ERA-Interim风速再分析数据在山东省的适用性评估

滕华超，陈艳春，汤子东

（山东省气候中心，济南 250031）



ERA-Interim风速再分析数据在山东省的适用性评估

滕华超，陈艳春，汤子东

（山东省气候中心，济南 250031）

摘要：利用1979—2013年山东省32个气象观测台站的逐日平均风速数据，对比分析了欧洲中期数值预报中心ERA-Interim风速再分析资料在山东省的适用性。结果表明：ERA-Interim风速再分析数据整体具有较高的可信度，月尺度相关系数在0.40～0.83之间，存在明显季节差异，半岛地区相关系数最高，且北部高于南部，鲁中地区最低。月尺度均方根误差在0.83～4.25m/s之间，半岛地区均方根误差最小，鲁中和鲁西北地区季节差异十分明显，鲁南地区的季节差异性最小。月尺度绝对误差在-0.20～3.89m/s之间，仅个别站点出现负误差，说明ERA-Interim平均风速资料在山东省普遍偏大。代表台站绝对误差均符合正态分布，风速较小时，以正误差为主，随风速增大，负误差增多，当风力大于5级时基本以负误差为主。

关键词：ERA-Interim；日平均风速；适用性评估

资助项目：公益性行业（气象）科研专项（GYHY201306034，GYHY201306050）和山东省气象局青年科研基金项目（2014SDQN05）共同资助

引言

自20世纪90年代美国NCEP/NCAR发布17层大气再分析资料以后，国内外学者利用该资料进行大气环流机理和气候变化研究，得到大量研究成果。目前，国外主要有欧洲中期数值预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）及日本气象厅（JMA）等几套全球大气再分析资料。再分析资料同化了大量地面观测数据和卫星遥感资料，具有时空分辨率高、时间跨度长等优点，在很多研究中被作为真实观测数据。赵天保等[1-2]综述了全球再分析资料的研究现状及进展，对比了中国区域内ERA-40和NCEP-II再分析资料，发现在中国西部特别是青藏高原地区差异较大；邓小花[3]、谢潇[4]等也对比了几套再分析资料，发现针对中国不同区域各个再分析资料具有不同的优缺点；白磊等[5]评估了ERA-Interim和NCEP/NCAR的气温和气压数据在天山山区的适用性，发现前者可信度更高；高路等[6]对ERA-Interim气温数据在中国区域的适用性进行了评估，发现该资料能较好地反映观测值的年际变化，通过高度差校正能有效降低误差。

将再分析资料作为观测数据使用，首先要对再分析资料进行定量评估。此文将1979—2013年山东省32个气象观测台站逐日平均风速数据与ERA-Interim逐日平均风速资料进行比较分析，对ERA-Interim再分析资料的可信度进行了初步的检验和评估，为研究山东区域气候变化及数值模式效果评估选择合适的再分析资料提供参考。

1 资料与方法

1.1 ERA-Interim再分析资料

ERA-Interim是ECMWF第三代再分析资料，提供了1979年以来的全球再分析资料，并不断更新，采用四维变分同化技术，结合改进的卫星数据误差校正等技术，相对于前两代（ERA-15、ERA-40）再分析资料来说，实现了再分析资料质量的提升。ERA-Interim采用ECMWF综合预报系统（IFS）的Cycle31r2模型版本，得到水平分辨率约79km的高斯网格数据，再通过双线性插值技术将其插值到0.125°～2.5°多种网格上。此文采用1979—2013年分辨率为0.125°×0.125°的逐日平均风速数据，ECMWF提供的是1日4次数据（00、06、12、18UTC），将4个时次取算术平均值作为日资料。

1.2 地面观测资料

选取32个气象观测台站用于对比研究，山东省气象信息中心提供了1979—2013年逐日平均风速观测资料，站点分布情况为：鲁西北地区9站、鲁中地区7站、鲁南地区8站、半岛地区8站（图1）。站点选择标准为：（1）1979年以来有连续观测资料，总缺测天数不超过90d且连续缺测天数不超过10d（表1）；（2）空间分布尽可能均匀，沿海、内陆、平原、丘陵等地区均有代表站。

图1　32个气象观测台站分布图

表1　32个气象台站逐日平均风速数据缺测率

1.3 方法

为准确评估再分析资料的原始精度，直接比较再分析资料与观测值的误差。通过双线性内插方法将再分析资料插值到相应站点，得到32个台站的再分析资料序列，计算其与观测值的相关系数（Cor）、均方根误差（RMSE）、绝对误差（Err），评估ERA-Interim再分析资料在山东省的适用性。

（1）（2）（3）式中Xera为再分析资料值，Xobs为观测资料值，N为资料序列值。

2 结果分析

2.1 相关系数

图2为ERA-Interim再分析资料相关性的时空分布。总体上，ERA-Interim与观测值相关性较高，月尺度相关系数在0.40（泰安，6月）～0.83（成山头，10月）之间，年尺度相关系数有22个站在0.65以上，占总数的68.8％。可以看到，相关系数存在明显季节差异，秋冬季高于春夏季，春夏季均存在低值中心，这是因为秋冬季在蒙古冷高压等天气系统的控制下，大风天气过程较多且生消过程明显。4个区域中半岛地区的相关系数最高，且北部高于南部，除青岛、胶州、莱阳3站在春夏季为0.65以下外，其他站点的各月相关系数均在0.7左右，高值区分别位于长岛、文登、成山头3站的秋冬季，可达0.75以上，这可能是因为气流自北而下经过渤海时下垫面平坦，风速受地形影响较小；鲁中地区属山地丘陵区，相关系数最低，仅沂源、潍坊、诸城3站在秋冬季可达0.65以上；鲁西北地区属平原区，相关系数存在两个0.7以上的高值区，分别位于无棣和聊城的秋冬季；鲁南地区的济宁、金乡、菏泽、曹县4站位于平原区，海拔高度均在50 m以下，其秋冬季相关系数在0.70以上，而枣庄、临沂、平邑3站位于山地丘陵区，地形因素可能是导致其相关系数较低的原因。

图2　32个观测站逐日平均风速与ERA-Interim再分析资料相关系数时空分布

2.2 均方根误差

图3为均方根误差的时空分布。月尺度均方根误差在0.83m/s（枣庄站，8月）～4.25m/s（平原站，12月）之间，年尺度均方根误差有26个站在1.5m/s以下，占总数的81.3％。可以看到，均方根误差也存在季节差异，秋冬季节高于春夏季节。4个区域中，半岛地区多在1.4m/s以下，是均方根误差最小的区域；鲁中和鲁西北分布相似，季节差异十分明显，淄博、沂源、潍坊3站秋冬季均方根误差在1.8m/s以上，其他多在1.6m/s以下，济阳、东营、泰安全年均方根误差都在1.2m/s以下；鲁南地区的季节差异性最小，全年多在1.4 m/s左右。

图3　32个观测站逐日平均风速与ERA-Interim再分析资料均方根误差时空分布（单位：m/s）

2.3 绝对误差

图4为绝对误差的时空分布。月尺度绝对误差在-0.20 m/s（青岛，6月）～3.89 m/s（文登，12月）之间，年尺度绝对误差有24个站在±1.0m/s之内，占总数的75.0％，仅个别站点出现负误差，说明ERA-Interim平均风速资料在山东省存在普遍偏大的现象。从图中可以看到，半岛地区的莱州、牟平和文登3站绝对误差较高且有较明显的季节差异，而且值得注意的是，3站的相关系数均较高，说明再分析资料可能存在明显的系统误差，青岛、长岛和成山头3站全年绝对误差均在0.5m/s以下；鲁中地区的误差相对较小，多在1.0m/s以下。

图4　32个观测站逐日平均风速与ERA-Interim再分析资料绝对误差时空分布（单位：m/s）

2.4 绝对误差密度分布

从半岛、鲁中、鲁西北和鲁南4个地区分别选取长岛站、潍坊站、德州站和临沂站分析绝对误差的密度分布（图5），4站的绝对误差均符合正态分布，误差在-6.0～6.0m/s之间分为24档，间隔为0.5m/s，4站介于-1.0～1.0m/s之间的样本比例分别为53.1％，67.8％，62.2％和68.3％。长岛站的误差分布较为松散，各档误差对应的天数自中间向两端均匀递减，正负误差基本呈对称分布；潍坊站、德州站和临沂站的误差分布相似，较长岛站更为集中，且正误差天数明显多于负误差天数。从观测风速与绝对误差关系看：长岛站作为海岛台站，其观测风速值的范围较大，当观测风力在4级以下时，正误差占56.7％，风力大于4级时，以负误差为主，5级以上负误差占比达90％以上；其他3个内陆台站基本都集中在10m/s以下，当风速较小时，以正误差为主，随着观测风速的增大，负误差开始逐渐增多，当观测风力大于5级时基本以负误差为主（表2）。

图5　长岛站（a）、潍坊站（b）、德州站（c）、临沂站（d）风速绝对误差密度分布

表2　4个代表站绝对误差随风速变化

3 结论

（1）ERA-Interim风速再分析资料在山东省整体上具有较高的可信度，月尺度的相关系数在0.40～0.83之间，年尺度的相关系数有22个站在0.65以上，占总数的68.8％；相关系数存在明显季节差异，秋冬季高于春夏季；半岛地区相关系数最高，且北部高于南部，鲁中地区最低。

（2）月尺度的均方根误差在0.83～4.25m/s之间，年尺度的均方根误差有26个站在1.5m/s以下，占总数的81.3％。半岛地区均方根误差最小，多在1.4m/s以下；鲁中和鲁西北分布相似，季节差异十分明显，淄博、沂源、潍坊3站秋冬季均方根误差在1.8m/s以上，其他多在1.6m/s以下，济阳、东营、泰安全年均方根误差都在1.2m/s以下；鲁南地区的季节差异性最小，全年多在1.4m/s左右。

（3）月尺度的绝对误差在-0.20～3.89m/s之间，年尺度的绝对误差有24个站在±1.0m/s之内，占总数的75.0％，仅个别站点出现负误差，说明ERA-Interim平均风速资料山东省普遍偏大。莱州、牟平和文登3站可能存在明显的系统误差。

（4）代表台站绝对误差符合正态分布，长岛站误差分布较为松散，正负误差基本呈对称分布；潍坊、德州和临沂3站误差分布相似，正误差天数明显多于负误差天数；当风速较小时，以正误差为主，随风速增大，负误差增多，当风力大于5级时基本以负误差为主。

参考文献：

[1] 赵天保，符淙斌. 中国区域ERA-40，NCEP-2再分析资料与观测资料的初步比较与分析[J]. 气候与环境研究，2006，11（1）：14-32.

[2] 赵天保，符淙斌，柯宗建，等. 全球大气再分析资料的研究现状与进展[J]. 地球科学进展，2010，25（3）：242-254.

[3] 邓小花，翟盘茂，袁春红. 国外几套再分析资料的对比与分析[J]. 气象科技，2010，38 （1）：1-8.

[4] 谢潇，何金海，祁莉. 4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展[J]. 气象与环境学报，2011，27（5）：58-65.

[5] 白磊，王维霞，姚亚楠，等. ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析数据气温和气压值在天山山区适用性分析[J]. 沙漠与绿洲气象，2013，7（3）：51-56.

[6] 高路，郝璐. ERA-Interim气温数据在中国区域的适用性评估[J]. 亚热带资源与环境学报，2014，9（2）：75-81.

作者简介：滕华超（1986—），男，山东荣成人，硕士，工程师，主要从事气候变化服务与研究工作。

收稿日期：2015-08-29

中图分类号：P468.0

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2016）01–0027–05