ERA-Interim再分析和NCEP FNL分析资料在东南极中山站至Dome A断面的适用性研究

马永锋 卞林根

（1国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081；2国家海洋环境预报中心，北京100081；3中国气象科学研究院，北京100081）

0 引言

大气再分析资料已被广泛应用于气候诊断分析、气象要素长期变化趋势以及作为模式的初始场和侧边界条件等，但其质量和可信度会直接影响气候诊断分析结果、数值模式的稳定性，以及影响模式的模拟与预测的准确性。由于不同的再分析资料在模式、数据同化系统以及观测资料来源上存在一定的差异，同时在再分析过程中又引入了模式资料，并且观测系统、数据同化系统以及模式在不同时段也有所不同或改进，从而致使各种再分析资料不尽相同，尤其是在中高纬度地区［1-2］。因此，评估大气再分析资料的准确性显得非常重要。

目前使用最多的再分析资料有欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的ERA-15、ERA-40和美国国家环境预报中心／国家大气研究中心（NCEP／NCAR）发布的 NCEP-Ⅰ、NCEP-Ⅱ，并且已经有大量的工作［3-10］对这些再分析资料在南极地区的可信度进行了检验。NCEP和ECMWF的再分析资料已被广泛应用于南极地区的研究，例如：南极下降风［11］、绕极涡旋和南极涛动（Antarctic Oscillation，AO）的变化趋势［12-13］、地表能量平衡［14］、ENSO（El Nino-Southern Oscillation）遥相关［15-16］、天气尺度的气旋活动［17］等方面的研究。另外，已有研究表明ERA40对南极大气的代表性优于NCEP／NCAR再分析资料［6，18］，成为研究南极气候非常有价值的工具，并且其空间分辨率（水平分辨率约为1°，垂直分60层）高于NCEP，因此ERA40是用于强迫有限区域模式的最有潜力的初始场［19］。

当然，由于观测资料的匮乏，NCEP和ECMWF再分析资料在南极地区仍然存在很多不足，其准确性明显不如北半球［20］，尤其是40°S以南地区模式资料同化时探空观测非常有限，其主要依赖于卫星观测［10］。Hines等［6］发现 NCEP再分析资料的平均海平面气压场在南极地区存在着随时间而减小的很强的正偏差的变化趋势，并且这种线性趋势不仅仅限于地表气压，而一直延伸至500 hPa位势高度场。van Lipzig等［21］研究表明，ECMWF再分析资料大大地高估了南极Svea站边界层中的温度梯度，并且不能很好地表现出近地层温度的日变化特征。Genthon等［22］研究指出，ECMWF分析资料在东南极Dome C近地表偏暖3—4℃，温度的日变化振幅及垂直梯度都略小于观测，并且过高地估计了相对湿度的日变化振幅。尽管这些分析／再分析资料在南极地区仍然存在很多问题，但是对于南极这样一个在全球最缺乏现场气象观测的地区，有着长时间序列、高空间分辨率的分析／再分析资料则是用于该地区气候变率研究、模式模拟和预测等方面不可或缺的资料。只要弄清楚这些分析／再分析资料各气象要素在南极地区的误差，就能够更好地利用它们来对南极的天气和气候进行研究。

继NCEP／NCAR提供的全球再分析资料之后，其在2000年又为科研工作者提供了新的可操作全球分析资料FNL［23］，该资料由于比NCEP再分析资料具有更高的时间、空间分辨率而得到了学者的更多关注。NCEP认为由于充分同化了尽可能全面的观测资料，与其他再分析资料相比较FNL分析资料作为长期业务模式存档分析资料可能是最好的选择。ECMWF也继过去的FGGE、ERA-15和ERA-40三种主要的再分析资料之后，于2006年开发了另外一种新的、质量更优的全球再分析资料ERA-Interim（下文简称 ERAI），旨在替代 ERA-40再分析资料［24-26］。FNL分析资料和ERAI再分析资料均是最新的、质量较高的分析／再分析资料，其在南极地区的准确性和可信度是否较之前的再分析资料有很大的提高，这很有必要对其进行检验。另外，东南极中山站（ZS）至 Dome A地区现场观测向来缺乏，从2002年后该断面才逐渐有观测资料，因此对该区域再分析资料的适用性研究非常重要，其可为我们在该地区正确的使用再分析资料提供参考。

本文利用东南极中山站至Dome A考察断面（下文简称ZS-Dome A断面）上4个观测站点2008年的地面气象观测资料，对FNL分析资料和ERAI再分析资料的地面气压、气温、比湿、风速和风向在ZS-Dome A断面上的准确性与可信度进行评估，同时比较这两套资料的差异，为在南极地区进行天气、气候数值模拟时为模式选取最优的初始场和侧边界条件提供参考，以提高模式模拟结果的准确性。

1 资料与方法

1.1 资料

本文所使用资料为ZS-Dome A断面4个观测站（ZS、LGB69、Eagle和 Dome A）的 2008年逐 3 h地面观测资料（包括地面气压、2 m气温、4 m风速和风向、4 m相对湿度，ZS站风速风向为10 m高度）和2008年FNL分析资料以及ERAI再分析资料（所用变量包括地面气压、2 m气温、2 m比湿、10 m风速和风向）。LGB69、Eagle和Dome A在冬季由于风速传感器发生冻结，缺测较为严重，尤其是LGB69。FNL和ERAI的水平均分辨率分别为1°和～50 km，时间分辨率为6 h。观测站点信息见表1，观测资料的详细说明参见文献［27-29］。

表1 FNL和ERAI再分析资料与各观测站点距离最近的格点信息Table 1.Information of the nearest grid of FNL analysis and ERAI reanalysis from the observation sites

FNL分析资料来自于NCEP的全球资料同化系统（Global Data Assimilation System，GDAS）［23］，该系统同样使用高分辨率（T254L64）的GFS谱模式，但其在GFS初始化后1 h或更晚才准备FNL资料，这样可以获取使用更多的观测资料。GDAS系统同化了地面观测、无线电探空、探空气球、飞机及卫星观测资料，其后处理模块将其输出结果转化为全球1°×1°，6 h间隔，27个标准气压层（包括地面），以供用户免费下载使用（http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds083.2／）。该资料有效时间范围为1999年7月30日到现在。

ERAI是ECMWF目前最新的全球再分析产品，它是在ERA-40的基础上进行了很大的改进，目的在于构建新的大气再分析资料来替代ERA-40［24，26］。该资料从 1979年开始到现在，并且在不断更新。ERAI与ERA-40有很大的不同，主要区分于数据同化方面和观测资料的使用。在数据同化方面，ERAI先进之处在于它使用了12 h四维变分同化（4DVAR）技术、T255水平高分辨率（约50 km）、优化的背景误差限制、新的湿度分析、模式使用新的物理参数化过程、采用ERA-40和JRA-25数据质量控制经验、对卫星辐射资料进行变分偏差修正，并改进了偏差处理方案、更广泛地使用辐射资料以及运用改进后的快速辐射传输模式［24，26］。在观测资料的使用方面，ERAI几乎使用了ERA-40所用的所有观测资料，并且还用了近些年ECMWF获取的其他观测资料，更值得关注的是ERAI利用了波高高度计资料和一套新的ERS高度计波高数据集，其质量较ERA-40所使用的数据明显提升；另外，其还使用了 EUMETSAT（European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites）重新处理的Meteosat-2风和晴空辐射观测资料、卢瑟福阿普顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory）提供的新的GOME（Global Ozone Monitoring Experiment）臭氧廓线数据集（从1995年开始）、2006年开始的CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）、GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）和 COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate）的GPS无线电掩星（GPSRadio Occultation）观测数据集（详见：http：／／www.ecmwf.int／research／era／do／get／era-interim 和 http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds627.0）。

1.2 方法

在对FNL分析资料和ERAI再分析资料进行对比分析之前，将这两套资料中与ZS-Dome A各观测站相应的格点上的气象要素提取出来，并对其地面气压和2 m气温进行订正，将其修正到相应观测站点的海拔高度上，并将逐6 h的再分析／分析资料插值成3 h时间序列。

地面气压订正是根据流体静力学方程（即压高

其中P1是FNL／ERAI的地面气压；P2为订正后的地面气压；Z1是FNL／ERAI的地面高度；Z2是观测站点的海拔高度；T假定为常温，并且假定为每个观测时刻相对应的再分析资料的气温；g为重力加速度，在极区约为 9.83 m／s2；R为干空气气体常数（287.05 J／kg／K）。

2 m气温是通过温度递减率来进行订正，方法如下：

其中T1为FNL／ERAI的 2 m气温；T2为订正后的2 m气温；γ为温度递减率。根据2005—2008年ZSDome A断面的气温观测结果，此处γ取为1.235℃／100 m［27］。气温订正量取决于模式地形高度与站点高度的差（表1），所有站点气温的订正量绝对值范围在0—6.5℃之间，地面气压的订正量绝对值范围在0—92 hPa，通过对比显示订正后的气温、气压与观测结果更为接近。然而，温度的地形递减率在南极不同区域、不同时间是变化的，其不仅与地表坡度有关，还受局地风速的影响，因此订正后的温度只能在一定程度上减小由海拔高度差引起的误差，而不能完全消除。但是，这种订正还是非常必要。因为南极大陆上的温度递减率一般为干绝热值或超绝热值（≥1℃／100 m），甚至会超过2倍的干绝热值，当高度差为100 m时，其温差往往将会＞1℃。

另外，文中没有将 LGB69、Eagle和 Dome A AWS观测的4 m比湿订正到2 m高度，也没有将4 m风速和风向订正到10m高度。主要是因为南极大陆温度极低，大气携带水汽的能力很弱，致使空气比湿很小，一般较中纬度地区小1—2个量级，其在近地表随高度变化相对也较小，因此可认为4 m和2 m的比湿差异可以忽略。对于风速而言，AWS观测的3层风速（1 m、2 m和4 m）中只有4 m的观测质量较好，其他两层风速严重缺测，并且南极大陆近地表大气常处于稳定或强稳定层结，所以不能利用简单的线性插值或是中性条件下的对数风廓线法进行订正。因此，LGB69、Eagle和Dome A的观测风速很可能比实际10 m风速偏小。ZS-Dome A断面大部分地区受下降风影响，近地表风向比较稳定，因此可以认为4 m风向与10 m风向相同。

本文主要对FNL和ERAI距观测站点最近格点公式）来进行修正，具体公式如下：结果及观测站点周围4个格点的平均结果与东南极ZS-Dome A断面多个站点的近地面观测进行统计对比分析，从年、季节和月等时间尺度上对这两套较新的分析／再分析资料在东南极地区的适用性进行了详细评估。表1给出了FNL和ERAI距各个站点最近的格点的信息以及其在站点周围的4个格点平均海拔高度。

2 结果分析

2.1 地面气压

在 ZS、LGB69、Eagle和 Dome A，ERAI地面气压与观测的年平均 Bias分别为 －19.70、3.76、－2.60和0.92 hPa，相应的 RMSE分别为 19.73、3.88、2.72和1.41 hPa，R在 0.992—0.996之间；FNL地面气压与观测的年平均 Bias分别为 －0.51、0.38、－0.08和 0.18 hPa，相应的 RMSE分别为 0.93、1.28、1.45和 1.22 hPa，R在 0.990—0.996之间，其表现明显优于 ERAI。从季节平均来看，ERAI和FNL均能够很好地表现出各站点地面气压的季节平均及其变化趋势，尤其是FNL表现最好，其在各站点各季节平均绝对Bias均＜0.8 hPa，相应的RMSE＜1.6 hPa，R＞0.99，与观测非常一致。ERAI地面气压Bias在LGB69、Eagle和Dome A较FNL偏大约1—2 hPa，但在沿岸区却存在高达19 hPa左右的系统性偏差，这主要是因为ERAI距沿岸ZS站最近的2个格点（在陆地上）的海拔均比ZS高482 m所致，其与观测的Bias明显大于海洋上两个格点气压与观测的Bias（6—8 hPa）。由此看来，尽管我们已经考虑了模式地形海拔与实际的差异，对气压进行了相应的订正，但还是不能将地形引起的误差完全消除。

图1a给出了FNL、ERAI与观测气压的逐月平均，以及它们与观测的月平均Bias，图中同时给出了距观测站点最近格点以及站点周围4个格点上的平均结果。可以看出，从沿岸ZS到内陆高原Dome A，FNL和ERAI均能够准确的捕获到地面气压的逐月变化趋势，其在内陆站点的逐月绝对平均Bias仅在1—3 hPa，相应的 RMSE＜3 hPa，且绝大部分 R＞0.98，尤其是 ERAI在沿岸区 ZS、下降风区 LGB69和内陆Eagle地区的 R在12个月均 ＞0.99（如图1b），精确地再现了沿岸至内陆地区地面气压的月际变化及季节循环。尽管ERAI较FNL能够更精确地表现ZS-Dome A断面地面气压的逐月变化特征，但其与观测的逐月平均Bias、RMSE在内陆站点均较FNL偏大 ～1 hPa，而在沿岸 ZS，ERAI却与 FNL有很大的差异，其逐月平均值较观测系统性偏低20—30 hPa，尤其是距观测站最近的格点（海拔较观测站点高482 m）的偏差最大，约30 hPa；而FNL更准确地再现了沿岸的地面气压。

图1 （a）FNL、ERAI和观测的月平均地面气压，以及两者与观测气压的逐月平均偏差（Bias：再分析资料减去观测）；（b）相关系数（R）和均方根误差（RMSE）.图中黑色点线为观测；红色和蓝色实线分别为距观测站最近的FNL和ERAI格点；紫色和天蓝色虚线分别为观测站周围4个FNL和ERAI格点的平均Fig.1.（a）Monthly mean surface pressure of FNL analysis，ERAI reanalyses and observations，as well as the monthly mean biases（Bias，FNL／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 气温

ERAI、FNL与观测气温的年平均Bias均在沿岸ZS最小，分别约为0.37℃和1.89℃（相应的 RMSE分别为 2.14℃和6.33℃，R为 0.97和 0.93），在内陆Eagle最大，分别约 1.59℃和 6.03℃（其 RMSE分别为 3.35℃和 7.69℃，R为 0.97和 0.95）。在ZS-Dome A断面上，ERAI年平均气温除了在内陆高原Dome A较观测偏冷0.8℃外，在其他站点均较观测偏暖，在 ZS、LGB69和 Eagle分别偏暖 0.4℃、1.0℃和1.6℃；FNL在所有站点也都较观测偏暖，约1.9—6.0℃，其在内陆Eagle地区偏暖尤为显著，约6.0℃。FNL逐3 h气温与各站点观测气温的相关系数均 ＞0.93，明显高于谢爱红［30］根据 2005—2006年ZS-Dome A断面各站点气温与NCEP再分析资料的对比分析给出的结果（NCEP再分析逐日平均气温在ZS、LGB69、Eagle和Dome A与观测的相关系数分别为 0.624、0.648、0.744、0.705）；另外，FNL气温与观测的年平均 Bias在内陆地区LGB69、Eagle和 Dome A分别为 2.5℃、6.0℃和3.0℃，也明显小于谢爱红［30］得出的结论（NCEP再分析气温在LGB69、Eagle和Dome A年平均分别偏高6.0℃、8.1℃和 3.7℃）。这一方面可能是因为FNL分析气温在南极地区优于NCEP再分析气温；另一方面是因为谢爱红［30］使用了各站点周围9个格点进行插值，并且没有进行海拔高度订正，然而站点周围几百公里内地形变化差异较大，因此所选取的格点已失去了代表性，其结论只能在评估区域温度时做参考，而不能代表站点温度。该结果反映了NCEP分析／再分析气温在南极内陆高原较观测明显偏暖，不能直接用来表示内陆地区的实际气温。这与Bromwich等［4］给出的NCEP可操作全球谱模式预报结果在南极South Pole站气温年平均偏高7℃结果相一致。

从季节平均来看，ERAI和FNL的气温与观测偏差在夏季最小，冬春季最大。ERAI气温除了在内陆高原Dome A的秋季、冬季和春季较观测偏冷1.2—1.7℃外，在其他站点的所有季节中均为偏暖，并且冬季在Eagle偏暖最强，约2.1℃；FNL气温在ZS-Dome A断面上所有站点各个季节都较观测偏暖（除了夏季在Dome A偏冷～0.5℃外），并且在冬季和春季偏暖最强，尤其是冬季在内陆Eagle偏暖高达9.2℃。ERAI在各站点各个季节的Bias均明显小于FNL，且RMSE较小，R较大，其表现明显优于FNL；而FNL在内陆地区表现较差（除了夏季），虽然其与观测的相关系数在Eagle各季节都＞0.85，但其秋季和冬季的 Bias却高达8.3—9.2℃，RMSE约8.9—9.8℃，并且其冬季在 Dome A的 R仅为0.45，远低于其他季节，可见FNL对内陆高原近地表气温的表现较差，远不如ERAI。

由图2a和图2b可看出，FNL和ERAI均准确地再现了ZS-Dome A断面各站点2m气温的季节变化趋势，以及南极大陆上典型的冬季“无心”特征，即：冬季温度没有明显的最小值，且其变化迹线比较平坦，并且均体现出了冬半年4月和8月份的两个极小值（Eagle为6月和8月）。但是，在不同站点FNL与ERAI气温的表现差异却很大。在沿岸ZS站，ERAI气温与观测非常相近，逐月平均 Bias＜1℃，且没有明显的年变化，逐月相关系数大于0.9，RMSE＜2℃；而FNL在沿岸ZS的表现较ERAI略差，4个格点平均值与观测逐月平均Bias在冬半年（4—9月）最大，约2℃，但其距ZS最近格点的逐月平均值较观测明显偏冷，在夏季偏冷2—4℃，冬半年偏冷4—6℃，并且R明显小于ERAI，表现为冬季高夏季低，其在夏季1月和12月仅为0.6左右，且RMSE在冬半年高达6—8℃。另外，ERAI距站点最近格点和4个格点平均值均能用来代表ZS站逐月平均气温，而FNL只能用其海洋上的格点来表示，而距站点最近的陆地上格点却明显偏冷。

在陡坡区LGB69，ERAI气温表现同在沿岸地区一样优秀，其与观测的逐月平均绝对Bias在0.2—1℃之间，相应的 R均 ＞0.92，RMSE约2℃，且Bias、R和RMSE均没有明显的年变化，表明其对气温的表现受大尺度环流季节变率的影响较小；而FNL表现较ERAI略差，其逐月 R＞0.8，RMSE约2—5℃，平均Bias为0—5℃，且 Bias、RMSE和 R均由夏季向冬季明显增大，说明其对气温的表现明显受大尺度环流季节变率的影响。

图2 FNL、ERAI和观测的月平均2 m气温，以及两者与观测气温的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b）.说明同图1Fig.2.Same as Fig.1，but for the air temperature（2 m）

在内陆高原Eagle，ERAI与观测气温的逐月平均Bias同样没有明显的年变化，约2℃，逐月R在0.72—0.95之间，且在4—6月和9月明显小于其他月份，由0.9减小为0.7左右，RMSE约2—4℃，且在冬半年较大；而FNL明显偏暖，其月平均Bias由1月的－0.2℃快速增大到4月的9.5℃，到8月一直维持在9℃左右，没有大的变化，然后由9月的～10℃快速减小为12月的－0.3℃，其RMSE也具有同样的年变化，在4—8月维持在10—11℃，并且逐月R在1、5和9月小于0.8。

在冰穹最高点Dome A，ERAI月平均气温在夏季（12、1、2月）较观测偏暖约 0.2—1℃，其他月份均较观测偏冷0.5—4℃，其中5、6月份偏冷最强，约4℃，相应的逐月RMSE和R具有明显的年变化，R在夏半年较大，＞0.8（夏季月份 ＞0.9），冬半年较小，6月份仅为0.6左右；FNL气温的表现特征同其在Eagle地区相似，逐月平均Bias在冬半年维持在6—8℃，明显偏暖，在夏半年的11、12和1月份则较观测偏冷1—3℃，相应的逐月RMSE和R也具有明显的年变化，RMSE冬半年高达9—11℃，R在冬半年 ＜0.4，尤其在 6月份约为 －0.15，完全不能刻画6月份气温的变化趋势。

由此可见，ERAI能够准确地再现ZS-Dome A断面2 m气温的月际变化和季节变化特征，尤其是在沿岸和下降风区表现最为突出，并且除了在Dome A冬半年偏冷0.5—4℃之外，其在其他站点整体上较观测均略微偏暖；而FNL气温仅在沿岸和下降风区的表现较好，其在南极内陆高原的表现较差，尤其是冬半年逐月平均较观测偏暖高达8—10℃，不能用来直接表示南极内陆高原的真实气温。

2.3 比湿

在沿岸ZS站，FNL比湿的年平均绝对Bias为0.01 g·kg－1，较 ERAI偏小 0.07 g·kg－1，但其相应的 RMSE（0.41 g·kg－1）却大于 ERAI（0.26 g·kg－1），且 R（0.93）小于 ERAI的 0.96。在陡坡区LGB69，ERAI比湿的表现却优于FNL，其年平均Bias为 －0.03 g·kg－1，绝对值较 FNL（0.08 g·kg－1）偏小 0.05 g·kg－1，相应的 RMSE为 0.11 g·kg－1，也小于 FNL（0.14 g·kg－1），且 R为 0.95大于 FNL的0.93。在内陆高原地区，ERAI和FNL两者的年平均相近，其与观测的Bias在Eagle和Dome A分别约为 0.07 g·kg－1和 0.03 g·kg－1，相应的 RMSE也非常相近，但在Dome A地区ERAI的R（0.89）却大于 FNL（0.84）。以上说明，ERAI和 FNL都能够较好地体现ZS-Dome A断面各站点近地表比湿的年平均值及其年变化，并且两者在内陆高原地区差异较小。从季节平均来看，FNL在沿岸ZS四个季节中均优于 ERAI，其季节平均偏差在0.01—0.05 g·kg－1之间，相应的 RMSE约为 0.22—0.63 g·kg－1，R为0.68—0.96，并且 Bias在夏季最大，春秋最小；而在内陆站点的各个季节，ERAI的比湿都较FNL占有明显的优势，其季节平均Bias较小，且R明显大于FNL，尤其是在内陆高原Dome A的秋季和冬季，ERAI的 Bias都约为 0.0 g·kg－1，RMSE约0.01—0.02 g·kg－1，R为 0.6，而 FNL的 R仅为0.16—0.35。ERAI比湿在内陆地区的这种优势与其气温的表现相一致。

由图3a和3b可看出，FNL和ERAI均能够准确地刻画出ZS-Dome A断面近地表比湿的季节变化特征，最大值出现在夏季12月和1月，最小值出现在冬半年的7—9月。沿岸ZS和下降风区LGB69两站之间月平均比湿的差值在夏季大冬季小，并且最大月平均比湿相差 1.27 g·kg－1（1月），最小月平均比湿相差 0.36 g·kg－1（7月）。ERAI很准确地表现出了这一空间变化特征，其在ZS和LGB69的比湿月平均相差最大出现在1月，约1.26 g·kg－1，最小出现在 7月，约 0.55 g·kg－1；FNL也表现出了这一特点，只是其月平均差值小于实际观测，最大月相差 0.82 g·kg－1，最小月相差 0.27 g·kg－1。ERAI和FNL在所有站点均表现为夏季的Bias和 RMSE较大，而冬半年的 Bias和 RMSE较小。

图3 FNL、ERAI和观测的月平均2 m比湿，以及两者与观测比湿的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b）.说明同图1（LGB69、Eagle和Dome A观测高度为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海洋上的格点较观测偏湿，其在夏季分别偏湿约20%和10%，冬季分别偏湿10%和20%；而内陆上的格点则均较观测偏干10%左右。从RMSE和R来看，ERAI均优于FNL，尤其是在夏季其 R＞0.8，而 FNL的 R＜0.6，可见ERAI较FNL能够更好地表现出沿岸比湿的季节变化趋势。因此，在沿岸ZS站，FNL使用4个格点的平均值、ERAI使用最近格点的结果都能够更好地代表沿岸的逐月平均比湿，并且ERAI明显优于FNL。在下降风区LGB69，距站点最近的FNL格点其表现能力仅次于 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，绝大部分 R＞0.8。在内陆高原Eagle和Dome A，ERAI同样具有明显的优势，除了其在夏季1月和12月的Bias和RMSE明显大于FNL。但需要注意的是，ERAI和FNL在Dome A地区的表现明显不如其他站点，ERAI在夏季较观测明显偏湿，1月和12月偏湿高达120%，在冬季较观测偏干约10%—25%；FNL全年偏湿，夏季较观测偏湿30%—60%，冬半年偏湿10%—30%；相应的RMSE也具有与Bias同样的量级，并且ERAI的R在6月和9月仅为0.1左右，FNL的 R在3、5、7、9、10月份接近于0，而6月份约为－0.2，因此FNL不能刻画内陆高原近地表比湿的月际变化和季节变化，尤其是冬半年的变化特征，这与其温度的表现有关。

2.4 近地表风速

在沿岸ZS站，ERAI的年平均近地表风速与观测非常一致，其Bias仅为0.2m·s－1，相应的RMSE为3.7 m·s－1，R为 0.63，明显优于 FNL；在内陆Eagle，FNL近地表风速的年平均 Bias（2.1 m·s－1）小于 ERAI的 2.5m·s－1，相应的 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，可见其表现略优于 ERAI；在高原Dome A，FNL的 Bias和 RMSE均较 ERAI偏小约1 m·s－1，但其 R（0.38）却明显小于 ERAI的 0.49。由此可见，ERAI和FNL对ZS-Dome A断面各站点近地表风速的年平均表现都很好，其与观测的绝对Bias在沿岸地区小于1 m·s－1，在内陆地区较观测偏大 1.0—2.5 m·s－1。从季节平均来看，ERAI在沿岸ZS和陡坡区LGB69的表现都优于FNL，但其在内陆高原Eagle和Dome A的年和季节表现略弱于FNL。另外，两套资料在所有站点的风速Bias都表现为秋季较大，夏季较小，其夏季在强下降风区LGB69仅约0.5 m·s－1，而秋季在内陆高原 Eagle和Dome A分别高达为3—4 m·s－1和2—3 m·s－1。

由图4a和4b可看出，在沿岸ZS，FNL的近地表风速明显低估了观测，其逐月平均较观测偏低2—4 m·s－1，逐月 R在 0.2—0.5之间，RMSE高达4—7 m·s－1没能很准确地体现出沿岸风速的季节变化特征；ERAI（尤其是4个格点的平均结果）准确地刻画了ZS站观测风速的季节变化以及逐月平均值，其逐月绝对 Bias约 0.2—1.8 m·s－1，相应的 R在0.5—0.8之间，RMSE约 3—4 m·s－1，并且ERAI再现了观测4、7月份的极大值和5、8月的极小值，其相应的月平均 Bias分别约0.5 m·s－1和1 m·s－1，R＞0.6。FNL对沿岸风速的明显低估，可能是其气温在内陆偏暖而在沿岸偏冷，从而使得下降风较实际偏弱所致。在强下降风区LGB69夏季1、2月份，ERAI与观测基本一致，月平均Bias＜1 m·s－1，R在 0.7—0.8之间，RMSE为 1—1.5 m·s－1；FNL风速仍然较观测偏小，2月份较观测偏低约2 m·s－1。在内陆高原Eagle和Dome A的夏半年，ERAI和 FNL均较观测逐月高估约1—4 m·s－1，相应的逐月 RMSE约2—4m·s－1，其逐月R在Eagle较低，约0.2—0.6，在 Dome A略高，约0.45—0.75。FNL和ERAI风速在内陆高原的偏高部分原因是与之对比的AWS观测资料是4 m高度，其风速应该＜10 m高度的实际风速。

2.5 近地表风向

在ZS、Eagle和Dome A，FNL风向的年平均Bias（分别约为 0.0°、0.7°和 8.9°）均明显小于 ERAI（分别约为 －9.9°、4.0°和 －11.0°），但相对应的RMSE却大于 ERAI，尤其是在 Dome A较 ERAI（74.8°）偏大 32.3°，并且 R小于 ERAI，可见 ERAI与FNL两者的近地表风向都与观测比较一致，均能够很好地表现出ZS-Dome A断面近地面实际风向的年平均值，但ERAI较FNL能够更好地描述各站点风向的年变化特征。从季节平均来看，ERAI和FNL在夏、秋、冬三季都能够很好地描述陡坡区LGB69下降风稳定的风向，其季节平均绝对Bias分别仅约为 1.2°—2.4°和 1.7°—3.8°，相应的 RMSE分别为 11°—25°和 13°—24°，R分别为 0.53—0.84和0.50—0.80。ERAI和 FNL在沿岸 ZS站 4个季节中与观测的R均小于其他站点，尤其是在夏季和秋季R均小于0.2，这说明ERAI和FNL很难准确地捕捉到夏季和秋季沿岸地区下降风与海洋性气团相互作用的变化过程。

由图5a和5b可看出，FNL和ERAI都较好地再现了ZS-Dome A断面上各站点近地表风向的月际变化特征，其在ZS、LGB69、Eagle和Dome A的逐月平均绝对 Bias分别为在10°—30°、5°—10°、10°—20°和 10°—30°范围之内。另外，除了 ERAI在Dome A和FNL在Eagle是距观测站最近格点与观测更一致之外，其他站点均是ERAI和FNL的4个格点的平均值与观测更为接近。沿岸ZS由于既受海洋性气团控制又受下降风的影响，因此分析资料很难精确地捕获到每个月内风向的转变过程，因此ERAI和FNL风向在该站与观测的逐月 R仅在0.2—0.4之间，明显小于其他站点，并且逐月RMSE偏大，高达50°—100°，明显大于其他站点。在强下降风区LGB69，ERAI在夏季和秋季的逐月平均绝对Bias＜5°，RMSE也维持在 10°左右，且 R均大于0.8，明显高于FNL，但其在冬季的表现略弱于FNL，尤其是 6、7月份的 R偏低，RMSE偏大。然而LGB69周围的4个ERAI格点中有两个格点与观测的逐月平均Bias在0°—5°之间，RMSE和R没有明显的年变化，分别约为10°和0.8—0.9（图略），明显优于FNL。在内陆高原 Eagle和 Dome A，ERAI和FNL虽然在不同季节会出现1—2个月的相关系数明显低于其他月份，但其表现相差不大，都能够再现内陆高原近地表风向的逐月平均，尤其是对秋季的表现好于夏季。

图5 FNL、ERAI和观测的月平均近地表风向，以及两者与观测风向的逐月平均Bias（a）、R和RMSE（b），说明同图1（LGB69、Eagle和Dome A风向观测高度为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 结论

利用东南极ZS-Dome A断面上4个观测站点2008年的近地表气象要素（地面气压、2 m气温、2 m比湿、10 m风速和风向）对NCEP FNL分析资料和ECMWF ERA-Interim再分析资料在东南极地区的适用性进行了详细评估。结果表明：

（1）从沿岸到内陆，FNL地面气压与观测值都非常接近，其逐月平均Bias均约1 hPa，且R＞0.99，RMSE＜2 hPa，其较ERAI具有明显的优势，尤其是在沿岸地区；而ERAI在沿岸地区较观测明显的系统性偏低，但其在内陆站点的表现能力仅次于FNL，Bias较FNL偏大1—2 hPa，并且其逐月R一般略大于FNL，能够更好地表现地面气压的时间变化趋势；

（2）ERAI气温在ZS-Dome A断面上的表现优于FNL，其与观测的年平均Bias在沿岸和下降风区＜1℃，在内陆高原 ＜2℃，且 R＞0.94。FNL气温在沿岸和下降风区的表现略弱于ERAI，但其在内陆高原表现较差，尤其是冬半年较观测偏暖高达8—10℃，且R在Dome A冬季仅为0.4，不能直接用来表示内陆高原冬半年的真实气温；

（3）ERAI与FNL比湿与观测的年平均Bias在ZS-Dome A断面上为 0.01—0.08 g·kg－1，FNL在沿岸地区与观测最为一致，其年平均Bias为0.01 g·kg－1，季节平均 Bias在 0.01—0.05 g·kg－1之间；而ERAI在内陆地区与观测值更为接近，并且其较FNL能够更好地反映出各站点比湿的月变化和季节变化趋势。但两者对内陆高原地区的比湿表现不如在沿岸和下降风区，尤其是FNL在内陆高原整体偏湿，并且不能很好地反映出内陆高原地表比湿的季节变化，特别是冬半年的变化特征；

（4）ERAI和FNL近地表风速的差异不大，其与观测的年平均、季节平均绝对Bias在沿岸和下降风区 ＜1 m·s－1，在内陆高原约为 2—4 m·s－1，且春季最大，约3—4 m·s－1。但ERAI较FNL更能准确地描述下降风风速，其能够更准确地刻画出沿岸与陡坡区近地表风速的月际变化和季节变化特征，以及其逐月平均值，而FNL却低估了沿岸的近地表风速。另外，除夏季外，FNL在内陆地区较ERAI整体偏低1—1.5 m·s－1；

（5）尽管ERAI和FNL对ZS-Dome A断面各站点近地表风向的时间变化趋势表现得不如其他要素，但其年、季节、逐月平均风向与观测均在同一象限内，尤其是在下降风区，其逐月平均绝对Bias＜10°。另外，在内陆高原，FNL和ERAI在不同季节的表现各有优劣，并且秋季的表现好于夏季。

综上所述，ERAI和FNL均能够再现ZS-Dome A断面各站点近地表气象要素的年、季节和月时间尺度的变化特征以及其平均值，其中ERAI气温比FNL气温更接近观测，FNL地面气压比ERAI地面气压更接近观测，而这两套资料的其他近地表气象要素在不同地区的表现各有优劣，但两者之间的差异不是很明显。本结论可为运行南极区域模式选取合适的初始场提供参考依据，但其可靠性有待使用更多的观测资料加以验证。

致谢 感谢所有参与中山站至Dome A断面的考察队员为自动站的安装和资料的获取做出了很大贡献。NCEP提供了FNL分析资料，ECMWF提供了ERA-Interim再分析资料，德国极地与海洋研究所的Annette Rinke教授帮助下载高分辨率的ERA-Interim再分析资料，在此一并表示衷心感谢。

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