近40年ERA-I再分析气温资料在乌兰察布的适用性分析

皇彦

摘 要 利用乌兰察布市1979—2018年11个气象台站的月平均2 m气温资料，对比分析了ERA-I再分析气温资料的适用性，并对观测数据和ERA-I资料进行气温突变检验分析。结果表明：ERA-I再分析气温能较好地表征乌兰察布市各台站观测气温的时空变化，与台站观测数据的相关系数为0.98、平均偏差为0.144 ℃;ERA-I资料在6—8月均表现出冷偏差;突变检验发现气温突变年份为2013年前后，ERA-I再分析气温突变年份和观测的突变年份一致。

关键词 2 m气温;ERA-I;乌兰察布;气候变化

中图分类号：P732 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.083

烏兰察布市位于内蒙古自治区中部，地处内陆，地貌类型自南向北由丘陵台地、阴山山地、乌兰察布丘陵和内蒙古高原四大部分组成，气候属于典型的中温带大陆性季风气候，四季气候变化分明，年温差和日温差大[1]。乌兰察布市为农牧交错地带，观测站点相对较少且自动站观测时间序列短，地形导致了南北温差较大，而利用有限的气象台站观测数据很难较为精确地再现该地区的年际尺度气候变化。观测站点稀少更是成为研究和业务的瓶颈，有必要对格点化再分析气温资料进行评估和应用。

目前，研究气候变化和气候资源等都是以长时间序列的气象台站观测资料为主。在乌兰察布市，具有较长时间序列观测资料的气象台站只有11个，很难代表整个乌兰察布地区的气候状况，尤其是北部的四子王旗，所以使用再分析资料来进行气候研究成为解决问题的方法之一。目前，全球较长时间序列的再分析数据主要有美国国家环境预报中心NCEP-1和NCEP-2再分析资料，全球陆面数据同化系统GLDAS资料，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-15、ERA-40和ERA-I再分析资料以及日本气象厅JRA55再分析资料等，其中ECMWF再分析资料在全球范围内有着较高的分辨率和较小的偏差，为世界各国气象业务人员和研究人员所广泛使用。秦艳慧等将ERA-I气温数据在青藏高原地区进行了评估，结果表明，该数据适用于青藏高原地区，有着相对较高的精度[2]。高时空分辨率的再分析资料为气候诊断研究提供了较长时间序列的气候资料，国内外大量研究表明，该资料有着较高的精度，而在乌兰察布地区再分析资料适用性评估研究几乎没有。本研究采用ERA-I再分析

2 m气温资料与气象台站观测气温进行对比分析，讨论了ERA-I资料的适用性，同时对乌兰察布市的气候突变进行Mann-Kendall检验和Morlet小波分析，研究ERA-I再分析资料气温在研究区气温突变和周期变化中的适用性。

1 资料与方法

研究所用的资料包括ERA-I再分析气温资料和乌兰察布气象台站观测资料。ERA-I再分析数据集是ECMWF发布的全球第三代再分析数据集，该数据时间范围为1979年1月1日至今，其在时间段上与ERA40数据集有部分重合。该数据集率先采用四维变分（4DVar）同化方法对多种不同来源的观测资料进行同化，模式空间分辨率为T255，借鉴了ERA40和JRA25的资料质量控制方案，改进了物理参数化方案和质量控制方法，同化窗口为

12 h[3]。本研究选取1979—2018年逐月月平均、0.125°的2 m气温用于研究分析。

2 m气温分析所用气象台站资料来自内蒙古自治区气象局的气象台站观测数据。在分析评估ERA-I再分析资料时，使用Fortran语言编程，采用距离观测位置最近的格点与站点资料一一匹配的方法[4]。为了统计分析ERA-I再分析气温资料在研究区域的适用性，采用平均偏差MBE和相关系数CC两个特征统计量进行分析。

2 结果与分析

2.1 气温的空间分布与统计特征

从图1乌兰察布市1979—2018年40年平均气温空间分布图能够看出，ERA-I再分析气温的空间分布与台站观测基本一致，能较好地再现乌兰察布市气温南高北低的空间分布特征，呈现出中部阴山山脉地区最低、向南部地区增高的空间分布，中部阴山地区气温和南部气温差别较大，差3 ℃左右。乌兰察布市中部察哈尔右翼中旗是40年平均气温的低值区，平均值可达2.5 ℃以下，南部农区是40年平均气温的高值区，平均温度可达5.5 ℃

以上。ERA-I再分析气温资料与观测资料较为接近，仅在察哈尔右翼中旗地区差别超过1.5 ℃，其余地区差别小于1 ℃，能够较好地再现乌兰察布市气温的时空分布。

从统计特征可以看出，在整个乌兰察布市，ERA-I再分析气温资料对气温变化趋势的模拟能力较好，在乌兰察布市的相关系数很高，高于0.98，均通过了99.9%的信度检验，平均偏差为0.144 ℃，说明ERA-I平均气温偏高较小，对乌兰察布市的气温模拟能力较好。

2.2 再分析气温的季节变化与气象站观测资料的对比

通过对1979—2018年乌兰察布市月平均气温的变化（图2）可以看出：ERA-I再分析气温资料能较好地再现气温的季节变化，量值也很接近，气温在1月达到最低值-13.75 ℃，7月达到最高值20.77 ℃。ERA-I再分析气温资料在冬季与观测的偏差最小，在其他季节ERA-I再分析气温资料与观测之间的偏差稍大，但差距不会超过0.5 ℃，并且在6—8月都存在冷偏差。总体来看，ERA-I再分析气温资料能够较好地再现乌兰察布市气温的季节变化特征，在冬季季节的模拟要好于其他季节，主要是ERA-I再分析气温资料在冬季的偏差明显小于其他季节。

2.3 乌兰察布市ERA-I再分析气温的时间变化与气象站观测值的对比

图3是1979—2018年近40年的ERA-I再分析资料的气温年平均时间序列与观测的比较。可以看出，ERA-I再分析气温资料能较好地模拟乌兰察布市气温的时间变化特性，各个年平均值模拟较好。ERA-I再分析气温资料在整个研究时段的大部分时间较观测偏高，在