基于观测和再分析资料的气温、海表温度在江苏海域的比较分析

高清清　李用留　吉会峰　曹兵　丁言者　徐淑雯　徐常三

摘要：文章利用海洋台站观测资料，对3类再分析资料的气温、海表温度数据在江苏海域进行比较分析。结果表明：总体而言，气温、海表温度的再分析数据与观测数据均具有很高的一致性，且海表温度再分析数据与观测数据的一致性高于气温再分析数据;在3 种再分析资料中，ERA5的可靠性优于JRA-55 和NCEP;在离岸较远的外磕脚测点，再分析数据与观测数据的一致性高于另2个测点;在台风影响期间，吕四测点、外磕脚测点的再分析数据与观测数据更为接近，在更近岸的连云港测点，再分析数据与观测数据的差异更大;在冷空气造成的气温下降期间，再分析数据与观测数据的差异较小，但在气温缓步回升期间，吕四测点、外磕脚测点的再分析数据明显高于观测数据;在冷空气影响过程中，再分析数据反映的海表温度下降幅度明显低于观测数据。本研究可为再分析资料在江苏海域的适用性和可信度提供评估依据。

关键词：气温;海表温度;再分析资料;江苏海域

中图分类号：P732.1;P71 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2024）02-0131-10

0 引言

海洋观测作为海洋环境调查的重要组成部分，是了解和研究海洋环境以及开展海洋开发与保护的基础性工作。近年来，我國海洋观测能力大幅提升，已初步具备全球海洋立体观测能力[1]。在海洋观测要素中，气温和海表温度是重要的物理参数与基础信息，在全球海洋、气候、生物等研究中具有重要作用。

再分析资料是利用资料同化技术，将观测资料和数值预报产品相融合的产物。随着观测系统、同化系统以及数值模式的更新和改进，再分析资料的时空分辨率越来越高，为区域性气候变化以及海洋动力等方面的研究提供丰富的数据来源。然而受观测资料变更以及数值预报模式和同化方案等的影响，再分析资料与观测资料相比存在一定的差异，且在不同地区和不同时段，其对实际情况的模拟效果存在优劣之分，可信度有待多方面的检验和评估，因此再分析资料的适用性一直是研究焦点。近年来，国内外学者针对再分析资料在全球和区域尺度的变化和适应性评估开展一系列研究[2-11]。

旷芳芳等[12]对3 种海面风场资料（CCMP、NCEP、ERA）在台湾海峡的平面分布特征以及季节和年际变化特征进行比较分析;陈艳春等[13]认为JRA和ERA资料在环渤海区域地面10m 平均风速场的适用性较好;王晨琦等[14]提出3套海表温度再分析资料（OI、OSTIA、RTG）都能在一定程度上反映中国近海海表温度的基本状况，且在高海况条件下OSTIA 资料能够更真实地反映中国近海海表温度的基本状况;韩玉康等[15]、宋亚娟等[16]分别在吕宋海峡、浙江周边岛屿对再分析资料进行分析评估;有学者将再分析资料应用于干旱、蒸散发、风能资源等模拟[17-20]。上述研究表明，不同要素的再分析资料在不同区域的适用性不尽相同。

江苏海域处于黄河三角洲与长江三角洲之间，在特殊的潮流系统控制下形成世界上独一无二的辐射状沙脊群，极具区域特征。江苏海域已积累较为丰富的观测资料，并在此基础上开展一系列的研究工作[21-23]，但比较分析江苏海域再分析资料与观测资料的研究尚不多见。因此，本研究利用江苏海域的观测数据和再分析数据，针对气温、海表温度2个要素展开误差分析和评估，为江苏海域再分析资料的应用建立研究基础。

1 数据资料及分析方法

1.1 再分析资料和观测资料

ERA5再分析资料是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）打造的最新一代再分析资料（第五代），其气象模型和再分析系统使用ECMWF的综合预报系统（IFS）CY41R2[24]，数据准确性得到显著改善[25]。ERA5数据垂向分为137层，水平和时间分辨率分别为31km（0.25°）和1h。

NCEP再分析资料来自美国气象环境预报中心（NCEP），观测数据来源于地面、无线电探空、探空气球、卫星等，具有内容丰富、时间序列长等优点，属于综合再分析资料数据集[26]。

JRA-55再分析资料是日本气象厅通过改进JRA-25获得的适用于气候变化或多年代变率研究的综合大气数据集，提供自1958 年全球辐射观测系统建立以来的再分析数据[27]。与JRA-25相比，JRA-55在一系列时空尺度上都有改善[28]。

上述再分析资料的数据概况如表1所示。

观测资料采用江苏海域的连云港、吕四、外磕脚3个测点的气温、海表温度数据，观测数据均为逐时数据。

1.2 分析方法

设N 为样本数量，X 为再分析数据，Y 为观测数据。

误 差的计算公式为：

ERR=X -Y

平均误差的计算公式为：

2 结果分析

2.1 基本特征

分析2018年连云港、外磕脚、吕四3个测点的逐月气温数据，3个测点的气温均在8月最高。在春、夏季，连云港测点、吕四测点的月平均气温高于外磕脚测点;在秋、冬季，外磕脚测点、吕四测点的月平均气温高于连云港测点。3个测点中，月平均气温的最低值为0.97℃（1月），最高值为28.61℃（8月），均出现在连云港测点（图1）。

在海表温度方面，3 个测点的海表温度均在8月最高。在春、夏季，吕四测点的月平均海表温度高于外磕脚测点、连云港测点;在秋、冬季，外磕脚测点的月平均海表温度高于连云港测点、吕四测点。3 个测点中，月平均海表温度的最低值为2.67℃，出现在连云港测点（2月）;最高值为29.2℃，出现在外磕脚测点（8月）（图2）。

2.2 特征比较

2.2.1 气温

在气温方面，ERA5、NCEP、JRA-55的再分析数据与观测数据均具有显著相关性。根据均方根误差的计算结果，ERA5数据与观测数据的一致性最高，JRA-55次之。3类再分析数据均与外磕脚测点观测数据的一致性最高，吕四测点次之，连云港测点最末（表2至表4，图3至图5）。

2.2.2 海表温度

JRA-55再分析资料中不包含研究所需的海表温度数据，因此对于海表温度数据的分析仅针对ERA5、NCEP。在海表温度方面，ERA5、NCEP的再分析数据与观测数据同样均具有显著相关性。根据均方根误差的计算结果，ERA5数据对观测数据的反映能力高于NCEP。2类再分析数据均与外磕脚测点观测数据的一致性最高（表5和表6，图6和图7）。此外，海表温度再分析数据与观测数据的一致性高于气温再分析数据。

2.3 基于天气过程的个例分析

2.3.1 台风过程

江苏海域在夏季常受台风影响，引起水文气象要素在短时间内的变化。2018年影响江苏海域的台风共有6 个，较常年偏多，其中影响最大的是1810号“安比”。该台风于7月18日20时在菲律宾以东洋面生成，21 日开始影响江苏海域，22 日12时30分前后在上海崇明岛沿海登陆，24日凌晨起结束对江苏海域的影响。本研究选取7月21日0时至7月24日23时的气温、海表温度数据进行比较分析。

根据台风影响期间观测数据和再分析数据的气温比较分析，总体而言，吕四测点的再分析数据与观测数据更为接近;ERA5与观测数据更匹配，其次是JRA-55，而NCEP与观测数据的差异最大（图8）。

由于海表温度再分析数据的时间精度较低，本研究主要比较分析海表温度数据的日变化幅度。根据台风影响期间再分析数据和观测数据的日平均海表温度比较分析，NCEP数据较ERA5数据更接近观测数据;再分析数据的日变化趋势、日变化幅度均与外磕脚测点观测数据的一致性最高，吕四测点次之;连云港测点的观测数据表现为先升后降，而再分析数据均呈上升趋势，因此在距岸更近的测点，再分析数据与观测数据的差异更大（表7）。

2.3.2 冷空气过程

2018年12月26-30日强冷空气影响江苏海域，本研究选取12月26日0时至12月30日23时的气温和海表温度数据进行比较分析。

根据冷空气影响期间观测数据和再分析数据的气温比较分析，再分析数据和观测数据都表现出显著下降和缓步回升。在气温显著下降过程中，再分析数据与观测数据的差异较小;而在气温缓步回升过程中，外磕脚测点和吕四测点的再分析数据明顯高于观测数据。在冷空气影响及气温回升期间，连云港测点的再分析数据与观测数据更接近（图9）。

根据冷空气影响期间再分析数据和观测数据的日平均海表温度比较分析，再分析数据与观测数据的日变化趋势差别不大。其中，12月28日连云港测点的观测数据有明显下降，但再分析数据没有出现相应变化;外磕脚测点的观测数据明显高于吕四测点，但再分析数据却没有体现该现象（表8）

3 结论与展望

本研究应用连云港、外磕脚和吕四3个测点的实际观测数据，选取2018年全时段以及特殊天气影响过程，对江苏海域再分析资料中的气温和海表温度数据进行误差分析和评估，主要得到5项结论。①总体而言，气温、海表温度的再分析数据与观测数据均具有很高的一致性，且海表温度再分析数据与观测数据的一致性高于气温再分析数据。②对于气温和海表温度这2个要素而言，ERA5的可靠性优于JRA-55和NCEP。③在3个测点中，外磕脚测点的再分析数据与观测数据的一致性最高。④在台风影响期间，吕四测点、外磕脚测点的再分析数据与观测数据更为接近，而更近岸的连云港测点的再分析数据与观测数据的差异更大。⑤在冷空气影响期间，气温下降时再分析数据与观测数据的差异较小，而气温回升时外磕脚测点、吕四测点的再分析数据明显高于观测数据;冷空气使海表温度出现明显下降，但再分析数据反映的下降幅度明显低于观测数据。

本研究的比较分析结果有助于了解再分析资料在江苏海域的适用性和可信度。然而本研究仅分析气温和海表温度2种要素，考虑到不同种类的再分析资料各有优势和局限，在今后的研究中将结合多种要素，进一步评估和探讨各种再分析资料在江苏海域及其他海域的应用。

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