3种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的对比:年平均特征

支星，徐海明

(1.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044;2.上海市气象科技服务中心，上海200030;3.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044)

0 引言

由于资料的匮乏，过去气候变化的研究大多局限于有观测资料的区域内。20世纪90年代以后，随着再分析资料的问世，全球气候变化研究在各国得到了迅速而广泛的发展(赵天保和符淙斌，2006)。

目前，全球大气资料再分析计划主要有:美国国家环境预测中心(NCEP)和大气研究中心(NCAR)50 a(1948—1997年)的NCEP/NCAR全球大气再分析资料计划(Kalnay et al.，1996;Kistler et al.，2001)，以及 NCEP与美国能源部(DOE)的NCEP/DOE全球大气再分析资料计划(Kanamitsu et al.，2002);美国国家航空航天局(NASA)资料同化部(DAO)16 a(1980—1995年)的全球大气再分析资料计划(NASA/DAO，也称GEOS-1)(Takacs et al.，1994;Schubert et al.，1995)，欧洲中期数值预报中心(ECMWF)15 a(1979—1993年)的全球大气再分析资料计划(ERA-15)(Gibson et al.，1997)和45 a(1957—2002年)全球大气再分析资料计划(ERA-40)(Simmons and Gibson，2000;Uppala et al.，2005);日本气象厅(JMA)和电力中央研究所(CRIEPI)联合组织实施的25 a(1979—2004年)的全球大气再分析资料计划(JRA-25)(Onogi et al.，2007)等。其中，NCEP/NCAR和 NCEP/DOE、ERA-40以及JRA-25是目前应用相对较为广泛的再分析数据集。

然而，再分析资料由于受观测资料变更、数值预报模式和同化方案等的影响，因此其可信度有待进一步检验。依据观测系统和模式强迫影响的相对大小，再分析产品一般可归为A、B、C、D四类。A类产品的质量主要受观测资料的影响，如位势高度场、温度场和风场等，这类产品可信度较高;B类产品的质量受到观测资料和模式的共同影响，可信度要比A类的低一些，如湿度和地表气温等;C和D类产品的质量几乎完全是由模式决定的，如降水、地表通量和热导率等，这两类产品的可信度是非常低的(赵天保和符淙斌，2009a)。

目前已经有很多学者对再分析资料的不确定性进行了研究，赵天保和符淙斌(2009b)评估了几种再分析地表气温资料的适应性，发现再分析地表气温资料在中国大多数地区的气候变化研究中都具有一定的合理性，特别是1979年以后的资料可靠性更高一些。但相比而言，它们在冬季的可信度一般要高于夏季，东部地区的可信度一般要高于西部地区。魏丽和李栋梁(2003a)评估了NCEP/NCAR再分析资料在青藏铁路沿线气候变化研究中的适用性，发现再分析资料能较好地反映地面气温及降水的年变化特征，可基本反映其年际变率和年际间的差异。魏丽和李栋梁(2003b)还评估了青藏高原地区NCEP/NCAR新再分析地面通量资料，发现NCEP/NCAR新再分析地面通量资料能反映实际年变化特征，但其温度值系统性偏低。施晓晖等(2006)研究了NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域气候变化研究中的可信度，发现NCEP/NCAR再分析风速距平在春、夏、秋季具有一定的可信度，但冬季的可信度较差;表面气温距平则是冬季的可信度最好，夏季的可信度较差。

上述的研究工作，大多集中在对地表变量的对比分析，而对高空资料的对比分析相对较少。由于探空资料具有较长的时间序列，且具有较好的可信度(Santer et al.，1999;Seidel et al.，2004;翟盘茂和郭艳君，2006)，因此，本文结合我国探空资料，对NCEP/NCAR、JRA、ERA 3种再分析资料中的高空温度场在中国地区的适用性进行分析研究，以便更好地将再分析资料应用于我国气候变化的诊断研究和模式评价中。

1 资料和方法

本文选用的探空资料是中国国家气象局提供的中国区域探空站的月平均温度资料(简称OBS)。本文选用的3种再分析资料为:1)NCEP/NCAR月平均的温度资料(简称NCEP/NCAR)，时间长度从1948—2010年，空间分辨率为 2.5°×2.5°;2)欧洲中期数值预报中心的两类温度资料(简称ERA(Gibson et al.，1997;Simmons and Gibson，2000;Uppala et al.，2005))，一类是1957—2002 年的逐年再分析资料，空间分辨率为2.5°×2.5°，另一类是1989—2009年的逐月再分析资料，空间分辨率为1.5°×1.5°;3)日本气象厅提供的日本的月平均温度资料(简称 JRA(Onogi et al.，2007))，时间长度从1979年1月—2009年4月，空间分辨率为1.25°×1.25°。由于各种再分析资料的时间范围不一致，而探空站的探空观测资料在后卫星时期(1979年之后)相对较好，本文选取了1980—2008年的中国区域的资料，进行对比分析。相应地，在处理ERA资料时，为了构造与探空资料相同的时间跨度，1980—1988年选用第一种ERA资料，1989年以后选用第二种ERA资料。同时，本文将各种资料都处理成年平均的形式进行分析，在下文中温度如果不做特殊说明均表示年平均温度。

为了分析和检验再分析资料与探空站观测资料之间的具体差异，本文采取双线性插值方法将再分析资料的格点值内插到相应的站点上，即将站点周围4个格点的再分析值做加权线性内插，用这种方法可以得到对应于中国区域探空站的再分析资料。

根据地形以及站点分布的稀疏情况，并参考文献(赵天保和符淙斌，2006)，将中国区域的探空站挑出质量较好的105个站，简单分为4个区域，其中1—22号为Ⅰ区(东北地区)，23—62号为Ⅱ区(东南地区)，63—86号为Ⅲ区(西北地区)，87—105号为Ⅳ区(西南地区)，站点的具体分布情况如图1所示。

2 多年平均值的差异和相关分析

2.1 均值的差异

图2是1980—2008年29 a平均的3种再分析资料与探空资料温度场的差值。由图2可以看出，再分析资料的高空温度场普遍小于探空资料的高空温度场。NCEP/NCAR温度场偏小的中心区主要出现在东北地区的对流层中层、东南地区的对流层上层、高原地区的500 hPa以下区域以及850 hPa的阿勒泰(63号站)、库车(69号站)、库尔勒(70号站)、喀什(71号站)等站，最大的负偏差出现在850 hPa的喀什站，偏差的绝对值达3.2℃，这可能与这些站处在山脉周围海拔较高观测误差较大有关;JRA温度场偏小的中心区大多集中在对流层上层和平流层中下层，这在整层的各个站都有体现，最大偏差仍然出现在850 hPa的喀什站;ERA温度场的偏小中心区则位于东南和西南部地区的对流层上层，在850 hPa并未出现像NCEP/NCAR和JRA那种个别站数值明显偏小的情况。

图3是105站平均的再分析资料与探空资料温度场的差值随高度变化的廓线。由图可知，除了NCEP/NCAR温度场在50 hPa和JRA温度场在700 hPa明显大于探空温度场外，其他各个层次上再分析温度场均小于探空温度场。具体来看，ERA温度场在850 hPa与探空温度场最为接近，JRA温度场在700、500、400、300 hPa上与探空温度场更为接近，偏差都在0.3℃以内，NCEP/NCAR温度场则在200、100 hPa上相对更好，而ERA和JRA温度场在200 hPa与探空温度场的偏差甚至达到了将近1℃，这说明再分析资料在高层的可信度普遍较差。另外，JRA和ERA温度场与探空温度场差值的廓线在500 hPa及以上十分类似。

结合图2和图3可以看出，ERA和JRA温度场在对流层中下层与探空温度场更为接近，而NCEP/NCAR温度场在对流层上层与探空温度场更为接近，可信度更高。赵天保等(2004)、赵天保和符淙斌(2009a)研究了地表2 m气温的再分析资料和观测资料差异，结果表明，就全国平均而言再分析值普遍小于观测值，而本文的研究则表明，对于高空温度资料，再分析资料大多小于探空资料。因此可知，再分析温度资料相比于探空资料，不仅在地表偏小，而且偏小的情况可以一直向上延续到整个对流层。

图1 中国区域探空站的分区(数字代表台站的序号)Fig.1 Distribution of the radiosonde stations in China(The number represents the series number of the station)

图2 再分析资料与探空资料温度场的差值(单位:℃) a.NCEP/NCAR减 OBS;b.JRA减 OBS;c.ERA减OBSFig.2 Differences of temperature field between reanalysis datasets and radiosonde dataset(units:℃) a.NCEP/NCAR minus OBS;b.JRA minus OBS;c.ERA minus OBS

图3 105站平均的再分析资料与探空资料温度场差值的垂直廓线(单位:℃)Fig.3 Vertical profile of the differences of temperature field between reanalysis datasets and radiosonde dataset based on the average of the 105 stations(units:℃)

2.2 相关分析

图4 再分析资料与探空资料温度场的相关分布 a.NCEP/NCAR;b.JRA;c.ERAFig.4 Distributions of the correlation coefficients between the temperature field of reanalysis datasets and that of radiosonde dataset a.NCEP/NCAR;b.JRA;c.ERA

图4是105个探空站温度场与3种再分析资料的温度场的相关系数分布。由图4可见，总体来说，3种再分析资料均是在对流层中层400 hPa以下与探空资料相关较好，而在对流层中上层尤其是300、200 hPa与探空资料相关较差。具体来看，NCEP/NCAR资料在对流层中上层 400、300、200 hPa与探空资料的相关性较差，在对流层低层的高原上和喀什等站的相关也较差，而高相关区则主要集中在500 hPa以下和100 hPa以上，大多达到了0.9左右;JRA资料在100 hPa以上和300～100 hPa之间的南方地区相关性不太显著，在对流层低层的喀什等站的相关性也不太显著，在其他层次和区域则表现出显著的相关性;ERA资料与探空资料在400 hPa以下和100 hPa以上相关性较好，大多达到了0.8甚至0.9以上，而在200 hPa和300 hPa整层的大部分站的相关性都较差，相关性差的中心位置位于我国南部地区，这与温度差值场中差值绝对值的大值区吻合得较为一致，尤其体现在200 hPa的福州(53号站)、西沙(62号站)等几个站上，甚至出现了微弱的负相关，鉴于出现负相关的站都是位于我国的低纬度区域，因此相关差有可能与纬度有关，但这仍然有待进一步的研究。

以上的分析表明，从相关系数的角度，JRA资料在300 hPa以下描述较好，NCEP/NCAR和ERA资料则在100 hPa以上描述较好。3种资料与探空资料相关较差的层次大多出现在200 hPa，200 hPa再分析资料的可信度较低。几种再分析资料尤其是JRA、ERA资料和探空资料相关性较差的区域和层次大多与温度差值场中差异较大的区域和层次一致。

3 年际和长期变化特征

3.1 年际变化幅度

图5是105个探空站温度场和3种再分析温度场的标准差分布。总体上看，探空温度资料和3种再分析温度资料在东北地区对流层低层和高层标准差较大，中层标准差较小，而在全国其他区域则是低层标准差较小，随高度的升高，标准差逐渐变大，在平流层低层和对流层高层标准差达到最大。值得注意的是，对于JRA和ERA资料而言，在东南部地区和西南部地区的200 hPa上空存在标准差的极小值中心，其值在0.2℃以下。比较3种再分析资料与探空资料的标准差差异(图略)，可见，在对流层中低层喀什等个别站上，再分析资料与探空资料标准差差异较大，而其余的站则差异较小，差异的绝对值大值区主要集中在300 hPa之上。NCEP/NCAR资料的标准差除了在我国东南部某些地区偏小外，其余均偏大，偏大的中心集中在我国北方地区(Ⅰ区和Ⅲ区)，偏差最大达+0.3℃;JRA资料的标准差除了在东北部地区200 hPa的某些站偏大外，其余均偏小，偏小的中心集中在我国南方地区(Ⅱ区和Ⅳ区)，偏差的绝对值达0.7℃;ERA资料的标准差则在我国南方地区偏小，其他区域与探空资料十分接近。

图5 4种资料温度的标准差分布(单位:℃) a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERAFig.5 Distributions of the standard deviation of the four datasets'temperature(units:℃) a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERA

以上的分析表明，在描述高空温度的年际变化大小时，NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层描述较好(偏差的绝对值较小)，ERA资料则在我国北方的对流层上层描述较好，而3种再分析资料对于对流层中下层探空资料的年际变化幅度的再现能力相当。

3.2 长期变化特征

图6是探空温度和3种再分析温度的长期变化趋势。从图中可以看出，105个探空站均显示出对流层低层升温，而对流层中上层300 hPa以上降温的趋势。最大的降温处位于对流层上层和平流层下层，这与郭艳君等(2009)分析的趋势的分布形势相一致。

为了研究温度变化趋势的具体差异，将3种再分析资料与探空资料的温度变化趋势相减(图略)，并结合105站平均的趋势差值的垂直廓线(图7)，可知，NCEP/NCAR资料相比于探空资料，在500～100 hPa之间大多偏低，偏低的中心集中在我国北方地区的对流层中层，而500 hPa以下和100 hPa以上转为弱的偏高，即加强了对流层中下层的增温趋势，减弱了对流层上层的降温趋势;JRA资料由于平流层下层和对流层上层的降温趋势较弱，因此平流层下部到对流层上部严重偏高，即大大减弱了探空资料在平流层的降温趋势;ERA资料在700、850 hPa平均值与探空资料非常接近，而在500 hPa以上则普遍偏高，在南方地区的对流层中上层偏高达最大，可达0.6℃/(10 a)。

综上所述，3种再分析资料均能较好地反映中国高空温度的长期变化趋势，但也存在一定的差异，具体表现为，NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层与探空资料的趋势差值较小，相对可信度较高;ERA资料在我国北方的对流层上层描述较好;JRA资料则在对流层上层与探空资料的趋势差值相对较大。3种资料对对流层中下层温度变化趋势的反映能力均较好，这也与赵天保和符淙斌(2009a)的分析结果相近。值得一提的是，本文中分析的增温或降温趋势值的大小与很多文献(唐国利和任国玉，2005;赵宗慈等，2005;郭艳君和丁一汇，2008)有所不同，这是由于本文分析的是1980—2008年最近29 a的温度变化趋势，众所周知，全球气温在最近几十年有大幅度上升的趋势，因此，不能用近50 a甚至是近100 a的温度变化趋势作为参考。

图6 4种资料 1980—2008年的温度线性变化趋势(单位:℃/(10 a)) a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERAFig.6 Distributions of the linear trends of the four datasets'temperature during 1980 and 2008(units:℃ /(10 a))a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERA

图7 105站平均的再分析资料与探空资料温度变化趋势差值的垂直廓线(单位:℃/(10 a))Fig.7 Vertical profile of the differences of the linear trends of reanalysis datasets and radiosonde dataset based on the average of 105 stations(units:℃/(10 a))

4 时空变化特征

为了比较再分析资料和探空资料表征温度在年际和年代际时间尺度的变化特征，本文对探空资料和3种再分析资料均进行了经验正交函数分解(EOF)，前三模态的方差贡献和累计方差贡献如表1所示，EOF分解的第一和第二特征向量的空间模态和时间系数如图8—11所示。

表1 4种资料EOF分析的前3个模态的方差贡献Table 1 The variance contributions of three leading EOF modes of the four datasets %

从前3种模态的解释方差(表1)来看，第一模态的解释方差在37% ～51%之间，其中ERA资料最大(51%)，JRA资料最小(37.6%)。第二模态的解释方差在15% ～21%之间，其中探空资料最小(15.4%)，JRA资料最大(20.9%)。第三模态的解释方差均在10%～15%之间。前三个模态的累计方差贡献都达到了73%以上。

由EOF分析的第一特征向量(图8)可知，EOF1表现出对流层中下层和对流层上层温度反位相变化的特征，NCEP/NCAR资料和探空资料最为接近，JRA和ERA资料特征向量的极大值中心位于对流层中层的南方地区，这与探空资料有所不同。结合时间系数(图9)来看，除了JRA资料的振幅有所差异外，其他资料均能较明显地表现出高空温度的年代际变化特征，即20世纪90年代中后期对流层中下层偏暖，对流层上层偏冷，而90年代之前则正好相反。EOF的第二特征向量(图10)表现出整层温度南北反位相变化的特征，以本文划分的区域为界，在200 hPa之下，正值中心位于我国南方，负值中心位于我国北方，而在200 hPa之上，则正好相反。结合时间系数(图11)来看，除了NCEP/NCAR资料外，其他几种资料都表现出了较一致的年际变化特征。

结合空间分布可见，探空资料的年代际变化特征表现为对流层中下层和对流层上层温度反位相变化的特征，而年际变化特征则表现出南北反位相变化特征。NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现我国高空温度的年代际变化特征，而ERA和JRA资料则能较好地表现我国高空温度的年际变化特征。

5 结论和讨论

图8 4种资料 EOF 分析的第一特征向量 a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERAFig.8 The first eigenvectors of the four datasets analyzed by EOF a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERA

本文针对中国 105站探空资料和NCEP/NCAR、ERA和JRA3种再分析资料，采用线性趋势、标准差、相关系数、EOF分析等多种统计分析方法，对再分析资料的年平均的高空温度在中国区域的可信度进行了对比分析。其结论如下:

图9 4种资料EOF分析的第一特征向量对应的时间系数Fig.9 Time coefficient series of EOF analysis corresponding to the first eigenvectors of the four datasets

图10 4种资料 EOF 分析的第二特征向量 a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERAFig.10 The second eigenvectors of the four datasets analyzed by EOF a.OBS;b.NCEP/NCAR;c.JRA;d.ERA

1)在数值上，3种再分析资料温度场普遍小于探空资料温度场。相对而言，NCEP/NCAR资料在对流层上层更为接近，ERA和JRA资料在对流层中下层与探空资料更为接近，可信度更高。

2)从相关系数的角度，除对流层上层和平流层下层外，3种再分析资料温度场与探空资料温度场的相关性均较好。其中，JRA资料在300 hPa以下描述较好，NCEP/NCAR和ERA资料则在100 hPa以上描述较好，而在200 hPa再分析资料的可信度普遍较低。相关系数较差的区域和层次与温度差值场中差值绝对值较大的区域和层次吻合得较为一致。

图11 4种资料EOF分析的第二特征向量对应的时间系数Fig.11 Time coefficient series of EOF analysis corresponding to the second eigenvectors of the four datasets

3)在描述高空温度的年际变化时，NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层描述较好，ERA资料在我国北方的对流层上层描述较好，而3种再分析资料在对流层中下层的再现能力相当。

4)3种再分析资料均能较好地反映探空资料高空温度的长期变化趋势，即对流层低层升温，对流层中上层300 hPa以上降温，最大的降温处位于对流层上层和平流层下层。主要差别表现在，NCEP/NCAR资料在我国南方的对流层上层相对可信度高，ERA资料在我国北方的对流层上层描述较好，而JRA资料与探空资料在对流层上层整层偏差都较大。3种资料对对流层中下层的温度变化趋势的反映能力均较好。

5)在时空变化特征方面，探空资料的年代际变化特征表现为对流层中下层和对流层上层温度反位相变化的特征，而年际变化特征则表现出南北反位相变化特征。NCEP/NCAR和ERA资料能较好地表现我国高空温度的年代际变化特征，而ERA和JRA资料则能较好地表现我国高空温度的年际变化特征。

本文只探讨了几种资料高空温度的年平均特征，并没有考虑季节平均的差异，这是下一步亟待解决的问题。同时，本文所划分的区域范围不够精细，不同区域的不同资料的适应性有待进一步研究。

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