第42卷第4期2020年12月
Vol.42，No.4Dec.，2020
冰川冻土
JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY
中山站-Dome A 断面的适用性分析
朱江萍1，2
，谢爱红1，丁明虎3，赵聪4，郭晓寅3，
胡婉嫔1，2，徐冰1，2
，秦翔1
（1.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；
婉嫔3.中国气象科学研究院，北京100081；
4.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都611756）
摘要：2017年中国气象局发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品（以下简称“中国再分析产品”）
CRA Interim ，通过对比CRA Interim 气温资料与中国在南极考察区域中山站-Dome A 断面气象站实测2m 气温、欧洲中期数值预报中心再分析产品（以下简称“欧洲再分析产品”）ERA Interim 和ERA 5相应的气温资料，分析了CRA Interim 气温在东南极中山站-Dome A 断面的适用性。结果表明：三种再分析产品均能反映研究区域的气温变化，均具有一定适用性，但是都存在一定偏差且适用性存在区域差
异和季节差异。CRA Interim 、ERA Interim 、ERA 5对中山站-Dome A 断面气温的解释方差分别为81.3%、87.1%、87.2%。中国与欧洲再分析产品对日均值与最低温的反演都呈现负偏差，CRA Interim 对最高温的反演表现为负偏差（-1.8℃），欧洲再分析产品则表现为正偏差（ERA Interim 和ERA 5偏差分别为0.5℃和0.8℃）。中国与欧洲再分析产品在位于冰盖边缘的中山站适用性最好，位于冰盖内陆的Dome A 次之，对Eagle 站气温的反演偏差较大。三种再分析产品对冬季气温反演最差，ERA Interim 对秋季气温反演最好，CRA Interim 和ERA 5对夏季气温反演最好。CRA Interim 、ERA Interim 、ERA 5对极端低温事件发生时最低温的解释方差分别为46.1%、76.9%、87.3%，对极端高
温事件发生时最高温的解释方差分别为59.9%、65.1%、73.6%，极端事件发生时ERA 5对极端气温的反演更为准确。2016年9月3日-13日极端低温事件主要受冷高压的影响，7月25日-8月6日极端高温事件主要受暖低压和暖舌的影响。CRA Interim 能够反演东南极中山站-Dome A 断面的气温及极端气温事件的变化，但对风场尤其是中山站风场的反演不准确。与欧洲再分析产品相比，CRA Interim 在中山站-
Dome A 断面的适用性较低，三种再分析产品中ERA 5更适于南极极端天气与气候的研究。关键词：CRA Interim ；ERA Interim ；ERA 5；东南极；气温；极端事件中图分类号：P 423.3
文献标志码：A
文章编号：1000-0240（2020）04-1145-13
0引言
气候变暖毋庸置疑［1］
，而南极是全球气候系统
敏感的关键区［2］
，在全球变暖的过程中起着不可替代的作用［3］。中山站-Dome A 断面是中国在南极的重点考察区域，具有重要的科学意义［4］。研究表明，在全球变暖背景下极端天气与气候事件频
发［5-7］，而气候变化正在影响着极端天气事件发生的强度和频率［8］，观测到的气温极值正在发生变化［9］。南极地区尤其是东南极内陆地区自然条件恶劣，自动气象站（AWS ）分布稀少［10］，而再分析产品以格点的形式储存，可以将AWS 稀少地区的数据进行扩展，为研究提供了便利［11］，因此分析这些再
DOI ：10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1158
ZHU Jiangping ，XIE Aihong ，DING Minghu ，et al.Applicability analysis of the air temperature in the CMA Global ReAnalysis product CRA Interim in the section from Zhongshan Station to Dome A ，East Antarctica ［J ］.Journal of Glaciology and Geocryology ，2020，42（4）：1145-1157.［朱江萍，谢爱红，丁明虎，等.中国第一代再分析产品CRA Interim 气温在东南极中山站-Dome A 断面的适用性分析［J ］.冰川冻土，2020，42（4）：1145-1157.］
收稿日期：2019-07-09；修订日期：2019-11-20
基金项目：国家自然科学基金项目（41671073；41476164；41425003）资助作者简介：朱江萍（19
97-），女，黑龙江双鸭山人，2018年在兰州大学获学士学位，现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读博士
研究生，从事极地气候研究.E -mail ：*******************
通信作者：谢爱红，副研究员，从事冰冻圈与气候研究.E -mail ：*************.
42卷
冰川冻土分析产品对中山站-Dome A 断面气温反演的准确性，对利用再分析产品进行相关研究的可信度具有一定的参考意义。
全球大气再分析是利用当前最先进并固定的同化系统，对地面、高空、卫星等观测资料进行同化分析，从而获取大气及下垫面要素分析场［12］。常用的再分析产品有美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR ）再分析产品NCEP -1、NCEP/美国能源部（DOE ）大气模式相互比对计划的再分析产品NCEP -2、欧洲中期数值预报中心
（ECMWF ）的再分析产品（以下简称“欧洲再分析产品”）ERA Interim 、日本气象厅（JMA ）用于实时业务的气候数据同化系统的再分析产品JCDAS ［13-15］。大气再分析是衡量国家气象综合实力的有效工具，为摆脱气象业务和科研上对欧美的依赖，我国开始着手研发再分析产品［16］。中国气象
局于2017年12月发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品（以下简称“中国再分析产品”）逐6小时预报场
CRA Interim ，它是采用美国GFS 模式和GSI 同化系统，并考虑背景场卫星辐射率、探空变分偏差等
要素的订正计算后输出的再分析产品［17］，其水平分辨率为34km ，垂直分层64层，模式层顶为0.2hPa 。
对于欧美和日本再分析产品在不同地区的适
用性已有大量研究［18-27］，研究认为ERA Interim 在东南极地区的适用性优于NCEP -1、NCEP -2及JC⁃DAS ［18］，CRA Interim 降水资料在中国的适用性与ERA Interim 、JRA -55整体误差水平基本一致［17］，但是中国再分析产品在中国南极考察断面的适用性评估尚未有研究。2017年ECMWF 新发布了ERA 5气候再分析数据集，ERA 5的数据精度进一步得到提升［28］，其时间精度提高至1h ，模式顶层提高到0.01hPa ，水平分辨率为31km ，垂直分层137层［29］
（表1）。基于东南极中山站-Dome A 断面自动气象站（中山站、Eagle 站、Dome A ）2016年2m 实测气温（平均值、最高值、最低值），本文通过对比研究CRA Interim 与欧洲新一代再分析数据集ERA 5、已有研究认为适用性较好的ERA Interim 等三种再分析产品，分析CRA Interim 在中国东南极考察断面的适用性。
1
数据和方法
1.1
气象观测资料
本文使用2016年中山站（76.37°E 、69.37°S ，
海拔15m ）、Eagle 站（77.07°E 、76.57°S ，海拔
2852m ）、Dome A （77.35°E 、80.37°S ，海拔4093m ）三个自动气象站的2m 观测气温，数据来自于澳大利亚南极自动气象站数据集（http ：//au/）。位于中山站与Eagle 站之间的LGB 69站于2008年停止使用，因此不使用LGB 69站气温数据。中山站位于东南极冰盖海岸，Eagle 站位于冰盖内陆地区，Dome A 位于南极内陆冰盖最高点（图1）。由于南极积雪常年存在，AWS 的实际高度会随着积雪变化进行浮动［30］，并且Eagle 站和Dome A 常年处于逆温层中，这对AWS 观测气温的准确性有一定影响。相关研究表明，逆温及积雪对AWS 观测的1m 气温影响最大，对2m 气温影响较小［31］
，因
此在本文中不再对2m 气温进行修正。
表1
三种再分析产品说明
Table 1
Description of the three reanalysis products
再分析产品CRA Interim ERA Interim ERA 5
时间长度
2007-01/2016-121979-01/2019-081979年至今同化方案GFS/GSI -3DVar IFS Cycle 31r 2IFS Cycle 41r 2
水平分辨率/km
347931
时间分辨率/h
663
垂直层次/层
6460
137模式顶层/hPa
0.20.1
0.
01
图1中山站-Dome A 断面自动气象站分布（左上角小图中ZS 、E 、D 分别为中山站、Eagle 站、Dome A ）Fig.1
The automatic weather stations along the traverse
route from Zhongshan Station to Dome A （ZS ，E ，and D are abbreviations of Zhongshan Station ，Eagle Station ，
and Dome A ，respectively ）
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4期朱江萍等：中国第一代再分析产品CRA Interim 气温在东南极中山站-Dome A 断面的适用性分析1.2再分析产品
CRA Interim 的水平分辨率为0.3125°×
0.3125°，据此欧洲再分析产品（ERA Interim 和
ERA 5）选用与CRA Interim 水平分辨率最相近的0.25°×0.25°。三种再分析产品均采用高水平分辨率，这使三个AWS 位于不同格点，确保插值到站
点的气温彼此独立。鉴于CRA Interim 的时间分辨率为6h ，为保持资料的一致性，三种再分析产品统一采用6h 的时间分辨率。CRA Interim 数据由中国气象局提供，ERA Interim 和ERA 5数据均在EC⁃MWF （https ：//wf.int/）下载。再分析数据网格海拔高度与实际海拔高度有高程偏差，此偏差对冰盖边缘的再分析数据影响较大，因此利用气温垂直递减率6.5℃⋅km -1将再分析数据订正到实际高度［32］。1.3
方法
中山站-Dome A 断面地形相对平缓，大部分插值方法均适用于此断面［33］，其中反距离加权插值法（IDW ）综合了临近点及趋势面分析的渐变特点，适用于均匀格点的插值。再分析产品格点均匀分布，
因此利用IDW 方法将再分析数据插值到AWS 所在的经纬度，并对插值后的数据与实测数据进行均方根误差（RMSE ）、偏差（MB ）以及解释方差百分率R 2的计算。R 2越接近1，再分析产品对实测气温的反演效果越好；RMSE 表征两组数据的离散程度；MB 定义为实测数据与再分析数据之差，表示
再分析数据与实测数据之间的偏离程度，RMSE 和MB 数值越小，代表两组数据的一致性越好。
2
结果与讨论
2.1
CRA Interim 与ERA Interim 、ERA5的对比分析
欧洲的两种再分析产品（ERA Interim 和ERA 5）
对东南极气温反演的偏差基本相当，三种再分析产品对东南极中山站-Dome A 断面实测数据的解释方差均大于69.0%（图2），总体来说再分析产品可以反演出断面实测气温。在中山站-Dome A 整个断面上，再分析产品对日均值的拟合效果优于日极值且适用性呈现明显的地区差异：位于冰盖边缘的中山站适用性最好，位于冰盖内陆的Dome A 次之，与中山站和Dome A 相比，再分析产品对Eagle 站气温
的反演能力明显偏差。三种再分析产品对中山站日均温和最高温的反演均呈正偏差［图3（a ）和（b ）］，ERA 5对中山站最低温的反演呈现负偏差［图3（c ）］，与欧洲再分析产品不同，CRA Interim 对中山站最低温的反演呈现明显的正偏差；中国和欧洲再分析产品对Eagle 站气温的反演呈现负偏差且趋势基本相同［图3（d ）和（f ）］；再分析产品对Dome A 日均值和最低温的反演均以负偏差为主［图3（g ）和（h ）］，欧洲再分析产品对Dome A 最高温的反演呈现正偏差，但CRA Interim 对最高温的反演呈现负偏差［图3（i ）］。
在东南极中山站-Dome A 整个断面上，三种再分析产品对日均值的反演均呈现负偏差，其中
CRA Interim 的反演偏差为-1.3℃，ERA Interim 的反演偏差为-1.1℃，ERA 5的反演偏差为-1.0℃
；
图2三种再分析产品反演2016年实测气温的R 2和RMSE
Fig.2
Explained variance （R 2）and RMSE between the three reanalysis products and observed air temperatures in 2016
1147
42卷
冰川冻土CRA Interim 对最高温的反演呈现负偏差-1.8℃，ERA Interim 和ERA 5则呈现正偏差0.5℃和0.8℃；CRA Interim 对中山站-Dome A 断面最低温的反演偏差为-0.5℃，相较于ERA Interim 和ERA 5偏差（-2.3℃和-3.7℃）较小，但RMSE 较欧洲再分析产品大，总体来说中国再分析产品与欧洲再分析产品在东南极中山站-Dome A 断面的适用水平相当。CRA Interim 对中山站日均温、最高温、最低温的解释方差分别为90.5%、93.9%、85.5%，而对Eagle 站气温的解释方差分别为71.1%、70.5%、69.6%，CRA Interim 在中山站的适用性明
显优于Eagle 站，其在东南极中山站-Dome A 断面的适用性存在明显的地区差异。欧洲再分析产品与CRA Interim 类似，在中山站-Dome A 断面适用性表现出明显的地区差异，ERA Interim 和ERA 5对Eagle 站气温的解释方差明显低于中山站和Dome A 。CRA Interim 对东南极中山站-Dome A 断面日均值、最高温、最低温的解释方差分别为83.1%、82.7%、76.8%，ERA Interim 对应的解释方差为90.3%、84.1%、87.9%，ERA 5为89.6%、85.3%、86.7%。与欧洲再分析产品相比，CRA Interim 对最低温反演的准确性偏低，其解释方差较ERA
In⁃
图3
三种再分析产品与2016年实测气温的偏差
Fig.3
Daily bias （℃）between CRA Interim ，ERA Interim ，ERA 5and field observations in 2016for mean （a ，d ，g ），maximum
（b ，e ，h ）and minimum （c ，f ，i ）air temperature at Zhongshan Station （a ，b ，c ），Eagle Station （d ，e ，f ）and Dome A （g ，h ，i ）
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4期朱江萍等：中国第一代再分析产品CRA Interim 气温在东南极中山站-Dome A 断面的适用性分析terim 和ERA 5分别偏低11.1%和9.9%。NCEP -1、
NCEP -2作为第二代再分析产品，其对中山站-Dome A 断面气温日均值的解释方差分别为81.5%和73.7%［16］，与NCEP 系列产品相比，CRA Interim 在中山站-Dome A 断面的适用性（解释方差为83.1%）较好，CRA Interim 在中山站-Dome A 断面的适用性介于第二代（NCEP -2）和第三代（ERA Interim ）再分析产品之间。这可能是因为CRA In⁃terim 再分析产品采用模式所输入的资料，在ERA Interim 输入产品的基础上增加了近年最新发布的各种重处理卫星产品，以替换原来的同期实时业务
产品。而重处理卫星产品有以下优势：
①观测数更多，水平和垂直空间观测数有所增加，增加的量级与具体产品类型有关；②以ERA Interim 再分析产品为参照，重处理产品的偏差和均方根误差较实时业务产品小或相当；③观测数、偏差、均方根误差的整个时间序列更为稳定［16］。CRA Interim 采用三维变分资料同化（3D -Var ）方法，因此其适用性不如采用四维变分资料（4D -Var ）的ERA Interim 好，但是优于同样采用3D -Var 的NCEP -1、NCEP -2。
再分析产品可解释的月方差也表现出明显的地区差异（图4）
。中国和欧洲再分析产品对中山站
图4三种再分析产品的月度解释方差
Fig.4Monthly explained variance by CRA Interim ，ERA Interim and ERA 5for mean （a ，d ，g ），maximum （b ，e ，h ），
minimum （c ，f ，i ）air temperature at Zhongshan Station （a ，b ，c ），Eagle Station （d ，e ，f ）and Dome A （g ，h ，i ）
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