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  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
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冰川冻土, 2020, 42(4): 1145-1157 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1158

冰冻圈与全球变化

中国第一代再分析产品CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性分析

朱江萍,1,2, 谢爱红,1, 丁明虎3, 赵聪4, 郭晓寅3, 胡婉嫔1,2, 徐冰1,2, 秦翔1

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学, 北京 100049

3.中国气象科学研究院, 北京 100081

4.西南交通大学 地球科学与环境工程学院, 四川 成都 611756

Applicability analysis of the air temperature in the CMA Global ReAnalysis product CRA Interim in the section from Zhongshan Station to Dome A, East Antarctica

ZHU Jiangping,1,2, XIE Aihong,1, DING Minghu3, ZHAO Cong4, GUO Xiaoyin3, HU Wanpin1,2, XU Bing1,2, QIN Xiang1

1.State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

3.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China

4.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China

通讯作者: 谢爱红, 副研究员, 从事冰冻圈与气候研究. E-mail: xieaih@lzb.ac.cn.

编委: 武俊杰

收稿日期: 2019-07-09   修回日期: 2019-11-20  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41671073.  41476164.  41425003

Received: 2019-07-09   Revised: 2019-11-20  

作者简介 About authors

朱江萍(1997-),女,黑龙江双鸭山人,2018年在兰州大学获学士学位,现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读博士研究生,从事极地气候研究.E-mail:zhujiangping@lzb.ac.cn , E-mail:zhujiangping@lzb.ac.cn

摘要

2017年中国气象局发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品(以下简称“中国再分析产品”)CRA Interim, 通过对比CRA Interim气温资料与中国在南极考察区域中山站 - Dome A断面气象站实测2 m气温、 欧洲中期数值预报中心再分析产品(以下简称“欧洲再分析产品”)ERA Interim和ERA5相应的气温资料, 分析了CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性。结果表明: 三种再分析产品均能反映研究区域的气温变化, 均具有一定适用性, 但是都存在一定偏差且适用性存在区域差异和季节差异。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对中山站 - Dome A断面气温的解释方差分别为81.3%、 87.1%、 87.2%。中国与欧洲再分析产品对日均值与最低温的反演都呈现负偏差, CRA Interim对最高温的反演表现为负偏差(-1.8 ℃), 欧洲再分析产品则表现为正偏差(ERA Interim和ERA5偏差分别为0.5 ℃和0.8 ℃)。中国与欧洲再分析产品在位于冰盖边缘的中山站适用性最好, 位于冰盖内陆的Dome A次之, 对Eagle站气温的反演偏差较大。三种再分析产品对冬季气温反演最差, ERA Interim对秋季气温反演最好, CRA Interim和ERA5对夏季气温反演最好。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对极端低温事件发生时最低温的解释方差分别为46.1%、 76.9%、 87.3%, 对极端高温事件发生时最高温的解释方差分别为59.9%、 65.1%、 73.6%, 极端事件发生时ERA5对极端气温的反演更为准确。2016年9月3日 - 13日极端低温事件主要受冷高压的影响, 7月25日 - 8月6日极端高温事件主要受暖低压和暖舌的影响。CRA Interim能够反演东南极中山站 - Dome A断面的气温及极端气温事件的变化, 但对风场尤其是中山站风场的反演不准确。与欧洲再分析产品相比, CRA Interim在中山站 - Dome A断面的适用性较低, 三种再分析产品中ERA5更适于南极极端天气与气候的研究。

关键词: CRA Interim ; ERA Interim ; ERA5 ; 东南极 ; 气温 ; 极端事件

Abstract

The CMA Global ReAnalysis product CRA Interim was released in 2017 by China Meteorological Administration. The accuracy of daily minimum, maximum and mean 2-m air temperatures (TminTmaxTmean) in 2016 from CRA Interim was assessed against field observations and ECMWF Re-Analysis products (ERA Interim and ERA5). The field observations were from Zhongshan Station, Eagle Station and Dome A that located in East Antarctica. It was found that CRA Interim can capture temporal temperature variations, with an explained variance more than 81.0%, and generally showed a negative bias of -0.5, -1.8, -1.3 ℃ for TminTmax and Tmean, respectively. Similar as ECMWF Re-Analysis products, CRA Interim showed a regional variability, and performed better at Zhongshan Station. CRA Interim and ERA5 performed better in summer, while ERA Interim performed better in autumn. CRA Interim can explain the temperature variance of more than 45.0% for extreme low temperature event, and close to 60.0% for extreme high temperature event. The cold event occurred during Sept. 3 to Sept. 13, which was mainly affected by stronger cold high pressure. The warm event occurred during Jul. 25 to Aug. 6, and was mainly affected by warm low pressure and warm tongue. An analysis on temperature and pressure fields indicated that CRA Interim can replicate the progress of temperature extremes developing, occurring and disappearing. However, it doesn’t work well in wind field, particularly at Zhongshan Station. ECMWF Re-Analysis products perform better than CRA Interim, and ERA5 is a more powerful tool for extreme weather and climate studies in East Antarctica.

Keywords: CRA Interim ; ERA Interim ; ERA5 ; East Antarctica ; air temperature ; extreme events

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本文引用格式

朱江萍, 谢爱红, 丁明虎, 赵聪, 郭晓寅, 胡婉嫔, 徐冰, 秦翔. 中国第一代再分析产品CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1145-1157 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1158

ZHU Jiangping, XIE Aihong, DING Minghu, ZHAO Cong, GUO Xiaoyin, HU Wanpin, XU Bing, QIN Xiang. Applicability analysis of the air temperature in the CMA Global ReAnalysis product CRA Interim in the section from Zhongshan Station to Dome A, East Antarctica[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(4): 1145-1157 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1158

0 引言

气候变暖毋庸置疑1, 而南极是全球气候系统敏感的关键区2, 在全球变暖的过程中起着不可替代的作用3。中山站 - Dome A断面是中国在南极的重点考察区域, 具有重要的科学意义4。研究表明, 在全球变暖背景下极端天气与气候事件频发5-7, 而气候变化正在影响着极端天气事件发生的强度和频率8, 观测到的气温极值正在发生变化9。南极地区尤其是东南极内陆地区自然条件恶劣, 自动气象站(AWS)分布稀少10, 而再分析产品以格点的形式储存, 可以将AWS稀少地区的数据进行扩展, 为研究提供了便利11, 因此分析这些再分析产品对中山站 - Dome A断面气温反演的准确性, 对利用再分析产品进行相关研究的可信度具有一定的参考意义。

全球大气再分析是利用当前最先进并固定的同化系统, 对地面、 高空、 卫星等观测资料进行同化分析, 从而获取大气及下垫面要素分析场12。常用的再分析产品有美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析产品NCEP-1、 NCEP/美国能源部(DOE)大气模式相互比对计划的再分析产品NCEP-2、 欧洲中期数值预报中心(ECMWF)的再分析产品(以下简称“欧洲再分析产品”)ERA Interim、 日本气象厅(JMA)用于实时业务的气候数据同化系统的再分析产品JCDAS13-15。大气再分析是衡量国家气象综合实力的有效工具, 为摆脱气象业务和科研上对欧美的依赖, 我国开始着手研发再分析产品16。中国气象局于2017年12月发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品(以下简称“中国再分析产品”)逐6小时预报场CRA Interim, 它是采用美国GFS模式和GSI同化系统, 并考虑背景场卫星辐射率、 探空变分偏差等要素的订正计算后输出的再分析产品17, 其水平分辨率为34 km, 垂直分层64层, 模式层顶为0.2 hPa。

对于欧美和日本再分析产品在不同地区的适用性已有大量研究18-27, 研究认为ERA Interim在东南极地区的适用性优于NCEP-1、 NCEP-2及JCDAS18, CRA Interim降水资料在中国的适用性与ERA Interim、 JRA-55整体误差水平基本一致17, 但是中国再分析产品在中国南极考察断面的适用性评估尚未有研究。2017年ECMWF新发布了ERA5气候再分析数据集, ERA5的数据精度进一步得到提升28, 其时间精度提高至1 h, 模式顶层提高到0.01 hPa, 水平分辨率为31 km, 垂直分层137层29表1)。基于东南极中山站 - Dome A断面自动气象站(中山站、 Eagle站、 Dome A)2016年2 m实测气温(平均值、 最高值、 最低值), 本文通过对比研究CRA Interim与欧洲新一代再分析数据集ERA5、 已有研究认为适用性较好的ERA Interim等三种再分析产品, 分析CRA Interim在中国东南极考察断面的适用性。

表1   三种再分析产品说明

Table 1  Description of the three reanalysis products

再分析产品时间长度同化方案水平分辨率/km时间分辨率/h垂直层次/层模式顶层/hPa
CRA Interim2007-01/2016-12GFS/GSI-3DVar346640.2
ERA Interim1979-01/2019-08IFS Cycle 31r2796600.1
ERA51979年至今IFS Cycle 41r23131370.01

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1 数据和方法

1.1 气象观测资料

本文使用2016年中山站(76.37°E、 69.37°S, 海拔15 m)、 Eagle站(77.07°E、 76.57°S, 海拔2 852 m)、 Dome A(77.35°E、 80.37°S, 海拔4 093 m)三个自动气象站的2 m观测气温, 数据来自于澳大利亚南极自动气象站数据集(http://aws.acecrc.org.au/)。位于中山站与Eagle站之间的LGB69站于2008年停止使用, 因此不使用LGB69站气温数据。中山站位于东南极冰盖海岸, Eagle站位于冰盖内陆地区, Dome A位于南极内陆冰盖最高点(图1)。由于南极积雪常年存在, AWS的实际高度会随着积雪变化进行浮动30, 并且Eagle站和Dome A常年处于逆温层中, 这对AWS观测气温的准确性有一定影响。相关研究表明, 逆温及积雪对AWS观测的1 m气温影响最大, 对2 m气温影响较小31, 因此在本文中不再对2 m气温进行修正。

图1

图1   中山站 - Dome A断面自动气象站分布(左上角小图中ZS、 E、 D分别为中山站、 Eagle站、 Dome A)

Fig.1   The automatic weather stations along the traverse route from Zhongshan Station to Dome A (ZS, E, and D are abbreviations of Zhongshan Station, Eagle Station, and Dome A, respectively)


1.2 再分析产品

CRA Interim的水平分辨率为0.3125°×0.3125°, 据此欧洲再分析产品(ERA Interim和ERA5)选用与CRA Interim水平分辨率最相近的0.25°×0.25°。三种再分析产品均采用高水平分辨率, 这使三个AWS位于不同格点, 确保插值到站点的气温彼此独立。鉴于CRA Interim的时间分辨率为6 h, 为保持资料的一致性, 三种再分析产品统一采用6 h的时间分辨率。CRA Interim数据由中国气象局提供, ERA Interim和ERA5数据均在ECMWF(https://www.ecmwf.int/)下载。再分析数据网格海拔高度与实际海拔高度有高程偏差, 此偏差对冰盖边缘的再分析数据影响较大, 因此利用气温垂直递减率6.5 ℃⋅km-1将再分析数据订正到实际高度32

1.3 方法

中山站 - Dome A断面地形相对平缓, 大部分插值方法均适用于此断面33, 其中反距离加权插值法(IDW)综合了临近点及趋势面分析的渐变特点, 适用于均匀格点的插值。再分析产品格点均匀分布, 因此利用IDW方法将再分析数据插值到AWS所在的经纬度, 并对插值后的数据与实测数据进行均方根误差(RMSE)、 偏差(MB)以及解释方差百分率R2的计算。R2越接近1, 再分析产品对实测气温的反演效果越好; RMSE表征两组数据的离散程度; MB定义为实测数据与再分析数据之差, 表示再分析数据与实测数据之间的偏离程度, RMSE和MB数值越小, 代表两组数据的一致性越好。

2 结果与讨论

2.1 CRA Interim与ERA Interim、 ERA5的对比分析

欧洲的两种再分析产品(ERA Interim和ERA5)对东南极气温反演的偏差基本相当, 三种再分析产品对东南极中山站 - Dome A断面实测数据的解释方差均大于69.0%(图2), 总体来说再分析产品可以反演出断面实测气温。在中山站 - Dome A整个断面上, 再分析产品对日均值的拟合效果优于日极值且适用性呈现明显的地区差异: 位于冰盖边缘的中山站适用性最好, 位于冰盖内陆的Dome A次之, 与中山站和Dome A相比, 再分析产品对Eagle站气温的反演能力明显偏差。三种再分析产品对中山站日均温和最高温的反演均呈正偏差[图3(a)和(b)], ERA5对中山站最低温的反演呈现负偏差[图3(c)], 与欧洲再分析产品不同, CRA Interim对中山站最低温的反演呈现明显的正偏差; 中国和欧洲再分析产品对Eagle站气温的反演呈现负偏差且趋势基本相同[图3(d)和(f)]; 再分析产品对Dome A日均值和最低温的反演均以负偏差为主[图3(g)和(h)], 欧洲再分析产品对Dome A最高温的反演呈现正偏差, 但CRA Interim对最高温的反演呈现负偏差[图3(i)]。

图2

图2   三种再分析产品反演2016年实测气温的R2和RMSE

Fig.2   Explained variance (R2) and RMSE between the three reanalysis products and observed air temperatures in 2016


图3

图3   三种再分析产品与2016年实测气温的偏差

Fig.3   Daily bias (℃) between CRA Interim, ERA Interim, ERA5 and field observations in 2016 for mean (a, d, g), maximum (b, e, h) and minimum (c, f, i) air temperature at Zhongshan Station (a, b, c), Eagle Station (d, e, f) and Dome A (g, h, i)


在东南极中山站 - Dome A整个断面上, 三种再分析产品对日均值的反演均呈现负偏差, 其中CRA Interim的反演偏差为-1.3 ℃, ERA Interim的反演偏差为-1.1 ℃, ERA5的反演偏差为-1.0 ℃; CRA Interim对最高温的反演呈现负偏差-1.8 ℃, ERA Interim和ERA5则呈现正偏差0.5 ℃和 0.8 ℃; CRA Interim对中山站 - Dome A断面最低温的反演偏差为-0.5 ℃, 相较于ERA Interim和ERA5偏差(-2.3 ℃和-3.7 ℃)较小, 但RMSE较欧洲再分析产品大, 总体来说中国再分析产品与欧洲再分析产品在东南极中山站 - Dome A断面的适用水平相当。CRA Interim对中山站日均温、 最高温、 最低温的解释方差分别为90.5%、 93.9%、 85.5%, 而对Eagle站气温的解释方差分别为71.1%、 70.5%、 69.6%, CRA Interim在中山站的适用性明显优于Eagle站, 其在东南极中山站 - Dome A断面的适用性存在明显的地区差异。欧洲再分析产品与CRA Interim类似, 在中山站 - Dome A断面适用性表现出明显的地区差异, ERA Interim和ERA5对Eagle站气温的解释方差明显低于中山站和Dome A。CRA Interim对东南极中山站 - Dome A断面日均值、 最高温、 最低温的解释方差分别为83.1%、 82.7%、 76.8%, ERA Interim对应的解释方差为90.3%、 84.1%、 87.9%, ERA5为89.6%、 85.3%、 86.7%。与欧洲再分析产品相比, CRA Interim对最低温反演的准确性偏低, 其解释方差较ERA Interim和ERA5分别偏低11.1%和9.9%。NCEP-1、 NCEP-2作为第二代再分析产品, 其对中山站 - Dome A断面气温日均值的解释方差分别为81.5%和73.7%16, 与NCEP系列产品相比, CRA Interim在中山站 - Dome A断面的适用性(解释方差为83.1%)较好, CRA Interim在中山站 - Dome A断面的适用性介于第二代(NCEP-2)和第三代(ERA Interim)再分析产品之间。这可能是因为CRA Interim再分析产品采用模式所输入的资料, 在ERA Interim输入产品的基础上增加了近年最新发布的各种重处理卫星产品, 以替换原来的同期实时业务产品。而重处理卫星产品有以下优势: 观测数更多, 水平和垂直空间观测数有所增加, 增加的量级与具体产品类型有关; 以ERA Interim再分析产品为参照, 重处理产品的偏差和均方根误差较实时业务产品小或相当; 观测数、 偏差、 均方根误差的整个时间序列更为稳定16。CRA Interim采用三维变分资料同化(3D-Var)方法, 因此其适用性不如采用四维变分资料(4D-Var)的ERA Interim好, 但是优于同样采用3D-Var的NCEP-1、 NCEP-2。

再分析产品可解释的月方差也表现出明显的地区差异(图4)。中国和欧洲再分析产品对中山站气温的反演优于Eagle站和Dome A, CRA Interim对Eagle 站4 - 7月气温的解释方差低于20.0%, 其中对Eagle 站7月最高温的解释方差仅有3.7%, 对5月和10月最低温的解释方差仅有2.2%和2.1%; CRA Interim对Dome A 站4 - 9月日均值和最低温反演的RMSE高于欧洲再分析产品, 相应的RMSE分别为11.7 ℃、 10.1 ℃、 11.7 ℃、 12.5 ℃、 10.8 ℃、 11.3 ℃; CRA Interim对中山站 - Dome A断面11月最低温的解释方差仅有1.0%。欧洲两种再分析产品可解释的月方差趋势相同, 与CRA Interim相似, 欧洲再分析产品对4 - 6月气温反演的准确性较其他月份差, 其中ERA Interim对Dome A 4月最高温的解释方差仅有5.2%。

图4

图4   三种再分析产品的月度解释方差

Fig.4   Monthly explained variance by CRA Interim, ERA Interim and ERA5 for mean (a, d, g), maximum (b, e, h), minimum (c, f, i) air temperature at Zhongshan Station (a, b, c), Eagle Station (d, e, f) and Dome A (g, h, i)


三种再分析产品对中山站 - Dome A断面气温反演的准确性存在季节差异(表2)。CRA Interim对春、 夏、 秋、 冬季中山站 - Dome A断面气温的解释方差分别为43.5%、 50.8%、 43.8%和29.2%; ERA Interim为54.7%、 56.2%、 61.8%和52.3%; ERA5为56.1%、 63.5%、 56.8%和45.1%。与CRA Interim类似, 欧洲两种再分析产品对冬季温度的反演效果最差, 但是与在其他季节适用性的差异不如CRA Interim明显。CRA Interim和ERA5对夏季气温的反演效果最好, 对夏季日均值的解释方差分别为55.3%和68.3%; ERA Interim在秋季的适用性最好, 对日均值的解释方差为72.0%; 三种再分析产品在冬季的适用性最差, 其中CRA Interim对冬季最低温的解释方差仅有24.6%。再分析产品对季节温度的反演存在地区差异(图5), 整体来说中国和欧洲再分析产品对中山站季节气温反演准确性较高, 对Eagle站气温反演能力偏差, 三种再分析产品中ERA Interim对Eagle站气温反演的准确性最好。再分析产品对中山站夏季气温模拟最好, 对冬季气温的模拟准确性最低, CRA Interim、 ERA Interim和ERA5可解释中山站夏季气温的77.9%、 85.5%和88.5%, 冬季气温的34.6%、 60.6%和55.9%。再分析产品对Eagle站气温的反演偏差较大, CRA Interim对Eagle站夏季气温的解释方差仅有20.4%, 欧洲再分析产品对Eagle站季节气温解释方差约为30.0%, 相较于中山站准确性大大降低。ERA5对Dome A季节气温的反演效果最好(解释方差为53.4%), 相较于欧洲再分析产品, CRA Interim对Dome A气温的解释方差约低15.0%。

表2   三种再分析产品与实测气温在各季节的RMSE、 MB及R2

Table 2  Seasonal RMSE, MB and R2 between the three reanalysis products and observed air temperatures

再分析产品季节平均气温Tmean最高气温Tmax最低气温Tmin
RMSE/℃MB/℃R2/%RMSE/℃MB/℃R2/%RMSE/℃MB/℃R2/%
CRA Interim6.6-1.344.96.7-1.549.76.9-0.835.8
7.5-3.055.37.5-2.652.27.6-2.845.0
6.7-1.946.58.3-1.347.96.7-1.236.9
4.41.031.96.40.831.05.02.924.6
ERA Interim3.7-0.261.45.51.845.54.6-1.857.1
4.3-1.162.75.80.347.85.5-3.458.0
4.7-1.872.07.00.550.75.9-3.862.8
3.9-0.969.35.30.936.04.7-2.260.5
ERA53.6-1.159.64.90.653.45.1-3.655.2
4.4-2.368.35.3-0.659.26.6-5.162.8
4.3-1.165.37.01.547.55.7-4.657.5
3.10.455.95.93.231.23.2-1.648.1

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图5

图5   三种再分析产品在各季节的解释方差

Fig.5   Seasonal explained variance by CRA Interim, ERA Interim and ERA5 for mean (a, d, g), maximum (b, e, h), minimum (c, f, i) air temperature at Zhongshan Station (a, b, c), Eagle Station (d, e, f) and Dome A (g, h, i)


2.2 再分析产品反演极端天气事件的个例分析

极端天气事件是指某个异常天气变量值的发生, 该值高于(或低于)该变量观测值区间的上限(或下限)端附近的某一阈值34。本文选用基于平均值的2倍标准差进行极端事件的判断, 2016年共有6次极端低温事件和3次极端高温事件。

再分析产品对极端气温的反演存在一定的误差。极端低温事件发生时, CRA Interim与欧洲再分析产品(ERA Interim和ERA5)可以反演出降温过程, 但反演的温度较实测数据偏高, CRA Interim、 ERA Interim和ERA5对极端低温事件发生时气温的反演偏差分别为-3.6 ℃、 -5.2 ℃、 -7.9 ℃(表3), RMSE分别为6.8 ℃、 5.3 ℃、 5.1 ℃; 极端高温事件发生时, CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对极端高温模拟的反演偏差分别为-2.7 ℃、 0.7 ℃、 -0.5 ℃, RMSE分别为8.5 ℃、 6.9 ℃、 6.2 ℃, 其中ERA5对极端高温的反演效果最好。ERA5、 ERA Interim对极端低温事件发生时最低气温的解释方差为87.3%和76.9%, CRA Interim的解释方差为46.1%; ERA Interim、 ERA5对极端高温事件发生时最高温的解释方差为73.6%和65.1%, CRA Interim的解释方差为59.9%。中国再分析产品对极端气温变化的敏感性较欧洲再分析产品弱。因缺少CRA Interim高空资料, 本文仅利用地面资料对极端天气过程进行分析。

表3   三种再分析产品对极端事件反演的RMSE、 MB及R2

Table 3  RMSE, MB and R2 between field observations and CRA Interim, ERA Interim and ERA5 for extreme low and extreme high temperature events

极端事件再分析产品平均气温Tmean最高气温Tmax最低气温Tmin
RMSE/℃MB/℃R2/%RMSE/℃MB/℃R2/%RMSE/℃MB/℃R2/%
极端低温CRA Interim7.3-3.547.16.82.245.26.8-3.646.1
ERA Interim3.9-2.160.55.3-0.640.05.3-5.276.9
ERA54.5-2.956.95.1-1.244.55.1-7.987.3
极端高温CRA Interim7.5-3.357.48.5-2.759.97.5-3.532.3
ERA Interim4.9-1.265.76.90.765.14.8-2.765.5
ERA54.6-2.370.66.2-0.573.65.9-5.264.2

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东南极中山站 - Dome A断面在2016年9月3日 - 13日发生极端低温过程, 此过程最为剧烈且持续时间最长, 本文选取此次过程对CRA Interim反演极端低温事件的能力进行分析。在此次极端低温过程中, 三个AWS中以中山站降温最为明显, 极端低温事件发生前中山站气温为-24.2 ℃, 9月7日出现-44.0 ℃的极端低温, 这同时也是2016年实测最低温度。极端低温事件发生前, Dome A和Eagle站处于偏南风的控制下[图6(a)], 中山站处于偏东风的控制下, 南风携带了南半球高纬度的冷空气使Eagle站和Dome A气温下降, 中山站在冷高压的控制下[图7(a)], 且极端事件发生时中山站的风向转为东南风[图6(b)], 这导致了中山站气温迅速下降。随着系统发展移动, 控制断面的冷高压变为暖低压, 气温逐渐回升。CRA Interim可以反演出极端低温事件发生时地面系统的演变和AWS温度的变化, 但对中山站 - Dome A断面, 尤其是中山站和Dome A风场的反演存在一定偏差。极端低温事件结束时, CRA Interim反演断面仍处于南风的控制下[图6(c)], 南风携带的高纬度冷空气会导致断面气温持续下降, 但此时极端过程已经结束, CRA Interim并未准确反演出中山站 - Dome A断面在极端低温过程发生时风场的变化。

图6

图6   极端低温事件发生前、 中、 后的10 m风场

Fig.6   The 10-m wind fields at the three automatic weather stations before (a), at (b) and after (c) the extreme low temperature event, i.e., Sept.3 - Sept.6, Sept.7 - Sept.10, and Sept.11 - Sept.13


图7

图7   极端低温事件发生前、 中、 后的地面温压场

Fig.7   Surface temperature fields (left) and pressure fields (right) for the three automatic weather stations (AWS) before (a, b), at (c, d) and after (e, f) the extreme low temperature event, i.e., Sept.3 - Sept.6, Sept.7 - Sept.10, and Sept.11 - Sept.13


2016年7月25日 - 8月6日发生在东南极中山站 - Dome A断面的极端高温过程升温最为明显, 因此选取此次事件进行CRA Interim对极端高温事件反演能力的评估。此次极端高温事件以Eagle站升温最为明显, 位于冰盖内陆的Dome A实测气温从-67.8 ℃升至-48.7 ℃, 升温幅度达19.1 ℃。极端高温事件发生前, 中山站 - Dome A断面10 m风向以北风为主[图8(a)], 北风携带了南极低纬的暖空气, 且极端高温事件发生时断面南侧存在一个暖舌[图9(b)], 此暖舌为极端事件发生前存在其南侧的暖低压发展而成, 其向中山站 - Dome A断面输送暖气流引起气温上升。随着系统的发展, Eagle站和Dome A处于西风的控制下[图8(c)], 冷高压开始控制断面[图9(c)], 气温下降, 极端高温事件结束。此次极端高温事件Eagle站和Dome A实测气温上升明显, 但CRA Interim反演的温度场中并未显示出Eagle站和Dome A的升温幅度, 且CRA Interim反演的极端高温事件结束后的风场显示中山站处于北风携带的低纬暖湿气流的控制下[图8(c)], 这会导致中山站气温继续升高, 但实际极端高温过程已经结束。相关研究表明再分析产品对强气流尤其是沿岸地区的模拟准确性较低35, CRA Interim与其他再分析产品类似, 对中山站 - Dome A断面尤其是中山站风场的反演存在一定偏差。

图8

图8   极端高温事件发生前、 中、 后的10 m风场

Fig.8   The 10-m wind fields at the three automatic weather stations before (a), at (b) and after (c) the extreme high temperature event, i.e., Jul. 25 - Jul. 29, Jul. 30 - Aug. 2, and Aug. 3 - Aug. 6


图9

图9   极端高温事件发生前、 中、 后的地面温压场

Fig.9   Surface temperature fields (left) and pressure fields (right) for the three automatic weather stations (AWS) before (a, b), at (c, d) and after (e, f) the extreme high temperature event, i.e., Jul. 25 - Jul. 29, Jul. 30 - Aug. 2, and Aug. 3 - Aug. 6


3 结论

通过中国再分析产品(CRA Interim)与中国在南极考察断面中山站 - Dome A气象站2 m实测气温、 欧洲再分析产品(ERA Interim和ERA5)的对比分析, 可以得出如下结论:

(1) 中国和欧洲再分析产品都能够反演出东南极中山站 - Dome A断面气温的变化, 但是作为多资料融合的替代产品, 三种再分析产品皆不可避免地呈现一定的偏差。CRA Interim、 ERA Interim和ERA5对日均温的解释方差分别为83.1%、 90.3%、 89.6%, 对最高温的解释方差分别为82.7%、 84.1%、 85.3%, 对最低温的解释方差分别为76.8%、 87.9%、 86.7%。三种再分析产品对日均温和最低温的反演均呈现负偏差, 对日均温的反演偏差分别为-1.3 ℃、 -1.1 ℃、 -1.0 ℃, 对最低温的反演偏差分别为-0.5 ℃、 -2.3 ℃、 -3.7 ℃。对最高温的反演, CRA Interim呈现负偏差, 欧洲两种再分析产品呈现正偏差。

(2) 中国和欧洲再分析产品对东南极中山站 - Dome A断面气温的反演存在季节差异。CRA Interim及ERA5在夏季的适用性最好, ERA Interim在秋季的适用性最好。与欧洲再分析产品相比, CRA Interim对冬季气温的解释方差较其他季节的解释方差变化更为明显。

(3) 中国和欧洲再分析产品对东南极中山站 - Dome A断面气温的反演存在区域性差异。中国再分析产品对中山站、 Eagle站、 Dome A气温的解释方差分别为88.4%、 70.4%和80.9%。欧洲再分析产品同样对位于南极冰盖边缘的中山站气温的反演最好, 位于冰盖内陆的Dome A次之, 对Eagle站气温反演偏差较大。

(4) CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对极端低温事件发生时最低温的解释方差分别为46.1%、 76.9%、 87.3%, 极端高温事件发生时最高温的解释方差分别为59.9%、 65.1%、 73.6%, ERA5对极端事件发生时极端气温的反演较为准确。中国再分析产品反演出2016年9月3日 - 13日极端低温事件发生的原因为中山站 - Dome A断面受冷高压的控制, 2016年7月25日 - 8月6日极端高温事件的发生源于地面暖低压及中山站 - Dome A断面南侧一个暖舌的存在, 但CRA Interim未能反演出极端高温事件发生时Eagle站和Dome A气温的变化, 且对极端天气发生时中山站 - Dome A断面尤其是中山站风场的反演存在偏差。

CRA Interim作为中国的第一代全球大气再分析产品能够反演出东南极地区的气温变化。但是, 对于极端低温或者高温事件的反演方面, 与欧洲再分析产品尤其是ERA5资料相比, 存在一定差距。中国再分析产品可在如下方面进行提升: 实测数据是再分析数据集的基础, 且南极气象站大部分集中在冰盖边缘, 内陆气象站稀少, 在模式中输入尽可能多的气象站实测数据, 同时建立更多的气象站; 采用四维变分同化资料, 控制模式误差; 卫星遥感数据对模式输出结果具有显著影响, CRA Interim可进一步进行遥感数据的同化测试和质量控制, 提高其准确性。

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