新疆区域CRA40地面气温检验分析

张 旭，毛炜峄，陈 静，李淑娟，姚俊强

（1.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

随着计算机技术的飞速发展，基于各种观测资料研制的再分析产品已经成为全球气候科研和业务工作的基础数据[1-5]。从20世纪90年代中期开始，先后完成的全球大气再分析资料主要有：美国国家环境预测中心（NCEP）和大气研究中心（NCAR）的40 a（1957—1996）NCEP/NCAR全球大气再分析资料[6-7]、欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的45 a（1975—2002）全球大气再分析资料（ERA40）[8]、ECMWF新一代的再分析资料（ERA-Interim）[9]、日本气象厅（JMA）和电力中央研究所（CRIEP）发布的25 a（1979—2004）全球大气再分析资料（JRA25）[10]。目前，国际上全球大气再分析已经发展到第四代，水平和空间分辨率大幅提高，如ERA-5、JRA-3Q、NCEP/ESRL等[11-13]。2015年，中国气象局组建了“气象资料质量控制及多源数据融合与再分析”攻关团队，历时6年，成功研制了中国第一代全球大气和陆面再分析产品（CRA40），该产品重现了1979年以来从地面到55 km高度的全球三维大气状况，时间分辨率为逐6小时，空间分辨率达到30 km。经过多家业务科研单位的试用评估，产品质量与国际第三代全球再分析产品质量总体相当[14-15]。

新疆地处欧亚大陆腹地，属于典型的干旱与半干旱气候，地域辽阔、地形复杂，气象观测站点稀少且分布不均，高质量的再分析资料应用需求更为迫切。CRA40再分析资料由我国自主研发，但是在新疆区域的质量评估未深入开展。日平均气温作为最基本的气象要素，其质量检验结果是应用再分析资料的重要依据[16]。因此，以新疆105个气象站的日平均气温实测资料为基准，对插值后的105站CRA40日平均气温进行质量检验，同时与105站的ERA5日平均气温检验结果进行对比，评估CRA40地面气温数据质量，为更好地在新疆区域推广和应用我国具有自主知识产权的CRA40资料提供支持。

1 资料和方法

1.1 气温数据

中国第一代全球大气和陆面再分析产品（CRA40）通过中国气象数据网检索下载（http：//data.cma.cn/CRA）[15]。本文选取CRA40产品中的地面日平均气温，时间范围为1979—2020年，空间分辨率为0.25°。ECMWF发布的ERA5数据产品通过ECMWF Web API下 载 使 用（https：//cds.climate.copernicus.eu）[17]，选择ERA5地面气温逐时数据，经时区转换后统计为逐日平均气温，时间范围为1981—2020年，空间分辨率为0.25°×0.25°。CRA40与ERA5再分析资料主要参数见表1。新疆区域有105个气象站有长期观测数据，站点分布见图1。新疆105站1981—2020年日平均气温数据来自新疆气象信息中心。

图1 新疆105个国家地面气象观测站分布

表1 CRA40与ERA5资料主要参数

1.2 分析方法

1.2.1双线性插值

已有科研成果表明，基于双线性插值法来处理气温有较高的插值精度[18]。本文利用国家气象中心预报技术研发室检验科研发的Meteva程序库[19]，将CRA40和ERA50地面气温站点插值到新疆区域105站。

1.2.2误差分析

选择平均误差（ME）和均方根误差（RMSE）用于评估CRA40数据质量[16-17]。平均误差反映了再分析数据相对于实测气温的偏差平均状态，具体见公式（1）。均方根误差（Root-Mean-Square Error，RMSE）反映了再分析数据与实测气温之间的偏离程度，用于定量计算再分析资料的偏差量，具体见公式（2）。

公式（1）、（2）中，N为数据样本个数，Xi、Yi分别为实测气温和再分析数据样本。

在CRA40气温数据的检验结果中，平均误差、均方根误差分别表示为MECRA40和RMSECRA40。与ERA5气温数据有关的检验结果中，平均误差、均方根误差分别表示为MEERA5和RMSEERA5。

1.2.3相关分析

相关系数r反映了再分析气温和实测资料之间的相关程度[2]。样本数为N的两套数据，其相关系数计算见公式（3）。

公式中，N为数据样本数，Xi、Yi分别为实测气温与再分析数据样本分别为实测气温与再分析数据序列的平均值。

CRA40日平均气温与测站实况之间相关系数表示为rCRA40，ERA5气温数据的相关系数表示为rERA5。

1.2.4泰勒图方法

基于余弦定理，泰勒图能够将相关系数、均方根误差和标准差三种统计数据显示在一张图中，可以用来量化参考场和测试场之间的相关程度。从原点到点的径向距离与模式标准差成正比，方位位置给出了两个场之间的相关系数[20]。观测值被定为沿横坐标距离原点一个单位的点，距离原点的环形长度为测试点和参考点的方差比率，代表再分析资料与观测资料离散度的相似性；方位角的余弦代表相关系数，测试点距离参考点的长度为两个场之间的均方根误差，距离参考点的长度越短，表明再分析资料越接近观测值。

2 结果与分析

2.1 新疆区域CRA40日平均气温概况

选取CRA40地面日平均气温栅格数据，经双线性插值到全疆区域105站。40 a新疆105站CRA40日平均气温与测站实况的散点见图2，CRA40日均气温为横坐标、测站实况气温为纵坐标，一元线性拟合斜率为1.005。1981—2020年105站的日均气温样本数高达1 534 050个，日平均气温的平均误差MECRA40为0.13℃，均方根误差RMSECRA40为3.05℃。日平均气温与测站实测值之间的相关系数rCRA40为0.973，通过了0.001的显著性检验。整体上新疆区域105站CRA40地面日平均气温数据与测站实况十分接近，数据质量较好。

图2 1981—2020年CRA40与测站实测日平均气温

将新疆105站日平均气温的算数平均值作为新疆区域日平均气温，得到1月1日—12月31日的新疆区域逐日平均气温（2月29日样本仅10个，下文分析中忽略），再进一步计算逐日平均气温的40 a平均值。如图3所示，1981—2020年基于测站实况的新疆区域日平均气温的40 a平均值在-11.63～24.10℃，365 d平均为8.56℃。基于CRA40的新疆区域日平均气温在-9.69～24.08℃，365 d日均气温为8.68℃；与测站实况值比较，年平均气温偏高0.12℃，日平均气温最高值偏低0.02℃、最低值偏高1.94℃。CRA40与测站实况的日平均气温的年度最大、最小值出现日期相同，分别为7月18日和1月18日。CRA40气温的一些主要气候特征值与测站实况差异很小，新疆区域CRA40地面气温数据有较高质量。

图3 新疆区域CRA40、ERA5和测站实况逐日平均气温曲线

2.2 气温评估指标年际变化

由图4可见，1981—2020年基于CRA40、ERA5以及测站实况的新疆区域年平均气温变化规律高度相似。对40 a来新疆105站CRA40日平均气温进行逐年检验，每年样本数为38 325个（闰年38 430个）。以测站实况为基准，计算新疆区域逐年的MECRA40、RMSECRA40和rCRA40，用这3项指标评估新疆区域CRA40气温数据质量。2.2.1CRA40的评估指标年际变化

图4 1981—2020年全疆105站CRA40、ERA5和测站实况年平均气温曲线

1981—2020年，新疆区域年MECRA40在-0.43～0.63℃，40 a平均为0.13℃；1981—2004年（下文中简称为前期）MECRA40为正偏差，24 a平均为0.37℃，2005—2020年（下文中简称为后期）MECRA40转为负偏差，16 a平均为-0.25℃。可见，在前、后期两个阶段，MECRA40出现了明显变化。1981—2020年，年RMSECRA40在2.81～3.37℃，40 a平均为3.10℃；前、后期RMAECRA40平均值分别为3.20和2.95℃；后期RMSECRA40较前期减小了0.25℃。1981—2020年，年rCRA40稳定在0.968～0.979，均通过了0.001的显著性检验。后期rCRA40的14 a平均值较前期增大了0.005，有小幅提升（图5）。可见，从ME、RMSE和r都反映出一个共同特征，后期新疆区域CRA40气温数据质量较前期有所改进。

图5 1981—2020年CRA40和ERA5气温的ME、RMSE和r历年曲线

2.2.2CRA40与ERA5评估指标对比

用同样方法对新疆区域105站ERA5日平均气温进行检验，并将CRA40与ERA5的各项检验指标进行对比。新疆区域的年MECRA40与MEERA5非常接近，两者的差值40 a平均为0.04℃。1981—2020年，新疆区域的年RMSECRA40均大于RMSEERA5，前、后期分别偏大0.47、0.19℃，后期RMSECRA40与RMSEERA5之间的差距减小。新疆区域的年rCRA40小于rERA5，前、后期二者之间分别相差0.008、0.003。3项检验指标结果显示，2005—2020年新疆区域CRA40气温数据质量更加接近ERA5。

2.3 气温评估指标月际分布

2.3.1CRA40评估指标月分布特征

对1981—2020年新疆区域105站CRA40日平均气温进行逐月检验。1—12月的日气温样本数分别为118 650（2月）、126 000（小月）和130 200（大月）个。新疆区域的各月MECRA40在-0.89～1.68℃，各月RMSECRA40在2.50～4.36℃，其中1月的RMSECRA40最大。新疆区域各月rCRA40在0.766～0.927，均通过0.001的显著性检验，呈极显著正相关。

2.3.2CRA40与ERA5评估指标对比

由图6、图7可知，1—2月和11—12月共计4个月的MECRA40为正偏差，1月偏差最大；3—10月共计8个月的MECRA40为负偏差，4月偏差最大。1—2月、7—9月和12月共计6个月的MEERA5为正偏差，1月偏差最大；其他6个月MEERA5为负偏差，4月偏差 最 大。在3月 和10—11月，RMSECRA40小 于RMSEERA5，在其他9个月，RMSECRA40大于RMSEERA5。综合ME与RMSE指标，新疆区域CRA40气温数据质量在3月和10—11月略优于ERA5。

图6 新疆区域105站CRA40、ERA5与测站实况逐月平均气温曲线

图7 新疆区域105站CRA40、ERA5气温的ME、RMSR和r逐月变化曲线

各月rERA5在0.839～0.947，均通过0.001的显著性检验，呈极显著的正相关。对比发现，3月rCRA40高于rERA5，其他11个月rERA5高于rCRA40。以相关系数r为指标，CRA40气温数据质量在3月优于ERA5。

2.4 气温评估指标的逐日变化特征

2.4.1CRA40评估指标的年内逐日变化

对1981—2020年新疆区域CRA40日平均气温进行逐日检验。1月1日—12月31日365 d（忽略2月29日）的日气温样本数均为40个。由图8可知，日MECRA40在-1.07～2.23℃，365 d平均为0.13℃。365 d中，有156 d的MECRA40为正偏差，占42.7%，1月8日正偏差最大，另外209 d的MECRA40为负偏差，占57.3%，4月18日负偏差最大。日MECRA40绝对值在1.0℃以内的天数295 d，占全年的80.8%。日RMSECRA40在2.41～4.80℃，365 d日平均为3.05℃，其中1月8日RMSECRA40最大。日RMSECRA40＜3.0℃的日数占全年365 d的72.3%。rCRA40在0.766～0.927，365 d平均为0.867，均通过0.001的显著性检验。

图8 新疆区域105站CRA40、ERA5气温的ME、RMSE和r逐日变化曲线

2.4.2CRA40与ERA5评估指标对比

新疆区域CRA40与ERA5日平均气温的逐日检验结果见图8。日MEERA5在-1.21～1.56℃，365 d平均为0.09℃；MEERA5绝对值在1.0℃以内的天数为301 d，占全年365 d的82.5%，略高于MECRA40。MECRA40绝对值小于MEERA5绝对值的日数达179 d，占全年的49.0%。以ME为对比指标，CRA40气温数据质量略差于ERA5。

日RMSEERA5在2.01～3.83℃，365 d平均为2.69℃。全年日RMSEERA5的年平均值、年最高、最低值均低于RMSECRA40的对应值。RMSEERA5＜3.0℃的日数有260 d，占365 d的71.2%，略低于CRA40的72.3%。RMSECRA40小于RMSEERA5的日数有79 d，占21.6%，集中在3—4月和10—11月。以RMSE为对比指标，全年21.6%的日数CRA40数据质量优于ERA5，集中在3—4月和10—11月。

由图8可见，rCRA40大于rERA5的天数有22 d，占全年365 d的6.0%，其中有21 d集中在3月。以相关系数r为对比指标，CRA40气温数据质量整体上略差于ERA5，但是在3月CRA40气温数据质量优于ERA5。

2.5 105站气温评估指标空间分布

2.5.1CRA40气温逐站评估指标

对新疆区域CRA40气温进行逐站检验。由图9可知，新疆区域单站MECRA40在-7.73～4.26℃，105站平均为0.13℃；有83站的MECRA40绝对值＜2℃，占79.0%。由图10可见，单站RMSECRA40在1.21～8.43℃，105站平均为2.81℃；有76站RMSECRA40＜3℃，占72.4%。105站的rCRA40在0.928～0.996，均通过了0.001的显著性检验。

图9 全疆105站CRA40日平均气温平均误差ME空间分布

图10 全疆105站CRA40日平均气温均方根误差RMSE空间分布

对新疆区域ERA5日平均气温进行逐站检验，并将CRA40与ERA5的各项检验指标进行对比。有49站的MECRA40绝对值小于MEERA5绝对值，占46.7%；有38站的RMSECRA40小于RMSEERA5，占36.2%；有51站的rCRA40大于rERA5，占48.6%。依据不同指标，CRA40气温数据质量优于ERA5的测站可以达到36.2%～48.6%。新疆区域CRA40气温数据质量略差于ERA5。

2.5.2CRA40与ERA5单站指标极端值对比

由表2可见，单站MECRA40和MEERA5绝对值较大的站多为负偏差，负偏差最大的测站相同，均是塔什库尔干，MECRA40和MEERA5分别为-7.73、-8.37℃。MECRA40和MEERA5负偏差最大的5站相同，分别是塔什库尔干、巴仑台、温泉、新源、伊宁县，这些站点大多分布在山区，测站周边地形较复杂。由表3可见，MECRA40正偏差最大5站分别是铁干里克、巴音布鲁克、奇台、若羌、焉耆，大多分布在南疆海拔较低的平原；MEERA5正偏差较大站点也分布在平原地区，但是主要位于北疆昌吉回族自治州和阿勒泰地区。

表2 CRA40和ERA5的日气温单站平均误差ME负偏差最大5站统计

表3 CRA40和ERA5的日气温单站平均误差ME正偏差最大5站统计

由表4可知，新疆区域RMSECRA40由大到小前5位测站依次是塔什库尔干、巴音布鲁克、巴仑台、温泉和新源。RMSEERA5由大到小前5位测站依次是塔什库尔干、巴仑台、巴音布鲁克、新源和天山大西沟。CRA40和ERA5数据中，塔什库尔干站的RMSE均为105站中的最大值，并且RMSEERA5大于RMSECRA40。再分析气温数据质量较极端的测站分布在地形复杂的高海拔山区，相对而言，质量极端的测站中CRA40数据质量优于ERA5。

表4 CRA40和ERA5的日气温单站均方根误差最大5站统计

2.6 不同海拔高度区域气温评估比较

上述分析说明，在海拔较高、地形复杂的山区，两套再分析数据质量均有所下降。将新疆区域105站记为XJ区，按照海拔高度将全疆划分为3个次级区域，分别为：＜1 500 m的区域，有90个气象站，记为Ⅰ区；1 500～2 000 m的区域，有10个气象站，记为Ⅱ区；＞2 000 m的区域，有5个气象站，记为Ⅲ区。综合相关系数、均方根误差和标准差，绘制新疆区域105站气温泰勒图，见图11。在Ⅰ、Ⅱ区，海拔2 000 m以下，各站CRA40气温综合评估指标相差不大，在Ⅲ区，各站综合指标离散度明显增大。下文中进一步检验新疆3个次级区域的CRA40日平均气温，评估数据质量。

图11 全疆105站CRA40日均气温泰勒图

2.6.1不同区域日平均的整体检验

新疆不同海拔高度区域的CRA40与ERA5的各项检验指标详见表5。对比分析各次级区域的CRA40和ERA5气温检验结果，在Ⅰ区，RMSE_Ⅰ和r_Ⅰ指标反映出CRA40气温数据质量整体略差于ERA5；在Ⅱ区，ME_Ⅱ、RMSE_Ⅱ和r_Ⅱ指标均反映出CRA40气温数据整体质量优于ERA5；在Ⅲ区，ME_Ⅲ和RMSE_Ⅲ指标反映出CRA40气温数据质量较优，但r_Ⅲ指标反映出ERA5气温数据质量相对更优（表6）。

表5 新疆不同区域CRA40、ERA5气温的检验指标统计

2.6.2逐日平均误差ME检验对比

由图12和表6可知，在Ⅰ区，逐日MECRA40_Ⅰ在-0.88～2.61℃，365 d平均为0.30℃。在Ⅱ区，逐日MECRA40_Ⅱ在-1.57～0.01℃之间，365 d平均为-0.78℃。在Ⅲ区，逐日MECRA40_Ⅲ在-3.45～1.05℃，365 d平均为-1.21℃。随海拔高度升高，MECRA40的负偏差程度越强。比较而言，整体上MEERA5的负偏差更强；随海拔高度上升，MEERA5的负偏差幅度加剧的程度更为严重。依据ME指标，在Ⅱ、Ⅲ区海拔＞1 500 m的高海拔山区，CRA40气温数据质量优于ERA5。

表6 新疆不同区域CRA40、ERA5气温的全年逐日检验指标统计

图12 各海拔高度区域日平均气温平均误差ME逐日变化曲线

2.6.3逐日均方根误差RMSE检验对比

由图13和表6可知，在Ⅰ区，逐日RMSECRA40_Ⅰ在2.00～4.67℃，365 d平均为2.82℃，有277 d＜3.0℃，占全年365 d的75.9%；逐日RMSEERA5_Ⅰ在1.80～3.58℃，365 d平均为2.35℃，有307 d＜3.0℃，占全年的84.1%。在Ⅱ区，逐日RMSECRA40_Ⅱ在2.73～3.83℃，365 d平均为3.28℃，有58 d＜3.0℃，占全年365 d的15.9%；逐日RMSEERA5_Ⅱ在2.25～4.84℃，365 d平均为3.39℃，有128 d＜3.0℃，占全年的35.1%。在Ⅲ区，逐日RMSECRA40_Ⅲ在3.19～8.36℃，365 d平均为5.25℃；逐日RMSEERA5_Ⅲ在3.07～7.14℃，365 d平均为5.23℃。随海拔高度升高，RMSECRA40和RMSEERA5均增大，＜3.0℃的日数迅速减少，数据质量下降。

图13 各海拔高度区域日平均气温均方根误差RMSE逐日变化曲线

依据ME指标，在Ⅰ区海拔＜1 500 m的区域，ERA5气温数据质量整体占优；在Ⅱ海拔1 500～2 000 m的山区，RMSE指标反映出CRA40气温数据质量优于ERA5；在Ⅲ区海拔＞2 000 m的山区，CRA40气温数据质量与ERA5十分接近。

3 结论与讨论

对1981—2020年新疆区域105站CRA40日平均气温进行检验，与ERA5气温检验结果进行对比，得到以下结论。

（1）1981—2020年新疆区域CRA40日平均气温与测站实况之间相关系数为0.973，通过0.001的显著性检验。新疆区域CRA40气温与实况比较，日平均气温的年平均值、年最大值和最小值分别相差0.12、0.02、1.94℃，基于CRA40和测站实况的日平均气温年内最大、最小值出现日期完全一致。整体上新疆区域CRA40气温数据质量较高。

（2）逐年检验结果中，40 a来CRA40日气温的逐年ME均在1℃以内，年RMSE稳定在3℃左右。2005—2020年CRA40气温数据质量较前期有所提高。逐月检验结果中，结合ME与RMSE指标，在3月和10—11月新疆区域CRA40气温数据质量略优于ERA5。逐日检验结果中，以逐日RMSECRA40为指标，全年CRA40数据质量优于ERA5的日数有79 d，集中在3—4月和10—11月。

（3）逐站检验结果中，新疆区域105站中有49站的MECRA40绝对值较小，38站的RMSECRA40较小，51站的rCRA40较大。整体上，ERA5气温数据质量略优于CRA40，但是依据不同指标，CRA40气温数据质量占优的测站分别为36.2%～48.6%。CRA40气温数据质量随海拔高度上升而下降，在1 500 m以上高海拔地区，CRA40气温数据质量反而优于ERA5。

（4）在分海拔高度的次级区域检验结果中，在Ⅰ区，有186 d的MECRA40绝对值较小，24 d的RMSECRA40较小，32 d的rCRA40较大，ERA5气温数据质量整体占优。在Ⅱ区，有362 d的MECRA40绝对值较小，191 d的RMSECRA40较小，142 d的rCRA40较大，CRA40气温数据质量优于ERA5。在Ⅲ区，365 d的MECRA40绝对值 均 大于MEERA5，51 d的RMSECRA40较 小，7 d的rCRA40较大，CRA40气温数据质量略差，与ERA5十分接近。

已有研究指出，模式地形误差可能是造成再分析资料误差的重要原因[22-24]，在新疆海拔＞1 500 m的区域，RMSECRA40略优于RMSEERA5数据。可能与CRA40数据制作过程中更注重于地面观测、探空资料和风云卫星资料的同化及应用有关系。在区域尺度上CRA40数据的各个要素的质量检验还需深入研究。