全球再分析与中国观测资料对比研究

梅雨降水季节预测的多方法比较作者：李琳菲杨颖朱志伟王蔚来源：《大气科学学报》2024年第02期摘要基于1961—2000年逐月降水观测资料和全球大气再分析资料，分析了6—7月长江中下游（108°～123°E，27°～33°N）梅雨的时空分布特征。

通过观测诊断和数值试验确定了影响梅雨异常偏多的3个前期因子：4—5月平均的西北太平洋海平面气压正异常;3月至5月北大西洋海平面气压负变压倾向;1月至4月西伯利亚的2 m温度负倾向。

利用这3个具有物理意义的影响因子构建了梅雨季节预测模型，该模型在训练期（1961—2000年）和独立预测期（2001—2022年）均具有显著的预测技巧（相关系数分别为0.79和0.77，均方根误差分别为0.59和0.68）。

同时，基于相似的潜在预测因子，对比了利用偏最小二乘回归方法和5种机器学习方法（随机森林、轻量级梯度提升机、自适应提升、类别型特征提升、极端梯度提升）建立的预测模型的技巧。

虽然训练期（1961—2000年）偏最小二乘回归和机器学习建模拟合效果更高，但在独立预测期（2001—2022年）上述模型的预测技巧显著降低（相关系数均低于0.44，均方根误差均大于0.93），出现了明显的过拟合问题。

本研究强调梅雨的短期气候预测应建立在物理机制基础之上，而使用机器学习方法需谨慎。

关键词梅雨;季节预测;物理经验预测模型;机器学习梅雨期是东亚夏季风雨带由南向北推进过程中的重要阶段（Ding，1992;Ding et al.，2020）。

梅雨降水多寡直接影响长江流域的旱涝状况，尤其是梅雨异常带来的旱涝灾害严重影响长江流域经济发展和人民生产生活。

例如：1998年梅雨异常偏多导致长江中下游大洪水，造成3 000余人死亡，直接经济损失将近2 500亿元（陶诗言等，1998;Lu，2000）;2020年超級暴力梅打破了1961年以来长江流域梅雨季降水纪录，3 800余万人受洪涝影响（刘芸芸和丁一汇，2020;Ding et al.，2021）;2022年梅雨历史性极端偏少，长江流域出现大范围干旱（张强，2022;孙博等，2023），导致64万hm2耕地受灾、83万人供水困难。

美国NCEP FNL全球分析资料在Windows XP系统上的解码及其图形显示软件简介邓伟1马振升2田宏伟1陈海波1张永涛3申占营1（1河南省气象科学研究所，郑州 450003；2 河南省培训中心，郑州 450003； 3 河南省监测网络处，郑州 450003）摘要：介绍了美国环境预报中心（NCEP）FNL资料的相关内容内容，该资料由于分辨率较高且融合了大量的观测资料及卫星反演资料而被广泛用于数值模式及天气、气候的诊断分析研究中。

本文的重点在于对该类资料解码程序及绘图时所需控制文件、索引文件生成方法的介绍。

通过对批处理命令的介绍，可以为大量FNL资料的解码及绘图处理提供一定的参考作用。

关键词：NCEP FNL资料；Dos环境；grib1码；wgrib解码；GrADS绘图引言继美国国家环境预报中心（NCEP）/美国国家大气研究中心（NCAR）提供的全球再分析资料之后，NCEP又为广大科研工作者提供了FNL 全球分析资料(Final Operational Global Analysis，以下简称为“FNL资料”)。

当前发布的FNL资料由于比再分析资料具有更高的时间、空间分辨率而逐渐得到学者的更多关注。

由于当前的FNL资料充分同化了尽可能全面的观测资料，NCEP认为：与其他资料相比较，FNL资料作为长期业务模式存档分析资料“可能是最好的选择”。

国内对NCEP再分析资料要素的分析、比较及可信度检验工作开展的较多[1-4]，而对FNL 资料的可信度研究相对较少。

周青等[5]利用2005年的FNL资料与中国753个台站观测的地表温度和地面1.5m高气温从时次变化和空间变化等方面进行了对比分析，研究表明：除青藏高原、内蒙古东部、四川盆地外,大部分地区的FNL资料较观测值偏低，在东北、西北尤其是青藏高原和云贵高原、西南部地区FNL资料的误差相对较大；FNL资料的气温值在我国东南地区与观测值比较接近，大部分地区FNL的分析值低于观测值，而且，夏季和观测值接近的程度要比冬季好。

全球大气再分析技术研究与数据集研制全球大气再分析技术研究与数据集研制摘要：全球大气再分析技术是通过对历史气象观测数据进行插值、调整和模型再分析等处理，以获得连续和一致的全球大气状态的技术。

本文主要介绍了全球大气再分析技术的研究方法和数据集研制的过程，概括了全球大气再分析技术在气候变化研究、天气预报、气象灾害监测和环境评估等方面的应用，以及存在的挑战和发展方向。

1. 引言全球大气再分析技术是在气象学领域中一种重要的方法，它通过整合大量历史观测数据和先进的数值模型，能够提供高分辨率、高时空连续性的全球气象资料。

再分析资料在气候变化研究、天气预报、气象灾害监测等领域都具有重要的应用价值。

2. 全球大气再分析技术的研究方法全球大气再分析技术的核心是使用观测数据和气候模型来还原大气状态。

其主要步骤包括数据插值、数据调整和模型再分析。

2.1 数据插值数据插值是指在一个有限的观测网格上估计未观测点的值。

常用的插值方法有最近邻插值、反距离权重插值和克里金插值等。

通过这些方法，可以将稀疏的观测数据填补得更加连续，提高再分析数据的时空分辨率。

2.2 数据调整数据调整是指将原始观测数据进行纠正，消除不确定性和系统偏差。

常用的数据调整方法有同化技术、偏差校正和观测模型匹配等。

通过数据调整，可以提高再分析数据的准确性和一致性。

2.3 模型再分析模型再分析是指使用物理模型和观测数据相结合，通过时间推进和数据同化技术，在一个一致的气象场上重建历史大气状态。

常用的数值模型包括欧洲中期天气预报中心的ECMWF和美国国家大气研究中心的NCEP等。

通过模型再分析，可以得到具有高时空分辨率的全球气象资料。

3. 全球大气再分析数据集的研制全球大气再分析数据集的研制过程包括数据采集、数据预处理、模型再分析和数据发布等步骤。

3.1 数据采集数据采集是指收集历史气象观测数据，包括地面观测站、卫星遥感数据和探空观测数据等。

需要统一处理不同来源、不同格式和不同时间分辨率的观测数据。

国外几套再分析资料的对比与分析邓小花;翟盘茂;袁春红【摘要】针对目前最主要的3种再分析资料NCEP、ECMWF、JMA,从各家再分析中心所采用的同化方案、所用到的数据、质量控制方法及相关的偏差校正方法方面,进行相关介绍和对比,以便对再分析资料的特点有更为充分的了解,对我国未来再分析工作的发展起到借鉴作用.通过对比发现,各家再分析中心采用的同化方案主要为三维、四维变分方法和最优插值法.各家最主要的差别在于所选用的数据类型不同,以及所采用模式在分辨率上的差异.此外,还从经验出发简要给出了各类再分析资料在不同方面的优缺点,从而为各类再分析资料的选择使用方面提供参考.简单陈述了国内再分析工作的进展,并给出了提高我国再分析工作质量所需要关注和亟待解决的问题.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2010(038)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】再分析资料;对比分析;NCEP;ECMWF;JMA【作者】邓小花;翟盘茂;袁春红【作者单位】中国气象科学研究院,北京,100081;国家海洋环境预报中心,北京,100081;国家气候中心,北京,100081;中国气象科学研究院,北京,100081【正文语种】中文引言在当前的气候及相关科学研究中,如气候的年际变率、数值模拟等,再分析资料已经成为一种最主要的资料来源。

最初,再分析计划只是美国气象中心气候数据同化系统的一个“副产品”。

后因业务需求,对全球数据同化系统的某些参数做了一些改变,却导致了明显的“气候变化”。

这些气候参数的骤变在一定程度上有可能掩盖真实的短期气候变化和年际气候变率的信号。

而观测系统及一些观测手段的变更,如新型卫星资料的引入等使得不同时期的资料种类和来源不同,以及采用的同化系统各有不同,很容易产生一些不是因为气候本身真实发生变化却又出现“气候变化”的现象。

因此,极有必要利用同一套再分析系统对以前的资料进行同化,并延续下去。

只有运用这样一套长时间段内未发生变化的数据同化系统,气候研究者才能通过相关对比,来判断当前的气候是否确实异常。

国外几套再分析资料的对比与分析随着科技的发展和数据分析的普及，再分析资料在许多领域的应用越来越广泛。

在国外，有许多再分析资料可供研究人员选择。

本文将对其中几套进行对比与分析，帮助读者更好地了解这些资料的特点和应用场景。

CRAN和Bioconductor是R语言环境中常用的两大软件包。

CRAN是R 语言最主要的软件包仓库，提供了大量的统计和机器学习等领域的工具包。

而Bioconductor则是一个以生物信息学分析为主的R包集合。

CRAN软件包更新较快，且有着庞大的社区支持和文档，方便用户进行二次开发和问题解决。

但同时由于更新较快，部分新版本的包可能在一些老版本的R语言中存在兼容性问题。

Bioconductor在生物信息学领域具有很高的权威性，对于生物医学研究人员来说，其软件包更加全面和细致。

但相比CRAN，其更新速度较慢，且文档相对较少。

Docker和Singularity是两种常用的容器化技术，可帮助用户在云端或服务器上运行分析任务。

Docker的优势在于其社区极为活跃，生态系统也比较完善。

它支持多种语言和框架，可以轻松地构建和发布复杂的分析流程。

但Docker 对系统的资源要求相对较高，且在某些场景下可能存在安全性和隐私问题。

Singularity是专门为科学计算和分析设计的容器化技术，对于科学计算和数据分析任务有很好的支持。

同时，Singularity更加轻量级，对系统资源的要求较低。

但相比Docker，其生态系统和支持的广泛性可能略有不足。

Jupyter Notebook和Google ColabJupyter Notebook和Google Colab都是基于Web的交互式计算环境，可方便研究人员进行数据分析和机器学习等任务。

Jupyter Notebook具有强大的社区支持和丰富的扩展性，用户可以自由地编写Python、R、Julia等语言的代码，并进行实时的可视化输出。

但其也存在一定的学习曲线，且对于非程序员来说，可能需要一些时间来熟悉其交互方式。

文章编号 1005-8656（2019）03-0003-05中国1月探空资料与NCEP再分析资料位势高度场之间差异特征分析刘东洋，贾宁（通辽市气象台，内蒙古 通辽 028000）摘要 文章选取了NCEP再分析资料与中国探空资料150～925hPa共7个高度层，1958—2009年中每年冬季1月份的月平均高度场数据，对中国地区逐层资料进行了差值分析，并对400hPa与700hPa的差值做了时间折线分析，分析了各个层面不同区域NCEP资料的可信度以及400、700hPa层面NCEP再分析资料与探空资料之间差值随年份的变化特征。

结果显示：中国地区东部资料比西部资料可信度高，低纬度资料比高纬度资料可信度高，400hPa及500hPa两层资料的偏差最小，NCEP再分析资料在400、700hPa层面都表现出了其准确性随着模式完善逐年增加的结论。

关键词 NCEP再分析资料；探空资料；资料对比；中国区域；差异特征中图分类号 P412.2 文献标识码 A doi:10.14174/ki.nmqx.2019.03.001引言随着气候变化研究在气象领域变得越来越重要，高空资料的重要性逐渐体现出来，利用相对准确的资料，分析得出的结果或结论的可信度就会增加。

目前使用的高空资料主要包括实地探空资料和再分析资料。

由于不同时期再分析资料所使用的观测资料不相同，造成了其在不同时期可信度上存在区别，会影响到运用该资料所得到的研究结果可信度。

目前国内外研究人员对不同的再分析资料作了对比分析，运用不同方法验证了这些资料在不同地区、不同时间、不同高度以及不同物理量的差异[1-4]。

由于观测历史相对久远，我国测得的历史探空资料更丰富一些，相对于再分析资料的可信度较好。

由于我国探空资料在不同历史时期所使用的观测仪器、时间、规范和所使用的订正方法不同，导致不同时期资料质量不同，在利用这些探空资料研究中国地区气候时存在不可靠性。

所以在利用探空资料对气候变化进行分析时，应同时结合再分析资料进行分析。

全球大气再分析常规气象观测资料的预处理与同化应用廖捷;王蕙莹;胡开喜;江慧;曹丽娟;姜立鹏;李庆雷;周自江;刘志权;张涛【摘要】用于全球大气再分析的常规气象观测资料由表面(地面站、船舶和浮标等)和高空(无线电探空、测风气球、下投式探空、飞机和风廓线雷达等)观测资料组成.基于已有工作进展,总结了我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)常规观测资料预处理与同化应用研究进展.在CRA-40研发阶段,完成了15个地面、高空、飞机和海洋观测数据源的资料的收集整理、分类整合和质量评估.相对NCEP CFSR 同化的常规观测资料,CRA-40同化了更多中国地区的地面站、常规探空观测资料,增加了美国地区的TAMDAR和ACARS飞机报湿度数据.CRA-40采用RAOBCORE 1.4数据集提供的订正量完成了全球探空温度的偏差订正,采用NCEP 辐射订正算法减小太阳辐射引起的热敏电阻季节性观测误差.对再分析同化结果带来负面效果的观测(如高海拔地面站观测、模式地形层以下高空观测以及300 hPa 以上探空湿度等)在观测资料预处理阶段被剔除.CRA-40采用的黑名单提供了不同时期观测资料存在问题的地面站、高空站、飞机、船舶和浮标等信息.这些信息来自观测资料和ERA-Interim再分析的偏差统计结果,以及NCEP CFSR、ECMWF 提供的历史黑名单,后者在使用前进行了严格的诊断评估和确认.经过预处理和质量预评估的全球历史常规资料已应用于CRA-40的10年试验产品研制.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2018(008)001【总页数】10页(P133-142)【关键词】再分析;常规资料;整合;质量控制;黑名单【作者】廖捷;王蕙莹;胡开喜;江慧;曹丽娟;姜立鹏;李庆雷;周自江;刘志权;张涛【作者单位】国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;美国国家大气研究中心,博尔德 80301,美国;国家气象信息中心,北京 100081【正文语种】中文0 引言再分析最早起源于第一次全球大气研究实验（FGGE）中观测资料的应用。

两者的可降水量与探空站数据全球分布图分别如图1和图2所示:图1ECMWF与探空站可降水量Bias和RMS全球分布
图2NCEP与探空站可降水量Bias和RMS全球分布
仅从色彩上就能直观的看出ECMWF的PWV比NCEP在低纬度地区精度要高许多,这与ECMWF同化系统优于NCEP不无关系。

其中ECMWF的Bias在全球范围内主要处于-4mm~4mm之间,RMS则在4mm以内,而NCEP的Bias在-6mm~6mm,RMS在6mm以内,并且两
者RMS较大的值的分布情况大致相当,这也从侧面说明了ECMWF 可降水量数据精度也要高于NCEP。

3结论
本文主要对两种再分析资料ECMWF与NCEP-2提供的的地表温度、气压以及可降水量的格网数据,以无线电探空站数据作为标的,进行了精度比较。

首先给出了两种再分析资料的比较方法,由于再分析资料是格网数据而探空站数据是散点,而且两者之间的点的高程也存在差异,因此先对数据进行高程归化是很有必要的,接着就可以在平面上对数据进
结果显示两种再分析资料的气象数据在全球范围精度。

但是在二外教学中加入日汉同形词的讲解是非常有必要的。

杨劲, 张双益, 王海龙, 等. 2024. ERA5和ERA5-Land地面风速资料在中国陆地区域的适用性对比初步研究[J]. 气候与环境研究, 29(1): 36−44.　YANG Jin, ZHANG Shuangyi, WANG Hailong, et al. 2024. Preliminarily Comparative Study on the Applicability of ERA5 and ERA5-Land Ground Wind Speed Data over China’s Land Region [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 29 (1): 36−44. doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2023.22106ERA5和ERA5-Land地面风速资料在中国陆地区域的适用性对比初步研究杨劲 1　张双益 2　王海龙 1　牛凤国 1　李东辉 3　袁宗涛 41 华能河池清洁能源有限责任公司，广西河池 5471102 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心，北京 1000293 华能新能源股份有限公司，北京 1000364 北京中电恒泰电力工程咨询有限公司，北京 100071摘　要　利用全国40个地面台站的观测资料对ERA5及ERA5-Land两种不同空间分辨率的再分析资料开展了地面风速误差评估研究，结果表明：ERA5和ERA5-Land资料多年平均风速偏差的平均值分别为0.08 m s−1、－0.06 m s−1，偏差的最大值分别为0.46 m s−1、－0.19 m s−1，相对偏差的平均值为4.4%、－2.0%，相对偏差的最大值分别为33.0%、－10.1%；月平均风速线性拟合方程的斜率分别为0.93、0.97，截距分别为0.29 m s−1、0.02 m s−1，相关系数分别为0.98、0.99；月平均风速均方根误差的平均值分别为0.17 m s−1、0.14 m s−1，均方根误差的最大值分别为0.49 m s−1、0.22 m s−1，相对均方根误差的平均值为7.4%、5.7%，相对均方根误差的最大值分别为35.2%、13.3%。

我国全球大气再分析(CRA-40)卫星遥感资料的收集和预处理王旻燕;姚爽;姜立鹏;刘志权;师春香;胡开喜;张涛;张志森;刘景卫【摘要】卫星资料对数值天气预报准确率的影响非常显著.可用于1979年以来全球大气再分析的卫星资料,来源于80余颗卫星的约60种星载传感器,卫星观测资料数据格式的标准化、长时间序列数据使用和均一化处理技术难点多.在推进我国全球大气再分析(CRA-40,1979—2018年)研发时,已优先开展并全面完成了83.5TB 的1979年以来53种115个子类气象卫星资料的收集整合.介绍了面向我国全球大气再分析所用卫星资料的收集整合情况、对应于10年再分析试制产品CRA-Interim(2007—2016年)的数据格式标准化和卫星资料数据质量预评估等观测资料预处理情况.近年发布的重处理卫星数据产品已替换了原同期业务产品.所收集整合的这些历史和实时卫星资料,已逐步通过全国综合气象信息共享平台(CIMISS)归档和提供应用服务.【期刊名称】《气象科技进展》【年(卷),期】2018(008)001【总页数】6页(P158-163)【关键词】再分析;CRA-40;卫星遥感资料;收集整合;预处理;同化【作者】王旻燕;姚爽;姜立鹏;刘志权;师春香;胡开喜;张涛;张志森;刘景卫【作者单位】国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;美国国家大气研究中心,博尔德 80301,美国;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京 100081;国家气象信息中心,北京 100081【正文语种】中文0 引言从20世纪90年代中期开始，美国、欧盟和日本等先后组织和实施了一系列全球大气再分析计划，这些计划生成的再分析产品使用价值和获得的应用效益，已远远超过观测资料本身。

刘鸿波, 董理, 严若婧, 等. 2021. ERA5再分析资料对中国大陆区域近地层风速气候特征及变化趋势再现能力的评估[J]. 气候与环境研究,26(3): 299−311.　LIU Hongbo, DONG Li, YAN Ruojing, et al. 2021. Evaluation of Near-Surface Wind Speed Climatology and Long-Term Trend over China’s Mainland Region Based on ERA5 Reanalysis [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 26 (3): 299−311.doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20101ERA5再分析资料对中国大陆区域近地层风速气候特征及变化趋势再现能力的评估刘鸿波 1　董理 1, 2　严若婧 1, 2　张晓朝 3　郭辰 4　梁思超 5屠劲林 5　冯笑丹 5　王雪璐51 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 1000292 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 1000493 中国华能集团有限公司，北京 1000364 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 1000815 华能新能源股份有限公司，北京 100081摘　要　基于台站观测资料，评估了欧洲中期天气预报中心（ECMWF ）最高时空分辨率的第五代大气再分析资料（ERA5）对1979～2018年间中国大陆区域10 m 高度风速的气候特征及其变化趋势的再现能力，并同步对比分析了ERA5资料100 m 高度风速的特征和长期趋势。

结果表明，ERA5资料10 m 和100 m 风速在空间分布、年—季节—月尺度演变的气候特征方面与台站观测非常一致，10 m 风速气候态空间相关系数达到0.66。