南極探空與兩套再分析資料的對(duì)比分析

劉桐暢,王召民

① 南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;② 河海大學(xué) 海洋學(xué)院國(guó)際極地環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;③ 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海 519000

*聯(lián)系人，E-mail:zhaomin.wang@hhu.edu.cn

1904年,第一個(gè)南極科學(xué)考察站阿根廷奧長(zhǎng)達(dá)斯站建立至今,人類對(duì)于南極的考察從未停止。但由于南極氣候環(huán)境惡劣,氣象資料匱乏,南極的探空資料更是少之又少。到目前為止,南極科學(xué)研究委員會(huì)(SCAR)僅提供了20個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù),部分測(cè)站的探空數(shù)據(jù)只有幾年。中國(guó)南極的探空觀測(cè)相對(duì)于其他國(guó)家起步比較晚,自1985年南極建立第一個(gè)氣象站長(zhǎng)城站開始,中國(guó)真正意義上對(duì)南極氣象的觀測(cè)才算展開(陸龍驊等,2005)。中國(guó)對(duì)于南極的GPS探空開始于1992年,中國(guó)的高空大氣探測(cè)主要運(yùn)用GPS探空,觀測(cè)氣象要素和臭氧濃度等。另外,中國(guó)的探空觀測(cè)高度與其他國(guó)家相比偏低,探測(cè)的最大高度僅達(dá)到9.3 km(傅良等,2015)。通過數(shù)十年的發(fā)展,中國(guó)對(duì)南極的衛(wèi)星探空觀測(cè)發(fā)展突飛猛進(jìn),在南極長(zhǎng)城站建立了GOES靜止氣象衛(wèi)星資料接收處理系統(tǒng)(陸龍驊等,2005)。已經(jīng)在南極中山站和長(zhǎng)城站建立了高分辨極軌氣象衛(wèi)星資料接收處理系統(tǒng),獲取和記錄了 NOAA 等極軌氣象衛(wèi)星的高分辨率圖像傳輸(HRPT)資料。

對(duì)于地面氣候系統(tǒng),前人對(duì)比再分析數(shù)據(jù)運(yùn)用相關(guān)性(correlation)、偏差(bias)、均方根誤差(RMSE)、功率譜分析和EOF分析等方法,發(fā)現(xiàn)對(duì)流層的再分析數(shù)據(jù)結(jié)果比平流層的再分析數(shù)據(jù)結(jié)果要好(Yu et al.,2010)。在東南極地區(qū)ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的氣溫表現(xiàn)明顯優(yōu)于NCEP再分析數(shù)據(jù)(馬永鋒和卞林根,2014)。并且前人的研究基本上都是基于近地面觀測(cè)來(lái)進(jìn)行研究,南極高空探空資料缺乏長(zhǎng)期、優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù),導(dǎo)致對(duì)于南極探空資料的研究少之又少(程彥杰等,1999;卞林根等,2010)。在對(duì)南極濤動(dòng)和東亞氣候的一些研究中,發(fā)現(xiàn)NCEP-NCAR再分析數(shù)據(jù) 和ECMWF再分析數(shù)據(jù)相差較大(Fan and Wang,2004;叢菁等,2011)。

對(duì)于高空氣候系統(tǒng),利用Syowa站的探空研究發(fā)現(xiàn),南極上空再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度和溫度與探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度和溫度相差較小,但是再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)場(chǎng)和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)場(chǎng)偏差較大(Yu et al.,2010)。在NCEP-NCAR再分析數(shù)據(jù)中的溫度和位勢(shì)高度中有許多虛假的趨勢(shì)(Hines et al.,2000)。

在南極上空這個(gè)區(qū)域,之前的研究工作已經(jīng)初步分析了再分析產(chǎn)品存在的問題,有利于對(duì)南極天氣與氣候的認(rèn)識(shí)(卞林根等,2007;Genthon et al.,2011;林祥和卞林根,2015)。雖然如此,大多數(shù)的研究都局限于短時(shí)間的或者僅僅地面天氣和氣候的研究,所分析的資料也局限于氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面(Nicolas and Bromwich,2014)。對(duì)于氣候變化的研究不能只看近地面數(shù)據(jù)的變化,要綜合考慮高空大氣變化,讓兩者相結(jié)合起來(lái)。本文將利用現(xiàn)有南極探空資料和大氣再分析資料,對(duì)比分析南極大陸上空高、中、低層大氣溫度、位勢(shì)高度、風(fēng)速和風(fēng)向等要素氣候分布特征,分析再分析數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)之間差異分布特征,以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)南極大陸大氣垂直結(jié)構(gòu)和未來(lái)改進(jìn)南極大陸大氣環(huán)流模擬(Turner et al.,2013;Dee et al.,2014;Khaykin et al.,2016)。

1 資料和方法

資料包括:1)歐洲中心再分析數(shù)據(jù)(ERA-Interim)。從1979年開始,不斷實(shí)時(shí)更新(Berrisford et al.,2009;Dee et al.,2011)。2)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center for Environment Prediction)再分析數(shù)據(jù),即NCEP/NCAR Reanalysis 1(Kalnay et al.,1996)。自1979年至2017年2月的3個(gè)等壓面的溫度,位勢(shì)高度,風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)(Marshall,2002;Zhu,2009)。3)南極科學(xué)研究委員會(huì)(SCAR)提供的20個(gè)觀測(cè)站探空數(shù)據(jù)。探空觀測(cè)數(shù)據(jù)由英國(guó)南極局提供(http://www.antarctic.ac.uk/met/READER/)

本文依次從位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向4個(gè)變量進(jìn)行分析(Stickler et al.,2013;徐海明和周備,2017)。選取一年中相對(duì)能代表四季的1月、4月、7月和10月4個(gè)月的數(shù)據(jù),由于南極探空數(shù)據(jù)的低層大氣和再分析數(shù)據(jù)的對(duì)比已經(jīng)做了大量的研究(謝澤林和王召民,2017)。因此本文在探空數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)的對(duì)比分析中,只在九層數(shù)據(jù)中選取30 hPa、200 hPa和300 hPa等壓面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(荀學(xué)義等,2011;高路等,2014)。

先對(duì)20個(gè)觀測(cè)站探空數(shù)據(jù)進(jìn)行日平均處理,再把日平均數(shù)據(jù)處理成月平均數(shù)據(jù)。月平均處理的標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)月至少有10 d日平均數(shù)據(jù)存在,并且有日平均數(shù)據(jù)的任何相連兩天相差不超過5 d,否則視為該月月平均數(shù)據(jù)缺失。

圖1 南極研究科學(xué)委員會(huì)公布的20個(gè)探空站點(diǎn)的地理位置(其中MPA站點(diǎn)和Macquarie island站點(diǎn)在60°S以北,本文沒有將其視為南極探空站)Fig.1 The locations of Antarctic 20 sounding sites were published by SCAR(The MPA site and Macquarie island site are to the north of 60 °S,so these two sites exempt as the Antarctic sounding station in this study)

直接取出各個(gè)再分析數(shù)據(jù)和觀測(cè)站點(diǎn)最近的格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。本文所運(yùn)用到的南極探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)的差值,和南極探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)的差值均方差,均是取出相同時(shí)間段的數(shù)據(jù),即探空觀測(cè)站點(diǎn)和再分析資料重疊的時(shí)間段的數(shù)據(jù),進(jìn)行做差對(duì)比分析,導(dǎo)出兩套再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)對(duì)比。并且計(jì)算探空觀測(cè)站點(diǎn)各等壓面的月均方差和年均方差,月均方差是用各站點(diǎn)的氣候態(tài)月平均差值的平方和,除以觀測(cè)站點(diǎn)數(shù),最后開平方得到。同理得到年變化的均方差。將探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中四個(gè)氣象要素的差值年平均均方差和觀測(cè)站點(diǎn)的四個(gè)氣象要素的氣候態(tài)年平均相除,得到偏差所占比例。

圖1是各個(gè)站點(diǎn)的位置以及南極地形。表1是20個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo),站點(diǎn)高度和觀測(cè)的時(shí)間范圍。MPA站點(diǎn)和Macquarie island站點(diǎn)在60°S以北,位于南極圈以外,所以這兩個(gè)站點(diǎn)在下面的分析中沒有被考慮。從表1可以看出,海拔最高的測(cè)站是俄羅斯的Vostok站,該站處于橫貫?zāi)蠘O山脈上海拔高度3 490 m。海拔最低的是英國(guó)的Rothera站,海拔只有4 m。探空觀測(cè)站點(diǎn)大部分都是位于相對(duì)平坦沿岸地區(qū)。除了Amundsen_Scott站,Leningradskaja站(304 m),Novolazarevskaya站(119 m)和Vostok站四個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的海拔高度高于100 m,其余站點(diǎn)海拔高度均在100 m以下。由于許多站點(diǎn)的觀測(cè)站海拔高度較高,700 hPa和850 hPa沒有觀測(cè)數(shù)據(jù),比如Amundsen Scott站,Vostok站。部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)缺測(cè)是由于天氣特別惡劣或者器材損壞導(dǎo)致的,比如MPA站,該測(cè)站沒有有效的月平均數(shù)據(jù),在圖2中可以看到每個(gè)等壓面高度上缺測(cè)比都是100%。SCAR提供的20個(gè)探空觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度都非常長(zhǎng),多數(shù)站點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)所占比例非常高(圖2)。由于探空觀測(cè)數(shù)據(jù)比較可靠,所有這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被同化在再分析數(shù)據(jù)集里面。探空數(shù)據(jù)包括溫度,位勢(shì)高度,風(fēng)速和風(fēng)向,共有9個(gè)等壓面高度,分別為30 hPa,50 hPa,100 hPa,150 hPa,200 hPa,300 hPa,500 hPa,750 hPa和850 hPa。

表1 20個(gè)探空站點(diǎn)的名稱、建站國(guó)家、經(jīng)緯度、站點(diǎn)高度和觀測(cè)起止時(shí)間(以東經(jīng)為正,西經(jīng)為負(fù);南緯為負(fù),北緯為正)

圖2 20個(gè)探空站觀測(cè)時(shí)間段和月平均數(shù)據(jù)缺失時(shí)間比例(紅色表示月平均數(shù)據(jù)缺失年份,綠色表示有月平均數(shù)據(jù)年份,x軸表示時(shí)間,左y軸1—20的數(shù)字分別表示各站點(diǎn),右y軸表示各站點(diǎn)月平均缺失年份占總觀測(cè)時(shí)間的比例;a,b,c,d,e,f,g,h和i分別表示30 hPa,50 hPa,100 hPa,150 hPa,200 hPa,300 hPa,500 hPa,700 hPa和850 hPa等壓面)Fig.2 The sounding station’s observation periods and the percentage of the missing periods of the monthly mean data(The red bars show the missing periods of the monthly mean data;the green bars show the periods of the monthly mean data;the x-axis represents the time,the left y-axis shows the 20 sites respectively,and the right y-axis shows the percentage of the missing periods in the total observing periods;a,b,c,d,e,f,g,h and i represents 30 hPa,50 hPa,100 hPa,150 hPa,200 hPa,300 hPa,500 hPa,700 hPa and 850 hPa isobaric surfaces)

2 數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1 空間垂直變化

探空觀測(cè)數(shù)據(jù)3個(gè)等壓面上的位勢(shì)高度數(shù)據(jù)均大于ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)(圖3)。30 hPa等壓面較其他等壓面探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值與其他等壓面上位勢(shì)高度的差值要大,且差值都在100～400 gpm;差值較大的觀測(cè)點(diǎn)有Bellingshausen站、Faraday站、Rothera站、Mcmurdo站、Leningradskaja站和Terra nova bay站,并且這6個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)均位于西南極。而其他等壓面上探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中的位勢(shì)高度差值均在100 gpm以下。與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)位勢(shì)高度數(shù)據(jù)均小于實(shí)際觀測(cè)值不同,NCEP再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度則整體上比探空觀測(cè)位勢(shì)高度數(shù)據(jù)要高(圖4);差值較大的四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于威爾克斯地沿岸,即Mirny站、Casey站、Dumont durville站和Leningradskaja站。隨著高度的抬升,觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中的位勢(shì)高度的差值均變大(圖3、圖4),這些特征在下面的分析中表現(xiàn)得更加明顯。就兩套再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度而言,在南極上空,隨著高度抬升,探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度的差值均逐漸變大,再分析數(shù)據(jù)數(shù)值愈加偏離實(shí)際觀測(cè)數(shù)值。相對(duì)NCEP所提供的位勢(shì)高度數(shù)據(jù),ERA-Interim更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)了位勢(shì)高度場(chǎng)的分布。

圖3 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)等壓面上各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)位勢(shì)高度與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均位勢(shì)高度之差(單位:gpm;其中黑色五角星表示該站點(diǎn)該月位勢(shì)高度數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.3 The difference of the geopotential height between the sounding data and the ERA-Interim reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,J(c,g,k)uly,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa(unit:gpm;the black stars represent missing data)

圖4 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)位勢(shì)高度與NCEP再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均位勢(shì)高度之差(單位:gpm;黑色五角星表示該站點(diǎn)該月位勢(shì)高度數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.4 The difference of the geopotential height between the sounding data and the NCEP reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,(c,g,k)July,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa(unit:gpm;the black stars represent missing data)

圖5 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)溫度與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均溫度之差(單位:℃;其中黑色五角星表示該站點(diǎn)該月溫度數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.5 The difference of the temperature between the sounding data and the ERA-Interim reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,(c,g,k)July,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa(unit:℃;the black stars represent missing data)

圖6 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)溫度與NCEP再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均溫度之差(單位:℃;其中黑色五角星表示該站點(diǎn)該月溫度數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.6 The difference of the temperature between the sounding data and the NCEP reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,(c,g,k)July,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa (unit:℃;the black stars demonstrated missing data)

2.2 溫度對(duì)比

探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值較大值均出現(xiàn)在30 hPa等壓面上(圖5和圖6),都是在10月的Terra nova bay探空觀測(cè)站,與ERA-Interim的差值為10 ℃,與NCEP的差值為8 ℃。在30 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值整體上都大于0 ℃,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值有3個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)值(圖5),而探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與NCEP再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值有6個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)值(圖6);整體上探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值都在2 ℃左右。在200 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值整體在±1 ℃以內(nèi),以負(fù)值居多;而探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與NCEP再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值整體在±2 ℃以內(nèi),以正值居多。在300 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值整體趨于平緩,與ERA-Interim的差值在-1 ～2 ℃,而與NCEP的差值在-3～0 ℃。這些特征在下面的分析中表現(xiàn)得更加明顯。對(duì)兩套再分析數(shù)據(jù)的溫度而言,ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)要優(yōu)于NCEP再分析數(shù)據(jù)。在高空中,高度越高,再分析數(shù)據(jù)中的溫度和實(shí)際觀測(cè)的溫度差距越大。但兩套再分析數(shù)據(jù)的高空溫度相對(duì)偏差較小。

圖7 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)風(fēng)速與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均風(fēng)速之差(單位:m/s;其中黑色五角星表示該站點(diǎn)該月風(fēng)速數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.7 The distinction of the wind speed between the sounding data and the ERA-Interim reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,(c,g,k)July,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa (unit:m/s;the black stars show where the site data are missing)

2.3 風(fēng)速對(duì)比

在垂直方向上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值具有相同的變化趨勢(shì)(圖7、8)。在300 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值均大于其他等壓面;除Vostok觀測(cè)站外,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值均在10 m/s左右。在30 hPa和200 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值都很小,約±5 m/s。在空間垂直分布上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值有著明顯的垂直分布特征。隨著高度的降低,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值均逐漸增大,并且在300 hPa等壓面上最大。就兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速而言,NCEP再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)要優(yōu)于ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)。在高空中,高度越高,再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)速和實(shí)際觀測(cè)的風(fēng)速差距越小。

圖8 30 hPa(a,b,c,d),200 hPa(e,f,g,h)和300 hPa(i,j,k,l)各站點(diǎn)1月(a,e,i),4月(b,f,j),7月(c,g,k),10月(d,h,l)的氣候態(tài)月平均觀測(cè)風(fēng)速與NCEP再分析數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均風(fēng)速之差(單位:m/s;其中黑色五角星表示該站點(diǎn)該月風(fēng)速數(shù)據(jù)缺測(cè))Fig.8 The difference of the wind speed between the sounding data and the NCEP reanalysis data sets in (a,e,i)January,(b,f,j)April,(c,g,k)July,and (d,h,l)October at (a,b,c,d)30 hPa,(e,f,g,h)200 hPa and (i,j,k,l)300 hPa (unit:m/s;the black stars show where the site data are missing)

2.4 風(fēng)向?qū)Ρ?/h3>

探空觀測(cè)風(fēng)向數(shù)據(jù)和兩套再分析風(fēng)向數(shù)據(jù)的差異均比較明顯(圖略)。探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值在各個(gè)等壓面上都很大(除Amunden Scott站外)。在30 hPa等壓面上,1月探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向差值始終是小于0°,接近于-160°;其余月份探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向差值大于0°,差值在200°～300°。在200 hPa等壓面上,探空觀測(cè)站點(diǎn)的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向差值均處在200°左右。在300 hPa上,相對(duì)于30和200 hPa兩個(gè)等壓面而言,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值要小,但是和實(shí)際觀測(cè)相比,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向偏差還是很大。就兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向而言,ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)要優(yōu)于NCEP再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù),但是兩套再分析數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差都很大,表明兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向和探空觀測(cè)的風(fēng)向偏差很大,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)均不可靠。

2.5 均方差及誤差相對(duì)百分比垂直廓線

在南極上空,隨著高度抬升,探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值均逐漸變小,再分析數(shù)據(jù)數(shù)值愈加接近實(shí)際觀測(cè)數(shù)值(圖9);探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中其余三個(gè)要素的差值均逐漸變大,再分析數(shù)據(jù)數(shù)值愈加偏離實(shí)際觀測(cè)數(shù)值。就位勢(shì)高度而言,在探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與NCEP再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值年平均均方差要小于ERA-Interim的(圖9a)。30—300 hPa等壓面上的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均的百分比均比較小(圖10a),ERA-Interim數(shù)據(jù)的約為0.2%;NCEP數(shù)據(jù)的約為0.4%。兩套再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度和探空觀測(cè)的位勢(shì)高度相差不大。相對(duì)ERA-Interim所提供的位勢(shì)高度數(shù)據(jù),NCEP更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)了位勢(shì)高度場(chǎng)的分布。

就溫度而言,在探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值年平均均方差要小于NCEP(圖9b)。30—300 hPa等壓面上探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均溫度的百分比均在2%左右(圖10b)。兩套再分析數(shù)據(jù)的溫度和探空觀測(cè)的溫度相差不大,相對(duì)NCEP所提供的溫度數(shù)據(jù),ERA-Interim更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)了溫度場(chǎng)的分布。

就風(fēng)速而言,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值年平均均方差基本和NCEP的相等(圖9c);并且隨著高度的抬升,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值年平均均方差和觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均風(fēng)速的百分比越小(圖10c)。在30 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均風(fēng)速的百分比為8%,與NCEP的百分比為10%,在300 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值年平均均方差和觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均風(fēng)速的百分比為50%,與NCEP的百分比為47%。在300 hPa等壓面上,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速和探空觀測(cè)的風(fēng)速相差達(dá)到最大。在高空中,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速和探空觀測(cè)的風(fēng)速相差不大;300 hPa等壓面上,兩套在分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速數(shù)據(jù)則變得不可靠。

就風(fēng)向而言,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值年平均均方差要小于NCEP的(圖9d)。可以明顯地看出從30—300 hPa等壓面,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均風(fēng)向的百分比都很大(圖10d),其中ERA-Interim的為27%～60%,NCEP的為40%～60%。ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)要優(yōu)于NCEP再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù),但是兩套再分析數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差都很大,表明兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向和探空觀測(cè)的風(fēng)向偏差很大,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)均不可靠。

圖9 各等壓面年平均探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)的均方差:(a)位勢(shì)高度(單位:gpm);(b)溫度(單位:℃);(c)風(fēng)速(單位:m/s);(d)風(fēng)向(單位:(°))Fig.9 The annual mean average square deviation between the sounding data and the two sets data of reanalysis sets data:(a)geopotential height(unit:gpm);(b)temperature(unit:℃);(c)wind speed (unit:m/s);(d)wind direction(unit:(°))

圖10 各等壓面年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)的百分比:(a)位勢(shì)高度;(b)溫度;(c)風(fēng)速;(d)風(fēng)向Fig.10 The percentage of the annual mean average square deviation between the sounding data and the two sets data of reanalysis sets data in the average of the annual mean of sounding data:(a)geopotential height;(b)temperature;(c)wind speed;(d)wind direction

圖11 各等壓面探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)的差值月平均均方差:(a)位勢(shì)高度(單位:gpm);(b)溫度(單位:℃);(c)風(fēng)速(單位:m/s);(d)風(fēng)向(單位:(°))Fig.11 The monthly mean root means square errors of the geopotential height、temperature,wind speed and wind direction between the sounding data and the two reanalysis data:(a)geopotential height(unit:gpm);(b)temperature(unit:℃);(c)wind speed (unit:m/s);(d)wind direction(unit:(°))

2.6 季節(jié)變化

探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值有明顯的季節(jié)變化特征。在30 hPa等壓面上(圖11a),探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值月平均均方差均有兩個(gè)峰值,其中ERA-Interim數(shù)據(jù)的峰值在7月,次峰值在10月,均為150 gpm;NCEP數(shù)據(jù)的在6月時(shí)達(dá)到峰值,為115 gpm;次峰值在9月,值均為112 gpm。在200和300 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值月平均均方差均在40 gpm上下波動(dòng),波動(dòng)不大,變化趨于平穩(wěn)。各個(gè)等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度的差值月平均均方差均在1月最小。在南極的夏季,再分析數(shù)據(jù)中位勢(shì)高度更接近探空觀測(cè)的位勢(shì)高度;在南極的冬季和春季,再分析數(shù)據(jù)中的位勢(shì)高度和探空觀測(cè)的位勢(shì)高度相差較大。

在30 hPa等壓面上探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值月平均均方差都在10月出現(xiàn)單峰值(圖11b),ERA-Interim數(shù)據(jù)的值為2.9 ℃;NCEP數(shù)據(jù)的值為3.1 ℃。在200 hPa和300 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中溫度的差值月平均均方差均在0.9 ℃附近波動(dòng)。即南極的春季再分析數(shù)據(jù)中溫度和探空觀測(cè)的溫度相差較大;在其他季節(jié),再分析數(shù)據(jù)中的溫度和探空觀測(cè)溫度較為接近。

在探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差中(圖11c)中,均在6月出現(xiàn)極大值。在30 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差,ERA-Interim數(shù)據(jù)的極值為5.3 m/s,NCEP數(shù)據(jù)的極值為4.8 m/s。在200 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差為在4 m/s波動(dòng)。在200 hPa等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差約為8 m/s。探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差沒有明顯的季節(jié)變化。

探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值月平均均方差沒有明顯的季節(jié)變化(圖11d)。在各等壓面上,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差均在12月有最小值;探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值月平均均方差均在某一固定值波動(dòng)。在南極的夏季,再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)向相差相對(duì)較小。其他季節(jié),再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)向相差較大。

為了與高層對(duì)比,在圖9—11中也給出了中層和低層大氣的4個(gè)氣象要素的差值月平均均方差,以及差值年平均均方差和差值的年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均的百分比。在南極大陸上空低層大氣中,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值沒有明顯的季節(jié)變化;探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值也沒有明顯的季節(jié)變化;但是在700 hPa等壓面上,再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度和溫度與探空觀測(cè)的差值均有明顯的季節(jié)變化。就位勢(shì)高度而言,在南極的春季和秋季,再分析數(shù)據(jù)和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的差距相較其他季節(jié)要大;就溫度而言,再分析數(shù)據(jù)和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的差距在南極的冬季較其他季節(jié)要大。

3 總結(jié)與討論

通過南極站點(diǎn)探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)的差值、差值月平均均方差、差值的年平均均方差以及差值的年平均均方差占觀測(cè)數(shù)據(jù)年平均的百分比,對(duì)位勢(shì)高度,溫度,風(fēng)速,風(fēng)向4個(gè)變量進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):

1)在南極大陸上空高層大氣,隨著高度抬升,探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值均逐漸變小,再分析數(shù)據(jù)數(shù)值愈加接近實(shí)際觀測(cè)數(shù)值。探空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中其他三個(gè)要素的差值均逐漸變大,再分析數(shù)據(jù)數(shù)值愈加偏離實(shí)際觀測(cè)數(shù)值。

2)ERA-Interim再分析位勢(shì)高度數(shù)據(jù)要優(yōu)于NCEP再分析位勢(shì)高度數(shù)據(jù),兩套再分析數(shù)據(jù)的位勢(shì)高度整體上與探空觀測(cè)的位勢(shì)高度相差較小,但在南極的冬季和春季,再分析數(shù)據(jù)中的位勢(shì)高度和探空觀測(cè)的位勢(shì)高度相差較大。

3)ERA-Interim再分析溫度數(shù)據(jù)要優(yōu)于NCEP再分析溫度數(shù)據(jù)。兩套再分析數(shù)據(jù)的溫度在南極的春季相差較大,在其他季節(jié)相差較小。

4)NCEP再分析風(fēng)速數(shù)據(jù)比ERA-Interim再分析風(fēng)速數(shù)據(jù)略優(yōu)。在高層大氣中,探空觀測(cè)數(shù)據(jù)與兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)速的差值相對(duì)較小,但是在300 hPa等壓面上相差甚遠(yuǎn)。

5)就兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向而言,ERA-Interim的要優(yōu)于NCEP,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向和探空觀測(cè)的風(fēng)向偏差很大,兩套再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)均不可靠。探空觀測(cè)數(shù)據(jù)和兩套再分析數(shù)據(jù)中風(fēng)向的差值沒有明顯的季節(jié)變化,每個(gè)季節(jié)再分析數(shù)據(jù)中的風(fēng)向和探空觀測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)向均相差甚遠(yuǎn)。

在計(jì)算均方差時(shí),由于觀測(cè)站點(diǎn)的位置在東南極比較集中,在西南極比較少,區(qū)域分布極不均勻和站點(diǎn)太少,數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行格點(diǎn)化處理。但是就目前而言,現(xiàn)有南極探空觀測(cè)受條件限制比較多,只能用這18個(gè)探空觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比。但是本文所發(fā)現(xiàn)的再分析數(shù)據(jù)與站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間較大的差異,以及再分析數(shù)據(jù)之間較大的差異,表明產(chǎn)生再分析數(shù)據(jù)的數(shù)值模式存在較大的缺陷。因此,使用這些再分析數(shù)據(jù)作為初始條件和邊界條件驅(qū)動(dòng)區(qū)域大氣模式時(shí)會(huì)帶來(lái)相應(yīng)誤差。將來(lái)為提高數(shù)值模擬的可靠性,需要加強(qiáng)對(duì)南極高層大氣觀測(cè),改進(jìn)資料同化和數(shù)值模擬系統(tǒng)。

致謝:南極科學(xué)研究委員會(huì)提供南極探空觀測(cè)數(shù)據(jù);再分析資料取自ECMWF(https://www.ecmwf.int/)和NCEP(http://www.ncep.noaa.gov/)。