CRA40在中國地區(qū)GNSS水汽反演中的適用性評(píng)估與分析

劉夢杰 張衛(wèi)星 張鎮(zhèn)驛 樓益棟 梁宏 曹云昌

0 引言

水汽作為大氣中最主要的一種溫室氣體,其含量和分布變化可引發(fā)多種氣象現(xiàn)象,也會(huì)對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響,因此準(zhǔn)確獲取大氣水汽信息對(duì)于氣候分析和氣象研究十分重要．地基GNSS在近20多年來被證明是一種獲取大氣水汽含量的有效手段[1]．通常將GNSS觀測中的信號(hào)延遲歸算到天頂方向獲得天頂對(duì)流層總延遲(ZTD),減去天頂靜力學(xué)延遲(ZHD)得到天頂濕延遲(ZWD),其中ZHD可由模型(如Saastamoinen模型[2])精確計(jì)算,計(jì)算過程中需要測站處的精確氣壓．ZWD轉(zhuǎn)換為垂直可降水總量(PWV)則需要測站處的大氣水汽加權(quán)平均溫度(Tm)．在實(shí)際應(yīng)用中,Tm的計(jì)算通常利用測站處氣溫Ts基于Tm-Ts轉(zhuǎn)換公式[3]獲得,也可利用測站上空的大氣參數(shù)廓線積分求?。虼?準(zhǔn)確獲取測站處的氣壓、氣溫/Tm是高精度大氣水汽反演的關(guān)鍵．

氣象再分析資料具備時(shí)間和空間完整性的優(yōu)勢,能有效地獲取任意位置處氣壓、氣溫和Tm,此前已有不少研究對(duì)基于氣象再分析資料的這幾類參數(shù)的精度開展了較為系統(tǒng)的評(píng)估[4-8],例如Zhang等[9]對(duì)ECMWF最新發(fā)布的全球首款逐小時(shí)分辨率再分析資料ERA5在GNSS水汽反演中的適用性開展了系統(tǒng)評(píng)估,結(jié)果表明采用ERA5提供的氣象參數(shù),用于GNSS水汽反演在中國地區(qū)引入的額外誤差不超過1 mm．

中國氣象局自2013年底啟動(dòng)了我國第一代全球大氣再分析資料產(chǎn)品CRA40計(jì)劃,并于近期發(fā)布．總體目標(biāo)是建成我國第一代全球大氣再分析業(yè)務(wù)系統(tǒng),并建成40年(1979—2018年)全球大氣再分析數(shù)據(jù)集,質(zhì)量超過國際第二代,在中國區(qū)域接近或達(dá)到國際第三代大氣再分析資料水平．與國外全球大氣再分析資料相比,CRA40更強(qiáng)調(diào)探空、地面等中國特有常規(guī)觀測資料和風(fēng)云衛(wèi)星資料的同化應(yīng)用,對(duì)于中國地區(qū)的氣象研究有重大的價(jià)值．然而目前尚無文獻(xiàn)評(píng)估過CRA40在GNSS水汽反演中的適用性．本文主要工作如下:1)評(píng)估基于CRA40計(jì)算的測站處氣壓、氣溫、Tm和ZTD的精度和日變化信號(hào)的準(zhǔn)確性;2)對(duì)比CRA40和ERA5計(jì)算的四類參數(shù)在中國地區(qū)的差異．本文首先簡要介紹數(shù)據(jù)源及研究中使用的方法,然后分別展示氣壓、氣溫、Tm和ZTD的評(píng)估結(jié)果以及CRA40和ERA5的對(duì)比結(jié)果,最后給出中國地區(qū)內(nèi)通過CRA40獲取數(shù)據(jù)的一些結(jié)論．

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 地面氣象站觀測數(shù)據(jù)

對(duì)于氣壓和氣溫的評(píng)估,采用中國氣象局(CMA)2 349個(gè)地面氣象站2016年逐小時(shí)的觀測作為參考(可以在http:∥data.cma.cn/獲取),測站分布如圖1所示．使用這些數(shù)據(jù)時(shí)剔除了元數(shù)據(jù)與觀測記錄之中測站坐標(biāo)不一致的524個(gè)觀測站的觀測數(shù)據(jù)．

1.2 Radiosonde觀測數(shù)據(jù)

對(duì)于Tm的評(píng)估,采用Radiosonde觀測數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的Tm作為參考．Radiosonde觀測數(shù)據(jù)來自于Integrated Global Radiosonde Archive(IGRA)在中國地區(qū)的89個(gè)測站,測站分布如圖1．Tm通過下式計(jì)算:

(1)

1.3 GNSS觀測數(shù)據(jù)

對(duì)于ZTD的評(píng)估,采用中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)的269個(gè)GPS測站2016年觀測數(shù)據(jù)處理獲得的ZTD作為參考,GPS測站分布如圖1所示．GPS數(shù)據(jù)采用PANDA軟件事后PPP處理模式,具體細(xì)節(jié)參考Zhang等[10]使用的方法和策略．

圖1 地面氣象站、GPS測站、Radiosonde測站分布

1.4 再分析資料

本文評(píng)估了2016年用中國氣象局發(fā)布的CRA40(時(shí)間分辨率6 h,空間分辨率34 km)計(jì)算氣壓、溫度、Tm和ZTD的精度,分別以地面氣象站、Radiosonde測站和GNSS測站得到的參數(shù)作為參考,并同ECMWF發(fā)布的全球首款逐小時(shí)分辨率的再分析資料ERA5(時(shí)間分辨率1 h,空間分辨率30 km)進(jìn)行對(duì)比．本文使用到的氣象再分析資料產(chǎn)品全部為氣壓層產(chǎn)品,使用了氣壓、氣溫、比濕和勢高4個(gè)變量．由于CRA40的時(shí)間分辨率為6 h,因此對(duì)CRA40進(jìn)行線性時(shí)間內(nèi)插以獲得逐小時(shí)的數(shù)據(jù)．而對(duì)于空間的插值,直接使用水平的插值由再分析資料獲得站點(diǎn)處的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致較大的與高程相關(guān)的誤差,已有研究證實(shí)了這一點(diǎn)[11-13]．本文對(duì)不同參數(shù)的空間插值方法參考Zhang等[10]的方法．

1.5 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

分別以地面氣象站、無線電探空測站和陸態(tài)網(wǎng)GPS測站為參考,計(jì)算基于CRA40和ERA5獲取的氣壓、氣溫、Tm和ZTD誤差,統(tǒng)計(jì)誤差的平均值(BIAS)、標(biāo)準(zhǔn)差(STD)和均方根(RMS)．統(tǒng)計(jì)中剔除了誤差與誤差的平均值相差大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)．除了誤差的統(tǒng)計(jì)值,還對(duì)比評(píng)估了CRA40和ERA5獲取的氣壓、氣溫和ZTD的日變化信號(hào)特征．對(duì)于Tm,由于IGRA的Radiosonde觀測時(shí)間間隔為12 h,所以不做日變化分析．

2 氣壓及氣溫評(píng)估

2.1 氣壓評(píng)估

以地面氣象站數(shù)據(jù)為參考,基于ERA5和CRA40計(jì)算的所有地面氣象站測站處氣壓誤差平均BIAS、STD和RMS,如表1所示,RMS的地理分布如圖2所示,誤差分布直方圖如圖3所示．

從表1和圖3可以看出,CRA40獲取的氣壓的BIAS優(yōu)于ERA5,但STD和RMS較ERA5差,平均RMS分別為0.91和0.74 hPa．需要注意的是,CRA40由于經(jīng)過時(shí)間插值影響了準(zhǔn)確性,如果僅統(tǒng)計(jì)6 h分辨率產(chǎn)品,CRA40的STD(0.5 hPa)和RMS(0.6 hPa)均有明顯降低,與ERA5的STD(0.4 hPa)和RMS(0.7 hPa)接近．從圖2的RMS分布可以看出,東部地區(qū)的精度要明顯優(yōu)于西部地區(qū),這主要是由于西部地區(qū)地形較復(fù)雜引起的．

表1 氣壓、氣溫、ZTD和Tm差值的平均BIAS、STD、RMS

圖2 CRA40(上)和ERA5(下)氣壓(左)、Tm(中)和ZTD(右)與標(biāo)準(zhǔn)觀測值的差值的RMS分布

圖3 CRA40和ERA5氣壓誤差的BIAS(左)、STD(中)、RMS(右)的分布直方圖

對(duì)CRA40獲得的氣壓數(shù)據(jù)的日變化特征進(jìn)行分析,選取3個(gè)代表性測站(WMO編號(hào)58250、54416、51243)和3個(gè)日期(2016-03-08、2016-05-14、2016-10-06)的結(jié)果,分別繪制地面氣象站、CRA40、ERA5氣壓的日距平值,如圖4所示．從圖4中可以看出,由于CRA40使用了時(shí)間線性插值,在日變化的細(xì)節(jié)表現(xiàn)上相對(duì)較差,相比之下,小時(shí)分辨率的ERA5能更好地反映日變化的細(xì)節(jié),兩種產(chǎn)品總體上與地面氣象站的氣壓變化趨勢符合,沒有明顯的偏移．

2.2 氣溫評(píng)估

與氣壓評(píng)估類似,統(tǒng)計(jì)氣溫差值的BIAS、STD和RMS．ERA5和CRA40的BIAS、STD和RMS的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示．BIAS、STD和RMS的誤差分布直方圖如圖5所示．

從圖5和表1可以看出,CRA40獲取的氣溫的BIAS略差于ERA5,而 STD和RMS略優(yōu)于ERA5,CRA40和ERA5的氣溫誤差平均RMS分別為2.67和2.85 K．

對(duì)于氣溫,同樣對(duì)比分析其日變化特征．選取與氣壓評(píng)估中相同的測站和日期的結(jié)果,分別繪制地面氣象站、CRA40、ERA5氣溫的日距平值,如圖6所示．由圖6可以看出,同氣壓相比,ERA5和CRA40計(jì)算的測站處氣溫的日變化趨勢與地面氣象站符合更差,特別是54416測站在2016-05-14,后半段趨勢甚至出現(xiàn)相反的信號(hào)特征．

3 Tm評(píng)估

以Radiosonde測站計(jì)算的Tm數(shù)據(jù)為參考,基于ERA5和CRA40氣壓層產(chǎn)品通過空間內(nèi)插和積分計(jì)算的所有Radiosonde測站處Tm誤差平均BIAS、STD和RMS,如表1所示,RMS的地理分布如圖2所示,誤差分布直方圖如圖7所示．

圖4 在站點(diǎn)WMO編號(hào)58250、54416、51243(每排為同一測站)及2016-03-08、2016-05-14、2016-10-06處CRA40、ERA5、MET氣壓的日變化趨勢

圖5 CRA40和ERA5氣溫誤差的BIAS(左)、STD(中)、RMS(右)的分布直方圖

圖6 在站點(diǎn)WMO編號(hào)58250、54416、51243(每排為同一測站)及2016-03-08、2016-05-14、2016-10-06處CRA40、ERA5、MET氣溫的日變化趨勢

圖7 CRA40和ERA5的Tm誤差的BIAS(左)、STD(中)、RMS(右)的分布直方圖

從表1和圖7中可以看出CRA40的精度整體略優(yōu)于ERA5,平均RMS分別為1.47和1.54 K,從圖2來看,二者的分布也基本一致．由于Radiosonde觀測數(shù)據(jù)以12 h為間隔,本文不統(tǒng)計(jì)Tm的日變化趨勢．

4 ZTD評(píng)估

以陸態(tài)網(wǎng)的GPS測站估算結(jié)果作為評(píng)估ZTD的參考,CRA40和ERA5的平均BIAS、STD和RMS在表1中給出．RMS的分布如圖2所示,誤差分布直方圖如圖8所示．

從表1和圖8可以看出,CRA40的平均BIAS優(yōu)于ERA5,但平均RMS和STD均差于ERA5,平均RMS分別為13.5和11.4 mm．從圖2可以看出在站點(diǎn)RMS分布上CRA40的RMS普遍差于ERA5．

對(duì)比ZTD的日變化趨勢,同樣選取3個(gè)測站(編號(hào)ahaq、gsjn、tjbd)在3個(gè)日期(2016-03-08、2016-05-22、2016-08-31)的結(jié)果,日距平值折線對(duì)比如圖9所示．從圖9中可以看出來ERA5和CRA40均與GPS觀測值符合較好．與氣壓評(píng)估中類似,CRA40由于進(jìn)行了時(shí)間差值,在日變化細(xì)節(jié)上有所缺失．

圖8 CRA40和ERA5的ZTD誤差的BIAS(左)、STD(中)、RMS(右)的分布直方圖

圖9 在站點(diǎn)tjbd、gsjn、ahaq(每排為同一測站)及2016-03-08、2016-05-22、2016-08-31處CRA40、ERA5、GPS的ZTD數(shù)據(jù)的日變化趨勢

5 總結(jié)

本文評(píng)估了基于中國近期發(fā)布的新一代大氣再分析資料CRA40計(jì)算氣壓、氣溫、大氣水汽加權(quán)平均溫度(Tm)、天頂對(duì)流層總延遲(ZTD)等關(guān)鍵參數(shù)的精度,分析了CRA40在中國地區(qū)GNSS水汽反演中的適用性．在中國地區(qū),以2000多個(gè)地面氣象站參考,評(píng)估發(fā)現(xiàn)CRA40的氣壓平均BIAS、STD和RMS分別為-0.07、0.80和0.91 hPa,而ERA5為-0.35、0.48和0.74 hPa,CRA40略差于ERA5．日變化方面兩種再分析資料總體趨勢一致,CRA40由于時(shí)間分辨率為6 h,相比于ERA5,在日變化的細(xì)節(jié)上有所缺失．在氣溫評(píng)估中CRA40的平均BIAS、STD和RMS分別為0.78、2.46和2.67 K,而ERA5為0.73、2.62和2.85 K,CRA40氣溫略優(yōu)于ERA5．以89個(gè)IGRA無線電探空測站為參考的Tm評(píng)估,CRA40的平均的BIAS、STD和RMS分別為0.61、1.23和1.47 K,而ERA5為0.71、1.30和1.54 K,CRA40略優(yōu)于ERA5．以中國地區(qū)200多個(gè)陸態(tài)網(wǎng)GPS測站為參考的ZTD評(píng)估中,CRA40的平均的BIAS、STD和RMS分別為0、12.1和13.5 mm,而ERA5為-1.4、10.7和11.4 mm,CRA40差于ERA5,兩種氣象再分析資料計(jì)算的ZTD日變化均同GPS ZTD符合較好．