（气象学专业论文）平流层大气中期数值天气预报水平的初步分析.pdf

摘要 本文采用n c e p n c a r 逐6 小时再分析资料，对一年的( 2 0 0 8 年1 0 月1 4 日2 0 0 9 年1 0 月1 3 日) n o a a n c e p 全球预报系统( g f s ) 每日4 次的逐3 小时的1 8 0 小时( 位 势高度场、温度场、u v 风场) 的预报结果进行全年和分季节评估。分析n o a a n c e p 全球预报系统( g f s ) 在下平流层( 1 0 0 - 1 0 h p a ) 的预报效果。因为再分析资料在平流 层以上可信度检验较少，所以我们首先利用2 0 0 3 - - - 2 0 0 8 年全球1 6 9 个探空站一日两次 的探空资料，检验n c e p n c a r 逐6 小时再分析资料，研究全球( 主要是陆地地区) 范 围在上对流层到下平流层( 5 0 0 - - , 3 0 h p a ) 各层位势高度、温度和h v 风场全年及各季节 的不确定性分布特征。 第一部分利用全球探空资料对n c e p n c a r 再分析资料进行检验。结果表明： 在北半球陆地地区再分析资料与探空资料有较好的一致性。但再分析风场资料在急 流区有很强的不确定性，并有明显的季节分布差异；再分析位势高度、温度场标准误差 高值区主要集中在印度洋沿岸，受平均偏差影响；位势高度和温度场标准误差、风场平 均误差高值区呈沿海岸线分布，主要受探空站分布影响。由于美国的公益业务机构服务 产品主要定位于服务本土，所以再分析资料在北美地区表现相对好于其它陆地地区。 第二部分我们利用再分析资料对n o a a n c e p 全球预报系统( g f s ) 一年的位势高 度、温度和t l v 风场在1 0 0 - l o h p a 的业务预报结果进行全年和分季节检验，结果表明： 风场预报结果在l o h p a 仍有很高的参考价值，但在急流区预报结果需要特别注意： 高度场在7 0 h p a 以上参考价值不大，并且表现出很强的波动性；温度场在2 0 h p a 以上参 考价值不大。风场和温度场误差分布相似，高值区主要集中在整个赤道地区和2 0 1 0 h p a 的高层；高度场误差高值区主要集中在南半球以及南北极区2 0 1 0 h p a 。预报结果海陆差 异非常明显；在北半球陆地地区预报效果较好，并且可用的预报时次在1 4 4 小时以上。 所以在北半球陆地地区的预报结果可以作为临近空间飞行器的气象提供参考。 关键词：n c e p n c a r 再分析资料，西风急流，标准误差，g f s ，临近空间 u i a b s t r a c t u n t i ln o w , l i t t l ei sk n o w na b o u tt h ep r e d i c t a b i l i t yi nt h es t r a t o s p h e r e i nt h i ss t u d y , t h e p r e d i c t a b i l i t yi ss t u d i e db yu s i n gt h en c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t at oe v a l u a t et h ep r e d i c t i o n o fn o a a n c e pg l o b a lf o r e c a s ts y s t e m ( g f s ) i nt h el o w e rs t r a t o s p h e r e ( 10 0 10 h p a ) i n o r d e rt oa s s e st h eu n c e r t a i n t yi nt h er e a n a l y s i sd a t ai nt h eu p p e rt r o p o s p h e r ea n dl o w e r s t r a t o s p h e r e ，ac o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h er e a n a l y s i sd a t aa n dt h eg l o b a lr a d i o s o n d ed a t a a tf i r s t i np a r to n e ，t h eu n c e r t a i n t yi nt h ea n a l y s i sd a t ai ss t u d i e d t o t a l l y16 9r a d i o s o n d e s t a t i o n sd u r i n g2 0 0 3 - 2 0 0 8 ( t w i c ed a i l y ) o v e rt h ew o r l da r eu s e dt oa s s e st h en c a r n c e p r e a n a l y s i sd a t a t h eg l o b a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e a s o n a lv a r i a t i o n so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h e s et w od a t ai nt h eg e o p o t e n t i a lh e i g h t ，t e m p e r a t u r e sa n dw i n df i e l d s i nt h eu p p e r t r o p o s p h e r ea n dl o w e rs t r a t o s p h e r e a r ea n a l y z e d t h er e a n a l y s i sd a t aa g r e ew i t ht h e r a d i o s o n d ed a t aq u i t ew e l lo v e rt h ec o n t i n e n t si nt h en o r t h e r nh e m i s p h e r e t h ed i s t r i b u t i o no f s t a n d a r de r r o ri nw i n df i e l di sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h ew e s t e r l yj e ta n dh a ss i g n i f i c a n t s e a s o n a lv a r i a t i o n ( w i n t e r s u m m e r ) t h es t a n d a r de r r o ri nt h eg e o p o t e n t i a l h e i g h ta n d t e m p e r a t u r ef i l e d sa r eh i g h e ra l o n gt h ei n d i a no c e a nc o a s t ，w h i c hm a i n l ya f f e c t e db yt h eb i a s b e t w e e nt h e s et w od a t as e t t h e r ea r el a r g e rs t a n d a r de r r o r si nt h et e m p e r a t u r ea n d g e o p o t e n t i a lh e i g h tf i e l d sa n dh i g h e rb i a si nt h ew i n df i e l da l o n gt h ec o a s tl i n e ，w h i c hi s c l o s e l yr e l a t e dt ot h ef a c tt h a tt h e r ea r em o r eo b s e r v a t i o ns t a t i o n si ni n l a n da r e a st h a no v e r 0 c e a n s i np a r tt w o ，t h ep r e d i c t i o no ft h en o a a n c e pg l o b a lf o r e c a s ts y s t e mi nt h el o w e r s t r a t o s p h e r ei se v a l u a t e d ，a n di t ss e a s o n a lv a r i a t i o ni ss t u d i e d t h ef o r e c a s to fw i n df i e l d ss t i l l h a v eg o o dp e r f o r m a n c ea tl0 h p 丑w h i l em o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h er e s u l ta tw e s t e r l y j e t t h ef o r e c a s to fg e o p o t e n t i a lh e i g h th a sl a r g e re r r o ra b o v e7 0 h p a , a n dt h ef o r e c a s to f t e m p e r a t u r e sh a v ef e wr e f e r e n c ev a l u ea b o v e2 0 h p a t h eh i g hv a l u eo ft e m p e r a t u r ef i e l d s a n d w i n df i l e d s 。s t a n d a r de r r o ri si nt h ee q u a t o r i a la r e aa t2 0 - 1 0 h p a , w h i l et h eh i g hv a l u eo f g e o p o t e n t i a lh e i g h tf i e l d s s t a n d a r de r r o ri si nt h es o u t h e r nh e m i s p h e r ea n di nt h ep o l a r r e g i o n sa t2 0 - 1 0 h p a f o r e c a s tr e s u l t so nl a n da r eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h a t a ts e a f o r e c a s t r e s u l t sa r eb e t t e ro nl a n da r e ao ft h en o r t h e r nh e m i s p h e r e ，a n dt h eu s a b l ef o r e c a s tl e n g t hi s l o n g e rt h a n14 4 h 。s ot h ef o r e c a s tr e s u l t so nl a n da r e ao ft h en o r t h e r nh e m i s p h e r ec o u l d p r o v i d em e t e o r o l o g i c a lr e f e r e n c ef o r n e a rs p a c em a n e u v e r i n gv e h i c l e k e yw o r d s ：n c e w n c a rr e a n a l y s i sd a t a , w e s t e r l yj e t ，s t a n d a r de r r o r , g f s ，n e a rs p a c e i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 第一章绪论 随着社会进步和经济发展，公众和社会对天气预报和气候预测的要求越来越高，需 要更细致、精确、人性化的气象保障服务。另一方面随着人们对大气运动规律认识的逐 渐深入以及计算能力和技术的飞速发展，数值预报模式不但应用于短期和中期预报，在 短期气候预报上也不断得以推广。随着数值预报产品的不断丰富，数值模式预报已成为 现代天气预报的基础，并逐渐成为预报员不可缺少的工具。尤其是在观测资料缺乏的地 区，数值预报产品更是作为首要的参考。 1 1 研究的目的和意义 临近空间( n e a rs p a c e ) 通常是指距地表2 0 l o o k m 的空域，包括平流层( 高度1 2 5 0 k i n ) 的大部分区域，中间层区域( 高度5 0 8 0 k m ) 和部分热层区域( 高度6 0 l o o k m ) 。 其下面的空域( 2 0 1 a n 以下) 是传统航空器的主要活动空间，其上面的空域( 1 0 0 k m 以上) 是 航天器的运行空问。临近空间的显著特点包括：空气相对稀薄、环境压力低、环境温度 变化复杂、臭氧和太阳辐射强、2 0 - 4 0 k m 区域平均风速最小。 由于技术和认识上的原因，临近空间的战略价值直到最近才引起各国的重视，在加 强对临近空间科学进行探索的同时，各种临近空间飞行器也因其潜在的军用和民用价值 而成为研究发展热点。美国、俄罗斯、韩国、英国、日本、以色列等国家都在积极开展 l 洛近空间飞行器的技术研究。 临近空间飞行器优点：效费比高、机动性好、灵敏度和分辨率高、技术难度较低、 易于更新和维护、生存能力强、隐身性能好等。近年来平流层飞艇、浮空气球、高空长 航时无人机、高超声速巡航飞行器、亚轨道飞行器等临近空间飞行器发展方案被相继提 出，并得到快速发展。 但是，临近空间飞行器也有一定的缺陷，主要表现有：特别容易受到天气状况的影 响，如大型的飞艇和气球在充气和放气时需要相当长的时间；多数临近空问飞行器的体 积较大，机动性能比较差；同时高空大气密度较小，物体加速到相同的速度需要长得多 的时间，所以临近空间飞行器进行战术机动时花费时间较多等。因此临近空间飞行器非 常容易受到天气状况( 尤其是风) 的影响。因此，为临近空间飞行器提供气象保障和支 持，也就成为了我们的迫切任务。 目前国内外主要业务数值预报都可以达到1 0 h p a ( 3 0 k m ) ，甚至e c w m f 全球 中期谱模式的谱分辨率从5 1 1 波提高到了7 9 9 波，垂直层次达9 l 层，已扩展到平流层 顶，最高层达0 0 1 h p a ；国内的t 6 3 9 模式等数值产品最高能达到0 1 h p a 。但数值产 品在平流层的预报效果都还未经受充分检验。这正是我们此项研究的目的：对国 内外主要业务模式在全球下平流层的大气( 1 0 0 - 1 0 h p a ) 的预报水平进行评估，初 步探讨平流层大气过程中期数值预报水平。 由于平流层探空资料的缺乏，我们只能采用再分析资料对业务预报结果进行 检验。当前n c e p n c a r 再分析资料和e r a 4 0 再分析资料是各国气象学家在天 气和气候分析中通用的全球大气的最重要的两份再分析资料。因为对业务预报评 估时需要最新的再分析资料，只有n c e p n c a r 再分析资料能满足需要，所以采 用n c e p n c a r 再分析资料作为实际场来检验预报结果。 1 2 论文内容安排 第二章，介绍美国n c e p 全球业务预报系统( g f s ) ，它包含两个全球模式m r f 和 a v n 。同时介绍分析中使用的n c e p n c a r 再分析资料及全球探空资料。 第三章，利用全球探空站资料来分析n c e p n c a r 再分析位势高度场、温度场、u v 风场资料在上对流层到下平流层的不确定性。 第四章，利用n c e p n c a r 再分析资料对美国n c e p 全球预报系统( g f s ) 在下平流 层预报水平评估。 第五章，总结全文。 2 第二章n c e p 业务模式和资料 美国的公益气象业务机构主要是指由联邦政府或联邦政府有关机构出资或资助的 气象业务机构，它们的主要工作是从事气象基础业务和开展大气科学基础性研究与教育 活动，为政府部门和私人机构提供基础气象信息服务。主要的机构有三个：一个是联邦 政府的国家环境预报中心( n c e p ) 、一个是大学办的国家大气研究中，l , ( n c a r ) ，另一个 是科研机构的海一陆一大气研究中心( c o l a ) 。美国的公益业务机构服务产品定位于以 本土为主，服务全球：它们的服务产品种类繁多，尽可能的满足公共需求；并且大多可 以从互联网上免费获得最新资料。因此，了解美国的公益气象业务机构及主要模式产品， 对我们的气象工作会有较大的帮助。但是由于美国的公益业务机构服务产品主要定位于 本土，所以我们在参考这些产品时需要特别注意，并加以验证分析。 2 1n c e p 全球预报系统( g f s ) 在美国环境预报中心( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n n c e p ) ，模式 产品分区域模式和全球模式。区域模式有：n g m 、e t a 、r u c 等，主要服务美国本土； 全球模式有a v n 和m r f ，两者合称为全球预报系统( g f s ) 。g f s 包括一个中期预报模 式( m e d i u mr a n g ef o r e c a s t 一- m r f ) ； n 一个全球数据同化系统( g l o b a ld a t aa s s i m i l a t i o n s y s t e m - - - g d a s ) 。g f s 是在2 0 世纪7 0 年代晚期在实验基础上发展起来的，美国国家气 象中心( n a t i o n a lm e t e o r o l o g i c a lc e n t e r - - n m c ，现在的n c e p ) 在1 9 8 1 年3 月1 8 日将其 作为全球预报模式开始应用。19 81 的全球谱模式是随着计算能力的提高而发展起来的。 事实上，该模式在2 0 世纪6 0 年代就在许多地方取代了7 层，1 9 1 k m 格点的原始方程模 式。1 9 8 5 年全球谱模式做了许多改动，并改名为中期预报模式( 舳陋) 。2 0 0 5 年到2 0 0 7 年5 月的分析方案是被称作s p e c t r a ls t a t i s t i c a li n t e r p o l a t i o n ( s s i ) 算法的三维变分资料同 化( 3 d v a r ) 方案。这个分析系统整合所有的观测信息( 包括来自不同卫星的辐射强度，表 面温度，无线电探空数据，飞机观测的风速，温度，和其它观测值) 。3 0 0 h p a 以上，直 接且只用来自卫星的辐射资料来做分析变量。辐射资料来自三个仪器：高分辨率红外辐 射探测器( 瓜s ) 、微波探测装置( m s o ) 和平流层探测装置。卫星资料周化联合中- & , ( j o i n t c e n t e rf o rs a t e l l i t ed a t aa s s i m i l a t i o n - j c s d a ) 的辐射传输模式( c o m m u n i t yr a d i a t i v e t r a n s f e rm o d e l c r t m ) 被整合进s s i 以改进辐射同化。在分析中对辐射的直接应用相当 大的改善了n c e p 的预报能力，尤其在南半球。2 0 0 7 年5 月以后，g f s 使用g r i d p o i n t s t a t i s t i c a li n t e r p o l a t i o n ( g s i ) 取代之前的s p e c t r a ls t a t i s t i c a li n t a r p o l a t i o n ( s s i ) 。 a v n 巾c l r f 模式是国家气象中心刚m c ，现在的n c e p ) 的全球谱中期预报模式a 、烈 是m r f 模式的航空版本。m r f 模式的空间分辨率是1 9 1 k m ，覆盖两个半球，每2 4 小时 运行一次( o o h - - - - 0 0 ) ，预报长度是2 8 8 小时，垂直方向为1 3 层。a v n 模式有空间分辨率 分别为1 9 1 k m 和1 1l k m 的两个版本。a v n l 9 1 模式覆盖两个半球，每6 小时运行一次( o o 、 0 6 、1 2 、1 8 ) ，预报长度是7 2 小时，垂直方向1 3 层。a v n l l l 覆盖北半球，每1 2 小时 运行一次( o o 、1 2 ) 预报长度为4 8 小时垂直方向为2 3 层。a v n m r f 在2 0 世纪6 0 年代 后期和7 0 年代初被应用，在1 9 8 1 年取代格点原始方程模式，1 9 8 5 作为升级版的全球谱 模式被引进。在原始版本中，模式在4 0 波菱形截断，垂直方向有1 8 层( 1 8 l ) ，可以进行 1 6 8 小时预报。随着计算资源的增加，垂直和水平分辨率以及预报长度都有了改进。在 1 9 8 8 年，模式改进为8 0 波三角截断。在1 9 9 1 年，波数由8 0 增加到1 2 6 。除了1 9 9 8 年 的- d , 段时期，在2 0 0 0 年1 月之前水平分辨率都没有变化。在这段时间，对前1 8 0 小 时预报，谱运算中的波数从t 1 2 6 增加到t 1 7 0 。在2 0 0 2 年早期，全球预报系统( g f s ) 中m r f 的运行不连续，a v n 预报时长增加到3 8 4 小时。2 0 0 5 年5 月3 1 日起，g f s 中 期预报模式的前1 8 0 小时预报水平分辨率增加到t 3 8 2 ( 大概0 9 0 4 0 k m ) 。 2 2 所用资料 1 模式预报资料 采用2 0 0 8 年1 0 月1 4 日q 0 0 9 年1 0 月1 3 日的n o a a n c e p 每日4 次的预报结果， 水平方向为7 2 0 3 6 1 个格点，垂直方向为2 6 层分别为1 0 0 0 、9 7 5 、9 5 0 、9 2 5 、9 0 0 、8 5 0 、 8 0 0 、7 5 0 、7 0 0 、6 5 0 、6 0 0 、5 5 0 、5 0 0 、4 5 0 、4 0 0 、3 5 0 、3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 、1 5 0 、1 0 0 、 7 0 、5 0 、3 0 、2 0 、1 0 h p a ；由于n c e p 的预报结果是适时修正的，这里以第一次采集的 为准。本文将重点探讨l o o h p a 到1 0 h p a 之间6 层的可预报性 2 验证场资料 采用2 0 0 8 年1 0 月1 4 日q 0 0 9 年1 0 月2 9 日n c e p n c a r 的逐6 小时再分析资料， 水平方向为1 4 4 7 3 个格点，垂直方向1 7 层，分别为：1 0 0 0 、9 2 5 、8 5 0 、7 0 0 、6 0 0 、 5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 、1 5 0 、1 0 0 、7 0 、5 0 、3 0 、2 0 、1 0 h p a 。 3 全球探空资料 4 该资料来源于俄怀明大学大气科学学院的全球协同探空站资料，时间长度从2 0 0 3 年1 月1 日到2 0 0 8 年，时间分辨率是每日o o 时和1 2 时( 世界时) ，在全球范围选取1 6 9 个探空站探空资料。由于海洋探空站缺少，所选取的站点主要集中于陆地地区，并尽可 能均匀分散以覆盖全部陆地。但是，由于在非洲中部、格陵兰岛探空站稀少，俄罗斯北 极圈附近探空站资料缺乏! o o h p a 以上数据，新西兰在2 0 0 6 年3 月分以前时间分辨率为 0 9 时和2 l 时不能采用，因此资料不能覆盖整个陆地地区。 5 第三章上对流层到下平流层n c e p n c a r 再分析资料 的不确定性分析 自1 9 9 6 年美国n c e p n c a r 公布了n c e p n c a r l 7 层大气再分析资料以后， n c e p n c a r 再分析资料为我们认识大气运动的规律、理解全球和区域天气、气候变化 与变率提供了强有力的研究工具，为大气科学各类研究提供了重要的数据支撑。但是再 分析资料还不能完全取代观测资料来描述真实大气的三维状态以及天气、气候的变化趋 势。 对于n c e p n c a r 再分析资料的可信度和质量问题，许多学者用不同的方法、对不 同地区、从不同角度对各种要素进行了分析和比较( 黄刚，2 0 0 6 ；赵天保等，2 0 0 4 ，2 0 0 6 ， 2 0 0 9 ：徐艳菊等，2 0 0 8 ；周顺武等，2 0 0 9 ；周连童，2 0 0 9 ) ，但这些研究大多偏重于对 局部地区和地面资料的分析和验证，并侧重于对月平均再分析分析资料进行气候变化长 期趋势的检验；缺乏对逐6 小时资料和高层资料的检验。 考虑到研究目的是为了检验2 0 0 8 2 0 0 9 年的业务预报水平，本文选取2 0 0 3 - 2 0 0 8 年全球1 6 9 个探空站( 主要偏重于陆地地区) 的一日两次探空资料，检验再分析位势高 度、温度及u v 风场的逐6 小时再分析资料在全球上对流层到下平流层的可信度，并对 再分析资料与观测资料的标准误差的分布及来源进行了初步讨论。 本章主要从标准误差场、平均偏差场、平均场和变率场的分布来分析再分析资料 的不确定性分布及可能的来源。第一节我们介绍所用到的资料和分析方法；第二节讨论 再分析位势高度场资料的不确定性分布及可能的来源；第三节讨论再分析温度场资料的 不确定性分布及可能的来源；第四节讨论再分析风速场资料的不确定性分布及可能的来 源。 3 1 资料及方法介绍 3 1 1 资料 1n c e p n c a r ( n c e p 1 ) 再分析资料 该资料时间长度是从2 0 0 3 年1 月1 日n 2 0 0 8 年，水平格点为2 5 。2 5 。( 1 4 4 x 7 3 ) ，垂直分层为1 7 层，分别为1 0 0 0 、9 2 5 、8 5 0 、7 0 0 、6 0 0 、5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 、 6 1 5 0 、1 0 0 、7 0 、5 0 、3 0 、2 0 和l o h p a 。采用温度、位势高度和u v 风速场的逐6 小时资料。 2 全球探空资料 该资料来源于俄怀明大学大气科学学院的全球协同探空站资料，选取全球1 6 9 个 探空站探空资料，时间长度为6 年，从2 0 0 3 年1 月1 日到2 0 0 8 年，时间分辨率是每天 o o 时和1 2 时( 世界时) 。因为海洋探空站缺少，所选取的站点主要集中于陆地地区，所 以在选取时尽可能分散以覆盖全部陆地。在东亚、澳洲、北美、欧洲、南极探空站数据 缺测时次少( 缺测率率小于1 ) ，探空高度普遍能达到l o h p a ，并且分布密集；在南美 和亚洲其他区域探空站数据缺测率一般小于1 0 ，但气球探空高度不稳定，如：俄罗斯 极区探空高度受季节影响，越南探空站最高l o o h p a 等；在非洲最差，站点少，缺测率 高( 大于3 0 ) ，探空高度也不能保证：另外，新西兰探空站2 0 0 6 年3 月之前时间分辨 率为每日0 9 时和2 l 时( 世界时) ，虽然探空站数据质量较高，但不能选用。 由于3 0 h p a 以上的数据在东亚、澳洲、北美、欧洲以外地区缺测率普遍在6 0 以 上，本研究选取5 0 0 - - 一3 0 h p a ( 上对流层到下平流层) 分析再分析资料的可用性。并着重 分析了1 0 0 3 0 h p a ( 下平流层) 的不确定性。在2 0 、l o h p a 的再分析资料还是无法得到 检验，下一步考虑在探空资料质量高的东亚、澳洲、北美、欧洲、南极地区进行分区域 验证。在分析中无论各层是否有缺测，均不进行插值。 3 1 2 方法介绍 为了便于再分析资料与1 6 9 个探空站实测资料比较，对n c e p 再分析资料选取距离探 空站最近的格点作为对应探空站的n c e p 资料。通过计算1 6 9 个探空站资料与再分析资料 全年和不同季节6 年( 2 0 0 3 - 2 0 0 8 ) 在各层的标准误差( s e ) 与平均偏差( b i a s ) ，对比它 们在空间分布上的特征。并参考变量在全年和不同季节6 年( 2 0 0 3 2 0 0 8 ) 的平均场以及 再分析资料2 4 d 时自身变率( v a r i a b i l i t y ) 场( 艿) ，从而探讨偏差的时间、空间及高度 分布特征及来源。 标准误差定义为： s e = 平均偏差定义为： b i a s = 矗一4 7 2 4 d 时变率定义为： 占= 公式中4 是要素的预报场，4 一l 是前一天要素再分析场，a o 是要素的实况场，n 是格 点数。 3 2 再分析资料各要素场的不确定性分析 3 2 i 再分析位势高度场不确定性分析 比较了6 年( 2 0 0 3 2 0 0 8 ) 全球5 0 0 3 0 h p a 各层位势高度场探空资料与再分析位 势高度场标准误差在全年和不同季节的分布状况，可以看出高度场标准误差高值区主要 分布在3 0 。s n 之间。东半球低纬地区( 印度洋沿岸) 是标准误差高值区的主要集中区 ( 5 0 0 3 0 h p a ) ( 图3 1 、3 2 和图3 3 ) ，标准误差普遍大于2 1 0 m ；另外，在俄罗斯亚洲 区也表现为高值区，最大大于1 8 0 m ；在朝鲜地区标准误差也偏高，在2 0 0 h p a 最强，标 准误差大于2 1 0 m ( 图3 1 e ) ；在美洲东海岸及格陵兰岛南部在5 0 h p a 出现标准误差高值 区，最大大于2 1 0 m ( 图3 3 a ) ；在南美地区东北部与中部在7 0 h p a 也出现标准误差高值 区，最大大于2 1 0 m ( 图3 2 e ) 。位势高度场标准误差随高度升高变大，但是在内陆地区 标准误差普遍小于6 0 m ，甚至在北美、澳大利亚和东亚存在小于2 0 m 的区域，高值区主 要沿海岸线分布，季节差异不明显。 对比探空资料对再分析资料的平均偏差分布，可以看出探空资料对再分析资料，在 北美地区5 0 0 3 0 h p a 表现为系统性偏低，平均偏差一直为负，在2 0 0 h p a 最强，小于负 6 0 m ( 图3 1 ，f ) ；在欧亚大陆表现为系统性偏高，在东北亚一直有正偏差中心存在，并 大于l o o m ，并在5 0 h p a 达到最强( 图3 3 b ) ；在印度地区5 0 h p a 以下表现为系统性偏低， 最小小于负6 0 m ( 图3 1 b ) ，但在5 0 h p a 转为系统性偏高，且最大大于1 0 0 m ( 图3 2 f ) ， 平均偏差发生逆转。印尼地区在1 0 0 、7 0 、3 0 h p a 表现为系统性偏低，普遍小于负6 0 m ， 但是在5 0 h p a ，低中心消失。标准误差的高值区普遍对应着平均偏差的中心区，标准误 差和平均偏差分布基本一致，所以标准误差可以由平均偏差很好的解释。 同时参考平均位势高度场，平均场在标准误差高值区3 0 。s n 之间一直表现为等高 线高值区；俄罗斯亚洲区和北美东海岸的标准误差高值区对应了亚洲大槽、北美大槽， 8 与平均偏差分布吻合，标准误差的分布与再分析平均场密切相关。再对比再分析位势高 度2 4 小时变率场，变率场的高值区主要在6 0 。s i n 附近，且在海洋地区偏高，而在3 0 。s n 之间表现为低值区。普遍小于2 0 m ，远远低于其标准误差高值，不能解释标准误 差来源，因此在使用这一地区再分析高度场资料时需要特别注意。 可以看出，再分析位势高度场随高度升高标准误差变大，标准误差分布与平均偏差 吻合，主要受平均位势高度场的影响。标准误差在内黯地区普遍小于6 0 m ，高值区主要 分布在3 0 。s n 之间，井呈沿海岸线分布状。由于再分析位势高度场的质量主要受观测 资料的影响所以这一现象主要是由陆地观测站密，海洋观测站缺少造成的。 cm eh g 5 0 0 h p o ( 0 5 0 b ) 鬟 e 善磊亏擎霉卑i f ，尸，鼍o ，r d v o re o b lj i 口h g l5 0 0 h p o ( 0 3 一0 8 1 哥习i 手弓号哥号产紫嚅，曙中焉三f 再；铲甄i 尸甲曙_ ， 83 1 位势高度器监鬈螺孺襞嚣3 豪嚣i ；：i ：嚣鬻i ：搂茎嚣嚣：m ) 吾刁二f 吾瑶弓乒擎肾碍哗f r # 焉习e 铲车习p ，崎 尸尸r d”o n o b i “hh g t1 0 0 h p o ( 0 30 8 ) 图3 2 位势高度i o o h p 舡) 标准误差s e 场、 7 0 l l p “e 1 标准误差s e 场、燃量臻簿撩躐鬻嚣詈( 0 偏差b i 船场、( g ) 平均场、( h ) 变率场( 单位：m ) 焉；焉乏萨蓦_ 二尸 尸呵o f 曙卜 d v o r ，| o b i , l t yh g ls o h p o l 0 5 一0 8 1 h 郾3 位势高舢3 0 “h p 翟燃誊辇s 8 e 臻、嬲麓鬻 辫i 甏：罐鬻：豁： 砒c ) 标准误差场、( o 偏差b 出场、( g ) 平均场、( h ) 变率场( 单位：m 3 2 2 再分析温度场不确定性分析 从标准误差的分布来看( 图3 4 、3 5 与36 ) ，温度场标准误差分布特征与位势高度 场十分相似。温度场标准误差高值区主要分布在印度及盂加拉湾地区，以及非洲中部和 南部( 印度洋沿岸) ，标准误差晟大普遍大于5 c ：在朝鲜半岛地区也存在高值区，在 1 0 0 h p a 时最强大于5 c ；在新几内亚地区有高值区，在1 0 0 - 7 0 h p a 最强，大于5 c ； 在俄罗斯亚洲区和南美洲也有高值区存在。但陆地地区标准误差普遍小于2 c t 并且在 北美、澳大利亚、欧洲标准误差小于15 c ；高值区也表现为沿海岸线分布；季节差异 不明显，随高度变化不明显。 对比探空资料对再分析资料温度场平均偏差的空间分布，可以看出随着高度升高， 偏差减弱：探空资抖与再分析资料相比，在亚欧大陆中高纬地区表现为系统性偏高，但 都不超过l ；偏差在印度和盂加拉湾地区表现为系统性偏高，一直大于2 ；朝鲜半 岛地区存在系统偏低在1 0 0 7 0 h p a 最强( 图3 3 0 ，小于2 ；青藏高原在1 0 0 h p a 以 下表现为系统性偏高平均偏差小于1 5 ，在1 0 0 h p a 咀上转为偏低，但平均偏差小于 1 ：在美洲、印度、东南亚地区在5 0 0 - - 2 0 0 h p a 表现为系统性偏低，2 0 0 - 7 0 h p a 转为系 统性偏高；澳大利亚2 0 0 h p a 以下表现为系统性偏高，以上表现为系统性偏低，7 0 h p a 最强。可以看出，标准误差的分布与平均偏差的分布一致，平均偏差可以很好的解释标 准误差的来源。 参考再分析平均温度场，可以看出印度半岛地区在1 0 0 h p a 以下对应高温中心， l o o h p a 咀上对应着低温区，赤道地区对流层顶可以达到l o o h p a 湍流活动很强，是水 汽从对流层到平流层输送的重要区域，因此这一地区的标准误差高值可能受其影响，但 在其它标准误差高值区很难解释。再考虑再分析温度场2 4 小时变率场，变率场的高值 区主要分布在6 0 。s n 附近，且在海洋地区较强，与位势高度场2 4 小时变率场一致： 在3 0 。s n 之间变率场为低值区，普遍小于l5 ，远远低于其标准误差场，因此在使 用这一地区再分析温度场资料时要特别注意，而且，2 4 小时变率也根难解释标准误差来 源。 再分析温度场标准误差睫高度变化不大，分布与平均偏差吻合。印度半岛地区标准 误差商值区可能受平均温度场的影响。标准误差在内陆地区普遍小于1 5 c ，高值区主要 沿海岸线分布，这一特征与位势高度场十分相似。由于再分析温度场的质量也主要受观 测资料的影响，所毗这一现象主要是由陆地观测站密，海洋观测蛄缺少造成的。 酊5 温度度1 瓣糯；鬟萎蒸：盎灌三臻撵潦罐嚣譬塞善； ( 平马产平鼍p _ ，_ r 三f 晋雩孕唔i 尸嚼田p 鼍_ r 卧“度赝5 ”“：亲莲鬟”嚣：普嚣。b 蝴i a s 5 、, 3 0 h p a ( 。s e 擗龆? 鬟鬻龆善) 标准误差场、( o 偏差b j 场、( g ) 平均场、m ) 变率场( 单位： 3 2 3 再分析风速场不确定性分析 探空资料对再分析风速场的标准误差在1 0 0 h p s 及 i l 下的3 0 0 n s 附近表现为大值 区7 0 o h p a 的6 0 。n s 附近表现为大值区，最大在3 0 0 正0 0 肌并大于5 0 r e s ( 图3 7 f ) ； 1 0 扯5 0 ”a 随高度升高标准误差有所减弱，在3 0 ”a 又有所加强。标准误差的分布有明 显的冬夏季节差异，冬季北半球高，夏季相反；如5 0 h p a 冬季标准误差高值区在6 0 。n 附近最大大于3 5 m s ( 圈3 1 0 c ) ，夏季标准误差高值区在6 0 。s 附近最大大干4 5 m s ( 圈 3 1 0d ) 。 比较平均偏差的结果，主要表现为平均偏差在内陆地区普遍小于1 5 1 r g s ，平均偏差 大于2 m s 的地区主要沿海岸线分布；季节差异不明显；平均偏差高值主要分布在3 0 。 n 及赤道附近，最大偏差出现巴基斯坦和印度南部地区，在1 0 0 - 7 0 h p a 最强，大于7 m s ， 偏东风：偏差主要集中在东北半球低纬地区。 可以看出，风速物标准误差的分布与平均误差的分布并不一致，这与温度场和位势 高度场形成鲜明对比。那么标准误差是由什么因素决定的昵? 通过分析再分析风速场平 均场和再分析风速场变率场进一步探讨标准误差的时间、空问及高度分布特征及 来源。 我们发现在5 0 肛1 0 0 l p a 标准误差高值区3 0 。n s 附近再分析平均风速场为西风急 流区，2 0 0 ”a 最强，太于4 0 r i g s ( 图3 7g ) ，这一区域同样也是风速场2 4 小时变率场的 高值区，最大大予2 4 m s ( 翻37h ) ，并且标准误差远远高于变率，这表明风场资料在 1 8 寓蠹 这一区域有粮强的不确定性，并且这种不确定性主要是由于再分析再分析风速场自身变 率和平均风速大小决定的。而在7 0 - - 3 0 h p a 标准误差高值区6 0 。s 附近平均风场也为急 流区，变率场也为高值区标准误差也远远高于变率，风场资料在这一区域有很强的不 确定性。标准误差高值区与平均风场急流区和2 4 小时变辜场高值区非常吻合，并且急 流的强弱与标准误差大小成正比。在冬夏季标准误差高值区的分布也与平均风速场急流 区分布吻合( 图3 1 0 ) 反映了极涡的冬夏季南北差异。因此风速场的标准误差分布与 急流区及自身变率密切相关，并充分体现了大气环流的季节分别。 再分析风速场平均偏差高值区沿海岸线分布，体现了与温度、位势高度场相同的海 陆差异。 酊“躺1 燃糍嚣姜：攫三臻勰蒜搿龆。n v s ： f 耳；乒乎霉l 卿，呵_ _ 吾于气f 平嘿咖产舞p ，一 囝3 “风速5 嚣燃墨麓嚣嚣：罐嚣象样嚣j 罐麓冀警。r e s ，) 禽蠢 孕互尸哥墨萨唧_ 甲霸r 于= ；f 哥葛产碍p 呵， - 产f 耳= f 鼍野甲尸尸r 干二 二= 半鼍p 砰_ 甲r 鼬”主嚣嚣5 ”0 h f a “( b 船) 耋b “i a s 盏：潆；墓要2 ：替i 嚣：嬲嚣：船n 嬲q s 夏季风速场很差场、h ) 标准误差s e 场、( 0 平均糟、0 ) 至翠场( 单位： ) 此外由于美国的公益业务机构服务产品主要定位于本土，然后才是面向全球，我 们可以看到在北美地区三个变量的标准误差都没有明显的高值中心存在t 表现要好于 其它陆地地区。因此在使用n a 洲c a r 再分析资料时也需要特别注意。 3 3 本章小结 通过全球1 6 9 个铡站探空资料与n c e p n c a r 再分析资料在不同季节6 年( 0 3 - 0 8 ) 上对流层到下平流层位势高度、温度与风速场比较，可以得到如下结论： l 由于再分析位