¹海南省气象科学研究所，海南 海口

²海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口

收稿日期：2022年3月21日；录用日期：2022年6月3日；发布日期：2022年6月15日

摘要

利用2008年南海西沙永兴岛观测站(16˚50'N, 112˚20'E)的地面资料与2020年季风爆发前后的高空资料，与CRA40、ERA5和CFSR三种再分析资料进行了对比分析，讨论了三种再分析资料在西沙海域的适用性。结果表明：对于地面资料三种再分析在西沙站的适用性较好，均能够反映出海气要素和海气通量的变化趋势及南海季风爆发时的变化，CRA40和CFSR的海温与观测值相关性一般且显著低于观测值，ERA5的10 m风速和观测值相关性较差且明显偏低，对于海表温度的相关性则较好，优于其他两种再分析资料。CRA40的感热通量与观测数据相关性一般，其主要原因可能是CRA40的海温偏低，ERA5的相关性略好于CFSR，但其均方根误差和平均偏差偏高，三种再分析资料对潜热通量均表现出了较高的相关性，但三种再分析资料的潜热通量均偏高。总体上CFSR的海气通量在西沙海域的适用性优于其他两种再分析资料。对于高空资料，CRA40在各高度与观测值均有很好的相关性，整体上明显优于其他两种再分析资料，对于风速、相对湿度和比湿CFSR和ERA5适用性较差，在各层的相关性均较低，均方根误差和平均偏差也偏大，CRA40的高空资料在南海的适用性优于CFSR和ERA5。

关键词

南海，再分析资料，适用性分析

Applicability Analysis of Three Reanalysis Data in Xisha Sea Area

Qi Luo^1,2*, Shaojun Liu^1,2, Tinglong Zhang^1,2, Daxin Cai^1,2, Ting Zhao^1,2, Jing Han^1,2

¹Hainan Institute of Meteorological Sciences, Haikou Hainan

²Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou Hainan

Received: Mar. 21^th, 2022; accepted: Jun. 3^rd, 2022; published: Jun. 15^th, 2022

ABSTRACT

Based on the surface data of Yongxing Island observation station (16˚50'N, 112˚20'E) in Xisha, South China Sea in 2008 and the upper air data before and after the onset of monsoon in 2020, the three reanalysis data of CRA40, ERA5 and CFSR are compared and the applicability of the three reanalysis data in Xisha sea area is discussed. The results show that the three reanalyses of surface data have good applicability in Xisha site, and can reflect the changing trend of air sea elements and air sea flux during the outbreak of the South China Sea monsoon. The correlation between the sea surface temperature of CRA40 and CFSR and the observed value is general and significantly lower than the observed value, and the correlation between the 10m wind speed and the observation data of ERA5 is poor and significantly lower. The correlation of sea surface temperature is better than the other two reanalysis data. The sensible heat flux of CRA40 is generally correlated with the observed data. The main reason may be that the sea surface temperature of CRA40 is lower, and the correlation of ERA5 is slightly better than CFSR, but its root mean square error and average deviation are higher. The three reanalysis data show high correlation to the latent heat flux, but the latent heat flux of the three reanalysis data is much higher. In general, the applicability of CFSR sea air flux in Xisha sea area is better than the other two reanalysis data. For the upper air data, CRA40 has a good correlation with the observation data on each height, which is obviously better than the other two reanalysis data on the whole. For wind speed, relative humidity and specific humidity, CFSR and ERA5 have poor applicability. The correlation in each layer is low. The root mean square error and average deviation are also large. The applicability of CRA40’s upper air data in the South China Sea is better than CFSR and ERA5.

Keywords:China South Sea, Reanalysis Data, Applicability Analysis

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1. 引言

再分析资料是融合了地面站点观测、卫星遥感、数值模式模拟的综合数据，是对大气情况的最优反映，目前已成为研究全球气候变化和认识大气运动规律的重要手段。从上个世纪90年代开始欧盟、美国、日本等实施了一系列大气再分析计划，到目前为止已经开发出了几代的再分析数据集。目前应用最为广泛的再分析资料有美国国家环境预报中心(NCEP)的NECP/NCAR、NCEP/DOE及CFSR，欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-interim、ERA5，日本气象厅(JMA)的JRA-25等 [1]，许多学者也利用它们做过研究：孟宪贵等利用ERA5对山东省周边10个站点的资料进行了评估，结果表明ERA5的海平面气压和2 m温度相关性优于2 m相对湿度和10 m风场，整体上优于ERA-Interim [2]；杨显玉等利用三种国际常用的再分析资料驱动WRF模式，并结合观测资料，对模式中不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案在青藏高原鄂陵湖、扎陵湖以及纳木错湖区域的感热、潜热通量等陆–气相互作用参量进行了适用性研究 [3]；朱智等利用1979~2010年中国805个站点的逐日地表温度观测资料和五种再分析地表温度资料，对五种再分析地表温度资料在中国区域的适用性进行了比较与分析 [4]。CRA40是中国第一代全球大气和陆面再分析产品，也填补了我国在全球大气再分析领域的空白，经过多家业务科研单位的试用评估，产品质量与国际第三代全球再分析产品质量总体相当。Xiaojing Yu等分析了CRA40在描述亚洲副热带西风急流特征方面的优势和局限性，并与ERA5和CFSR进行了比较，结果表明三种再分析资料结果基本一致 [5]；Li C等将1980~2018年间CRA40降水数据集与其他四种再分析资料进行了对比评估，结果表明CRA40在所有月份表现出最潮湿的偏差，尤其是在30˚N带的南部，且CRA40倾向于略微低估低降雨量，但高估高降雨量 [6]。通过再分析资料前人的研究取得了许多有意义的结果 [7] - [13]，然而作为一种利用资料同化技术把数值预报产品与观测资料融合起来的产物，再分析资料必然包含有数值模式、同化方案和观测系统变更等引入的误差，因而，再分析资料并不能完全取代观测资料来描述大气真实的状态，再分析资料的适用性能够影响到气候变化研究结果和气候模式验证的可靠性 [14]。

南海处于东亚季风区，是亚洲与澳洲、太平洋与印度洋的中间地带，是南北半球赤道气流交换的重要通道、太平洋信风和亚澳季风的交叉路口，地理上的独特性导致它与全球气候变化的一系列重大事件相关联 [15]。南海及邻近海域有地球上最暖的海表温度和最强的大气对流，南海季风爆发开启了从印度洋经南海到我国大陆的水汽通道，季风发展过程中的水汽输送成为东亚海–陆–气相互作用的重要形式和纽带。海气通量交换是海气相互作用的关键环节，海洋和大气间相互影响、相互作用的过程最初都是由海气界面通量交换来实现的 [16]。南海海–气界面的通量交换强烈地影响上层海洋结构及大气边界层结构，进而影响大气环流和海洋环流，造成不同尺度的气候变化，在一定程度上影响着东亚及我国的天气气候变化 [17]。认识南海海–气通量交换过程对于研究海洋环流模式，海气耦合模式及深入了解能量和水循环过程都非常重要 [18] [19]。为了深入了解南海海气相互作用的特点和南海季风爆发的机制，观测试验和对观测资料的分析研究是非常重要的，然而在海上进行长时间序列的观测难度和成本较高，现有观测资料难以满足研究的需求 [20]，因此利用利用再分析资料已成为非常必要的手段。再分析资料具有连续性好、时间序列长、分辨率高等优点，可以一定程度上弥补南海观测资料不足的问题。现有的几种再分析资料基本能合理地反映中国区域气候变化的时空分布特征，但与观测结果相比仍然存在一定的差异，而且不同的再分析产品在不同区域、不同时段的可信度也不一致，选取适合南海区域的再分析资料非常有必要。

鉴于此，本研究利用CFSR、ERA5和CRA40三种高分辨率再分析资料与南海季风爆发期间西沙观测站的地面和高空观测资料进行了对比分析，利用相关系数、均方根误差和平均偏差进行了误差分析，分析了三种再分析资料在南海的适用性，以期得到适合南海的再分析资料，为南海海气相互作用的研究提供依据。

2. 观测数据及再分析资料

2.1. 观测数据

地面观测资料选取了2008年5月1日~9月30日西沙永兴岛近海面层10 m风速、2 m气温、海表温度、相对湿度、感热和潜热通量等观测资料，2008年属于亚洲季风年，受国家重点基础研究发展计划973项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”支持，选取西沙永兴岛作为第四次海气相互作用观测试验基地，对季风从爆发到强盛和中断直至撤退的全部过程进行海气通量观测试验。观测中采用了多种新型的观测设备，获取了从2008年4月25日~2008年10月7日的海气要素资料2008年观测试验由于仪器先进、监控实时、维护良好，所得数据精度较高，具有很好的代表性和连续性 [18]。其中2 m气温和海表温度的时间分辨率为1分钟，10 m风速、相对湿度、感热和潜热通量的时间分辨率为30分钟，对变量均进行了日平均处理。高空资料选取了2020年5月1日~9月30日西沙永兴国家观测站1000 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa的气温、风速、相对湿度和比湿。为了提高数据准确性，对涡动观测数据进行了质量控制，包括野点剔除、感热通量的超声虚温校正等方面，剔除了其中明显异常的数据，然后将剔除和缺失的数据采用内插方法补齐。

2.2. 再分析资料

再分析资料是对观测资料(包括地面观测、卫星，还有雷达、探空、浮标、飞机、船舶等)进行质量控制，然后再同化入全球模式后，所获得的资料。一定程度上可以近似的认为是实际的大气状况。本研究选取了CFSR、ERA5和CRA40三种高分辨率再分析资料进行研究。

CRA40是中国第一代全球大气再分析数据集，由国家气象信息中心牵头，多部门、多单位参与协同创新，瞄准国际上前沿的同化方案，有层次地开展了多组全球大气再分析试验，提升了中国基础气象资料质量及同化效果，成功研制出全球大气再分析产品。CRA40时间分辨率6小时，空间分辨率34 km，垂直层次64层，模式层顶0.27 hPa，可在中国气象数据网查看(网址：http://data.cma.cn/analysis/cra40) [5]。

ERA5再分析资料是由欧盟资助、ECMWF打造的最新一代再分析资料，ERA5在其前身ERA-Interim的基础上实现了很大升级。ERA5 资料起始时间为1979 年，并持续更新至实时5 d以内，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚，时间分辨率为逐小时。ERA5再分析资料可在ECMWF的气象资料归档和检索系统下载(网址：https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home) [2]。

CFSR是NCEP第三代再分析产品。它是一个全球性的、高分辨率的、大气–海洋–陆地–表面–海冰耦合系统，旨在提供这一时期这些耦合域状态的最佳估计。CFSR全球大气分辨率约为38公里(T382L64)，时间分辨率6小时，可从以下网址检索下载(https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/climate-forecast-system-reanalysis-cfsr) [21]。

3. 结果分析

研究方法主要利用了相关系数(R)，均方根误差(RMSE)和平均偏差(Bias)进行了误差分析，其计算公式如下：

$R=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\left(X_{ob,i}-\overline{X_{ob}}\right)\left(X_{re,i}-\overline{X_{re}}\right)}}{\sqrt{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{\left(X_{ob,i}-\overline{X_{ob}}\right)}^2{\left(X_{re,i}-\overline{X_{re}}\right)}^2}}}$ (1)

$RMSE=\frac{\sqrt{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{\left(X_{ob,i}-X_{re,i}\right)}^2}}}{n}$ (2)

$Bias=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\left(X_{ob,i}-X_{re,i}\right)}}{n}$ (3)

其中X_ob是观测值，X_re是再分析资料的值。

3.1. 地面资料

三种再分析资料的地面气象要素众多，本研究选取了2008年2 m气温、海表温度、相对湿度、10 m风速等海气要素及感热、潜热通量等海气通量与观测资料进行对比分析。在三种再分析资料中，ERA5和CRA40的分辨率均为0.25˚ × 0.25˚，CFSR的分辨率为0.2˚ × 0.2˚，时间分辨率均为6 h。

图1是2008年5~9月西沙站2 m气温和海温观测值和再分析资料的对比，三种再分析资料能较好的反映出气温的变化趋势，相关系数均通过了0.01的显著性水平检验(表1)，与观测值相关性较高，同时也能够反映出5月中旬季风爆发时气温的显著下降。CFSR的相关系数为0.76，优于其他两种再分析资料，但CFSR的值比观测值明显偏高，均方根误差和平均偏差分别为0.56和0.41，CRA40的均方根误差为0.45℃，是三种再分析资料里效果最好的。对于海表温度，ERA5的变化趋势比CFSR和EAR40更接近于观测值，其相关系数达到了0.73，在5月中旬南海季风爆发时海表温度大幅下降，达到了观测期间的最低值27.81℃，而同气温类似，三种再分析资料均能捕捉到这一趋势。7月到10月期间三种再分析资料的值均低于观测的海表温度，尤其是CRA40和CFSR，其值显著低于观测值，均方根误差和平均偏差分别达到了0.86℃、−0.68℃和0.72℃、−0.53℃，ERA5的值更接近于观测值，其效果优于CFSR和EAR40。

图1. 2008年西沙站2 m气温和海表温度的观测值和再分析资料

图2是西沙站10 m风速和相对湿度观测值和再分析值的对比，ERA5的风速与观测值的相关性较差，整体上比观测值显著偏低，相关系数只有0.3，均方根误差达到了4.03 m./s。CFSR和CRA40的与观测值的相关性优于ERA5，相关系数分别为0.67和0.61，均方根误差和平均偏差也较低。在南海季风爆发时10 m风速有显著的增加趋势，三种再分析资料均能反映风速的显著增加趋势，但再分析资料的值均高于观测值。在6月中旬左右南海季风的二次活跃期风速又大幅度增加，CFSR和CRA40均反映了其变化，但CRA40表现出了一定的滞后性。ERA40和ERA5的相对湿度与观测值的相关性优于CFSR，分别达到了0.69和0.72，均方根误差和平均偏差也非常接近，在南海季风爆发时相对湿度也达到了最低值71.38%，ERA5和CRA40能够很好地反映这一变化趋势。而CFSR对于相对湿度的相关性较差，与观测值为负相关关系(−0.2)且显著低于观测值，未能反映出相对湿度的变化趋势。

海气通量交换是海气相互作用的关键环节，海洋和大气间相互影响、相互作用的过程最初都是由海气界面通量交换来实现的。一方面海洋通过感热、潜热交换过程影响大气边界层，提供水汽输送进而影响大气环流；另一方面海水运动的大部分驱动力也来自海气界面处的通量交换，海气界面处的感热通量、潜热通量以及辐射通量是影响海洋上混合层乃至季节温跃层变化的重要因子。

图3是感热通量和潜热通量观测值和再分析值的对比，CRA40感热通量与观测值的相关性一般，相关系数为0.45，低于ERA5的0.69和CFSR的0.67。在南海季风爆发的5月ERA5的感热通量值与观测值的相关性高于CFSR和CRA40，相关系数达到了0.88，ERA5的相关性较好，但其均方根误差和平均偏差偏高，CFSR的均方根误差和平均偏差分别为4.44 w/m²和−1.06 w/m²，整体上优于其他两种再分析资料。

图2. 2008年西沙站10 m风速的观测值和再分析资料

图3. 2008年西沙站感热和潜热通量的观测值和再分析资料

对于潜热通量，三种再分析资料均表现出了较高的相关性，三种在分析资料的相关系数分别为0.75、0.74和0.76，均方根误差和平均偏差也相近，CFSR略优于ERA5和CRA40。5月中旬南海季风爆发，风速和海气温差迅速增大，感热和潜热通量都有一定的增长，潜热通量也到达了观测期间的极值，三种再分析资料均能够很好反映该时期感热和潜热通量的显著增加趋势，CRA40的相关系数达到了0.92，高于ERA5的0.90和CFSR的0.91，但三种再分析资料的潜热通量均明显偏高。对于海气通量，CFSR在西沙海域的适用性略优于其他两种再分析资料。

表1. 三种再分析资料对于各地面资料的相关系数、均方根误差和平均偏差

注：^*通过0.01显著性水平检验；^**通过0.05显著性水平检验。

3.2. 高空资料

本研究选取了ERA5、CRA40和CFSR三种再分析资料2020年1000 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa的气温、风速、相对湿度和比湿与观测资料进行对比分析，其中CFSR资料缺少1000 hPa的比湿及各层的相对湿度。

ERA5在各层的气温与观测值相关性一般，CRA40和CFSR明显优于ERA5 (图4)，各层的相关系数均高于0.74 (表2)，通过了0.01显著性水平检验，均方根误差和平均偏差值也较低，尤其是CRA40，其各层的平均偏差均在0.1℃以下，优于CFSR。CRA40和CFSR在高层的相关性高于低层(1000 hPa)，ERA5各层则差别不大，三种再分析资料的平均偏差均在850 hPa高度处最大。

CFSR在各层的风速均明显高于观测值，尤其是在700 hPa和500 hPa，平均偏差分达到了4.94 m/s和16.52 m/s (图5)。CRA40在850 hPa高度的相关系数为0.61，其他三个高度的相关系数均超过了0.9，相关性显著优于ERA5和CFSR，ERA5在1000 hPa高度的相关系数为0.37，其他高度的相关系数均小于0.1，CFSR在各高度的相关系数均小于0.1，未通过0.05显著性水平检验。

同风速相似，CRA40对于相对湿度和比湿的相关性也显著优于ERA5和CFSR (图6、图7)。在1000 hPa高度处CRA40的相对湿度和比湿与观测值的相关系数分别为0.41和0.44，在其他高度均在0.8~0.93之间。CRA40的相对湿度在500 hPa高度均方根误差和平均偏差偏高，在其他高度均低于ERA5，ERA5的相对湿度在高层(700 hPa、500 hPa)的相关性优于低层(850 hPa、1000 hPa)，分别为0.28和0.33，相关性一般，低于CRA40，ERA5均方根误差和平均误差也偏高。CFSR的比湿在850 hPa、700 hPa和500 hPa处均明显低于观测值，均方根误差和平均误差高于CRA40和ERA5，CRA40和ERA5在各层的均方根误差和平均误差相近，但CRA40的比湿与观测值相关性显著优于ERA5。总体上CRA40高空资料在南海的适用性明显优于ERA5和CFSR。

图4. 2020年西沙站1000 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa气温的观测值和再分析资料

图5. 2020年西沙站1000 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa风速的观测值和再分析资料

图6. 2020年西沙站1000 hPa、850 hPa、700 hPa 和500 hPa相对湿度的观测值和再分析资料

图7. 2020年西沙站1000 hPa、850 hPa、700 hPa 和500 hPa比湿的观测值和再分析资料

表2. 三种再分析资料对于各高空资料的相关系数、均方根误差和平均偏差

注：^*通过0.01显著性水平检验；^**通过0.05显著性水平检验。

4. 结论

利用三种再分析资料与2008年南海西沙永兴站(16˚50'N, 112˚20'E)的地面观测资料和2020年的高空观测资料进行对比，分析了三种再分析资料在西沙海域的适用性，结果表明：

1) 对于地面资料三种再分析在西沙站的适用性较好，整体上均能够反映出海气要素的变化趋势及南海季风爆发时的变化。CRA40对于2 m气温、风速和相对湿度都表现出了较高的相关性，但是对于海表温度CRA40的相关性一般且显著低于观测值；ERA5的10 m风速和观测值相关性较差且明显偏低，对于海表温度的相关性则较好，优于其他两种再分析资料；CFSR对于2 m气温和风速效果较好，而CFSR的相对湿度与观测呈负相关且明显偏低，CFSR的海表温度与CRA40相近，也表现出偏低。

2) 三种再分析对于潜热通量的可靠性好于感热通量，CRA40的感热通量与观测数据相关性一般，其主要原因可能是CRA40的海温偏低，ERA5的相关性略好于CFSR，但其均方根误差和平均偏差偏高。三种再分析资料对潜热通量均表现出了较高的相关性，南海季风爆发时三种再分析资料也能够很好反映潜热通量的显著增加趋势，相关系数均达到了0.90以上，尤其是CRA40的相关系数达到了0.92，但三种再分析资料的潜热通量均偏高。总体上CFSR的海气通量在西沙海域的适用性优于其他两种再分析资料。

3) 对于高空资料，CRA40在西沙站各高度表现均出了很好的适用性，整体上明显优于其他两种再分析资料。CRA40和CFSR的气温在各层表现出了较高的相关性，相关系数均高于0.74，尤其是CRA40，其各层的平均偏差均在0.1℃以下，优于CFSR，ERA5在各层的气温与观测值相关性一般。对于风速、相对湿度和比湿CFSR和ERA5适用性较差，在各层的相关性均较低，均方根误差和平均偏差也偏大，CRA40则表现出了较好的相关性，在各层的相关性均较高，均方根误差和平均偏差也显著低于CFSR和ERA5，在南海的适用性优于CFSR和ERA5。

基金项目

海南省气象局青年基金(hnqxSJ202105)；国家自然科学基金(41775011)；海南省自然科学基金创新研究团队项目(2017CXTD014)；海南省自然科学基金(419QN330)。

文章引用

罗 琪,刘 少军,张廷龙,蔡大鑫,赵 婷,韩 静. 三种再分析资料在西沙海域的适用性分析
Applicability Analysis of Three Reanalysis Data in Xisha Sea Area[J]. 海洋科学前沿, 2022, 09(02): 96-107. https://doi.org/10.12677/AMS.2022.92011

参考文献