馬永鋒 卞林根

（1國家海洋局海洋災害預報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081；2國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081；3中國氣象科學研究院，北京100081）

0 引言

大氣再分析資料已被廣泛應用于氣候診斷分析、氣象要素長期變化趨勢以及作為模式的初始場和側(cè)邊界條件等，但其質(zhì)量和可信度會直接影響氣候診斷分析結(jié)果、數(shù)值模式的穩(wěn)定性，以及影響模式的模擬與預測的準確性。由于不同的再分析資料在模式、數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)以及觀測資料來源上存在一定的差異，同時在再分析過程中又引入了模式資料，并且觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)以及模式在不同時段也有所不同或改進，從而致使各種再分析資料不盡相同，尤其是在中高緯度地區(qū)［1-2］。因此，評估大氣再分析資料的準確性顯得非常重要。

目前使用最多的再分析資料有歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）發(fā)布的ERA-15、ERA-40和美國國家環(huán)境預報中心／國家大氣研究中心（NCEP／NCAR）發(fā)布的 NCEP-Ⅰ、NCEP-Ⅱ，并且已經(jīng)有大量的工作［3-10］對這些再分析資料在南極地區(qū)的可信度進行了檢驗。NCEP和ECMWF的再分析資料已被廣泛應用于南極地區(qū)的研究，例如：南極下降風［11］、繞極渦旋和南極濤動（Antarctic Oscillation，AO）的變化趨勢［12-13］、地表能量平衡［14］、ENSO（El Nino-Southern Oscillation）遙相關(guān)［15-16］、天氣尺度的氣旋活動［17］等方面的研究。另外，已有研究表明ERA40對南極大氣的代表性優(yōu)于NCEP／NCAR再分析資料［6，18］，成為研究南極氣候非常有價值的工具，并且其空間分辨率（水平分辨率約為1°，垂直分60層）高于NCEP，因此ERA40是用于強迫有限區(qū)域模式的最有潛力的初始場［19］。

當然，由于觀測資料的匱乏，NCEP和ECMWF再分析資料在南極地區(qū)仍然存在很多不足，其準確性明顯不如北半球［20］，尤其是40°S以南地區(qū)模式資料同化時探空觀測非常有限，其主要依賴于衛(wèi)星觀測［10］。Hines等［6］發(fā)現(xiàn) NCEP再分析資料的平均海平面氣壓場在南極地區(qū)存在著隨時間而減小的很強的正偏差的變化趨勢，并且這種線性趨勢不僅僅限于地表氣壓，而一直延伸至500 hPa位勢高度場。van Lipzig等［21］研究表明，ECMWF再分析資料大大地高估了南極Svea站邊界層中的溫度梯度，并且不能很好地表現(xiàn)出近地層溫度的日變化特征。Genthon等［22］研究指出，ECMWF分析資料在東南極Dome C近地表偏暖3—4℃，溫度的日變化振幅及垂直梯度都略小于觀測，并且過高地估計了相對濕度的日變化振幅。盡管這些分析／再分析資料在南極地區(qū)仍然存在很多問題，但是對于南極這樣一個在全球最缺乏現(xiàn)場氣象觀測的地區(qū)，有著長時間序列、高空間分辨率的分析／再分析資料則是用于該地區(qū)氣候變率研究、模式模擬和預測等方面不可或缺的資料。只要弄清楚這些分析／再分析資料各氣象要素在南極地區(qū)的誤差，就能夠更好地利用它們來對南極的天氣和氣候進行研究。

繼NCEP／NCAR提供的全球再分析資料之后，其在2000年又為科研工作者提供了新的可操作全球分析資料FNL［23］，該資料由于比NCEP再分析資料具有更高的時間、空間分辨率而得到了學者的更多關(guān)注。NCEP認為由于充分同化了盡可能全面的觀測資料，與其他再分析資料相比較FNL分析資料作為長期業(yè)務模式存檔分析資料可能是最好的選擇。ECMWF也繼過去的FGGE、ERA-15和ERA-40三種主要的再分析資料之后，于2006年開發(fā)了另外一種新的、質(zhì)量更優(yōu)的全球再分析資料ERA-Interim（下文簡稱 ERAI），旨在替代 ERA-40再分析資料［24-26］。FNL分析資料和ERAI再分析資料均是最新的、質(zhì)量較高的分析／再分析資料，其在南極地區(qū)的準確性和可信度是否較之前的再分析資料有很大的提高，這很有必要對其進行檢驗。另外，東南極中山站（ZS）至 Dome A地區(qū)現(xiàn)場觀測向來缺乏，從2002年后該斷面才逐漸有觀測資料，因此對該區(qū)域再分析資料的適用性研究非常重要，其可為我們在該地區(qū)正確的使用再分析資料提供參考。

本文利用東南極中山站至Dome A考察斷面（下文簡稱ZS-Dome A斷面）上4個觀測站點2008年的地面氣象觀測資料，對FNL分析資料和ERAI再分析資料的地面氣壓、氣溫、比濕、風速和風向在ZS-Dome A斷面上的準確性與可信度進行評估，同時比較這兩套資料的差異，為在南極地區(qū)進行天氣、氣候數(shù)值模擬時為模式選取最優(yōu)的初始場和側(cè)邊界條件提供參考，以提高模式模擬結(jié)果的準確性。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所使用資料為ZS-Dome A斷面4個觀測站（ZS、LGB69、Eagle和 Dome A）的 2008年逐 3 h地面觀測資料（包括地面氣壓、2 m氣溫、4 m風速和風向、4 m相對濕度，ZS站風速風向為10 m高度）和2008年FNL分析資料以及ERAI再分析資料（所用變量包括地面氣壓、2 m氣溫、2 m比濕、10 m風速和風向）。LGB69、Eagle和Dome A在冬季由于風速傳感器發(fā)生凍結(jié)，缺測較為嚴重，尤其是LGB69。FNL和ERAI的水平均分辨率分別為1°和～50 km，時間分辨率為6 h。觀測站點信息見表1，觀測資料的詳細說明參見文獻［27-29］。

表1 FNL和ERAI再分析資料與各觀測站點距離最近的格點信息Table 1.Information of the nearest grid of FNL analysis and ERAI reanalysis from the observation sites

FNL分析資料來自于NCEP的全球資料同化系統(tǒng)（Global Data Assimilation System，GDAS）［23］，該系統(tǒng)同樣使用高分辨率（T254L64）的GFS譜模式，但其在GFS初始化后1 h或更晚才準備FNL資料，這樣可以獲取使用更多的觀測資料。GDAS系統(tǒng)同化了地面觀測、無線電探空、探空氣球、飛機及衛(wèi)星觀測資料，其后處理模塊將其輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為全球1°×1°，6 h間隔，27個標準氣壓層（包括地面），以供用戶免費下載使用（http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds083.2／）。該資料有效時間范圍為1999年7月30日到現(xiàn)在。

ERAI是ECMWF目前最新的全球再分析產(chǎn)品，它是在ERA-40的基礎(chǔ)上進行了很大的改進，目的在于構(gòu)建新的大氣再分析資料來替代ERA-40［24，26］。該資料從 1979年開始到現(xiàn)在，并且在不斷更新。ERAI與ERA-40有很大的不同，主要區(qū)分于數(shù)據(jù)同化方面和觀測資料的使用。在數(shù)據(jù)同化方面，ERAI先進之處在于它使用了12 h四維變分同化（4DVAR）技術(shù)、T255水平高分辨率（約50 km）、優(yōu)化的背景誤差限制、新的濕度分析、模式使用新的物理參數(shù)化過程、采用ERA-40和JRA-25數(shù)據(jù)質(zhì)量控制經(jīng)驗、對衛(wèi)星輻射資料進行變分偏差修正，并改進了偏差處理方案、更廣泛地使用輻射資料以及運用改進后的快速輻射傳輸模式［24，26］。在觀測資料的使用方面，ERAI幾乎使用了ERA-40所用的所有觀測資料，并且還用了近些年ECMWF獲取的其他觀測資料，更值得關(guān)注的是ERAI利用了波高高度計資料和一套新的ERS高度計波高數(shù)據(jù)集，其質(zhì)量較ERA-40所使用的數(shù)據(jù)明顯提升；另外，其還使用了 EUMETSAT（European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites）重新處理的Meteosat-2風和晴空輻射觀測資料、盧瑟福阿普頓實驗室（Rutherford Appleton Laboratory）提供的新的GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）臭氧廓線數(shù)據(jù)集（從1995年開始）、2006年開始的CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）、GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）和 COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）的GPS無線電掩星（GPSRadio Occultation）觀測數(shù)據(jù)集（詳見：http：／／www.ecmwf.int／research／era／do／get／era-interim 和 http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds627.0）。

1.2 方法

在對FNL分析資料和ERAI再分析資料進行對比分析之前，將這兩套資料中與ZS-Dome A各觀測站相應的格點上的氣象要素提取出來，并對其地面氣壓和2 m氣溫進行訂正，將其修正到相應觀測站點的海拔高度上，并將逐6 h的再分析／分析資料插值成3 h時間序列。

地面氣壓訂正是根據(jù)流體靜力學方程（即壓高

其中P1是FNL／ERAI的地面氣壓；P2為訂正后的地面氣壓；Z1是FNL／ERAI的地面高度；Z2是觀測站點的海拔高度；T假定為常溫，并且假定為每個觀測時刻相對應的再分析資料的氣溫；g為重力加速度，在極區(qū)約為 9.83 m／s2；R為干空氣氣體常數(shù)（287.05 J／kg／K）。

2 m氣溫是通過溫度遞減率來進行訂正，方法如下：

其中T1為FNL／ERAI的 2 m氣溫；T2為訂正后的2 m氣溫；γ為溫度遞減率。根據(jù)2005—2008年ZSDome A斷面的氣溫觀測結(jié)果，此處γ取為1.235℃／100 m［27］。氣溫訂正量取決于模式地形高度與站點高度的差（表1），所有站點氣溫的訂正量絕對值范圍在0—6.5℃之間，地面氣壓的訂正量絕對值范圍在0—92 hPa，通過對比顯示訂正后的氣溫、氣壓與觀測結(jié)果更為接近。然而，溫度的地形遞減率在南極不同區(qū)域、不同時間是變化的，其不僅與地表坡度有關(guān)，還受局地風速的影響，因此訂正后的溫度只能在一定程度上減小由海拔高度差引起的誤差，而不能完全消除。但是，這種訂正還是非常必要。因為南極大陸上的溫度遞減率一般為干絕熱值或超絕熱值（≥1℃／100 m），甚至會超過2倍的干絕熱值，當高度差為100 m時，其溫差往往將會＞1℃。

另外，文中沒有將 LGB69、Eagle和 Dome A AWS觀測的4 m比濕訂正到2 m高度，也沒有將4 m風速和風向訂正到10m高度。主要是因為南極大陸溫度極低，大氣攜帶水汽的能力很弱，致使空氣比濕很小，一般較中緯度地區(qū)小1—2個量級，其在近地表隨高度變化相對也較小，因此可認為4 m和2 m的比濕差異可以忽略。對于風速而言，AWS觀測的3層風速（1 m、2 m和4 m）中只有4 m的觀測質(zhì)量較好，其他兩層風速嚴重缺測，并且南極大陸近地表大氣常處于穩(wěn)定或強穩(wěn)定層結(jié)，所以不能利用簡單的線性插值或是中性條件下的對數(shù)風廓線法進行訂正。因此，LGB69、Eagle和Dome A的觀測風速很可能比實際10 m風速偏小。ZS-Dome A斷面大部分地區(qū)受下降風影響，近地表風向比較穩(wěn)定，因此可以認為4 m風向與10 m風向相同。

本文主要對FNL和ERAI距觀測站點最近格點公式）來進行修正，具體公式如下：結(jié)果及觀測站點周圍4個格點的平均結(jié)果與東南極ZS-Dome A斷面多個站點的近地面觀測進行統(tǒng)計對比分析，從年、季節(jié)和月等時間尺度上對這兩套較新的分析／再分析資料在東南極地區(qū)的適用性進行了詳細評估。表1給出了FNL和ERAI距各個站點最近的格點的信息以及其在站點周圍的4個格點平均海拔高度。

2 結(jié)果分析

2.1 地面氣壓

在 ZS、LGB69、Eagle和 Dome A，ERAI地面氣壓與觀測的年平均 Bias分別為 －19.70、3.76、－2.60和0.92 hPa，相應的 RMSE分別為 19.73、3.88、2.72和1.41 hPa，R在 0.992—0.996之間；FNL地面氣壓與觀測的年平均 Bias分別為 －0.51、0.38、－0.08和 0.18 hPa，相應的 RMSE分別為 0.93、1.28、1.45和 1.22 hPa，R在 0.990—0.996之間，其表現(xiàn)明顯優(yōu)于 ERAI。從季節(jié)平均來看，ERAI和FNL均能夠很好地表現(xiàn)出各站點地面氣壓的季節(jié)平均及其變化趨勢，尤其是FNL表現(xiàn)最好，其在各站點各季節(jié)平均絕對Bias均＜0.8 hPa，相應的RMSE＜1.6 hPa，R＞0.99，與觀測非常一致。ERAI地面氣壓Bias在LGB69、Eagle和Dome A較FNL偏大約1—2 hPa，但在沿岸區(qū)卻存在高達19 hPa左右的系統(tǒng)性偏差，這主要是因為ERAI距沿岸ZS站最近的2個格點（在陸地上）的海拔均比ZS高482 m所致，其與觀測的Bias明顯大于海洋上兩個格點氣壓與觀測的Bias（6—8 hPa）。由此看來，盡管我們已經(jīng)考慮了模式地形海拔與實際的差異，對氣壓進行了相應的訂正，但還是不能將地形引起的誤差完全消除。

圖1a給出了FNL、ERAI與觀測氣壓的逐月平均，以及它們與觀測的月平均Bias，圖中同時給出了距觀測站點最近格點以及站點周圍4個格點上的平均結(jié)果。可以看出，從沿岸ZS到內(nèi)陸高原Dome A，F(xiàn)NL和ERAI均能夠準確的捕獲到地面氣壓的逐月變化趨勢，其在內(nèi)陸站點的逐月絕對平均Bias僅在1—3 hPa，相應的 RMSE＜3 hPa，且絕大部分 R＞0.98，尤其是 ERAI在沿岸區(qū) ZS、下降風區(qū) LGB69和內(nèi)陸Eagle地區(qū)的 R在12個月均 ＞0.99（如圖1b），精確地再現(xiàn)了沿岸至內(nèi)陸地區(qū)地面氣壓的月際變化及季節(jié)循環(huán)。盡管ERAI較FNL能夠更精確地表現(xiàn)ZS-Dome A斷面地面氣壓的逐月變化特征，但其與觀測的逐月平均Bias、RMSE在內(nèi)陸站點均較FNL偏大 ～1 hPa，而在沿岸 ZS，ERAI卻與 FNL有很大的差異，其逐月平均值較觀測系統(tǒng)性偏低20—30 hPa，尤其是距觀測站最近的格點（海拔較觀測站點高482 m）的偏差最大，約30 hPa；而FNL更準確地再現(xiàn)了沿岸的地面氣壓。

圖1 （a）FNL、ERAI和觀測的月平均地面氣壓，以及兩者與觀測氣壓的逐月平均偏差（Bias：再分析資料減去觀測）；（b）相關(guān)系數(shù)（R）和均方根誤差（RMSE）.圖中黑色點線為觀測；紅色和藍色實線分別為距觀測站最近的FNL和ERAI格點；紫色和天藍色虛線分別為觀測站周圍4個FNL和ERAI格點的平均Fig.1.（a）Monthly mean surface pressure of FNL analysis，ERAI reanalyses and observations，as well as the monthly mean biases（Bias，F(xiàn)NL／ERAIminus observations）；（b）Relative coefficient（R）and rootmean square errors（RMSE）between FNL／ERAI and observations.The black dotted lines are observations；red and blue lines respectively are results of the nearestgrid of FNL and ERAI from observation sites；purple and blue dashed lines are the average results of site-surrounding four grids of FNL and ERAI，respectively

2.2 氣溫

ERAI、FNL與觀測氣溫的年平均Bias均在沿岸ZS最小，分別約為0.37℃和1.89℃（相應的 RMSE分別為 2.14℃和6.33℃，R為 0.97和 0.93），在內(nèi)陸Eagle最大，分別約 1.59℃和 6.03℃（其 RMSE分別為 3.35℃和 7.69℃，R為 0.97和 0.95）。在ZS-Dome A斷面上，ERAI年平均氣溫除了在內(nèi)陸高原Dome A較觀測偏冷0.8℃外，在其他站點均較觀測偏暖，在 ZS、LGB69和 Eagle分別偏暖 0.4℃、1.0℃和1.6℃；FNL在所有站點也都較觀測偏暖，約1.9—6.0℃，其在內(nèi)陸Eagle地區(qū)偏暖尤為顯著，約6.0℃。FNL逐3 h氣溫與各站點觀測氣溫的相關(guān)系數(shù)均 ＞0.93，明顯高于謝愛紅［30］根據(jù) 2005—2006年ZS-Dome A斷面各站點氣溫與NCEP再分析資料的對比分析給出的結(jié)果（NCEP再分析逐日平均氣溫在ZS、LGB69、Eagle和Dome A與觀測的相關(guān)系數(shù)分別為 0.624、0.648、0.744、0.705）；另外，F(xiàn)NL氣溫與觀測的年平均 Bias在內(nèi)陸地區(qū)LGB69、Eagle和 Dome A分別為 2.5℃、6.0℃和3.0℃，也明顯小于謝愛紅［30］得出的結(jié)論（NCEP再分析氣溫在LGB69、Eagle和Dome A年平均分別偏高6.0℃、8.1℃和 3.7℃）。這一方面可能是因為FNL分析氣溫在南極地區(qū)優(yōu)于NCEP再分析氣溫；另一方面是因為謝愛紅［30］使用了各站點周圍9個格點進行插值，并且沒有進行海拔高度訂正，然而站點周圍幾百公里內(nèi)地形變化差異較大，因此所選取的格點已失去了代表性，其結(jié)論只能在評估區(qū)域溫度時做參考，而不能代表站點溫度。該結(jié)果反映了NCEP分析／再分析氣溫在南極內(nèi)陸高原較觀測明顯偏暖，不能直接用來表示內(nèi)陸地區(qū)的實際氣溫。這與Bromwich等［4］給出的NCEP可操作全球譜模式預報結(jié)果在南極South Pole站氣溫年平均偏高7℃結(jié)果相一致。

從季節(jié)平均來看，ERAI和FNL的氣溫與觀測偏差在夏季最小，冬春季最大。ERAI氣溫除了在內(nèi)陸高原Dome A的秋季、冬季和春季較觀測偏冷1.2—1.7℃外，在其他站點的所有季節(jié)中均為偏暖，并且冬季在Eagle偏暖最強，約2.1℃；FNL氣溫在ZS-Dome A斷面上所有站點各個季節(jié)都較觀測偏暖（除了夏季在Dome A偏冷～0.5℃外），并且在冬季和春季偏暖最強，尤其是冬季在內(nèi)陸Eagle偏暖高達9.2℃。ERAI在各站點各個季節(jié)的Bias均明顯小于FNL，且RMSE較小，R較大，其表現(xiàn)明顯優(yōu)于FNL；而FNL在內(nèi)陸地區(qū)表現(xiàn)較差（除了夏季），雖然其與觀測的相關(guān)系數(shù)在Eagle各季節(jié)都＞0.85，但其秋季和冬季的 Bias卻高達8.3—9.2℃，RMSE約8.9—9.8℃，并且其冬季在 Dome A的 R僅為0.45，遠低于其他季節(jié)，可見FNL對內(nèi)陸高原近地表氣溫的表現(xiàn)較差，遠不如ERAI。

由圖2a和圖2b可看出，F(xiàn)NL和ERAI均準確地再現(xiàn)了ZS-Dome A斷面各站點2m氣溫的季節(jié)變化趨勢，以及南極大陸上典型的冬季“無心”特征，即：冬季溫度沒有明顯的最小值，且其變化跡線比較平坦，并且均體現(xiàn)出了冬半年4月和8月份的兩個極小值（Eagle為6月和8月）。但是，在不同站點FNL與ERAI氣溫的表現(xiàn)差異卻很大。在沿岸ZS站，ERAI氣溫與觀測非常相近，逐月平均 Bias＜1℃，且沒有明顯的年變化，逐月相關(guān)系數(shù)大于0.9，RMSE＜2℃；而FNL在沿岸ZS的表現(xiàn)較ERAI略差，4個格點平均值與觀測逐月平均Bias在冬半年（4—9月）最大，約2℃，但其距ZS最近格點的逐月平均值較觀測明顯偏冷，在夏季偏冷2—4℃，冬半年偏冷4—6℃，并且R明顯小于ERAI，表現(xiàn)為冬季高夏季低，其在夏季1月和12月僅為0.6左右，且RMSE在冬半年高達6—8℃。另外，ERAI距站點最近格點和4個格點平均值均能用來代表ZS站逐月平均氣溫，而FNL只能用其海洋上的格點來表示，而距站點最近的陸地上格點卻明顯偏冷。

在陡坡區(qū)LGB69，ERAI氣溫表現(xiàn)同在沿岸地區(qū)一樣優(yōu)秀，其與觀測的逐月平均絕對Bias在0.2—1℃之間，相應的 R均 ＞0.92，RMSE約2℃，且Bias、R和RMSE均沒有明顯的年變化，表明其對氣溫的表現(xiàn)受大尺度環(huán)流季節(jié)變率的影響較小；而FNL表現(xiàn)較ERAI略差，其逐月 R＞0.8，RMSE約2—5℃，平均Bias為0—5℃，且 Bias、RMSE和 R均由夏季向冬季明顯增大，說明其對氣溫的表現(xiàn)明顯受大尺度環(huán)流季節(jié)變率的影響。

圖2 FNL、ERAI和觀測的月平均2 m氣溫，以及兩者與觀測氣溫的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b）.說明同圖1Fig.2.Same as Fig.1，but for the air temperature（2 m）

在內(nèi)陸高原Eagle，ERAI與觀測氣溫的逐月平均Bias同樣沒有明顯的年變化，約2℃，逐月R在0.72—0.95之間，且在4—6月和9月明顯小于其他月份，由0.9減小為0.7左右，RMSE約2—4℃，且在冬半年較大；而FNL明顯偏暖，其月平均Bias由1月的－0.2℃快速增大到4月的9.5℃，到8月一直維持在9℃左右，沒有大的變化，然后由9月的～10℃快速減小為12月的－0.3℃，其RMSE也具有同樣的年變化，在4—8月維持在10—11℃，并且逐月R在1、5和9月小于0.8。

在冰穹最高點Dome A，ERAI月平均氣溫在夏季（12、1、2月）較觀測偏暖約 0.2—1℃，其他月份均較觀測偏冷0.5—4℃，其中5、6月份偏冷最強，約4℃，相應的逐月RMSE和R具有明顯的年變化，R在夏半年較大，＞0.8（夏季月份 ＞0.9），冬半年較小，6月份僅為0.6左右；FNL氣溫的表現(xiàn)特征同其在Eagle地區(qū)相似，逐月平均Bias在冬半年維持在6—8℃，明顯偏暖，在夏半年的11、12和1月份則較觀測偏冷1—3℃，相應的逐月RMSE和R也具有明顯的年變化，RMSE冬半年高達9—11℃，R在冬半年 ＜0.4，尤其在 6月份約為 －0.15，完全不能刻畫6月份氣溫的變化趨勢。

由此可見，ERAI能夠準確地再現(xiàn)ZS-Dome A斷面2 m氣溫的月際變化和季節(jié)變化特征，尤其是在沿岸和下降風區(qū)表現(xiàn)最為突出，并且除了在Dome A冬半年偏冷0.5—4℃之外，其在其他站點整體上較觀測均略微偏暖；而FNL氣溫僅在沿岸和下降風區(qū)的表現(xiàn)較好，其在南極內(nèi)陸高原的表現(xiàn)較差，尤其是冬半年逐月平均較觀測偏暖高達8—10℃，不能用來直接表示南極內(nèi)陸高原的真實氣溫。

2.3 比濕

在沿岸ZS站，F(xiàn)NL比濕的年平均絕對Bias為0.01 g·kg－1，較 ERAI偏小 0.07 g·kg－1，但其相應的 RMSE（0.41 g·kg－1）卻大于 ERAI（0.26 g·kg－1），且 R（0.93）小于 ERAI的 0.96。在陡坡區(qū)LGB69，ERAI比濕的表現(xiàn)卻優(yōu)于FNL，其年平均Bias為 －0.03 g·kg－1，絕對值較 FNL（0.08 g·kg－1）偏小 0.05 g·kg－1，相應的 RMSE為 0.11 g·kg－1，也小于 FNL（0.14 g·kg－1），且 R為 0.95大于 FNL的0.93。在內(nèi)陸高原地區(qū)，ERAI和FNL兩者的年平均相近，其與觀測的Bias在Eagle和Dome A分別約為 0.07 g·kg－1和 0.03 g·kg－1，相應的 RMSE也非常相近，但在Dome A地區(qū)ERAI的R（0.89）卻大于 FNL（0.84）。以上說明，ERAI和 FNL都能夠較好地體現(xiàn)ZS-Dome A斷面各站點近地表比濕的年平均值及其年變化，并且兩者在內(nèi)陸高原地區(qū)差異較小。從季節(jié)平均來看，F(xiàn)NL在沿岸ZS四個季節(jié)中均優(yōu)于 ERAI，其季節(jié)平均偏差在0.01—0.05 g·kg－1之間，相應的 RMSE約為 0.22—0.63 g·kg－1，R為0.68—0.96，并且 Bias在夏季最大，春秋最??；而在內(nèi)陸站點的各個季節(jié)，ERAI的比濕都較FNL占有明顯的優(yōu)勢，其季節(jié)平均Bias較小，且R明顯大于FNL，尤其是在內(nèi)陸高原Dome A的秋季和冬季，ERAI的 Bias都約為 0.0 g·kg－1，RMSE約0.01—0.02 g·kg－1，R為 0.6，而 FNL的 R僅為0.16—0.35。ERAI比濕在內(nèi)陸地區(qū)的這種優(yōu)勢與其氣溫的表現(xiàn)相一致。

由圖3a和3b可看出，F(xiàn)NL和ERAI均能夠準確地刻畫出ZS-Dome A斷面近地表比濕的季節(jié)變化特征，最大值出現(xiàn)在夏季12月和1月，最小值出現(xiàn)在冬半年的7—9月。沿岸ZS和下降風區(qū)LGB69兩站之間月平均比濕的差值在夏季大冬季小，并且最大月平均比濕相差 1.27 g·kg－1（1月），最小月平均比濕相差 0.36 g·kg－1（7月）。ERAI很準確地表現(xiàn)出了這一空間變化特征，其在ZS和LGB69的比濕月平均相差最大出現(xiàn)在1月，約1.26 g·kg－1，最小出現(xiàn)在 7月，約 0.55 g·kg－1；FNL也表現(xiàn)出了這一特點，只是其月平均差值小于實際觀測，最大月相差 0.82 g·kg－1，最小月相差 0.27 g·kg－1。ERAI和FNL在所有站點均表現(xiàn)為夏季的Bias和 RMSE較大，而冬半年的 Bias和 RMSE較小。

圖3 FNL、ERAI和觀測的月平均2 m比濕，以及兩者與觀測比濕的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b）.說明同圖1（LGB69、Eagle和Dome A觀測高度為4 m）Fig.3.Same as Fig.1，but for the 2 m specific humidity（the observation heights at LGB69，Eagle and Dome A are 4 m）

在沿岸ZS，ERAI和FNL海洋上的格點較觀測偏濕，其在夏季分別偏濕約20%和10%，冬季分別偏濕10%和20%；而內(nèi)陸上的格點則均較觀測偏干10%左右。從RMSE和R來看，ERAI均優(yōu)于FNL，尤其是在夏季其 R＞0.8，而 FNL的 R＜0.6，可見ERAI較FNL能夠更好地表現(xiàn)出沿岸比濕的季節(jié)變化趨勢。因此，在沿岸ZS站，F(xiàn)NL使用4個格點的平均值、ERAI使用最近格點的結(jié)果都能夠更好地代表沿岸的逐月平均比濕，并且ERAI明顯優(yōu)于FNL。在下降風區(qū)LGB69，距站點最近的FNL格點其表現(xiàn)能力僅次于 ERAI，其逐月平均 Bias在0.1 g·kg－1左右，RMSE除了 1月份 ～0.2 g·kg－1外，其在其他月份均 ＜0.1 g·kg－1，絕大部分 R＞0.8。在內(nèi)陸高原Eagle和Dome A，ERAI同樣具有明顯的優(yōu)勢，除了其在夏季1月和12月的Bias和RMSE明顯大于FNL。但需要注意的是，ERAI和FNL在Dome A地區(qū)的表現(xiàn)明顯不如其他站點，ERAI在夏季較觀測明顯偏濕，1月和12月偏濕高達120%，在冬季較觀測偏干約10%—25%；FNL全年偏濕，夏季較觀測偏濕30%—60%，冬半年偏濕10%—30%；相應的RMSE也具有與Bias同樣的量級，并且ERAI的R在6月和9月僅為0.1左右，F(xiàn)NL的 R在3、5、7、9、10月份接近于0，而6月份約為－0.2，因此FNL不能刻畫內(nèi)陸高原近地表比濕的月際變化和季節(jié)變化，尤其是冬半年的變化特征，這與其溫度的表現(xiàn)有關(guān)。

2.4 近地表風速

在沿岸ZS站，ERAI的年平均近地表風速與觀測非常一致，其Bias僅為0.2m·s－1，相應的RMSE為3.7 m·s－1，R為 0.63，明顯優(yōu)于 FNL；在內(nèi)陸Eagle，F(xiàn)NL近地表風速的年平均 Bias（2.1 m·s－1）小于 ERAI的 2.5m·s－1，相應的 RMSE（3.2 m·s－1）也小于 ERAI的 3.6 m·s－1，R（0.36）大于ERAI的 0.32，可見其表現(xiàn)略優(yōu)于 ERAI；在高原Dome A，F(xiàn)NL的 Bias和 RMSE均較 ERAI偏小約1 m·s－1，但其 R（0.38）卻明顯小于 ERAI的 0.49。由此可見，ERAI和FNL對ZS-Dome A斷面各站點近地表風速的年平均表現(xiàn)都很好，其與觀測的絕對Bias在沿岸地區(qū)小于1 m·s－1，在內(nèi)陸地區(qū)較觀測偏大 1.0—2.5 m·s－1。從季節(jié)平均來看，ERAI在沿岸ZS和陡坡區(qū)LGB69的表現(xiàn)都優(yōu)于FNL，但其在內(nèi)陸高原Eagle和Dome A的年和季節(jié)表現(xiàn)略弱于FNL。另外，兩套資料在所有站點的風速Bias都表現(xiàn)為秋季較大，夏季較小，其夏季在強下降風區(qū)LGB69僅約0.5 m·s－1，而秋季在內(nèi)陸高原 Eagle和Dome A分別高達為3—4 m·s－1和2—3 m·s－1。

由圖4a和4b可看出，在沿岸ZS，F(xiàn)NL的近地表風速明顯低估了觀測，其逐月平均較觀測偏低2—4 m·s－1，逐月 R在 0.2—0.5之間，RMSE高達4—7 m·s－1沒能很準確地體現(xiàn)出沿岸風速的季節(jié)變化特征；ERAI（尤其是4個格點的平均結(jié)果）準確地刻畫了ZS站觀測風速的季節(jié)變化以及逐月平均值，其逐月絕對 Bias約 0.2—1.8 m·s－1，相應的 R在0.5—0.8之間，RMSE約 3—4 m·s－1，并且ERAI再現(xiàn)了觀測4、7月份的極大值和5、8月的極小值，其相應的月平均 Bias分別約0.5 m·s－1和1 m·s－1，R＞0.6。FNL對沿岸風速的明顯低估，可能是其氣溫在內(nèi)陸偏暖而在沿岸偏冷，從而使得下降風較實際偏弱所致。在強下降風區(qū)LGB69夏季1、2月份，ERAI與觀測基本一致，月平均Bias＜1 m·s－1，R在 0.7—0.8之間，RMSE為 1—1.5 m·s－1；FNL風速仍然較觀測偏小，2月份較觀測偏低約2 m·s－1。在內(nèi)陸高原Eagle和Dome A的夏半年，ERAI和 FNL均較觀測逐月高估約1—4 m·s－1，相應的逐月 RMSE約2—4m·s－1，其逐月R在Eagle較低，約0.2—0.6，在 Dome A略高，約0.45—0.75。FNL和ERAI風速在內(nèi)陸高原的偏高部分原因是與之對比的AWS觀測資料是4 m高度，其風速應該＜10 m高度的實際風速。

2.5 近地表風向

在ZS、Eagle和Dome A，F(xiàn)NL風向的年平均Bias（分別約為 0.0°、0.7°和 8.9°）均明顯小于 ERAI（分別約為 －9.9°、4.0°和 －11.0°），但相對應的RMSE卻大于 ERAI，尤其是在 Dome A較 ERAI（74.8°）偏大 32.3°，并且 R小于 ERAI，可見 ERAI與FNL兩者的近地表風向都與觀測比較一致，均能夠很好地表現(xiàn)出ZS-Dome A斷面近地面實際風向的年平均值，但ERAI較FNL能夠更好地描述各站點風向的年變化特征。從季節(jié)平均來看，ERAI和FNL在夏、秋、冬三季都能夠很好地描述陡坡區(qū)LGB69下降風穩(wěn)定的風向，其季節(jié)平均絕對Bias分別僅約為 1.2°—2.4°和 1.7°—3.8°，相應的 RMSE分別為 11°—25°和 13°—24°，R分別為 0.53—0.84和0.50—0.80。ERAI和 FNL在沿岸 ZS站 4個季節(jié)中與觀測的R均小于其他站點，尤其是在夏季和秋季R均小于0.2，這說明ERAI和FNL很難準確地捕捉到夏季和秋季沿岸地區(qū)下降風與海洋性氣團相互作用的變化過程。

由圖5a和5b可看出，F(xiàn)NL和ERAI都較好地再現(xiàn)了ZS-Dome A斷面上各站點近地表風向的月際變化特征，其在ZS、LGB69、Eagle和Dome A的逐月平均絕對 Bias分別為在10°—30°、5°—10°、10°—20°和 10°—30°范圍之內(nèi)。另外，除了 ERAI在Dome A和FNL在Eagle是距觀測站最近格點與觀測更一致之外，其他站點均是ERAI和FNL的4個格點的平均值與觀測更為接近。沿岸ZS由于既受海洋性氣團控制又受下降風的影響，因此分析資料很難精確地捕獲到每個月內(nèi)風向的轉(zhuǎn)變過程，因此ERAI和FNL風向在該站與觀測的逐月 R僅在0.2—0.4之間，明顯小于其他站點，并且逐月RMSE偏大，高達50°—100°，明顯大于其他站點。在強下降風區(qū)LGB69，ERAI在夏季和秋季的逐月平均絕對Bias＜5°，RMSE也維持在 10°左右，且 R均大于0.8，明顯高于FNL，但其在冬季的表現(xiàn)略弱于FNL，尤其是 6、7月份的 R偏低，RMSE偏大。然而LGB69周圍的4個ERAI格點中有兩個格點與觀測的逐月平均Bias在0°—5°之間，RMSE和R沒有明顯的年變化，分別約為10°和0.8—0.9（圖略），明顯優(yōu)于FNL。在內(nèi)陸高原 Eagle和 Dome A，ERAI和FNL雖然在不同季節(jié)會出現(xiàn)1—2個月的相關(guān)系數(shù)明顯低于其他月份，但其表現(xiàn)相差不大，都能夠再現(xiàn)內(nèi)陸高原近地表風向的逐月平均，尤其是對秋季的表現(xiàn)好于夏季。

圖5 FNL、ERAI和觀測的月平均近地表風向，以及兩者與觀測風向的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b），說明同圖1（LGB69、Eagle和Dome A風向觀測高度為4 m）Fig.5.Same as Fig.1，but for the near surface wind direction（the observation heights at LGB69，Eagle and Dome A are 4 m）

3 結(jié)論

利用東南極ZS-Dome A斷面上4個觀測站點2008年的近地表氣象要素（地面氣壓、2 m氣溫、2 m比濕、10 m風速和風向）對NCEP FNL分析資料和ECMWF ERA-Interim再分析資料在東南極地區(qū)的適用性進行了詳細評估。結(jié)果表明：

（1）從沿岸到內(nèi)陸，F(xiàn)NL地面氣壓與觀測值都非常接近，其逐月平均Bias均約1 hPa，且R＞0.99，RMSE＜2 hPa，其較ERAI具有明顯的優(yōu)勢，尤其是在沿岸地區(qū)；而ERAI在沿岸地區(qū)較觀測明顯的系統(tǒng)性偏低，但其在內(nèi)陸站點的表現(xiàn)能力僅次于FNL，Bias較FNL偏大1—2 hPa，并且其逐月R一般略大于FNL，能夠更好地表現(xiàn)地面氣壓的時間變化趨勢；

（2）ERAI氣溫在ZS-Dome A斷面上的表現(xiàn)優(yōu)于FNL，其與觀測的年平均Bias在沿岸和下降風區(qū)＜1℃，在內(nèi)陸高原 ＜2℃，且 R＞0.94。FNL氣溫在沿岸和下降風區(qū)的表現(xiàn)略弱于ERAI，但其在內(nèi)陸高原表現(xiàn)較差，尤其是冬半年較觀測偏暖高達8—10℃，且R在Dome A冬季僅為0.4，不能直接用來表示內(nèi)陸高原冬半年的真實氣溫；

（3）ERAI與FNL比濕與觀測的年平均Bias在ZS-Dome A斷面上為 0.01—0.08 g·kg－1，F(xiàn)NL在沿岸地區(qū)與觀測最為一致，其年平均Bias為0.01 g·kg－1，季節(jié)平均 Bias在 0.01—0.05 g·kg－1之間；而ERAI在內(nèi)陸地區(qū)與觀測值更為接近，并且其較FNL能夠更好地反映出各站點比濕的月變化和季節(jié)變化趨勢。但兩者對內(nèi)陸高原地區(qū)的比濕表現(xiàn)不如在沿岸和下降風區(qū)，尤其是FNL在內(nèi)陸高原整體偏濕，并且不能很好地反映出內(nèi)陸高原地表比濕的季節(jié)變化，特別是冬半年的變化特征；

（4）ERAI和FNL近地表風速的差異不大，其與觀測的年平均、季節(jié)平均絕對Bias在沿岸和下降風區(qū) ＜1 m·s－1，在內(nèi)陸高原約為 2—4 m·s－1，且春季最大，約3—4 m·s－1。但ERAI較FNL更能準確地描述下降風風速，其能夠更準確地刻畫出沿岸與陡坡區(qū)近地表風速的月際變化和季節(jié)變化特征，以及其逐月平均值，而FNL卻低估了沿岸的近地表風速。另外，除夏季外，F(xiàn)NL在內(nèi)陸地區(qū)較ERAI整體偏低1—1.5 m·s－1；

（5）盡管ERAI和FNL對ZS-Dome A斷面各站點近地表風向的時間變化趨勢表現(xiàn)得不如其他要素，但其年、季節(jié)、逐月平均風向與觀測均在同一象限內(nèi)，尤其是在下降風區(qū)，其逐月平均絕對Bias＜10°。另外，在內(nèi)陸高原，F(xiàn)NL和ERAI在不同季節(jié)的表現(xiàn)各有優(yōu)劣，并且秋季的表現(xiàn)好于夏季。

綜上所述，ERAI和FNL均能夠再現(xiàn)ZS-Dome A斷面各站點近地表氣象要素的年、季節(jié)和月時間尺度的變化特征以及其平均值，其中ERAI氣溫比FNL氣溫更接近觀測，F(xiàn)NL地面氣壓比ERAI地面氣壓更接近觀測，而這兩套資料的其他近地表氣象要素在不同地區(qū)的表現(xiàn)各有優(yōu)劣，但兩者之間的差異不是很明顯。本結(jié)論可為運行南極區(qū)域模式選取合適的初始場提供參考依據(jù)，但其可靠性有待使用更多的觀測資料加以驗證。

致謝 感謝所有參與中山站至Dome A斷面的考察隊員為自動站的安裝和資料的獲取做出了很大貢獻。NCEP提供了FNL分析資料，ECMWF提供了ERA-Interim再分析資料，德國極地與海洋研究所的Annette Rinke教授幫助下載高分辨率的ERA-Interim再分析資料，在此一并表示衷心感謝。

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