于 11 m/s时,NCEP1和 NCEP2风速资料一般要低于浮标观测风速,NCEP2与浮标观测的风速更接近; 当风速大于11 m/s时,NCEP1和NCEP2一般要高于浮标观测风速,NCEP1与浮标观测的风速更接近。针对该分析结果来讲,这也许给我们以后应用 NCEP数据库的数据提供了一个新的思路：在使用块体通量程序COARE3.0计算湍流热通量的过程中,可以考虑使用混合风场,即高风速下采用 NCEP1的风速资料,其余情况下使用NCEP2的风速资料,计算海面上的湍流热通量。当然这一想法还需要通过更多的实测资料来获得验证。

研究表明,NCEP再分析资料中的海表气象参数是可信的,在统计意义上,NCEP2给出的海表气象参数比NCEP1与浮标观测值更接近,而净辐射通量则是NCEP1更接近于浮标观测值; 使用更合理的块体公式计算出的湍流热通量来代替 NCEP数据库中已计算好的湍流热通量来驱动海洋模式是很有必要的; NCEP2的再计算湍流热通量与NCEP1相比要更接近于浮标观测值。使用混合风场计算的再计算湍流热通量与浮标观测结果更加符合。

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