ERA-Interim气温数据在祁连山的适用性分析与校正研究

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全球气候变化是全社会关注的焦点,中国祁连山因其特殊的地理位置和复杂的地形对我国西北地区的区域气候和生态环境有着极其重要的影响。由于地面气象站点数量有限,传统的观测资料已不足以支撑更为精细的区域气候变化研究,亟需高时空分辨率的气温资料。本文的内容分为两个方面:(1)根据祁连山24个气象站点的气温数据,选取均方根误差(RMSE)、相关系数(r)和偏差(Bias)等误差指标检验欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecast,ECMWF)ERA-Interim再分析气温资料在祁连山山区的可信度。(2)根据ERA-Interim不同位势高度和位势温度构建不依赖于地面站点的气温直减率,利用气温直减率法Tt=Tref+(38)×△h对ERA-Interim的气温数据进行高程校正,最后利用相关系数(r)、均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)等指标检验ERA-Interim气温再分析数据的校正效果。通过上述研究,得到如下结果:(1)从整体上来看,ERA-Interim能很好的表现出祁连山月均温、季节均温和年均温的变化规律。ERA-Interim日均温与观测值之间的相关系数为0.956至0.996,这表明ERA-Interim能很好的捕捉观测值的时间变化。然而,二者之间的均方根误差(root-mean-square-error,RMSE)的平均值为2.7℃,这表明ERA-Interim误差较大,直接用于单个站点的研究时需要谨慎对待。ERA-Interim气温与站点气温之间的偏差主要归因于二者之间的海拔高度之差。祁连山站点年均温1979-2017的平均增温速率为0.459℃/10a,ERA-Interim能比较好的捕捉气温增长信号(0.384℃/10a)。站点观测值和ERA-Interim气温在夏季的增长率都表现出最大值,分别为0.552℃/10a和0.481℃/10a。总体上,ERA-Interim能很好的模拟站点气温的变化趋势,经过误差校正,ERA-Interim适用于祁连山的气候变化研究。(2)根据ERA-Interim位势高度和位势温度构建了四种不依赖于地面站点的气温直减率,基于观测值构建了观测气温直减率,总计五种气温直减率。从整体上看,基于地面观测的气温直减率与四种ERA-Interim气温垂直递减率不同,6月和7月的变化幅度较大,其它月份ERA-Interim垂直递减率的变化幅度并不大。从季节上看,气温递减率在夏季和秋季最高,总体上在-6℃/km以上。而春季和冬季的气温直减率最低,总体上在-6℃/km以下。(3)基于五种气温直减率校正的ERA-Interim气温数据的结果,整体而言表现良好。校正前后的偏差对比发现,五种校正方法均能有效地校正ERA-Interim气温。从季节偏差上看,春季和秋季的校正结果最好,夏季和冬季的校正结果较差。五种校正方法在四个季节的平均绝对偏差分别为0.77℃、0.71℃、0.67℃、0.68℃和0.24℃。相关系数校正前后变化不大,大部分站点的相关系数都在0.9以上。校正后的均方根误差的表现情况最好,19个站点校正后的RMSE相比校正前来说有所减小,证明气温直减率方法能够有效降低ERA-Interim气温误差。五种校正方法在24个站点的均方跟误差的平均值分别为0.98℃、0.94℃、0.91℃、0.92℃和0.70℃。从多年增温趋势上看,ERA-Interim再分析气温和五种方法校正的气温均能很好的捕捉趋势特征。虽然基于观测值气温直减率的校正方法是最好的,但这种方法的缺点是依赖于地面观测站,很多高山地区并没有太多站点。因此对于无资料区,ERA-Interim构建的气温直减率简单易操作,便于推广。通过误差对比发现,基于ERA-Interim直减率的四种校正方法中,方法Ⅲ(直减率(38)700850)的校正效果最好,可以推广至其他山区。
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