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在过去十多年,利用数值天气预报模式(NWP)所广泛使用的资料同化系统来再分析过去的气象观测资料,重建长期而连续的格点再分析资料己成为大气科学各类研究的主要支柱。再分析资料的问世为我们认识大气运动的行为方式、理解全球和区域气候变化与变率提供了强有力的研究工具。然而,作为一种利用资料同化技术把数值预报产品和观测资料融合起来的产物,再分析产品在不同时空尺度内都必然包含有数值模式、同化方案和观测系统所引入的误差,特别是观测系统的变更可能会在长期的演变趋势中引入虚假的变化信号。因此,再分析资料的可信度检验与分析对于再分析产品的合理使用以及气候模式的发展与验证具有重要的意义。
本文着重从下面几个方面对ERA-40和NCEP(NCEP-1和NCEP-2)再分析产品的质量和可信度问题进行了检验和分析:
1、首先介绍了ERA-40和NCEP再分析系统及其差异,然后重点就温、压、风和湿等要素对两种资料在全球尺度上的差异进行了系统的对比和分析。结果表明,在不同年代、不同季节和不同区域各要素之间的差异是不一致的。就水平分布而言,在北半球中高纬地区的差异较小,在热带和南半球中高纬地区差异较大:就垂直分布来说,北半球中高纬地区与热带地区的差异主要反映在对流层上层,而南半球中高纬地区的差异则在整个对流层都比较明显,特别是对流层上层和下层的差异比较非常显著。此外,两极地区,特别是南极地区始终是两种资料差异最大的区域。就各要素而言,湿度和地表降水的差异最大,其次是气压场,而温度场和风场的差异相对较小,尤其是是风场。由于观测系统的变更(主要是对不同卫星观测资料的同化),在对流层中上层(特别是上层),NCEP-1与ERA-40在1979年前后两个时段的平均差异存在着明显的差别,而这种差别主要反映在温度场和高度场的差异上。
2、通过与中国区域的探空观测资料相比,NCEP和ERA-40与观测资料所描述的温度场和高度场的平均值以及年际变率等的差异也主要是反映在对流层上层,特别是夏季的差异比较明显,且主要存在于中国南方和西部地区;但从年际和年代际变化特征来看,再分析值与观测值的差异主要反映在对流层中下层,特别是NCEP-1夏季高度场在上世纪70年代中期以前存在着过于夸大的偏低现象,从而在年代际变化上与观测结果和ERA-40存在很大差别。
3、通过与中国区域地表气温、气压和降水等台站观测资料相比,结果表明,NCEP与ERA-40再分析产品总体上都能反映出观测结果的均值及其标准差的空间分布特征,但在它们在不同区域的季节、年际和年代际变化特征都具有一定的差别,而这种差别也主要反映上世纪70年代中期以前,特别是在西部地区比较明显。相比而言,温度场的差别相对较小、降水的差别相对较大。对于气压场来说,最主要的差异特征仍然是NCEP-1上世纪70年代以前夏季气压场在中国大多数地区存在着过于偏低的问题。从总体上来看,ERA-40所描述的地表气温、气压和降水等长期变化趋势以及时空演变规律在中国大多数地区要优于NCEP-1,特别是在中国西部地区;而NCEP-2对中国东部地区,尤其是对江淮流域所夏季降水的时空分布和演变特征的描述相对较好。
4、从地表气温和降水的频率与概率分布特征来看,ERA-40出现高温的概率相对较大,而NCEP出现低温概率较高;NCEP降水具有明显偏多的概率分布特征,虽然ERA-40降水也具有一定偏多的分布,但其在中国东部地区夏季所反映出的是降水偏少的概率分布。无论是气温还是降水,ERA-40所拟合的概率密度函数(PDF)的总体分布与观测结果更为接近,特别在是中国东部地区。
5、应用ERA-40和NCEP-1再分析资料分析了北半球大气环流及其大尺度系统的年际和年代际变化特征及其差异。结果表明,在1970年以前,NCEP-1所描述的对流层中下层的夏季气压场在欧亚大陆东部,特别是在青藏高原、中国北部和蒙古等地区比ERA-40明显偏低,在年代际变化特征存在一定的虚假信号,但对北半球一些主要的大气遥相关型、夏季西太平洋副热带高压和东亚副热带高空急流等大尺度环流系统来说,两者年际变化特征所反映出来的差异不大,而年代际变化特征存在一定的差别。