NCEP再分析資料和浮標觀測資料計算海氣熱通量的比較

黃艷松,宋金寶

(1.中國科學院 海洋研究所 環流與波動重點實驗室,山東 青島 266071; 2.中國科學院 研究生院,北京100039)

海-氣熱交換在海氣相互作用過程中起著非常重要的作用。海表凈熱通量(Fnh)包括向下短波輻射通量(Fds)、向下長波輻射通量(Fdl)、向上短波輻射通量(Fus)、向上長波輻射通量(Ful)、感熱通量(Hs)和潛熱通量(HL)。這些通量被用來驅動海洋模式并檢驗氣象預報模式結果的可信度。但由于現場觀測資料的匱乏,我們對這些通量參數了解很少。目前使用最廣泛的用于為海洋、大氣模式提供初始場且驗證模式結果正確與否的通量產品來自于 NCEP再分析資料。NCEP再分析資料是由美國國家環境預報中心(NCEP)和國家大氣研究中心(NCAR)協作,對來源于地面、船舶、無線電探空、探空氣球、飛機、衛星等氣象觀測資料進行同化處理后,研制的全球氣象資料數據庫,包含一天4次、日平均和月平均3種時間格式的數據。NCEP再分析資料分為兩個版本,即NCEP1(NCEP/NCAR Reanalysis 1)和NCEP2(NCEP/DOE Reanalysis 2)。NCEP2是NCEP1的升級版,兩者具有相同的分辨率且用的是相同的原始觀測數據,其感熱和潛熱通量算法相同,但兩者在涉及到輻射通量的一些參數上、同化數據源和同化方法是不一樣的[1-3]。關于NCEP再分析資料在世界大洋各個區域的可信性評估前人已經作了很多工作,包括：阿拉伯海[4]、熱帶太平洋[5-7]、東北大西洋[8-9]、拉布拉多海[10]、北大西洋的西邊界流[11]、南半球[12]、印度洋[13-14],中國南海[15]和中國東海[16]。NCEP再分析資料在不同區域表現不同,文獻[17]根據東南阿拉伯海的浮標資料結果指出 NCEP再分析資料低估了海表氣象學參數,進而低估了海表的感熱通量和潛熱通量; 文獻[4]應用阿拉伯海上另一點觀測資料,文獻[9]應用東北大西洋的浮標觀測資料分別指出NCEP再分析資料計算的湍流熱通量存在高估現象。比較研究表明 NCEP再分析資料與現場觀測資料計算結果之間的差異在不同的區域甚至同一區域不同時間內都是表現不同的[18-19]。

在本文研究中,我們對 NCEP再分析資料中的海表氣象學參數及其海表熱通量與布放在黃海北部的浮標觀測資料及通量計算結果進行了比較。對其可信度進行了初步檢驗和評估,以便為研究中國近海選用合適的再分析資料提供借鑒和參考。

1 觀測數據及數據處理方法

本文資料對應時間為2009年9月26日到2009年11月20日(世界時)。現場觀測資料來自于布放在黃海北部 122°44.355′E 和 39°02.908′N 的錨定浮標觀測數據,關于該浮標的具體描述可見文獻[20]。浮標上距離海面6.8 m左右的常規氣象站可以每分鐘輸出一次風速(U)、風向、大氣溫度(Tair)、大氣壓力(P)和相對濕度,應用Tair、P和相對濕度,我們計算出比濕Q; 海面以下0.2 m左右的水溫儀每5 s觀測一次水溫,我們將其作為海表溫度Tsea; 另外,在距離海面4 m左右的浮標桁架上還安裝了4個輻射儀,可以分別觀測Fds、Fdl、Fus和Ful,輻射通量也是每分鐘觀測一次。所有的數據在使用之前都經過了質量控制。6.8 m處常規風速儀觀測到的風速通過中性條件下對數定律[23]轉換成 10 m 風速U10; 感熱通量和潛熱通量是通過COARE3.0塊體通量程序[22]計算得到的。為了與NCEP再分析資料進行對比,我們對浮標觀測到的海表氣象參數、輻射通量和湍流熱通量進行日平均。

關于 NCEP 再分析資料日平均U10、Q、Tair、Tsea、Fds、Fdl、Fus、Ful、Hs和HL來自于兩個數據庫NCEP/NCAR Reanalysis 1與NCEP/DOE Reanalysis 2,分別命名為NCEP1和NCEP2。為了與浮標數據進行對比,我們采用最鄰近插值法將 NCEP再分析資料空間插值到錨定浮標的位置。

為了更細致地比較 NCEP再分析資料與浮標資料給出的海表氣象學參數和熱通量間的異同,我們考慮平均偏差、相對誤差、均方根誤差和相關系數4個統計量,計算公式如下：

其中Xi表示浮標資料時間序列,Yi代表NCEP再分析資料時間序列,上劃線代表平均值,“| |”表示取絕對值,σ代表均方差。

2 結果

2.1 氣象學參數比對

圖1給出了來自于浮標、NCEP1和 NCEP2的U10、Q、Tair、Tsea數據的日平均時間序列圖。可以看出 NCEP資料與浮標觀測資料之間還是存在一定差異的。表1給出了NCEP資料與浮標觀測資料中海表氣象參數及各種熱通量的對比,表 2給出了NCEP再計算熱通量(應用NCEP1、NCEP2海表氣象資料而采用 COARE3.0塊體通量程序計算出的熱通量)與浮標觀測資料計算結果的對比,包括平均偏差、相對誤差、均方根誤差和相關系數,計算方法見公式(1)～(4),表格中的Fns代表凈短波輻射通量(Fns=Fus-Fds),Fnl代表凈長波輻射通量(Fnl=Ful-Fdl),Fnr代表凈輻射通量(Fnr=Fns+Fnl)。

圖1 海表氣象參數日平均值的時間序列Fig.1 Time series plots of daily averaged values of marine meteorological parameters

圖1(a)為海面U10時間序列。可以看出,NCEP再分析資料與浮標觀測風速變化趨勢基本一致(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相關系數分別為0.76,0.79); 在風速小于11 m/s時,NCEP1和NCEP2風速資料一般要低于浮標觀測風速,NCEP2與浮標觀測的風速更接近; 當風速大于11 m/s時,NCEP1和NCEP2一般要高于浮標觀測風速,NCEP1與浮標觀測的風速更接近。該結果與文獻[15,16]存在相似性。文獻[15]給出了中國南海現場觀測資料和 NCEP2資料的對比,除科學3號比較結果外其他4組比較結果均在風速小于10 m/s時,NCEP2風速資料要低于浮標觀測風速。文獻[16]應用東海浮標資料指出當風速處于10～20 m/s之間時,NCEP再分析資料中的動量通量要高于浮標資料計算的結果,因為動量通量高也代表著風速高,所以這一點與本文風速的比較結果是一致的。對于整個比較期間,NCEP1風速與浮標風速之間的平均誤差為-1.22 m/s,平均低估風速達17.69%,NCEP2風速與浮標風速之間的平均誤差為0.22 m/s,平均高估風速為3.19%,NCEP2風速的長期平均值更接近于浮標風速的長期平均值。

表1 NCEP再分析資料與浮標觀測資料之間的比對Tab.1 Comparison of NCEP reanalysis and buoy data

表2 NCEP再計算湍流熱通量與浮標觀測資料計算結果的對比Tab.2 Comparison of NCEP recomputed turbulence heat fluxes and that from buoy data

圖1(b)為海面以上2 m處Q日平均值的時間序列。NCEP1、NCEP2和浮標的Q變化趨勢基本一致(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相關系數分別為0.96,0.96),NCEP1、NCEP2的Q在相對濕度較低時存在高估現象,NCEP2的Q更接近于浮標測量值。Q高估會造成潛熱通量結果低估。文獻[25]也指出在地球熱帶之外,NCEP1、NCEP2的Q普遍存在高估現象。對于整個比較期間,NCEP1的Q與浮標Q之間的平均誤差為 1.1 g/kg,平均高估Q達 16.18%,NCEP2的Q與浮標Q之間的平均誤差為0.3 g/kg,平均高估Q為4.64%,NCEP2的Q的長期平均值更接近于浮標Q的長期平均值。

圖1(c)為海面Tair日平均值時間序列。與Q比較結果相類似,NCEP1、NCEP2和浮標的Tair結果變化趨勢基本一致(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相關系數分別為 0.99,0.99); 在開始風速較弱的 6 d里,NCEP1、NCEP2的Tair存在低估現象; 6 d之后,NCEP1、NCEP2的Tair結果普遍存在高估現象,尤其是相對濕度比較低時更明顯; NCEP2的Tair結果更接近于浮標觀測值。文獻[17]指出在季風爆發前即弱風下 NCEP再分析氣溫資料存在低估現象,這與本文在弱風下得到的結論相一致。文獻[23]指出在地球熱帶之外,NCEP1、NCEP2的大氣溫度結果普遍存在低估現象,這與本文結果不太一致。對于整個比較期間,NCEP1 的Tair與浮標Tair之間的平均誤差為 1.22℃,平均高估Tair達 9.96%,NCEP2 的Tair與浮標Tair之間的平均誤差為 0.27℃,平均高估Tair為 2.24%,NCEP2 的Tair長期平均值更接近于浮標Tair的長期平均值。

圖1(d)為海表水溫日平均值時間序列。可以看出,NCEP1、NCEP2的Tsea資料與真實的Tsea總體變化趨勢相似(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的R分別為 0.97,0.97); 在大部分時間里 NCEP1、NCEP2的Tsea資料存在高估現象; 9月末NCEP1、NCEP2的Tsea資料存在低估現象; NCEP2的Tsea結果更接近于浮標觀測值。另外,NCEP再分析Tsea資料指的是皮溫,而我們浮標觀測到的Tsea指的是水下0.2 m左右的海水溫度,關于這兩種溫度的關系在文獻[24]中有詳細介紹。對于整個比較期間,NCEP1Tsea與浮標Tsea之間的平均誤差為 0.70℃,平均高估Tsea達 1.08%,NCEP2Tsea與浮標Tsea之間的平均誤差為0.27℃,平均高估Tsea為0.34%,NCEP2Tsea的長期平均值更接近于浮標Tsea的長期平均值。

2.2 通量對比

2.2.1 輻射通量

海面輻射通量由Fds、Fdl、Fus和Ful四部分組成。

圖2給出了來自于NCEP1、NCEP2和浮標的輻射通量日平均值時間序列圖。圖2(a)為Fds日平均值時間序列,可以看出 NCEP1、NCEP2的Fds與浮標觀測值之間存在一定的差異,普遍大于浮標觀測值,存在高估現象(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的平均誤差分別為 44.56,45.56 W/m2),變化趨勢大體一致(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相關系數分別為0.77,0.71); NCEP2的Fds相對于NCEP1改變不大,基本相等(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相對誤差分別為34.13%,34.89%)。圖2(b)為Fdl日平均值時間序列,可以看出NCEP1、NCEP2的Fdl普遍小于浮標觀測值,存在低估現象(NCEP1、NCEP2與浮標的平均誤差分別為-13.3,-26.07 W/m2),變化趨勢大體一致(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相關系數分別為0.90,0.93); NCEP1的Fdl大于NCEP2,與浮標觀測值更接近(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的相對誤差分別為-4.24%,-8.31%)。圖2(c)為USWR日平均值時間序列,可以看出 NCEP2的Fus與浮標觀測值比較接近,而 NCEP1要比浮標觀測值高很多 (NCEP1、NCEP2與浮標的平均誤差分別為21.47,1.33 W/m2)。圖 2(d)為Ful日平均值時間序列,可以看出除了在 9月末之外,NCEP1、NCEP2的Ful普遍大于浮標觀測值,存在高估現象(NCEP1、NCEP2與浮標觀測值的平均誤差分別為9.15,10.94 W/m2); NCEP再分析Ful資料不能反映出真實Ful的巨大變化; NCEP2的Ful相對于NCEP1改變不大,基本相等(NCEP1、NCEP2與浮標的相對誤差分別為 2.33%,2.78%)。從表 1中可以看出,NCEP再分析資料中的海面吸收的Fns、海面釋放的Fnl與浮標觀測資料相比存在高估現象,這與文獻[9]中表 2b中的結果相一致; 而針對于Fnr而言,NCEP1,NCEP2的平均值都要高于浮標觀測值且NCEP1的Fnr更接近浮標觀測值(NCEP1、NCEP2與浮標Fnr的平均誤差分別為0.65,7.22 W/m2)。

圖2 輻射通量日平均值的時間序列Fig.2 Time series plots of daily averaged values of radiative flux

2.2.2 湍流熱通量

海表面的湍流熱通量指的是Hs和HL。圖3給出了湍流熱通量日平均值的時間序列圖。該圖中正通量代表熱量從海洋傳到大氣; NCEP1和NCEP2代表NCEP再分析資料中直接下載的湍流熱通量值;NCEP1-COARE和 NCEP2-COARE分別代表應用NCEP1和NCEP2各自數據庫中的海表面氣象參數,采用 COARE3.0塊體通量計算程序獲得的感熱通量和潛熱通量,參考文獻[16]我們將其稱為“再計算感熱通量”和“再計算潛熱通量”,合稱為“再計算湍流熱通量”; 浮標-COARE代表應用浮標觀測到的海表面氣象參數,同樣采用 COARE3.0塊體通量計算程序獲得的湍流熱通量結果。可以看出,NCEP再分析資料中的感熱通量和潛熱通量都存在很大程度上的高估現象,很多前人的研究都證實了這一點[9,23],這與模式計算中采用了過大的交換系數有關。當我們采用塊體通量計算程序 COARE3.0來計算湍流熱通量時,發現與 NCEP再分析資料中提供湍流熱通量相比較,再計算湍流熱通量大大地減小了,NCEP1再計算湍流熱通量與浮標計算的湍流熱通量相比存在低估現象,NCEP2再計算湍流熱通量與浮標計算的湍流熱通量相比發現在較低風速下存在低估現象,而高風速下由于NCEP2的風速要遠大于浮標觀測風速,造成此時NCEP2再計算湍流熱通量要大于浮標計算的湍流熱通量。文獻[12,17]都指出再計算湍流熱通量存在低估現象。從表1可知,對于整個比較期間,NCEP1與浮標Hs、HL之間的平均誤差分別為28.83和50.95 W/m2,平均高估Hs、HL分別為41.41%和32.19%,NCEP2與浮標Hs、HL之間的平均誤差分別為44.69和90.96 W/m2,平均高估Hs、HL分別為64.19%和 57.47%,NCEP1 中Hs、HL的長期平均值更接近于浮標Hs、HL的長期平均值。從表2可知,對于整個比較期間,NCEP1-COARE與浮標Hs、HL之間的平均誤差分別為-23.01和-52.00W/m2,平均低估Hs、HL分別為-33.06%和-32.85%,NCEP2-COARE與浮標Hs、HL之間的平均誤差分別為 9.21和7.39W/m2,平均高估Hs、HL分別為13.22%和4.67%,NCEP2-COARE 中Hs、HL的長期平均值更接近于浮標Hs、HL的長期平均值。

圖3 湍流熱通量日平均值的時間序列Fig.3 Time series plots of daily averaged values of turbulent heat flux

圖4 凈熱通量日平均值的時間序列Fig.4 Time series plots of daily averaged values of net heat flux

2.2.3 凈熱通量

海表面的凈熱通量Fnh=Fus+Ful-Fds-Fdl+Hs+HL。圖 4給出了 5種海表面Fnh日平均值的時間序列。NCEP1和 NCEP2分別代表各自數據庫中直接下載的Fns、Fnl和湍流熱通量值計算的Fnh結果;NCEP1-COARE和 NCEP2-COARE分別代表應用NCEP1和NCEP2各自數據庫中的Fns、Fnl和再計算湍流熱通量得到的再計算凈熱通量; 浮標-COARE代表應用浮標觀測到的凈輻射通量和湍流熱通量計算的浮標凈熱通量。可以看出,除了9月末10月初之外,NCEP1和NCEP2的凈熱通量結果要高于浮標計算結果; 但用再計算湍流熱通量替代 NCEP再分析資料中的湍流熱通量之后,再計算凈熱通量大大地降低,NCEP1再計算凈熱通量與浮標計算的凈熱通量相比除了 9月末兩者符號相反外其他時間存在低估現象,NCEP2再計算凈熱通量與浮標計算的凈熱通量相比在10月9日左右、10月末和10月10日左右存在高估的現象,9月末兩者符號相反,其他時間點兩者比較接近。結合表1和表2中的Fnr、Hs、HL和Fnh,可知與浮標觀測數據計算得到的海面凈熱通量相比,NCEP1凈熱通量(NCEP1再計算凈熱通量)高估(低估)了42%(40%); NCEP2凈熱通量(NCEP2再計算凈熱通量)高估(高估)了 68%(5%); 對于 NCEP1數據庫來講,海面凈熱通量的高估主要取決于Hs和HL的高估,海面再計算凈熱通量的低估主要取決于Hs和HL的低估; 對于NCEP2數據庫來講,海面凈熱通量的高估同樣主要取決于Hs和HL的高估,但海面再計算凈熱通量的高估主要取決于Hs、HL和Fnr的高估。

3 討論

在資料分析過程中發現NCEP2的再計算湍流熱通量與NCEP1相比要更接近于浮標觀測值,但在11月1號和10號兩天也存在較大的誤差,試驗觀測數據正好在兩個版本的中間。針對這一問題我們采取了如下處理方式,即計算兩個版本的再計算湍流熱通量平均值,然后與浮標計算得到的湍流熱通量進行比較,兩者之間的平均偏差、相對誤差、均方根誤差和相關系數 4個統計量分別為-29.21W/m2,-12.81%,65.68 W/m2和 0.95,而 NCEP1(NCEP2)的再計算湍流熱通量與實際觀測到的湍流熱通量之間的 4個統計量分別為：-75.01 W/m2(16.60 W/m2)、-32.91%(7.28%)、102.36 W/m2(84.41 W/m2)和0.96(0.94)。從統計量上來講,NCEP1和NCEP2之間的平均再計算湍流熱通量要比NCEP1再計算湍流熱通量更接近于觀測值,但其平均偏差要大于 NCEP2再計算湍流熱通量與浮標之間的平均偏差。圖 5為采用新的組合方式計算的湍流熱通量日平均值和浮標觀測結果的時間序列比較圖,這里的混合風場指的是在風速U10＜11.5 m/s時,風速取為NCEP2的風速資料,在風速U10＞11.5 m/s時,風速取為 NCEP1的風速資料。從圖5可以直觀地看出,對于11月1號和10號兩天來講,NCEP1、NCEP 2之間的再計算湍流熱通量平均值要明顯的好于 NCEP1或 NCEP2的再計算湍流熱通量。

另外,11月1號和10號兩天NCEP2的再計算湍流熱通量與浮標觀測值誤差較大的原因在于兩者海表氣象參數之間的差異,尤其是海面上10 m風速的差異。通過比較可以發現,在高風速下(U10＞11.5 m/s),NCEP1的風速會更接近于浮標測量風速,則我們又考慮了另外一種處理方式,即在高風速下,利用NCEP1的風速代替NCEP2的風速,重新計算NCEP2的再計算湍流熱通量,最后得到其與浮標數據之間的平均偏差、相對誤差、均方根誤差和相關系數 4個統計量分別為8.17 W/m2,3.58%,65.39 W/m2和0.95,這一結果要優于 NCEP1或NCEP2的再計算湍流熱通量,從圖 5中也可以看出使用混合風場計算的再計算湍流熱通量非常地接近。所以說,針對本文的分析結果來講,這也許給我們以后應用 NCEP數據庫的數據提供了一個新的思路：在使用塊體通量程序COARE3.0計算湍流熱通量的過程中,可以考慮使用混合風場,即高風速下采用 NCEP1的風速資料,其余情況下使用NCEP2的風速資料,當然這一想法還需要通過更多的實測資料來獲得驗證。

圖5 采用新的組合方式計算的湍流熱通量日平均值的時間序列Fig.5 Time series plots of daily averaged values of turbulent heat flux by new recomposed way

4 結論

本文對 NCEP再分析資料中的海表氣象學參數及海表熱通量日平均值與定點布放在黃海北部的浮標觀測資料及通量計算結果進行了比較分析。比較時間從2009年9月26日至2009年11月20日。統計量平均偏差、相對誤差、均方根誤差和相關系數比對表明：NCEP1和NCEP2再分析資料中海表氣象學參數及海表熱通量日平均值的時間序列與浮標結果變化趨勢基本一致,但NCEP1對風速存在低估現象,對大氣比濕、大氣溫度和海表溫度存在高估現象,NCEP2中海表氣象學參數都存在高估現象但更接近浮標觀測資料; 雖然在向上短波輻射通量上 NCEP2比NCEP1更接近浮標觀測值,但NCEP1的凈輻射通量值更接近浮標觀測值。對湍流熱通量而言,與NCEP1和 NCEP2再分析資料中自帶的感熱通量和潛熱通量及NCEP1再計算湍流熱通量相比,NCEP2再計算湍流熱通量最接近于浮標資料計算的湍流熱通量。對于海表凈熱通量而言,應用 NCEP1和NCEP2資料提供的湍流熱通量計算的結果要普遍高于浮標計算結果; 但用再計算湍流熱通量替代NCEP再分析資料中的湍流熱通量之后,再計算凈熱通量大大地降低,NCEP1的再計算凈熱通量低估了42%,而NCEP2的再計算凈熱通量高估了5%; 對于NCEP1數據庫來講,海面凈熱通量的高估主要取決于感熱和潛熱通量的高估,海面再計算凈熱通量的低估主要取決于感熱和潛熱通量的低估; 對于NCEP2數據庫來講,海面凈熱通量的高估同樣主要取決于感熱和潛熱通量的高估,但海面再計算凈熱通量的高估主要取決于感熱、潛熱通量和凈輻射通量的高估。

海面風場的比對表明,在風速小于 11 m/s時,NCEP1和 NCEP2風速資料一般要低于浮標觀測風速,NCEP2與浮標觀測的風速更接近; 當風速大于11 m/s時,NCEP1和NCEP2一般要高于浮標觀測風速,NCEP1與浮標觀測的風速更接近。針對該分析結果來講,這也許給我們以后應用 NCEP數據庫的數據提供了一個新的思路：在使用塊體通量程序COARE3.0計算湍流熱通量的過程中,可以考慮使用混合風場,即高風速下采用 NCEP1的風速資料,其余情況下使用NCEP2的風速資料,計算海面上的湍流熱通量。當然這一想法還需要通過更多的實測資料來獲得驗證。

研究表明,NCEP再分析資料中的海表氣象參數是可信的,在統計意義上,NCEP2給出的海表氣象參數比NCEP1與浮標觀測值更接近,而凈輻射通量則是NCEP1更接近于浮標觀測值; 使用更合理的塊體公式計算出的湍流熱通量來代替 NCEP數據庫中已計算好的湍流熱通量來驅動海洋模式是很有必要的; NCEP2的再計算湍流熱通量與NCEP1相比要更接近于浮標觀測值。使用混合風場計算的再計算湍流熱通量與浮標觀測結果更加符合。

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