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  高原气象  2018, Vol. 37 Issue (1): 275-285  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00029
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敖雪, 翟晴飞, 崔妍, 等. 2018. 三种风场再分析资料在辽宁省海岸带的比较与评估[J]. 高原气象, 37(1): 275-285. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00029
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Ao Xue, Zhai Qingfei, Cui Yan, et al. 2018. Comparison and Evaluation of Three Types of Wind Field Reanalysis Data in Coastal Zone of Liaoning Province[J]. Plateau Meteorology, 37(1): 275-285. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00029.
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资助项目

辽宁省农业攻关及产业化项目(2015103038);公益性行业专项(GYHY201306034);2015年辽宁省气象局科研课题(201518,201515)

通讯作者

翟晴飞.E-mail:15840322495@163.com

作者简介

敖雪(1986-), 女, 重庆人, 工程师, 主要从事气候变化研究.E-mail:aoxuefyh@163.com

文章历史

收稿日期: 2017-01-16
定稿日期: 2017-03-31
三种风场再分析资料在辽宁省海岸带的比较与评估
敖雪1, 翟晴飞2, 崔妍1, 周晓宇1, 易雪1, 沈历都1, 赵春雨1, 林蓉1     
1. 沈阳区域气候中心, 辽宁 沈阳 110166;
2. 辽宁省人工影响天气办公室, 辽宁 沈阳 110166
摘要: 利用1981-2015年辽宁省海岸带20个气象站常规观测资料与同期ERA-Interim、JRA-55和CFSR三种再分析资料进行对比分析,讨论了风速场再分析资料在辽宁省海岸带的适应性问题。结果表明,三种再分析资料与观测资料的大风相关性均通过显著性检验,ERA资料相关性最好,但ERA的最大小时风速明显较观测资料偏小。三种再分析资料在空间上的偏差有明显的不均匀性,绥中、兴城一带偏差较小,旅顺口站偏差较大;CFSR资料最大小时风速的偏差绝对值小于1的站点最多,适用性较好;ERA资料的大风次数与观测资料最为接近,且14:00(北京时,下同)最大小时风速和大风次数的偏差均较08:00偏小。三个海区最大小时风速平均绝对误差的差别不显著,基本在1.5~3 m·s-1之间,而大风次数的误差较显著,渤海海峡误差相对较大,黄海北部次之,渤海北部误差最小,其中CFSR资料的风速平均绝对误差最小。观测的最大小时风速和大风次数呈显著减少趋势,JRA和CFSR资料呈缓慢减少趋势,而ERA资料呈增加趋势;ERA和JRA资料的年代际曲线波动平稳,不能表现出观测资料的年代际变化趋势,CFSR资料与观测值最为接近,但是变化趋势较观测资料缓慢。在长期变化趋势空间分布上,CFSR资料的可信度相对较好,JRA资料次之,ERA资料差别较大。
关键词: 再分析资料    辽宁省海岸带    最大小时风速    大风次数    
1 引言

再分析资料由于时空分辨率高、资料时间长且融合多种观测资料和数值预报产品, 能够很好的弥补观测资料匮乏和时空不均等问题而广泛应用于气候变化等相关领域, 为气象工作者深入研究大气运动机制、气候变化特征等提供了数据支持。迄今为止, 众多学者采用不同的再分析资料从不同方法和不同角度对不同参量进行了比较分析, Bromwich et al(2007)Grotjahn(2008)Ma et al(2008)对ERA-40、NCEP和JRA-20等再分析资料进行了比较分析, 并指出由于模式和资料同化的差异, 各种再分析资料在不同区域、不同时间尺度上也存在差异。Poccard et al(2000)对热带非洲地区的降水观测数据和NECP数据进行了对比, 并对NECP降水资料的可信度进行了评估, 结果指出再分析资料在长期变化趋势上存在较大的不确定性。施晓晖等(2006)对NCEP再分析风速资料在中国区域的可信度进行了研究, 结果表明NCEP资料的可信度东部高于西部, 且随着高度升高, 再分析资料的误差逐渐减小。黄刚(2006)利用探空资料、NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料对内蒙古和华北地区温度进行了对比分析, 研究指出20世纪70年代后期NCEP资料对温度场的模拟效果较ERA-40更为理想。支星等(2013)比较分析了NCEP、ERA和JRA三种再分析资料的高空温度在中国的适用性, 发现NCEP和ERA资料能较好的再现高空温度的年代际变化特征。Zhao et al(2006)对ERA、NECP和CRU三种降水再分析资料进行了比较分析, 研究表明CRU资料与降水观测资料最为接近, 且三种再分析资料的年际变化差异明显。王田野等(2015)对JRA-55和ERA-Interim两种再分析月平均资料在蒙古国的适应性进行了评估, 研究指出ERA-Interim相对JRA-55偏差略小, 而JRA-55对气温变化趋势的拟合更加准确。秦艳慧等(2015)针对ERA-Interim地表温度资料在青藏高原冻土区的适用性进行了研究, 发现该资料能较好的再现冻土区地表温度的基本特征, 适应性较好。近年来, 再分析资料的海面风场资料得到广泛应用, 毛科峰等(2012)对东中国海海域CCMP、ERA和QuikSCAT/NCEP混合风场的精度进行了评估和对比分析。周凯等(2012)利用日本浮标站资料对QuikSCAT/NCEP混合风场和ERA风场进行了比较, 指出在风速较小时, 再分析资料较实测风场偏大; 当风速较大时, 再分析资料较实测风场偏小。

辽宁省海岸带位于中国东北地区, 毗邻渤海和黄海, 是东北老工业基地振兴和中国向东北亚开发合作的重要区域, 受冬季的大陆冷高压和夏季的副热带高压影响, 多发的冷空气、大风天气等直接影响该区域, 天气系统强, 过程复杂, 造成海岸带恶劣天气多发。目前已经有部分学者对辽宁省海岸带大风时空变化特征进行了分析, 然而针对辽宁省海岸带风场资料的比较和评估工作还没展开, 再分析资料的对比分析也多是针对平均风速, 而对大风极值场还缺少一个全面系统的研究。因此从气候均值、年际变化和长期变化趋势三个方面对观测资料和再分析资料的差异进行对比分析, 评估风场再分析资料在辽宁省海岸带的适用性。

2 资料选取和方法介绍 2.1 资料选取

所用资料包括观测资料和再分析资料, 即: (1)观测资料为1981-2015年20个气象站测得的逐时10 m高度地表风速(即逐时定时10 min平均风速)。(2)ERA-Interim再分析资料(下称ERA), 选取一日四次中的[08:00(北京时, 下同)、14:00]10 m高度的经向风u、纬向风v, 水平分辨率0.125°×0.125°。(3)JRA-55再分析资料(下称JRA), 选取一日四次中的(08:00、14:00)10 m高度的经向风u、纬向风v, 水平分辨率1.25°×1.25°。(4)CFSR再分析资料, 选取一日四次中的(08:00、14:00)10 m高度的经向风u、纬向风v, 水平分辨率0.5°×0.5°。利用再分析资料的逐日定时纬向风和经向风分量求出逐日定时风速, 再分析资料时间长度与观测资料一致。

根据辽宁省海岸线分布和气象站位置, 把辽宁省海岸带分为渤海北部、渤海海峡和黄海北部三个部分进行分析, 渤海北部、渤海海峡、黄海北部分别选取13, 3和4个气象站的逐时风速资料。辽宁省海岸带沿岸气象站分布如图 1所示。

图 1 辽宁海岸带20个常规气象站分布 Figure 1 The map of 20 weather stations around the coastal zone of Liaoning Province
2.2 研究方法

大风标准根据辽宁省气象台大风预警业务, 定义小时风速(逐时定时10 min平均风速)大于等于10.8 m·s-1为大风事件。大风次数为1981-2015年观测资料风速大于等于10.8 m·s-1的次数和再分析资料逐日定时风速大于等于10.8 m·s-1的次数。

从气候均值、年际变化和长期变化趋势三个方面对观测资料和再分析资料的差异进行分析, 评估风场再分析资料在辽宁省海岸带的适用性。利用双线性插值方法将三种再分析资料的格点插值到相应的气象站点上, 采用气候趋势系数、双样本异方差t-检验、平均绝对误差、偏差、相关分析等统计方法定量分析观测资料与三种再分析资料之间的具体差异。

3 结果分析 3.1 相关分析

以气象站风速资料为基准, 当08:00、14:00的小时风速大于等于10.8 m·s-1时, 选择与观测资料同一时间对应的再分析资料的定时风速求相关, 即大风相关性。结果表明, 三种再分析资料与观测资料的大风相关性均通过了0.01的显著性水平检验。渤海海峡的相关性明显优于渤海北部和黄海北部。其中, ERA资料相关性最好, 相关系数介于0.52~0.72, 相关性最好的站点为大连站(0.72), 其次为锦州和旅顺口区(0.7), 与瓦房店站的相关系数最低(0.52)[图 2(a)]; JRA资料与CFSR资料的相关性比较接近, JRA中锦州站相关性最好(0.63), 其次为大连站(0.61)[图 2(b)]; CFSR中相关性最好的站点为大连站(0.61)[图 2(c)]。三种再分析资料都表现为大连锦州站点相关性最好, 瓦房店站相关性最差。ERA资料中, 有一半站点的相关系数均大于0.6, 说明风场再分析资料具有一定的可靠性。

图 2 1981-2015年三种再分析资料与观测资料的大风相关系数空间分布 Figure 2 The spatial distribution of correlation coefficients of strong wind between three reanalysis datas and observed datas from 1981 to 2015
3.2 偏差分析

针对三种再分析资料的最大小时风速和大风次数与实测站点数据进行了偏差分析(再分析资料-观测资料)。从图 3(a)可以看出, 除了绥中和葫芦岛外, 观测资料的最大小时风速均大于ERA再分析资料。其中, 18个站呈负偏差, 2个站呈正偏差, 4个站的偏差绝对值小于1。瓦房店和旅顺口偏差较大, 偏差绝对值超过5 m·s-1, 最大偏差为-5.73 m·s-1; 偏差较小的地区集中在绥中、兴城一带, 兴城偏差最小, 为-0.57 m·s-1。JRA风场资料中, 10个站点呈正偏差, 普兰店偏差最大, 为3.23 m·s-1, 大连站偏差最小, 为0.37 m·s-1; 10个站点呈负偏差, 旅顺口站偏差最大, 达-5.79 m·s-1, 偏差较小的地区集中在绥中、兴城一带, 4个站的偏差绝对值小于1。CFSR与JRA风场资料相近, 正负偏差站点几乎各占一半, 有超过10个站点的偏差绝对值小于1。最大正偏差为皮口站, 偏差为3.87 m·s-1, 瓦房店负偏差最大, 为-4.06 m·s-1, 东港站偏差最小, 仅0.13 m·s-1。总体上看, 就ERA的最大小时风速而言, 在辽宁省海岸带区域明显较观测资料偏小, 而JRA和CFSR资料则表现不明显。赵佳莹等(2014)对中国区域探空资料与ERA再分析资料对比分析时指出绝大部分站点的探空风速大于ERA资料; 旷芳芳等(2015)在分析台湾海峡风场资料时指出, 当风速大于10 m·s-1时, ERA资料的风速整体较观测值偏小, 而本文的最大小时风速基本大于10 m·s-1, 与此结论一致。

图 3 08:00(a)和14:00(b)再分析资料与观测资料的最大小时风速的偏差(单位: m·s-1) Figure 3 Deviation of the maximum hourly wind between the reanalysis datas and observed datas at 08:00 (a) and 14:00 (b).Unit: m·s-1

图 3(b)中可见, 除了兴城、金州等4个站点外, 观测资料的最大小时风速均大于ERA再分析资料。大石桥偏差最大, 达-5.03 m·s-1, 兴城偏差最小, 仅0.01 m·s-1, 7个站的偏差绝对值小于1, 可见14:00 ERA的最大小时风速偏差明显较08:00偏小。JRA风场资料中, 9个站点呈正偏差, 11个站点呈负偏差, 旅顺口站偏差最大, 为-5.07 m·s-1, 偏差较小的地区集中在绥中、兴城和盖县、大石桥一带, 其中盖县偏差最小, 仅0.18 m·s-1, 7个站的偏差绝对值小于1。CFSR风场资料中, 11个站点呈正偏差, 9个站点呈负偏差, 11个站点的偏差绝对值小于1。最大正偏差为皮口站, 偏差为3.35 m·s-1, 瓦房店负偏差最大, 为-3.27 m·s-1, 东港站偏差最小, 仅0.04 m·s-1

综合而言, 三种风场再分析资料在空间上的偏差有明显的不均匀性, 绥中、兴城一带普遍偏差较小, 旅顺口站偏差较大, 可能是因为旅顺口站临近海面, 常有大风极值出现, 而再分析资料分辨率较低, 对于小尺度的风场极值信息的模拟还有待提高。通过图 2图 3的对比大致可以看出, 相关系数与偏差之间存在一个正相对应关系, 即相关系数越大, 偏差也越大, 与朱彦良等(2012)得出的结论一致。CFSR再分析资料的偏差绝对值小于1的站点最多, 与观测资料最为接近, 适用性较好, 且14:00最大小时风速的偏差较08:00偏小。

从08:00大风次数与实测站点数据偏差[图 4(a)]中可以看出, ERA大风次数的正负偏差站点几乎各占一半, 最大正偏差为大连站, 偏差为438次, 庄河站偏差最小, 仅5次。JRA风场资料中, 12个站点呈正偏差, 8个站点呈负偏差, 大连站正偏差最大, 为521次, 偏差较小的地区集中在绥中、兴城和庄河、东港一带, 其中东港偏差最小, 仅17次。CFSR风场资料中, 13个站点呈正偏差, 7个站点呈负偏差, 最大正偏差为旅顺口站, 偏差为494次, 庄河、东港一带偏差很小, 东港站偏差最小, 仅1次。可知, 虽然大风次数偏差有正有负, 但是正偏差值明显较大, 即再分析资料算出的1981-2015年大风次数明显较观测资料的偏多, 其成因可能是实际风速随着城市化的加剧而逐渐减小, 而再分析资料的减小并不明显所致。

图 4 08:00 (a)和14:00 (b)再分析资料与观测资料的大风次数偏差(单位:次) Figure 4 Deviation of the number of gale between the reanalysis datas and observed datas at 08:00 (a) and 14:00 (b).Unit: time

14:00的大风次数与实测站点数据偏差总体分布与08:00基本一致, 大风次数的偏差有正有负, 正负偏差站点几乎各占一半, ERA再分析资料所有站点的偏差绝对值总和最小, 与观测资料较为接近, CFSR和JRA再分析资料的大风次数偏差相对较大[图 4(b)]。胡梦玲等(2015)针对7种再分析风场资料与探空资料进行对比分析后得出, 在区域平均场上ERA-Interim、JRA和CFSR资料的偏差和均方根误差较小, NCEP1、NCEP2和ERA-20CM偏差较大, 可信度较低。总体而言, 14:00大风次数的偏差较08:00偏小, 三种再分析资料均呈现出渤海海峡大风次数偏差较大, 渤海北部除葫芦岛以外, 偏差较小, 庄河东港一带偏差也较小。

为比较不同再分析资料在各个海区的适用性问题, 对各海区的多年最大小时风速的平均绝对误差进行分析。从图 5(a)中可以看出, 三个海区风速平均绝对误差的差别不显著, 基本在1.5~3.0 m·s-1之间, 渤海海峡误差相对较大, 黄海北部次之, 渤海北部误差最小; 其中CFSR的风速平均绝对误差最小, 这与之前的结论类似。对比14:00各海区误差可以发现, 三种再分析资料的风速误差均小于08:00, 误差范围在1.2~2.3 m·s-1之间, 渤海北部误差相对较大, CFSR的风速平均绝对误差最小。总体而言, 三种再分析资料在不同时刻不同海区的可信度也有所不同, 但相对而言, CFSR再分析资料与观测资料的最大小时风速最为接近, 适用性较好。

图 5 辽宁海岸带各海区再分析资料与观测资料的多年最大小时风速的平均绝对误差(单位: m·s-1) Figure 5 The mean absolute differences of the maximum hourly wind between the reanalysis datas and observed datas for threee sea regions.Unit: m·s-1

从各海区再分析资料与观测资料的多年大风次数的平均绝对误差(图 6)中可以看出, 三个海区平均绝对误差差别显著, 渤海海峡误差明显大于另外两个海区, 渤海北部误差最小; 其中CFSR的风速平均绝对误差相对较小。对比14:00各海区误差可以发现, 三种再分析资料的大风次数误差均小于08:00, 渤海北部误差相对较小, 误差控制在100次以内。

图 6 辽宁海岸带各海区再分析资料与观测资料的多年大风次数的平均绝对误差(单位:次) Figure 6 The mean absolute differences of the number of gale between the reanalysis datas and observed datas for threee sea regions.Unit: time
3.3 年际变化分析

对各站点年最大小时风速进行空间平均得到平均最大小时风速, 通过近35年三种再分析资料平均最大小时风速与对应的地面观测值之间的关系(图 7)可以看出, 08:00观测的最大小时风速呈显著减小趋势, 减小速率为1.27 m·s-1·(10a)-1, 21世纪以后减小更加明显, 而ERA资料却呈缓慢增加趋势, 增加速率为0.038 m·s-1·(10a)-1程胡华(2016)发现地面观测风速从21世纪以来呈逐年减少趋势, 而相应的NECP和ERA资料呈缓慢增加趋势, 与本文研究结果一致。JRA和CFSR均呈缓慢减少趋势, 减少速率分别为0.228 m·s-1·(10a)-1和0.812 m·s-1·(10a)-1。20世纪90年代之前, 观测的最大小时风速明显大于三种再分析资料, 90年代到2002年观测值与再分析资料最为接近, ERA与观测资料的波动趋势基本一致, 2002年之后再分析资料的最大小时风速又逐渐大于观测资料。综合而言, 观测的最大小时风速年代际变化显著, ERA和JRA资料的年代际曲线波动平稳, 不能较好的表现出年代际变化趋势, CFSR资料与观测值最为接近, 也稍具有年代际变化特征, 但是变化趋势较观测缓慢。江滢等(2007)研究发现近50年中国年平均风速呈显著减小趋势, 而本研究表明年平均最大小时风速也呈显著减小趋势, 说明无论是平均状态的风速还是极值状态下的的风速都是呈显著减少趋势。

图 7 1981-2015年辽宁海岸带再分析资料与观测资料的平均最大小时风速逐年变化(单位: m·s-1) Figure 7 The changes of the annual maximum hourly wind between the reanalysis datas and observed datas from 1981 to 2015.Unit: m·s-1

对比14:00, 观测资料和再分析资料变化趋势与08:00非常相似, 观测的最大小时风速呈显著减小趋势, 减小速率为1.21 m·s-1·(10a)-1, 三种再分析资料的变化率分别为-0.013, -0.221和-0.656 m·s-1·(10a)-1, 变化趋势均较08:00稍缓慢。21世纪之前, 三种再分析资料年代际曲线波动平稳, 21世纪之后, CFSR与观测资料变化特征基本一致, 表现出显著减小趋势。通过上述对比分析可知, 21世纪之后, CFSR资料的适用性较好。

对比再分析资料平均大风次数(对各站点年大风次数进行空间平均)与对应的观测值之间的逐年变化差异(图 8)发现, 08:00观测的大风次数呈显著减小趋势, 减小速率为2.46次·(10a)-1, 20世纪80年代初期大风次数处于相对高值时期, 之后开始逐年减少, 2010年之后大风次数急剧减小到小于1次, 而再分析资料则没有相应的变化趋势。ERA资料却呈缓慢增加趋势, 增加速率为0.22次·(10a)-1; JRA和CFSR均呈缓慢减少趋势, 减少速率分别为0.49次·(10a)-1和1.08次·(10a)-1。可见, 除了20世纪80年代初期观测值大于再分析资料值, 之后都是观测值偏小。对比图 8(b)可以发现, 14:00的大风次数明显多于08:00, 其大风次数的减小速率也快于08:00, 观测资料每10年减少3.92次, 三种再分析资料都呈缓慢减少趋势, 分别是0.27, 0.51和1.38次·(10a)-1。综合而言, 观测的大风次数年代际变化显著, ERA和JRA资料的年代际曲线波动平稳, CFSR资料稍有年代际变化特征, 但是变化趋势较观测资料缓慢。

图 8 1981-2015年辽宁海岸带再分析资料与观测资料的平均大风次数逐年变化(单位:次) Figure 8 The changes of the annual number of gale between the reanalysis datas and observed datas from 1981 to 2015.Unit: time
3.4 长期变化趋势分析

图 9为三种再分析资料和观测资料平均最大小时风速(08:00和14:00平均)的空间变化趋势, 图中白色×号表示该站点通过0.05置信度检验。从图 9可以看出, 除大洼和凌海站之外, 其他站点的最大小时风速均呈显著减少趋势, 且减少趋势超过0.29 m·s-1·(10a)-1, 其中渤海海峡的减少趋势较明显, 旅顺口站达3.14 m·s-1·(10a)-1。从三种再分析资料的空间变化趋势[图 9(a)~(c)]可以看出, 辽宁省海岸带各海区同时存在增加和减少趋势。其中CFSR资料的长期变化趋势与观测资料最为接近, 渤海海峡和黄海北部均表现为一致减少趋势, 且渤海海峡减少较为明显, 仅4个站为增大趋势。ERA资料与观测资料差别较大, 表现为海岸带大部分地区(11个站点)最大小时风速呈增加趋势, 且锦州葫芦岛一带最显著, 兴城站超过0.25 m·s-1·(10a)-1, 9个风速减弱的站点也均没通过显著性检验。赵佳莹等(2014)对中国区域探空资料与再分析资料风速对比分析后指出, ERA资料与探空资料在长期变化趋势上差别较大, 表现为中国中部和东部地区存在风速增加趋势, 而探空资料则表现为风速明显减弱, 这与本文结论相近。JRA资料与ERA资料类似, 即风速增加和减少的站点交错分布, 几乎各占一半, 大连站减少趋势最显著, 为0.29 m·s-1·(10a)-1, 大值中心集中在渤海海峡。

图 9 1981-2015年ERA-Interim(a), JRA-55(b), CFSR(c)再分析资料与观测资料(d)的平均最大小时风速变化趋势空间分布[单位: m·s-1·(10a)-1] Figure 9 The spatial distributions of the annual maximum hourly wind variation trends change of ERA-Interim (a), JRA-55 (b), CFSR (c) and observed datas (d) from 1981 to 2015.Unit: m·s-1·(10a)-1

由上述分析可知, 辽宁省海岸带最大小时风速存在明显减弱趋势, 而任国玉等(2005)赵佳莹等(2014)均指出无论是地面还是高空, 中国地区平均风速基本呈减弱趋势, 而本研究结果说明这种减弱趋势不仅局限于平均风速, 风速极值也有相似特征的反映。在长期变化趋势空间分布上, CFSR资料与观测资料较为接近, JRA资料次之, ERA资料差别较大。

图 10为ERA-Interim, JRA-55, CFSR再分析资料与观测资料的平均大风次数变化趋势空间分布, 图中白色×号表示该站点通过0.05置信度检验。从图 10可以看出, 再分析资料和观测资料平均大风次数的空间变化趋势与最大小时风速较为类似, 即观测资料中, 除东港和凌海站之外, 其余站点的大风次数均呈显著减少趋势, 渤海海峡的减少趋势最明显, 旅顺口站高达11.06次·(10a)-1。三种再分析资料的减弱趋势明显小于观测资料, 且有部分站点存在增加趋势。其中CFSR资料的长期变化趋势与观测资料最为接近, 渤海海峡和黄海北部均表现为一致减少趋势, 长海站减弱最为明显, 为2.26次·(10a)-1。ERA资料与观测资料差别较大, 有10个站点的大风次数呈增加趋势, 且渤海海峡一带增加最为显著, 与观测资料正好相反, 10个大风次数减弱的站点也均没通过显著性检验。JRA资料中渤海北部没有一致的变化趋势, 渤海海峡和黄海北部基本呈减小趋势, 金州站减少趋势最显著, 为0.84次·(10a)-1胡梦玲等(2015)研究表明再分析资料在风速长期趋势上的模拟质量稳定性较低, 存在显著的季节、地区差异, JRA、ERA和NCEP1资料都不能很好的模拟风速真实的变化趋势。综上所述, 辽宁省海岸带大风次数普遍存在减弱趋势, 在长期变化趋势空间分布上, CFSR资料的可信度相对较高。

图 10 ERA-Interim(a)、JRA-55(b)和CFSR(c)再分析资料与观测资料(d)的平均大风次数变化趋势空间分布[单位:次·(10a)-1] Figure 10 The spatial distributions of the annual number of gale variation trends change of ERA-Interim(a), JRA-55 (b), CFSR (c) and observed datas (d) from 1981 to 2015.Unit: time·(10a)-1
4 结论

(1) 三种再分析资料与观测资料的大风相关性均通过了0.01的显著性检验, 渤海海峡的相关性明显优于渤海北部和黄海北部。其中, ERA资料相关性最好, JRA与CFSR资料次之。

(2) ERA资料的最大小时风速在辽宁省海岸带区域明显较观测资料偏小, 而JRA和CFSR资料则表现不明显。三种风场再分析资料在空间上的偏差有明显的不均匀性, 绥中、兴城一带普遍偏差较小, 旅顺口站偏差较大, 可能是因为旅顺口站临近海面, 常有大风极值出现, 而再分析资料分辨率较低, 对于小尺度的风场的极值信息的模拟还有待提高。且相关系数与偏差之间大致存在一个正相对应关系, 即相关系数越大, 偏差也越大。CFSR资料的偏差绝对值小于1的站点最多, 与观测资料最为接近, 适用性较好, 且14:00最大小时风速的偏差较08:00偏小。

(3) 再分析资料与观测资料的大风次数偏差有正有负, 但是正偏差值明显较大, 可能是实际风速随着城市化的加剧而逐渐减小, 但再分析资料的减小并不明显所致。ERA资料所有站点的偏差绝对值总和最小, 与观测资料最为接近, CFSR和JRA资料的大风次数偏差相对较大, 且14:00大风次数的偏差较08:00偏小。三种再分析资料均呈现出渤海海峡大风次数偏差较大, 渤海北部除葫芦岛以外, 偏差较小, 庄河东港一带偏差也较小。

(4) 三个海区最大小时风速平均绝对误差的差别不显著, 基本在1.5~3.0 m·s-1之间, 渤海海峡误差相对较大, 黄海北部次之, 渤海北部误差最小, 其中CFSR的风速平均绝对误差最小, 且14:00各海区误差均小于08:00;三个海区大风次数的平均绝对误差差别显著, 渤海海峡误差明显大于另外两个海区, 渤海北部误差最小, 其中CFSR的风速平均绝对误差相对较小, 且14:00各海区误差均小于08:00。

(5) 观测的最大小时风速和大风次数从1980年以来均呈显著减少趋势, JRA和CFSR资料呈缓慢减少趋势, 而ERA资料却呈缓慢增加趋势。综合而言, 观测的最大小时风速和大风次数的年代际变化显著, 而ERA和JRA资料的年代际曲线波动平稳, 不能较好的表现出年代际变化趋势, CFSR资料与观测值最为接近, 也稍具年代际变化特征, 但是变化趋势较观测资料缓慢。

(6) 观测资料中基本所有站点的最大小时风速和大风次数均呈显著减少趋势, 其中渤海海峡的减少趋势较明显。三种再分析资料的减弱趋势明显小于观测资料, 且有部分站点存在增加趋势。其中CFSR资料的长期变化趋势与观测资料最为接近, 渤海海峡和黄海北部均表现为一致减少趋势; ERA资料与观测资料差别较大, 一半以上站点的最大小时风速和大风次数均呈增加趋势。在长期变化趋势空间分布上, CFSR资料的可信度相对较好, JRA资料次之, ERA资料差别较大。

参考文献
Bromwich D H, Fogt R L, Hodges K I, et al. 2007. A tropospheric assessment of the ERA-40, NCEP, and JRA-25 global reanalyses in the polar regions[J]. J Geophys Res, 112(D10). DOI:10.1029/2006JD007859
Grotjahn R. 2008. Different data, different general circulations? A comparison of selected fields in NCEP/DOE AMIP-Ⅱ and ECWMF ERA-40 reanalysis[J]. Dyn Atmos Oceans, 44(3): 108–142.
Ma L J, Zhang T J, Li Q X, et al. 2008. Evaluation of ERA-40, NCEP-1, and NCEP-2 reanalysis air temperatures with ground based measurements in China[J]. J Geophys Res, 113(D15). DOI:10.1029/2007JD009549
Poccard I, Janicot S, Camberlin P. 2000. Comparison of rainfall structure between NCEP/NCAR reanalysis and observed data over tropical Africa[J]. Climate Dyn, 16(12): 897–915. DOI:10.1007/s003820000087
Zhao T B, Fu C B. 2006. Comparison of products from ERA-40, NCEP-2 and CRU With station data for summer precipitation over China[J]. Adv Atmos Sci, 23(4): 593–604. DOI:10.1007/s00376-006-0593-1
程胡华. 2016. 山西岢岚地区NCEP资料与地面观测资料的年变化对比[J]. 干旱气象, 34(3): 456–464.
胡梦玲, 游庆龙, 林厚博. 2015. 青藏高原地区多套位势高度和风场再分析资料的对比分析[J]. 冰川冻土, 37(5): 1229–1244.
Hu M L, You Q L, Lin H B. 2015. Comparative analyses of geopotential height and wind fiela from multiple reanalysis data over the Tibetan Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 37(5): 1229–1244.
黄刚. 2006. NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及探空观测资料分析中国北方地区年代际气候变化[J]. 气候与环境研究, 11(3): 310–320.
Huang G. 2006. The assessment and difference of the interdecadal variations of climate change in Northern Part of China with the NCEP/NCAR and ERA 40 reanalysis data[J]. Climat Environ Res, 11(3): 310–320.
江滢, 罗勇, 赵宗慈, 等, 2007. 近50年中国风速变化及原因分析[A]. 中国气象学会年会气候变化分会场,
Jiang Y, Luo Y, Zhao Z C, et al, 2007. Analysis of wind velocity change and its causes in China in recent 50 years[A]. China Meteorological Society Annual Meeting on Climate Change.
旷芳芳, 张友权, 张俊鹏, 等. 2015. 3种海面风场资料在台湾海峡的比较和评估[J]. 海洋学报, 37(5): 44–53.
Kuang F F, Zhang Y Q, Zhang J P, et al. 2015. Comparison and evaluation of three sea surface wind products in Taiwan Strait[J]. Haiyang Xuebao, 37(5): 44–53.
毛科峰, 陈希, 李妍, 等. 2012. 东中国海域交叉定标多平台合成洋面风场资料的初步评估[J]. 气象, 38(12): 1456–1463. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2012.12.002
Mao K F, Chen X, Li Y, et al. 2012. Evaluation of the new Cross-Calibrated, Multi-Platform ocean surface wind fields in the East China Sea region[J]. Meteor Mon, 38(12): 1456–1463.
秦艳慧, 吴通华, 李韧, 等. 2015. ERA-Interim地表温度资料在青藏高原多年冻土区的适用性[J]. 高原气象, 34(3): 666–675. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00151
Qin Y H, Wu T H, Li R, et al. 2015. Application of ERA product of land surface temperature in permafrost regions of Qinghai-Xizang Plateau[J]. Plateau Meteor, 34(3): 666–675. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00151
任国玉, 郭军, 徐铭志, 等. 2005. 近50年中国地面气候变化基本特征[J]. 气象学报, 12(6): 942–956. DOI:10.11676/qxxb2005.090
Ren G Y, Guo J, Xu M Z, et al. 2005. Climate changes of China's mainland over the past half century[J]. Acta Meteor Sinica, 12(6): 942–956.
施晓晖, 徐祥德, 谢立安. 2006. NCEP/NCAR再分析风速、表明气温距平在中国区域气候变化研究中的可信度分析[J]. 气象学报, 64(6): 709–722. DOI:10.11676/qxxb2006.068
Shi X H, Xu X D, Xie L A. 2006. Reliability analyses of NCEP/NCAR reanalysis wind speed and surface temperature in climate change research in China[J]. Acta Meteor Sinica, 64(6): 709–722.
王田野, 吴通华, 李韧, 等. 2015. 两种再分析月平均气温资料在蒙古国的适用性评估[J]. 高原气象, 35(3): 651–661.
Wang T Y, Wu T H, Li R, et al. 2015. Evaluation of monthly air temperature from two reanalysis datasets in Mongolia[J]. Plateau Meteor, 35(3): 651–661. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00033
赵佳莹, 徐海明. 2014. 中国区域探空资料与再分析资料风速场的对比分析[J]. 气候与环境研究, 19(5): 587–600. DOI:10.3878/j.issn.1006-9585.2013.13065
Zhao J Y, Xu H M. 2014. Comparison of wind velocity among reanalysis and radiosonde datasets over China[J]. Climat Environ Res, 19(5): 587–600.
支星, 徐海明. 2013. 三种再分析资料的高空温度与中国探空温度资料的季节平均特征对比分析[J]. 高原气象, 32(1): 97–109. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2012.00011
Zhi X, Xu H M. 2013. Comparative analysis on monthly mean characteristic of free atomospheric temperature between three reanalysia datasets and Radiosonde dataset in China[J]. Plateau Meteor, 32(1): 97–109. DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2013.00011
周凯, 陈希, 李妍, 等. 2012. 两种海面风场的对比及对海浪模拟的影响[J]. 海洋预报, 29(3): 9–14. DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2012.03.002
Zhou K, Chen X, Li Y, et al. 2012. Comparison between two sea surface wind fielda and their influence on the wave simulations[J]. Marine Forecasts, 29(3): 9–14.
朱彦良, 凌超, 陈洪滨, 等. 2012. 两种再分析资料与RS92探空资料的比较分析[J]. 气候与环境研究, 17(3): 381–391. DOI:10.3878/j.issn.1006-9585.2011.10138
Zhu Y L, Ling C, Chen H B, et al. 2012. Comparison of two reanalysis data with the RS92 radiosonde data[J]. Climat Environ Res, 17(3): 381–391.
Comparison and Evaluation of Three Types of Wind Field Reanalysis Data in Coastal Zone of Liaoning Province
AO Xue1 , ZHAI Qingfei2 , CUI Yan1 , ZHOU Xiaoyu1 , YI Xue1 , SHEN Lidu1 , ZHAO Chunyu1 , LIN Rong1     
1. Shenyang Regional Climate Center of Liaoning, Shenyang 110166, Liaoning, China;
2. Liaoning Weather Modification Office, Shenyang 110166, Liaoning, China
Abstract: Using the comparison of the conventional observation data of 20 meteorological stations and the reanalysis data of ERA-Interim, JRA-55 and CFSR in coastal zone of Liaoning Province from 1981 to 2015, the adaptability of reanalysis wind velocity field in coastal zone of Liaoning Province were discussed. The results show that the correlation between the three reanalysis data and the observed data is significant, and ERA-Interim is the best. But the maximum hourly wind speed of ERA-Interim data is obviously smaller than the observed data. The spatial deviations of the three kinds of reanalysis data are obviously heterogeneous, what is smaller in Suizhong and Xingcheng but larger in Lushunkou. The absolute deviation of the maximum hourly wind speed of CFSR is less than 1, and the applicability is better. The wind speed of ERA-Interim data is close to that of observation data, and the deviation of maximum hourly wind speed and gale number at 14:00 (Beijing time, the same as after) was smaller than that at 08:00. The mean absolute error of maximum hourly wind speed in the three sea areas is not significant, which is between 1.5 and 3 m·s-1, and the error of gale number is significant. The error of Bohai Strait is relatively large, the northern part of Yellow Sea and the northern part of Bohai Sea are the least. The mean absolute error of wind speed of CFSR data is the smallest. The observed data of maximum hourly wind speed and the number of wind events were significantly decreased, the JRA and CFSR data showed a slow decreased trend, while the ERA data showed an increased trend. The interdecadal curve of ERA and JRA data fluctuated smoothly, which could not show the interdecadal variation trend of the observed data, the CFSR data is close to the observed value, but the trend is slower than that of the observed data. In point of the spatial distribution of long-term trend, CFSR data credibility is relatively better, JRA data is second, and the difference of ERA-Interim data is larger.
Key Words: Reanalysis data    Liaoning coastal zone    the maximum hourly wind    the number of gale