何莉阳，苏传程，覃卫坚*，邓 悦，赖 晟，朱秋宇
（1.广西壮族自治区气候中心，南宁 530022；
2.广西壮族自治区气象信息中心，南宁 530022）
再分析资料是利用先进的数据同化系统及数值预报模式，将多源气象观测数据和模式预报融合，从而获取一套高分辨率、长时间序列的格点化多要素气象数据集。再分析资料具备空间覆盖完整，时间均一稳定等优点，自20 世纪90 年代出现以来迅速成为气象研究的主要资料来源之一［1-2］。目前全球应用较为广泛的再分析产品包括美国国家环境预测中心（NCEP）的CFSR［3］、美国航空航天局（NASA）的MERRA［4］，日本气象厅（JMA）的JRA-55［5］，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim 及ERA5［6-7］。数值模式、同化方案的差异以及观测资料的不确定性（站点迁移、观测系统变更、观测仪器更换）［8］使得再分析资料在实际应用中容易出现系统性偏差，因此对再分析资料进行适用性评估非常重要。
大量学者对再分析资料开展评估研究工作［9-13］。赵天保、谢潇等［14-15］指出中国区域内再分析资料可信度在东部地区优于西部地区，低纬地区优于高纬地区，再分析资料各个要素在不同区域、不同时段的适用性不同。针对再分析温度资料，单帅等［16］对再分析气温资料在中国北部积雪区适用性进行评估，指出再分析资料在东北地区偏差小，北疆地区偏差稍大，ERA5 整体表现好于JRA-55、CFSR 及MERRA2。孟宪贵等［17］的评估表明在山东省ERA5 气温质量优于ERA-Interim。朱景等［18］指出在浙江省ERA5 的地表温度、气温资料较ERA-Interim 有较大提高。殷悦等［19］指出CFSR 气温资料在浙江省存在较大冷偏差。丁敏等［20］指出JRA-55 气温资料在羌塘自然保护区适用性好于ERA-Interim、NCEP／NCAR 及NCEP／DOE 等。综上所述，不同再分析气温资料在不同地区效果各异。
2019 年，中国第一代全球大气／陆面再分析产品（CMA-RA、CMA-RA／Land）发布，采用GSI-3DVar 同化系统，空间分辨率为34km，时间分辨率为6h（大气再分析产品）和3h（陆面再分析产品）［21］。相较于其他再分析资料，CMA-RA 同化了更多中国基础气象数据，包括中国地面站、常规探空观测资料等［22］。CMA-RA 作为中国自主研发的再分析资料，保证了数据的自主性和可控性，资料质量对标国际第三代再分析资料水平，对促进气象业务和气候预测研究业务的发展具有重要且深远的意义。ERA5作为欧洲最新一代再分析产品，采用集合四维变分混合同化技术，代表当前再分析产品的最高水平。CFSR 作为第三代再分析资料，采用3DVar 同化技术，同样在气象业务中应用广泛。本文将对CMARA／Land、ERA5／Land 及CFSR 的气温资料在广西的适用性进行横向评估，对比资料质量，为高分辨率再分析资料在广西天气气候监测等业务应用上提供参考依据。
1.1 观测资料
本文所用观测资料为2020 年广西91 个国家观测站逐小时2m 气温，资料来自广西壮族自治区气象信息中心大数据云平台，数据经过初步质控，并将逐小时资料按业务规范处理为逐日资料，资料时间为世界时。
1.2 再分析资料
CMA-RA／land 再分析2m 气温资料来自中国气象数据网（https：／／data.cma.cn／CRA），时间分辨率为3h，空间分辨率34km×34km（0.3°×0.3°）；
ERA5／Land 再分析2m 气温资料下载自欧洲中期天气预报中心（https：／／www.ecmwf.int／），时间分辨率1h，空间分辨率0.25°×0.25°；
CFSR 再分析2m 气温资料下载自美国环境预测中心（https：／／rda.ucar.edu／），时间分辨率为6h，空间分辨率0.25°×0.25°。分别计算3 套再分析资料当日各个时次的算术平均值，处理为逐日资料，时间为世界时。
1.3 评估指标
采用差值、线性拟合等方法对再分析气温资料在广西适用性进行评估，并采用相关系数（COR），均方根误差（RMSE）及平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（ME）等评价指标［23-24］对广西91 个国家观测站分别进行评估。评价指标计算公式如下：
相关系数：
均方根误差：
平均绝对误差：
平均相对误差：
其中，Oi为观测值，Gi为再分析资料插值至站点的值，N 为参与检验的总样本数。
2.1 区域评估
使用最近邻插值法与双线性插值法2 种插值方法，将格点资料插值成站点资料。经对比，双线性插值法效果更优，因此文中选用双线性插值法。将3 套再分析资料分别插值到91 个站点，求取广西全区平均，由图1 可知，CMA-RA／Land 线性拟合度最优（r2=0.9975），ERA5／Land（r2=0.9877）和CFSR（r2=0.9874）线性拟合度次之。CMA-RA／Land、ERA5／Land 及CFSR 的线性回归系数分别均小于1，表明再分析资料倾向于低估气温值。再分析气温资料分布区间与观测值基本一致，不过3 套再分析资料均对气温在27℃以上的日数存在低估，2020 年广西全区日平均气温超过30℃的日数有7d，3 套再分析资料均没有气温达到30℃的日数。
图1 2020 年广西CMA-RA／Land（a）、ERA5／Land（b）、CFSR（c）逐日2m 气温再分析资料与观测值的散点图及分布区间柱状图（再分析资料（右侧），观测值（上侧），单位：d）
从2020 年广西全区平均2m 气温逐日时间序列图可知，3 套再分析资料均能较好重现气温的年内变化趋势，在气温波动较大的春季和冬季，再分析资料变化趋势始终与观测资料一致（图2a）。3 套再分析气温资料较观测值偏低（图2b），年平均误差（ME）小于0，整体呈冷偏差。表1 中各项评估指标表明CMA-RA／Land 气温资料整体表现良好，CRA-MA／Land 相关系数（COR）达到0.998，且误差波动范围小，能较好反映广西全区气温变化趋势，不过在夏季CMA-RA／Land 气温资料冷偏差较其他季节略偏大；
ERA5／Land 效果次之，相关系数0.993，3月至4 月中旬气温较观测值偏高，其余月份偏低，秋季、冬季误差范围增加；
CFSR 相关系数虽然也较高，达到0.993，但误差偏大，逐日气温比观测值偏低约1～3℃，部分日数偏低3.5℃以上，CFSR 均方根误差（RMSE）、年平均绝对误差（MAE）均大于CMARA／Land 和ERA5／Land 的相关误差。
图2 2020 年广西CMA-RA／Land、ERA5／Land、CFSR 2m 气温再分析资料与观测值（OB）逐日时间序列（a）及误差（b）
表1 2020 年广西2m 温度观测值与CMA-RA、ERA5、CFSR 再分析资料的相关系数（COR）、均方根误差（RMSE）、年平均绝对误差（MAE）、年平均相对误差（ME）
从2020 年广西年平均气温分布图（图3）可见，3 套再分析资料均能反映出南暖北冷的气温分布特征，CAM-RA 和ERA5 对气温由北向南阶梯变化的分布特征的刻画效果好于CFSR。在地势相对平缓的沿海及桂中地区，再分析气温分布与观测资料的一致性较好，但在地形复杂、高山多的桂北地区，3套资料气温分布较实际观测值出现不同程度低估，CFSR 最为严重。
图3 2020 年广西国家站2m 气温观测值与CMA-RA／Land（a）、ERA5／Land（b）及CFSR（c）再分析资料的年平均分布图（填色：再分析资料，圆点：观测值，单位：℃）
就广西区域平均而言，各项评估指标中CMARA／Land 效果最好，其对气温变化趋势的刻画，气温值准确度及气温分布特征都更贴近观测数据。ERA5／Land 对广西气温的模拟质量也比较好，能清晰反映广西气温变化。CFSR 可以展现气温随时间的变化趋势，但在桂北地区气温空间分布与观测值相比明显偏冷。
2.2 站点评估
将2020 年CMA-RA／Land、ERA5／Land 及CFSR逐日再分析气温资料插值到广西91 个国家观测站后，分别计算与观测值的相关系数、均方根误差、平均绝对误差及平均相对误差。分析再分析资料在广西不同站点上的表现可知：3 套再分析气温资料与91 个站点的观测值均呈显著正相关，通过99%的显著性检验。其中CMA-RA／Land 相关系数最高，有62 个站点相关系数超过0.99，占到总数的86.1%，这些站点集中在桂南、桂中，及桂北的河池、柳州一带；
在桂西北的百色及桂东北的桂林，CMA-RA／Land 相关系数在0.98 到0.99 之间，与ERA5／Land和CFSR 持平。ERA5／Land 和CFSR 只有2 个站点相关系数超过0.99。
CMA-RA／Land 气温资料与观测值的均方根误差范围在0～3℃，均方根误差在0～1℃的站点占总站点的46.1%，在1～2℃的占42.8%，大于2℃的仅占11.1%。ERA5／Land 气温资料与观测值的均方根误差范围在1～3℃，主要集中在1～2℃，占总站数的80.4%。CFSR 气温资料均方根误差较大，大于3℃的占到总站数的23.1%，而CMA-RA／Land 和ERA5／Land 均方根误差均未超过3℃。3 套再分析气温资料均方根误差表现出较为一致的分布特征，在桂西北、桂东北均方根误差较大，CFSR 尤为偏大，其余地区均方根误差较小。CRA-RA／Land 再分析气温资料的均方根误差由北向南逐渐减小，在沿海地区最小。
CMA-RA／Land 气温资料平均绝对误差最小，分布形式与均方根误差相似，由北向南逐渐减小。ERA5／Land 气温资料平均绝对误差也较小，北部湾沿海一带误差在0～1℃之间。CFSR 气温资料平均绝对误差明显大于CMA-RA／Land 和ERA5／Land。
通过计算插值到广西91 个观测站的再分析气温资料与观测值的平均误差，能更精确地找到冷偏差站点。再分析气温资料在大部分站点上呈冷偏差，仅少部分站点呈暖偏差，桂南及沿海地区冷偏差小，至桂西北、桂东北的边缘山脉附近冷偏差增加。有研究指出，再分析温度资料在高山地区比观测值偏低，与模式地形高度和观测站海拔高度两者存在差异有关［25］。桂西北山脉属于云贵高原边缘部分，多为陡坡，海拔1000～1500m，部分超过2000m［26］，3 套再分析资料在桂西北的复杂地形下均对气温有明显低估。相较而言，CMA-RA／Land 气温资料在桂北山脉冷偏差最小，ERA5／Land 次之，CFSR 冷偏差最大。CMA-RA／Land、ERA5／Land 只有少量站点的气温相对误差超过-2℃，而CFSR 在桂北乃至桂中有大量站点气温相对误差超过-2℃，从而导致CFSR 气温资料在广西全区平均时冷偏差严重（图2b）。就广西全区来说，CMA-RA／Land 相对误差最小，ERA5／Land 次之，CFSR 相对误差最大，且CFSR 在复杂地形下的气温值模拟不如前两者。
3 套再分析气温资料虽然都存在偏差，但偏差程度不同。综合来看，CMA-RA／Land 作为中国第一代再分析陆面资料，其气温数据在3 套再分析资料中表现最好，不论是对广西全区平均，还是在广西各站点上检验，CMA-RA／Land 各项评估指标均为最优。ERA5／Land 气温再分析资料效果也较好，且时间分辨率较高（逐1h），同样在广西具备良好适用性。CFSR 再分析资料在广西大部均方根误差偏大，冷偏差明显，虽然可以展现气温变化趋势，但不能精确反映实际气温值，在广西的适用性较差。
本文基于2020 年广西91 个国家观测站资料，对CMA-RA／Land、ERA5／Land、CFSR 等3 套再分析资料采用相关系数、均方根误差、平均相对误差、平均绝对误差等评估指标进行适用性研究，主要结论如下：
（1）CMA-RA／Land、ERA5／Land、CFSR 均能较好刻画2020 年广西全区平均气温的时间变化趋势，CMA-RA／Land、ERA5／Land 对气温空间分布模拟效果较好。
（2）再分析气温资料整体呈冷偏差，在桂北山脉地区最明显，相较而言CMA-RA／Land 与实际观测值最接近、ERA5／Land 次之、CFSR 冷偏差明显。
（3）整体看来，CMA-RA／Land 在广西适用性优于ERA5。CMA-RA／Land 各项评估指标在全区平均及91 个站点上的表现均为最好。ERA5 在广西适用性也较好，CFSR 适用性较差。
需要指出的是，文中基于2020 年的逐日气温数据对3 套再分析气温资料进行横向评估，强调再分析资料对年内逐日气温演变的复现能力。考虑到资料时间序列较短，存在一定局限性，未来将进一步完善更长时间尺度，如年际、年代际的适用性研究。
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