郭健健

【摘 要】對(duì)ECMWF與NCEP兩種常用的再分析資料提供的地表溫度、氣壓、可降水量這三種常用的氣象格網(wǎng)數(shù)據(jù)，選取全球661個(gè)探空站數(shù)據(jù)作為標(biāo)的，進(jìn)行了精度比較與分析，結(jié)果顯示全球范圍內(nèi)ECMWF精度比NCEP高。

【關(guān)鍵詞】ECMWF；NCEP；溫度；氣壓；可降水量；精度對(duì)比

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者利用各種再分析資料做了很多的相關(guān)科學(xué)研究。在國(guó)內(nèi)，趙天保[1]等人利用中國(guó)區(qū)域?qū)嶋H觀測(cè)資料來比較分析ERA-40和NCEP-2兩種再分析資料的精度；陳欽明、宋淑麗等[2]分別利用ECMWF和NCEP再分析資料在亞洲地區(qū)的數(shù)據(jù)推算出ZTD并比較了兩者的精度；在國(guó)外，2005年Ruiz-Barradas和Nigam[3]利用NCEP與ERA-40再分析資料分析了美國(guó)大平原暖季降雨變化；2012年，Decker和Brunke等[4]學(xué)者利用33個(gè)通量塔的數(shù)據(jù)作為真值比較了GSFC，NCEP以及ECMWF三種再分析資料的精度。

現(xiàn)階段研究基本都是在局部區(qū)域?qū)Ω鞣N再分析資料進(jìn)行精度評(píng)估，因而在全球范圍內(nèi)比較并評(píng)估ECMWF與NCEP再分析氣象數(shù)據(jù)精度是很有必要的，本章選取了2013年的ECMWF再分析資料（ERA-Interim）和NCEP2再分析資料并詳細(xì)比較了兩種再分析資料提供的地表溫度Ts、地表氣壓P以及可降水量PWV的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，為讀者使用兩種再分析資料提供詳盡參考與誤差分析等依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理方法

由于ERA-Interim[5]和NCEP-2[6]兩種再分析資料提供的氣象數(shù)據(jù)都是格網(wǎng)化形式的，而無線電探空數(shù)據(jù)卻是離散的散點(diǎn)，因此為了對(duì)比的兩者地表溫度、氣壓以及可降水量格網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度，本文將格網(wǎng)數(shù)據(jù)首先在高程面上進(jìn)行歸算，分別利用自己的高程改正系數(shù)將各格網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)值都擬合到零高程面上，當(dāng)然無線電探空站的數(shù)據(jù)也同樣歸算到零高程面[7]，高程改正系數(shù)通過分層數(shù)據(jù)擬合得到，這樣處理后的三種數(shù)據(jù)就都處于同一平面（即零高程面），再用雙線性內(nèi)插法[8]分別將兩種再分析資料的氣象數(shù)據(jù)內(nèi)插到無線電探空站位置處，最后分別與無線電探空站數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，通過比較各自與無線電探空站的差值來評(píng)定兩種再分析資料的氣象資料的精度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地表氣溫

下面給出兩者的地表溫度與探空站數(shù)據(jù)對(duì)比的總體結(jié)果（其中探空站有661個(gè)站的數(shù)據(jù)），如表1所示：

從上表可以看出，ECMWF與探空站地表溫度比較之后的Bias最大值接近12 K，略微比NCEP的大一點(diǎn)，而最小值為-7.926 K，則比NCEP小，并且其平均值僅為NCEP的一半。Bias的平均值都比較小，說明兩種再分析資料的地表溫度數(shù)據(jù)均不存在明顯的系統(tǒng)性偏差。而前者RMS的平均值為2.173 K，后者為2.815 K，這也說明兩者的地表溫度數(shù)據(jù)都具有較高的精度。而且相比于NCEP，ECMWF精度更高。

2.2 地表氣壓

兩者的地表氣壓與探空站數(shù)據(jù)對(duì)比的總體結(jié)果如表2所示：

從表2可以看出，ECMWF與探空站地表氣壓差異的Bias最大值為16.818 hPa，略微比NCEP的大一點(diǎn)，而最小值約為-11 hPa，也比NCEP大，但其平均值卻比NCEP小一點(diǎn)。并且Bias的平均值都比較小，說明兩種再分析資料的地表氣壓數(shù)據(jù)也均不存在明顯的系統(tǒng)性偏差。而前者RMS的平均值為1.870 hPa，后者為2.166 hPa，這也說明兩者的地表氣壓數(shù)據(jù)都具有較高的精度。而且相比于NCEP，ECMWF精度也要高一點(diǎn)。

2.3 可降水量PWV

兩者的可降水量與探空站數(shù)據(jù)全球分布圖分別如圖1和圖2所示：

僅從色彩上就能直觀的看出ECMWF的PWV比NCEP在低緯度地區(qū)精度要高許多，這與ECMWF同化系統(tǒng)優(yōu)于NCEP不無關(guān)系。其中ECMWF的Bias在全球范圍內(nèi)主要處于-4mm～4mm之間，RMS則在4mm以內(nèi)，而NCEP的Bias在-6mm～6mm，RMS在6mm以內(nèi)，并且兩者RMS較大的值的分布情況大致相當(dāng)，這也從側(cè)面說明了ECMWF可降水量數(shù)據(jù)精度也要高于NCEP。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)兩種再分析資料ECMWF與NCEP-2提供的的地表溫度、氣壓以及可降水量的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，以無線電探空站數(shù)據(jù)作為標(biāo)的，進(jìn)行了精度比較。

首先給出了兩種再分析資料的比較方法，由于再分析資料是格網(wǎng)數(shù)據(jù)而探空站數(shù)據(jù)是散點(diǎn)，而且兩者之間的點(diǎn)的高程也存在差異，因此先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高程歸化是很有必要的，接著就可以在平面上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙線性內(nèi)插對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定。通過依次分析NCEP和 ECMWF再分析資料地表溫度、氣壓以及可降水量數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，可以得到兩者的氣象數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)均具有很好的線性相關(guān)，僅在少數(shù)部分區(qū)域存在較大差異。最后利用661個(gè)探空站的數(shù)據(jù)對(duì)三種氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度評(píng)定，結(jié)果顯示兩種再分析資料的氣象數(shù)據(jù)在全球范圍精度都比較高，而ECMWF提供的數(shù)據(jù)精度更高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙天保，符淙斌.中國(guó)區(qū)域 ERA-40，NCEP-2 再分析資料與觀測(cè)資料的初步比較與分析[J].氣候與環(huán)境研究，2006，11（1）：14-32.

[2]陳欽明，宋淑麗，朱文耀.亞洲地區(qū)ECMWF/NCEP資料計(jì)算ZTD的精度分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1541-1548.

[3]Ruiz-Barradas A，Nigam S.Warm season rainfall variabilityover the US Great Plains in observations，NCEP and ERA-40 reanalyses，and NCAR and NASA atmospheric model simulations[J].Journal of Climate，2005，18（11）：1808-1830.

[4]Decker M，Brunke M A，Wang Z，et al.Evaluation of the reanalysis products from GSFC，NCEP，and ECMWF using flux tower observations[J].Journal of Climate，2012， 25（6）：1916-1944.

[5]Gibson，J.K.，P.Kallberg，S.Uppala，A.Hernandez，A.Nomura，and E.Serrano，1997： ERA description.ECMWF Re-Analysis Project Rep.Series，Vol.1，ECMWF，89 pp.

[6]Kalnay，E.，and Coauthors，1996：The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bull.Amer.Meteor.Soc.，77，437-471.

[7]Lagler K，Schindelegger M，B？觟hm J，et al.GPT2：Empirical slant delay model for radio space geodetic techniques[J].Geophysical Research Letters，2013，40（6）：1069-1073.

[8]鄧興升，郭云開，花向紅.似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)雙二次多項(xiàng)式插值方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009，38（1）：35-40.

[責(zé)任編輯：田吉捷]