日本再分析资料介绍

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1、日本再分析资料介绍 日本再分析资料介绍 1 概述 1 概述 “再分析”过程，是利用最先进的数值天气预报资料同化系统，给出过去几十年高度一 致性的全球客观分析资料，也即过去相当长时间四维地球大气层数字化、格点化场资料。利 用这样的资料可以在过去天气演变数字化的“现实”中，开展各种模式试验和诊断分析，对 不同的模拟工具进行对比等。 从 20 世纪末开始，各国开展资料同化的水平如何，实际上在很大程度上决定着数值气 象预报的水平。 基于对再分析数据库独具的功能和迫切需求， 以及对再分析数据库的质量和 资料同化技术之间重要依存关系的认识，2001 年开始，日本气象厅（Japan Meteorologic

2、a l Agency，JMA）和日本电子能源工业中央研究所（Central Research Institute of Elec tric Power Industry CRIEPI）及一些研究机构和大学合作开展了日本 25 年再分析资料数 据集(Japanese Re-Analysis 25 years，JRA-25)的研发1。该数据集提供了包括温度、位势高度、相对湿度等 100 个多个气象学变量。日本气象厅的 25 年再分析计划中给出了 JRA- 25 再分析系统的流程示意图2。 JRA-25 数据集的时间范围为 1979 年 1 月 1 日至今，包括日值和月值两部分，其水平分 辨率为 1

3、20km，模式顶高度约 50km。JRA-25 再分析系统每天实时输出等压面坐标、混合 si gma 坐标和等熵面坐标的再分析产品和预报产品的定时值和月值产品， 以及一些物理诊断场 资料和雪深分析的定时值和月值产品，包含了位势高度、气温等一百多个要素类型。用户可 以从日本气象厅的网页上或者 Kazutoshi 等人 20073年发表的文章中获取详细的产品信息。本文仅对 JRA-25 数据集使用的观测资料、质量控制方法、数据同化和预报模型以及数据集 的评估结果等方面进行了简要介绍。 2 观探测资料和质量控制 2 观探测资料和质量控制 JRA-25 使用的观探测资料包括常规资料、卫星和遥感资料两部

4、分。正是由于 JRA-25 的 同化系统中使用了其它再分析资料未曾使用的气象数据，JRA-25 对东亚地区和热带地区的 分析效果相对较好。图 1 给出了 JRA-25 使用的观探测资料及各类观探测资料的资料来源和 使用时间范围3。 JRA-25 的再分析系统针对不同资料采用了不同的质量控制方法，主要包括如下几个方 面： （1） Blacklist3：通过观测资料分析，JRA-25 再分析系统将资料质量不符合要求的测站纳入黑名单中， 并通过自动检查和更新系统对所有测站资料进行实时监测。 黑名单中 的测站，如果新观测资料的稳定性符合特定要求，将重新纳入同化系统中；反之，黑名 单外资料稳定性不符合特

5、定要求的测站， 将被增加到黑名单中。 这种方法用于对常规资 料和卫星探测风场的质量控制，以及 TOVS 和 ATOVS 资料的质量控制。 （2） 对所有资料实施气候极值检查 （3） 对船舶、移动浮标和飞机资料进行轨迹检查 （4） 对地面天气观测报告和船舶资料进行一致性检查 （5） 对探空资料进行了探空仪器的误差订正以及气温和风场的垂直一致性检查。 （6） 对 TOVS 和 ATOVS 资料进行了误差订正和一维变分处理 （7） 对常规观测和卫星反演风场进行了重大误差检验和空间一致性检查 （动力学质量控 制） （8） 对电子散射记探测获取的海表风场进行整体质量控制（Group QC） ，具体方法可

6、参 考Nomura andTahara（1997）提供的说明4。 （9） 对 SSM/I（特种传感器微波图像）资料进行质量检查。 （10） 对部分卫星探测反演的风场进行了垂直层次的重新订正。 图 1 JRA-25 使用的观测资料 图 1 JRA-25 使用的观测资料 3 数据同化和预报模型 3 数据同化和预报模型 JRA-25 中，系统采用 6 小时的预报场作为模式的初始场不停的进行数据同化循环和分 析，构成了 JRA-25 的数据同化系统和预报模型。模式水平分辨率为 1.125，水平格点数 为 320160，垂直层次为 40 层，模式顶为 0.4hPa。模式采用了三维变分同化方法，同化变 量

7、包括温度、风场、相对湿度、模式面的地面气压、辐射亮温（TOVS/ ATOVS）以及可降水 量（SSM/I）等变量，地面分析则采用了 2 维 OI 分析方法，对温度、风场和相对湿度进行分 析。 Kazutoshi Onogi 等（2007）3对 JRA-25 预报模式的动力框架、对流参数化方案、云微物理过程、辐射方案、地面湍流通量和垂直扩散计算、重力波拖曳处理、陆面过程等进行了 详细的介绍，在此不进行具体阐述。 4 JRA-25数据集评估 4 JRA-25数据集评估 Kazutoshi Onogi 等（2007）从降水和热带可降水量、亚洲夏季风、亚热带的海上层积 云、热带气旋、土壤湿度、平流层准

8、两年振荡、地表温度、气温、和探空的对比效果、雪深 预报评分等多方面对 JRA-25 再分析资料的效果进行了评估和说明。由于篇幅所限，本文仅 给 JRA-25 在降水分析、热带气旋模拟效果以及和 ERA-40 的 25 年全球气温变化对比分析等 方面进行简要介绍。 4.1 降水分析 4.1 降水分析 图 2 给出 JRA-25 再分析资料、NCEP 再分析资料、ERA-40 再分析资料和 GPCP 提供的全 球平均降水时间序列的对比图。如果以 GPCP 的降水时间序列为标准，三套再分析资料都高 估了全球平均降水值。但从图上可以看到， JRA-25 中，1991 年菲律宾皮纳图博火山和 1982

9、年 墨西哥钦乔钠尔火山爆发形成的气溶胶对模式降水分析结果的负面影响要明显低于对 ERA-40 模式降水分析结果的负面影响。此外，90 年代中期以后，JRA-25 的降水分析结果相 对于 ERA-40 和 NCEPR-2 再分析资料的降水分析结果要更接近于 GPCP 的分析值。 Kazutoshi Onogi 等（2007）分析了 JRA-25 改进降水分析结果的原因，具体如下： (1) 在 JRA-25 研发前，全球大气模式的对流参数化方案已经有了极大提高。 (2) 对 TOVS 探空资料和红外通道资料的使用更加谨慎 (3) 使用 SSM/I 微波图像资料提高了热带海洋地区的降水分析结果。 图

10、 2 全球平均降水（mm） 图 2 全球平均降水（mm） 4.2 热带气旋分析 4.2 热带气旋分析 热带气旋风廓线反演资料（tropical cyclone wind profile retrieval data，TCR data) 对再分析资料中热带气旋的重现和周围环境的模拟十分有益。 图 3 给出热带气旋附近 海平面气压分析的一个例子。 控制实验表明， 使用热带气旋风廓线反演资料可以更好的分析 出热带气旋的位置和强度。 另一方面， 热带气旋风廓线反演资料在西北太平洋的影响相对有 限，这可能是由于该地区别的观测资料密度较大的缘故。和 ERA-40 资料对比结果表明，JR A-25 资料对热

11、带气旋的识别能力要明显强于 ERA-40 资料， 几乎接近 100%， 其对台风眼的分 析结果也要强于 ERA-40 资料（图略）。 图 3 海平面气压分析图 图 a 和图 c 描绘了 1990 年 9 月 15 日 18 时 00 分西北太平洋的热带气旋特征， 图 a 和图 c 描绘了 1990 年 9月 12 日 00 时 00 分东北太平洋的热带气旋特征。其中，图 a 和图 b 为使用了热带气旋风廓线反演资料得到的分析结果，图 2 和图 3 为没有使用热带气旋风廓线反演资料得到的分析结果，等压线间隔为 2hPa。 图 3 海平面气压分析图 图 a 和图 c 描绘了 1990 年 9 月

12、15 日 18 时 00 分西北太平洋的热带气旋特征， 图 a 和图 c 描绘了 1990 年 9月 12 日 00 时 00 分东北太平洋的热带气旋特征。其中，图 a 和图 b 为使用了热带气旋风廓线反演资料得到的分析结果，图 2 和图 3 为没有使用热带气旋风廓线反演资料得到的分析结果，等压线间隔为 2hPa。 4.3 25年全球气温变化分析 4.3 25年全球气温变化分析 图 4 给出了 JRA-25 和 ERA-40 这两个再分析资料数据集 70hPa、 500hPa 两个层次上的全 球月平均温度距平时间序列（1979-2005），图 5 则为 JRA-25、ERA-40、NCEP R

13、-1 三套再分 析资料和 CRU 资料的全球月平均地表温度时间序列（1979-2005）。这几个数据集对气温年 际变化特征的描绘 （特别是对 1997-1998 年由于厄尔尼诺现象导致的正温度距平的描绘） 基 本类似。此外，图 4 中，JRA-25 和 ERA-40 数据集均描绘出 1991 年菲律宾皮纳图博火山和 1 982 年 墨西哥钦乔钠尔火山爆发导致的平流层较大的气温正距平特征（70hPa 温度曲线）。 正是由于火山爆发导致的对流层冷却作用， 使得 1982-1983 和 1991-1993 年的厄尔尼诺现象 现象表现的相对较弱（图 4，500hPa 温度曲线） 图 4 全球月平均温度

14、距平时间序列（1979-2005） 图 4 全球月平均温度距平时间序列（1979-2005） 图 5 全球月平均地表温度距平时间序列（1979-2005） 图 5 全球月平均地表温度距平时间序列（1979-2005） 5 结论 5 结论 JRA-25再分析资料在资料处理过程中专门开发了一套关于TOVS辐射资料的同化方法、 陆 面过程反馈机制、基于COBE（Centenial in-situ Observation-Based Estimates of vari ability of SST and marine meteorological variables）数据集的SST和海冰资料的使用

15、以及三维臭氧日分布线的使用的分析技术， 并使用了其它再分析资料没有使用过的资料， 如 从其它国家获取的、更全面的历史常规资料、热带气旋风廓线反演资料、经过订正的静止卫 星云导风资料、数字化获取的历史积雪资料，等等。总的来说，JRA-25主要用于大尺度的热 带环流分析和热带气旋的气候研究，同时可以为历史天气事件分析提供相对高质量的数据。 此外， JRA-25再分析系统使用了包括中国雪盖资料在内的多种常规和遥感资料， 从某种程度 上可以认为JRA-25可能更偏重于气候诊断和分析的应用。 相对于其它再分析资料，JRA-25主要有如下几方面的优点： （1） 在所有再分析资料的6小时预报结果中，JRA-

16、25和观测资料的相关评分效果最好，特 别是热带气旋的预报效果尤为突出。 （2） 热带气旋的正确分析主要归功于热带气旋风廓线反演资料的同化。 （3） 亚热带大陆西海岸的低层云预报效果尤为突出。 （4） 中国地面天气报中的雪深资料和SSM/I反演获得的雪盖资料提高了积雪分析的效果。 需要说明的是，JRA-25再分析资料在平流层的全球平均温度时间序列中仍存在不连续 性，此外，JRA-25给出的亚马逊河地区的土壤相对较干，且降水量要少于其它再分析资料。 因此，用户在使用JRA-25资料过程中需要谨慎。 参考文献 参考文献 1 中国气象局培训中心. 2005年度国外气象业务会议评述. 咨询报告, 2006年第1期（总 第22期）. 2 JRA-25工作组. 日本25年再分析计划. www.jreap.org/publications/plan/jra25plan_e.pdf ,2 001-08-13. 3 Kazutoshi Onogi等， The JRA-25 Reanalysis. J