全球春、夏陆面热力状况变化特征:NCEP/NCAR与ERA40再分析资料的比较

郑旭程，陈海山

(南京信息工程大学1.气象灾害省部共建教育部重点实验室;2.大气科学学院，江苏南京210044)

全球春、夏陆面热力状况变化特征:NCEP/NCAR与ERA40再分析资料的比较

郑旭程1，2，陈海山1，2

(南京信息工程大学1.气象灾害省部共建教育部重点实验室;2.大气科学学院，江苏南京210044)

利用目前国际上应用较为广泛的两套再分析资料:NCEP/NCAR再分析的陆地表面温度(land surface temperature or skin temperature，简称LST)及欧洲中期天气预报中心ERA40表层土壤温度(ECMWF-STL1)资料，揭示了两组资料反映的春、夏季陆面热力状况分布特征及变率的异同。结果表明:1)两套资料的全球春季陆面热力状况气候态分布均反映出表面温度从赤道向两极递减的趋势，但在中低纬地区，ECMWF-STL1高于LST，高纬度地区情况相反。夏季，除格陵兰岛外，两套资料陆面热力状况气候态分布基本相同。2)春季ECMWF-STL1、LST变率类似，均表现为北半球中高纬地区表面温度变率大的特征。相比而言，欧亚大陆北部ECMWF-STL1变率较LST明显，南部相反。夏季，温度变率较大的区域主要位于非洲中部、欧亚大陆北部及美洲部分地区，其中，南北美洲两套资料温度变率差别较大。3)分析EOF第一模态发现，两套资料均表现出春季欧亚大陆热力状况南北反相变化的特征，澳大利亚及南北美洲地区两套资料空间分布型位相正好相反。对于夏季而言，两套资料均反映出欧亚大陆及非洲的一致性变化特征，而其他地区差别较大;4)春季增温显著的地区主要位于欧亚大陆中高纬，相比而言，欧亚大陆北部ECMWF-STL1升温较明显，南部LST降温较明显。夏季，非洲、欧亚以及北美洲地区，两套资料升降温趋势分布相似，但LST升降温幅度均较ECMWF-STL1大。总之，两套资料对热力状况的描述在非洲及欧亚大陆上相似性较大，而在澳大利亚、格陵兰岛及南北美洲地区有一定的差别。另外，对青藏高原地区的热力状况的描述两套资料差别较大。

陆面热力状况;空间分布;年际变率;资料对比

0 引言

由构成多样、性质复杂、分布又很不均匀的下垫面所组成的陆地表面是整个气候系统中一个既重要而又复杂的分量，陆面与大气及其他圈层之间进行的各种时空尺度的相互作用对大气环流及气候状况具有重要的影响(孙菽芬，2005)。近年来，陆面过程在气候系统中的作用引起了广泛的重视，许多工作表明，地表热力状况(Webster，1983)、土壤湿度(Yeh et al.，1984)、积雪(陈海山等，1999)、植被(张井勇等，2003)的异常均对气候有重要影响，而积雪、植被等因子又会通过改变地表热力状况及地气之间的能量交换来影响地气系统(Cohen and Rind，1991;Walland and Simmonds，1997)。因此，陆面热力状况作为气候变化的重要影响因子，在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色，与大气和气候变化的关系十分密切。一方面，陆面热力状况异常通过改变海陆热力差对季风气候产生影响，海陆热力对比与亚洲夏季风的建立及变化的关系密切(Li and Yanai，1996;Liu et al.，2009)。施晓晖和徐祥德(2009)指出华南及其邻近海域春季海陆温差的减弱趋势对东亚夏季风强度可能具有一定的影响。而孙秀荣等(2002)、张红梅等(2002)的研究也表明东亚地区海陆间温差能够较好反映夏季风环流及降水的分布型。赵勇和钱永甫(2008)、Cheng et al.(2008)发现中纬度亚洲大陆、北非大陆和邻近海洋热力对比对东亚夏季风环流及降水有重要影响。另一方面，陆面热力异常以及陆面不同区域的热力差异对季风活动和气候变化也有重要作用。Zhang et al.(2005)认为土壤温度与气温、降水之间呈现出复杂的响应关系，这种响应反过来对气候变化产生影响。汤懋苍等(1986)研究认为，冬季地温的变化与同一地区后期降水有密切的关系，是气候预测的重要的因子。李跃凤和丁一汇(2002)发现春、夏热带非洲大陆和夏季亚洲大陆部分地区地表温度与长江流域夏季降水存在正相关关系。另外，大量的研究(葛旭阳和朱永禔，2001;何冬燕等，2010)指出，青藏高原的热力状况对长江中下游地区梅雨、华北地区汛期降水等都有重要影响。最近的研究则表明，冬季亚洲大陆东北亚和南亚地区的地面温度存在明显的区域差异，这种大陆内部的热力差异与亚洲季风活动和中国夏季降水存在密切联系(晏红明等，2005;梁红丽等，2010a，2010b)。

目前，陆面观测资料的缺乏严重影响了陆气相互作用研究的进展。再分析资料由于覆盖范围广、时间长而被广泛使用，欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)发布的ERA40(Simmons et al.，2000;Uppala et al.，2005)以及美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)发布的NCEP/NCAR再分析资料数据集(Kalnay et al.，1996)是目前被广泛应用的两套再分析资料。但是，再分析资料的产生过程极为复杂，记录来源、模式系统和资料同化系统等因素使得资料本身的缺陷及两套资料间的相互差异在所难免。而资料的质量和可信度会直接影响诊断分析的结果，并对模拟和预测的结果产生影响(施晓晖等，2006)。为此，针对不同的研究目的，很多学者对再分析资料进行了评估和对比研究，以期发现各再分析资料间的异同或某些资料的缺陷，进而合理恰当的使用资料进行科学研究。

徐影等(2001)、赵天保等(2004)、方之芳和张丽(2006)、施晓晖等(2006)对NCEP/NCAR再分析气温、气压、风速等要素在中国区域的可信度进行了研究，指出NCEP/NCAR资料有一定的不确定性，不同时段、不同区域的可信度不同。Poccard et al.(2000)对热带非洲地区NCEP/NCAR再分析资料与实测资料降雨量进行了对比。另外的一些工作分析了NCEP/NCAR与ERA40再分析资的异同，Renfrew et al.(2002)揭示了拉布拉多地区ECMWF、NCEP/NCAR再分析资料地面湍流通量与实测资料的异同，Josey(2001)也做过类似的工作。而韩晋平和王会军(2007)的研究指出，两份再分析资料在反映东亚夏季风年代际变化上基本吻合，但也有很多差别。方之芳等(2010)则对东亚地区NCEP/NCAR与ERA40再分析资料的500 hPa位势高度场进行对比，并提出贝加尔湖以南地区20世纪70年代之前的NCEP/NCAR再分析资料可信度低。施宁等(2008)指出，在南极洲底层NCEP/NCAR资料存在一个虚假的很强的极地高压，而ECMWF资料正常。一系列的分析(Serreze and Hurst，2000;Bromwich and Fogt，2004;Inoue and Matsumoto，2004;赵天保和符淙斌，2006;高庆九等，2010)也指出，NCEP/NCAR再分析资料在某些方面可能存在一定的问题，相对而言，ERA40可信度更高。而黄刚(2006)比较了我国北方地区高低层位势高度及温度特征后指出两套再分析资料各有优缺点。以上的研究工作主要是集中在气压、气温等方面，而在反映陆面热力状况方面，两套资料的可靠性如何，它们有何异同，还需要进一步验证。

大量研究表明春夏季热力状况对夏季温度以及降水有重要影响，故本文以春季和夏季为例，利用ERA40表层土壤温度资料(ECMWF-STL1)及NCEP/NCAR再分析陆地表面温度资料(LST)，对两套资料所反映的春夏季全球陆面热力状况进行分析和比较，揭示不同资料陆面热力状况的空间分布、变率等特征的异同，为以后的科研工作提供一定的参考。

1 资料说明

考虑到欧洲中心(ECMWF)ERA40数据集中没有陆地表面温度这一物理量，而表层土壤温度在一定程度上也可反映出地表热源的强弱和变化，故本文采用的两套资料为:欧洲中心(ECMWF)ERA40表层土壤温度月平均再分析资料(以下记为ECMWF-STL1)，水平分辨率为2.5°×2.5°;NCEP/NCAR再分析月平均陆地表面温度资料(以下记为LST)，全球192×94个格点。本文研究时段为1958—2002年，多年气候平均取1971—2000年的30 a平均;春季为3—5月平均，夏季为6—8月平均。

2 春季陆面热力状况分析与比较

2.1 气候分布与方差

图1给出了春季ECMWF-STL1、LST气候态及均方差分布。由多年平均春季全球陆面温度空间分布可见，全球陆面温度基本呈现从赤道向两极递减趋势，60°N以北陆面温度为负值，赤道附近撒哈拉沙漠表面温度最高，青藏高原、科斯勒拉山系及格陵兰岛地区为低值中心。在中低纬地区，ECMWFSTL1高于LST，高纬度地区情况相反，该现象可能是因两套资料要素不同所致。另外，ECMWF-STL1由赤道向两极递减梯度较LST大。

ECMWF-STL1、LST均方差分布特征相似，均反映出高纬度地区欧亚大陆北部、北美洲北部及格陵兰岛表面温度变率明显较中低纬大。但是，在西伯利亚北部ECMWF-STL1变率较LST偏大，而在青藏高原，后者变率异常偏大，存在一大值中心。其他区域均方差大小相当，南美洲地区分布特征差别较大。

2.2 时空分布特征

图2a为ECMWF-STL1第一模态空间型分布，可以看到欧亚大陆低纬地区与中高纬地区存在反相变化。非洲大陆上，撒哈拉地区与其南部呈反相变化。北美洲东部和西部表层土壤温度距平场存在反相变化特征。澳大利亚、格陵兰岛以及南美洲北部同位相变化。结合图2c时间序列来看，近50 a来，全球大部分地区均增温，欧亚大陆北部增温尤其显著，青藏高原等地区降温幅度较小。ECMWF-STL1第一模态方差贡献为29.20%。

图1 春季ECMWF-STL1(a，c)、LST(b，d)气候态(a，b)及均方差(c，d)的空间分布(单位:℃;阴影区表示均方差大于1℃的区域)Fig.1The distribution of(a，b)multi-year mean and(c，d)mean square deviation of(a，c)ECMWF-STL1 and(b，d)LST in spring(units:℃;the shaded areas denote where the mean square deviation is larger than 1℃)

由图2b可见，LST第一模态与ECMWF-STL1第一模态存在差异，在欧亚大陆及非洲大陆分布型相同，但数值上有较大差别，欧亚大陆北部增暖区的增暖幅度明显较ECMWF-STL1小，而非洲北部和青藏高原以及中国西南部的降温比ECMWF-STL1资料显著。澳大利亚及南北美洲地区两套资料第一模态空间分布位相相反，该模态方差贡献为26.84%。两时间序列相关系数为0.73，通过0.01信度的显著性检验。从经验正交函数(empirical orthogonal function，EOF)第一模态分析来看，两套资料有一定的差别。

图2 春季ECMWF-STL1(a)、LST(b)距平场EOF第一模态空间型(归一化的特征向量乘以特征值的平方根，单位:℃;阴影区域为正值区)及相应的时间系数(c)Fig.2Spatial pattern(normalized eigenvector times square root of the eigenvalue in℃)and(c)time coefficient of the first EOF mode of the anomaly of(a)ECMWF-STL1 and(b)LST in spring(the shaded areas represent positive values)

2.3 长期趋势

由图3a可见，近60 a来，ECMWF-STL1增温显著的区域主要位于欧亚大陆中高纬度，最大值达0.15℃/a以上，非洲中部也有0.03℃/a左右的小幅增温。而在撒哈拉沙漠、青藏高原、澳大利亚、北美洲东北、南美洲北部以及格陵兰岛均有小幅降温趋势。LST倾向值分布(图3b)与ECMWF-STL1的倾向分布相似，但是欧亚大陆高纬度升温较ECMWF-STL1小，而撒哈拉沙漠、青藏高原、澳大利亚以及格陵兰岛的降温幅度比ECMWF-STL1大。总体而言，ECMWF-STL1所反映的变暖现象较明显。

图3 春季ECMWF-STL1(a)、LST(b)的线性倾向(单位:℃/a;阴影区域为正值区)Fig.3The linear-trend of(a)ECMWF-STL1 and(b)LST in spring(units:℃/a;the shaded areas represent positive values)

3 夏季陆面热力状况分析与比较

3.1 气候分布与方差

图4给出了夏季ECMWF-STL1、LST气候态及均方差分布。由多年平均夏季全球陆面温度空间分布可见，ECMWF-STL1基本呈现从赤道向两极递减趋势，最高温度出现在非洲撒哈拉西部、阿拉伯半岛和伊朗高原地区，最高温度在35℃以上，青藏高原为低值中心，中心值低于10℃。最低值出现在格陵兰岛，中心温度值为-20℃。LST气候分布形态与ECMWF-STL1基本相同，但格陵兰岛中心温度值为-10℃。

ECMWF-STL1、LST的均方差分布特征表明，非洲大陆中部、欧亚大陆北部、北美洲南部以及南美洲中部ECMWF-STL1变率较大，而LST变率较大的地区为非洲大陆北部及西南部、欧亚大陆中部及北部、北美洲北部、南美洲南部，上述地区均方差值均大于1℃。值得注意的是，在格陵兰岛东北部ECMWFSTL1变率异常偏大，而LST均方差在青藏高原西部地区异常偏大。

3.2 时空分布特征

图5a给出ECMWF-STL1第一模态空间型分布，可以看到欧亚大陆呈现南北反相变化的特征，整个非洲大陆为同相变化，但是自北向南存在变化强弱交替的特征。北美洲表层土壤温度为东西反相变化。结合图5c时间序列来看，近50 a来，全球大部分地区均在增温，非洲东北部地区增温尤其显著，降温最显著的地区为南美洲中部，青藏高原、澳大利亚以及北美洲东部降温幅度较小。ECMWF-STL1第一模态方差贡献为38.83%。

图5b中LST第一模态与ECMWF-STL1第一模态相比，欧亚大陆同样表现出南北反相变化的特征，而非洲大陆自北向南呈现正负交替的变化特征，这与ECMWF-STL1第一模态有一定的相似性。南北美洲及格陵兰岛两套资料EOF1空间模态差异较大。结合时间序列来看，LST第一模态中，全球大部分地区均在增温，欧亚大陆南部，撒哈拉地区以及南美洲南部有一定程度的降温，青藏高原西部地区降温异常明显。该模态方差贡献为43.68%。两时间序列相关系数为0.79，通过0.01信度的显著性检验。从EOF1分析来看，两套资料有一定的差别。

图4 夏季ECMWF-STL1(a，c)、LST(b，d)气候态(a，b)及均方差(c，d)的空间分布(单位:℃;阴影区表示均方差大于1℃的区域)Fig.4The distribution of(a，b)multi-year mean and(c，d)mean square deviation of(a，c)ECMWF-STL1 and(b，d)LST in summer(units:℃;the shaded areas denote where the mean square deviation is larger than 1℃)

3.3 长期趋势

由图6a可见，近60 a来，夏季ECMWF-STL1增温的区域主要位于非洲大陆大部、欧亚大陆中高纬度、北美洲东部及格陵兰岛，其中非洲大陆中部增温最为显著，中心值达0.09℃/a。欧亚大陆南部、澳大利亚大部、北美洲西部均有小幅降温，降温最显著的地区为南美洲中部，降温幅度为0.09℃/a。LST倾向分布(图6b)与ECMWF-STL1倾向分布形态基本相同，但是在非洲北部、中国东部、澳大利亚东部及西部、阿拉斯加以及冰岛中部的线性倾向值与ECMWF-STL1相反。相比而言，除南美洲外，LST升降温幅度均较ECMWF-STL1大。青藏高原西部LST倾向存在较明显异常。

图5 夏季ECMWF-STL1(a)、LST(b)距平场EOF第一模态空间型(归一化的特征向量乘以特征值的平方根，单位:℃;阴影区域为正值区)及相应的时间系数(c)Fig.5 Spatial pattern(normalized eigenvector times square root of the eigenvalue in℃)and(c)time coefficient of the first EOF mode of the anomaly of(a)ECMWF-STL1 and(b)LST in summer(the shaded areas represent positive values)

4 结论和讨论

利用ERA40表层土壤温度资料(ECMWFSTL1)及NCEP/NCAR再分析陆地表面温度资料(LST)，探讨了春季和夏季全球陆面热力状况的空间分布及变率特征，并揭示了两套资料间的异同，结论如下:

图6 夏季ECMWF-STL1(a)、LST(b)的线性倾向(单位:℃/a;阴影区域为正值区)Fig.6 The linear-trend of(a)ECMWF-STL1 and(b)LST in summer(units:℃/a;the shaded areas represent positive values)

1)就气候平均态而言，两套资料的全球春季陆面热力状况气候态分布均反映出表面温度从赤道向两极递减的趋势，但在中低纬地区，ECMWF-STL1高于LST，高纬度地区情况相反。夏季，除格陵兰岛外，两套资料陆面热力状况气候态分布基本相同。

2)就温度变率而言，春季ECMWF-STL1、LST均反映出高纬地区欧亚大陆北部、北美洲北部及格陵兰岛表面温度变率明显比中低纬大，对比发现，ECMWF-STL1在北半球高纬度地区的变率较LST大，青藏高原地区相反，其他地区两者相当;夏季，温度变率较大的地区为非洲中部、欧亚大陆北部以及南北美洲部分地区，南北美洲温度变率两套资料差别较大。另外，青藏高原西部LST均方差异常偏大。

3)就时空分布而言，春季ECMWF-STL1、LST距平场EOF第一模态有一定的差异，在欧亚大陆及非洲大陆分布型相同，均表现出欧亚大陆南北位相相反及非洲大陆撒哈拉与其南部地区变化相反的特征，但是数值上有较大差别，澳大利亚及南北美洲地区两套资料第一模态空间分布型位相相反。两套资料时间系数相关性较好;夏季，欧亚大陆及非洲大陆两套资料分布型类似，而南北美洲、澳大利亚以及格陵兰岛地区两套资料距平场EOF1分布型有较大差别，两者的时间序列相关系数为0.79。

4)就长期趋势而言，春季升温显著的地区主要位于欧亚大陆中高纬和非洲中部，其他地区为小幅降温或增温幅度不明显，相比而言，欧亚大陆北部ECMWF-STL1升温较明显，南部LST降温较明显，ECMWF-STL1所反映的全球变暖现象较显著;夏季，非洲、欧亚以及北美洲地区，两套资料升降温趋势分布相似，即非洲大部、欧亚大陆北部以及北美洲东部地区均为增温。相比而言，LST升降温幅度均较ECMWF-STL1大，青藏高原西部LST倾向存在较明显异常。

总之，两套资料对热力状况的描述在非洲及欧亚大陆上相似性较大，而澳大利亚、格陵兰岛及南北美洲地区有一定的差别。另外，两套资料对青藏高原地区热力状况的描述差别较大。研究结果可以为两套再分析资料在今后的相关研究中提供一定的参考。

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Characteristics of global land surface thermal conditions in spring and summer:Comparison between NCEP/NCAR and ERA40 reanalysis data

ZHENG Xu-cheng1，2，CHEN Hai-shan1，2

(1.Key Laboratory of Meteorogical Disaster of Ministry of Education;2.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

Base on NCEP/NCAR skin temperature(land surface temperature or skin temperature，LST)and ERA40 reanalysis surface soil temperature(ECMWF-STL1)data，the differences and similarities in spring and summer land surface thermal conditions are evaluated from the aspects of their spatial distribution and variability.Results show that:1)Temperature decreasing from the equator to the poles is found in the climatological distribution of spring land surface thermal conditions from both datasets.However，ECMWF-STL1 has higher temperatures than LST in mid-low latitude regions but lower in high latitude regions.In summer，the distributions of the multi-year mean of the thermal conditions of the global land surface that two data sets reflected are similar except for that over the Greenland.2)In spring，both of the inter-annual variability of ECMWF-STL1 and LST in high latitude of the Northern Hemisphere is larger than that in other regions.The inter-annual variability of ECMWF-STL1 is stronger than that of LST in northern Eurasia but shows an opposite pattern in the south part.In summer，significant inter-annual variability are found in central Africa，north Eurasia and some parts of the Americas，while there are evident differences in temperature variability in the North and South A-merica areas between the two datasets.3)The first mode of EOF analysis suggests that a reversed phase of spring thermal condition variation between North and South Eurasia exists in both datasets.But the spatial patterns of thermal anomalies described by those two datasets are almost opposite in North America and Australia.In summer，the characteristics of two datasets are similar in Eurasian and Africa while not much the same in other regions.4)In spring，the significant warming happens in the high latitudes of Eurasia.Compared with LST，the warming trend of ECMWF-STL1 in northern Eurasia is more significant，while cooling trend in southern is relatively weak.In summer，the spatial pattern of the warming trend of ECMWF-STL1 is similar to that of LST，but with smaller values than LST.In short，the thermal conditions described by two datasets are almost consistent in most area of Africa and Eurasia，but show evident different in Australia，Greenland，America and especially over the Tibetan Plateau.

land surface thermal conditions;spatial distribution;interannual variability;data comparison

P423

A

1674-7097(2012)01-0041-10

2011-04-15;改回日期:2011-08-30

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206017);全球变化国家重大科学研究计划(2011CB952000);国家自然科学基金资助项目(41075082);江苏省“333高层次人才培养工程”;江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

郑旭程(1985—)，女，内蒙古乌兰察布人，硕士，研究方向为陆面过程与短期气候预测，zhengxuchengzhuy@126.com;陈海山(通信作者)，男，云南易门人，博士，教授，博士生导师，haishan@nuist.edu.cn.

郑旭程，陈海山.2012.全球春、夏陆面热力状况变化特征:NCEP/NCAR与ERA40再分析资料的比较［J］.大气科学学报，35(1):41-50.

Zheng Xu-cheng，Chen Hai-shan.2012.Characteristics of global land surface thermal conditions in spring and summer:Comparison between NCEP/NCAR and ERA40 reanalysis data［J］.Trans Atmos Sci，35(1):41-50.

(责任编辑:刘菲)