新疆區域CRA40地面氣溫檢驗分析

張 旭，毛煒嶧，陳 靜，李淑娟，姚俊強

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002;2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著計算機技術的飛速發展，基于各種觀測資料研制的再分析產品已經成為全球氣候科研和業務工作的基礎數據[1-5]。從20世紀90年代中期開始，先后完成的全球大氣再分析資料主要有：美國國家環境預測中心（NCEP）和大氣研究中心（NCAR）的40 a（1957—1996）NCEP/NCAR全球大氣再分析資料[6-7]、歐洲中期數值預報中心（ECMWF）的45 a（1975—2002）全球大氣再分析資料（ERA40）[8]、ECMWF新一代的再分析資料（ERA-Interim）[9]、日本氣象廳（JMA）和電力中央研究所（CRIEP）發布的25 a（1979—2004）全球大氣再分析資料（JRA25）[10]。目前，國際上全球大氣再分析已經發展到第四代，水平和空間分辨率大幅提高，如ERA-5、JRA-3Q、NCEP/ESRL等[11-13]。2015年，中國氣象局組建了“氣象資料質量控制及多源數據融合與再分析”攻關團隊，歷時6年，成功研制了中國第一代全球大氣和陸面再分析產品（CRA40），該產品重現了1979年以來從地面到55 km高度的全球三維大氣狀況，時間分辨率為逐6小時，空間分辨率達到30 km。經過多家業務科研單位的試用評估，產品質量與國際第三代全球再分析產品質量總體相當[14-15]。

新疆地處歐亞大陸腹地，屬于典型的干旱與半干旱氣候，地域遼闊、地形復雜，氣象觀測站點稀少且分布不均，高質量的再分析資料應用需求更為迫切。CRA40再分析資料由我國自主研發，但是在新疆區域的質量評估未深入開展。日平均氣溫作為最基本的氣象要素，其質量檢驗結果是應用再分析資料的重要依據[16]。因此，以新疆105個氣象站的日平均氣溫實測資料為基準，對插值后的105站CRA40日平均氣溫進行質量檢驗，同時與105站的ERA5日平均氣溫檢驗結果進行對比，評估CRA40地面氣溫數據質量，為更好地在新疆區域推廣和應用我國具有自主知識產權的CRA40資料提供支持。

1 資料和方法

1.1 氣溫數據

中國第一代全球大氣和陸面再分析產品（CRA40）通過中國氣象數據網檢索下載（http：//data.cma.cn/CRA）[15]。本文選取CRA40產品中的地面日平均氣溫，時間范圍為1979—2020年，空間分辨率為0.25°。ECMWF發布的ERA5數據產品通過ECMWF Web API下 載 使 用（https：//cds.climate.copernicus.eu）[17]，選擇ERA5地面氣溫逐時數據，經時區轉換后統計為逐日平均氣溫，時間范圍為1981—2020年，空間分辨率為0.25°×0.25°。CRA40與ERA5再分析資料主要參數見表1。新疆區域有105個氣象站有長期觀測數據，站點分布見圖1。新疆105站1981—2020年日平均氣溫數據來自新疆氣象信息中心。

圖1 新疆105個國家地面氣象觀測站分布

表1 CRA40與ERA5資料主要參數

1.2 分析方法

1.2.1雙線性插值

已有科研成果表明，基于雙線性插值法來處理氣溫有較高的插值精度[18]。本文利用國家氣象中心預報技術研發室檢驗科研發的Meteva程序庫[19]，將CRA40和ERA50地面氣溫站點插值到新疆區域105站。

1.2.2誤差分析

選擇平均誤差（ME）和均方根誤差（RMSE）用于評估CRA40數據質量[16-17]。平均誤差反映了再分析數據相對于實測氣溫的偏差平均狀態，具體見公式（1）。均方根誤差（Root-Mean-Square Error，RMSE）反映了再分析數據與實測氣溫之間的偏離程度，用于定量計算再分析資料的偏差量，具體見公式（2）。

公式（1）、（2）中，N為數據樣本個數，Xi、Yi分別為實測氣溫和再分析數據樣本。

在CRA40氣溫數據的檢驗結果中，平均誤差、均方根誤差分別表示為MECRA40和RMSECRA40。與ERA5氣溫數據有關的檢驗結果中，平均誤差、均方根誤差分別表示為MEERA5和RMSEERA5。

1.2.3相關分析

相關系數r反映了再分析氣溫和實測資料之間的相關程度[2]。樣本數為N的兩套數據，其相關系數計算見公式（3）。

公式中，N為數據樣本數，Xi、Yi分別為實測氣溫與再分析數據樣本分別為實測氣溫與再分析數據序列的平均值。

CRA40日平均氣溫與測站實況之間相關系數表示為rCRA40，ERA5氣溫數據的相關系數表示為rERA5。

1.2.4泰勒圖方法

基于余弦定理，泰勒圖能夠將相關系數、均方根誤差和標準差三種統計數據顯示在一張圖中，可以用來量化參考場和測試場之間的相關程度。從原點到點的徑向距離與模式標準差成正比，方位位置給出了兩個場之間的相關系數[20]。觀測值被定為沿橫坐標距離原點一個單位的點，距離原點的環形長度為測試點和參考點的方差比率，代表再分析資料與觀測資料離散度的相似性；方位角的余弦代表相關系數，測試點距離參考點的長度為兩個場之間的均方根誤差，距離參考點的長度越短，表明再分析資料越接近觀測值。

2 結果與分析

2.1 新疆區域CRA40日平均氣溫概況

選取CRA40地面日平均氣溫柵格數據，經雙線性插值到全疆區域105站。40 a新疆105站CRA40日平均氣溫與測站實況的散點見圖2，CRA40日均氣溫為橫坐標、測站實況氣溫為縱坐標，一元線性擬合斜率為1.005。1981—2020年105站的日均氣溫樣本數高達1 534 050個，日平均氣溫的平均誤差MECRA40為0.13℃，均方根誤差RMSECRA40為3.05℃。日平均氣溫與測站實測值之間的相關系數rCRA40為0.973，通過了0.001的顯著性檢驗。整體上新疆區域105站CRA40地面日平均氣溫數據與測站實況十分接近，數據質量較好。

圖2 1981—2020年CRA40與測站實測日平均氣溫

將新疆105站日平均氣溫的算數平均值作為新疆區域日平均氣溫，得到1月1日—12月31日的新疆區域逐日平均氣溫（2月29日樣本僅10個，下文分析中忽略），再進一步計算逐日平均氣溫的40 a平均值。如圖3所示，1981—2020年基于測站實況的新疆區域日平均氣溫的40 a平均值在-11.63～24.10℃，365 d平均為8.56℃。基于CRA40的新疆區域日平均氣溫在-9.69～24.08℃，365 d日均氣溫為8.68℃；與測站實況值比較，年平均氣溫偏高0.12℃，日平均氣溫最高值偏低0.02℃、最低值偏高1.94℃。CRA40與測站實況的日平均氣溫的年度最大、最小值出現日期相同，分別為7月18日和1月18日。CRA40氣溫的一些主要氣候特征值與測站實況差異很小，新疆區域CRA40地面氣溫數據有較高質量。

圖3 新疆區域CRA40、ERA5和測站實況逐日平均氣溫曲線

2.2 氣溫評估指標年際變化

由圖4可見，1981—2020年基于CRA40、ERA5以及測站實況的新疆區域年平均氣溫變化規律高度相似。對40 a來新疆105站CRA40日平均氣溫進行逐年檢驗，每年樣本數為38 325個（閏年38 430個）。以測站實況為基準，計算新疆區域逐年的MECRA40、RMSECRA40和rCRA40，用這3項指標評估新疆區域CRA40氣溫數據質量。2.2.1CRA40的評估指標年際變化

圖4 1981—2020年全疆105站CRA40、ERA5和測站實況年平均氣溫曲線

1981—2020年，新疆區域年MECRA40在-0.43～0.63℃，40 a平均為0.13℃；1981—2004年（下文中簡稱為前期）MECRA40為正偏差，24 a平均為0.37℃，2005—2020年（下文中簡稱為后期）MECRA40轉為負偏差，16 a平均為-0.25℃。可見，在前、后期兩個階段，MECRA40出現了明顯變化。1981—2020年，年RMSECRA40在2.81～3.37℃，40 a平均為3.10℃；前、后期RMAECRA40平均值分別為3.20和2.95℃；后期RMSECRA40較前期減小了0.25℃。1981—2020年，年rCRA40穩定在0.968～0.979，均通過了0.001的顯著性檢驗。后期rCRA40的14 a平均值較前期增大了0.005，有小幅提升（圖5）。可見，從ME、RMSE和r都反映出一個共同特征，后期新疆區域CRA40氣溫數據質量較前期有所改進。

圖5 1981—2020年CRA40和ERA5氣溫的ME、RMSE和r歷年曲線

2.2.2CRA40與ERA5評估指標對比

用同樣方法對新疆區域105站ERA5日平均氣溫進行檢驗，并將CRA40與ERA5的各項檢驗指標進行對比。新疆區域的年MECRA40與MEERA5非常接近，兩者的差值40 a平均為0.04℃。1981—2020年，新疆區域的年RMSECRA40均大于RMSEERA5，前、后期分別偏大0.47、0.19℃，后期RMSECRA40與RMSEERA5之間的差距減小。新疆區域的年rCRA40小于rERA5，前、后期二者之間分別相差0.008、0.003。3項檢驗指標結果顯示，2005—2020年新疆區域CRA40氣溫數據質量更加接近ERA5。

2.3 氣溫評估指標月際分布

2.3.1CRA40評估指標月分布特征

對1981—2020年新疆區域105站CRA40日平均氣溫進行逐月檢驗。1—12月的日氣溫樣本數分別為118 650（2月）、126 000（小月）和130 200（大月）個。新疆區域的各月MECRA40在-0.89～1.68℃，各月RMSECRA40在2.50～4.36℃，其中1月的RMSECRA40最大。新疆區域各月rCRA40在0.766～0.927，均通過0.001的顯著性檢驗，呈極顯著正相關。

2.3.2CRA40與ERA5評估指標對比

由圖6、圖7可知，1—2月和11—12月共計4個月的MECRA40為正偏差，1月偏差最大；3—10月共計8個月的MECRA40為負偏差，4月偏差最大。1—2月、7—9月和12月共計6個月的MEERA5為正偏差，1月偏差最大；其他6個月MEERA5為負偏差，4月偏差 最 大。在3月 和10—11月，RMSECRA40小 于RMSEERA5，在其他9個月，RMSECRA40大于RMSEERA5。綜合ME與RMSE指標，新疆區域CRA40氣溫數據質量在3月和10—11月略優于ERA5。

圖6 新疆區域105站CRA40、ERA5與測站實況逐月平均氣溫曲線

圖7 新疆區域105站CRA40、ERA5氣溫的ME、RMSR和r逐月變化曲線

各月rERA5在0.839～0.947，均通過0.001的顯著性檢驗，呈極顯著的正相關。對比發現，3月rCRA40高于rERA5，其他11個月rERA5高于rCRA40。以相關系數r為指標，CRA40氣溫數據質量在3月優于ERA5。

2.4 氣溫評估指標的逐日變化特征

2.4.1CRA40評估指標的年內逐日變化

對1981—2020年新疆區域CRA40日平均氣溫進行逐日檢驗。1月1日—12月31日365 d（忽略2月29日）的日氣溫樣本數均為40個。由圖8可知，日MECRA40在-1.07～2.23℃，365 d平均為0.13℃。365 d中，有156 d的MECRA40為正偏差，占42.7%，1月8日正偏差最大，另外209 d的MECRA40為負偏差，占57.3%，4月18日負偏差最大。日MECRA40絕對值在1.0℃以內的天數295 d，占全年的80.8%。日RMSECRA40在2.41～4.80℃，365 d日平均為3.05℃，其中1月8日RMSECRA40最大。日RMSECRA40＜3.0℃的日數占全年365 d的72.3%。rCRA40在0.766～0.927，365 d平均為0.867，均通過0.001的顯著性檢驗。

圖8 新疆區域105站CRA40、ERA5氣溫的ME、RMSE和r逐日變化曲線

2.4.2CRA40與ERA5評估指標對比

新疆區域CRA40與ERA5日平均氣溫的逐日檢驗結果見圖8。日MEERA5在-1.21～1.56℃，365 d平均為0.09℃；MEERA5絕對值在1.0℃以內的天數為301 d，占全年365 d的82.5%，略高于MECRA40。MECRA40絕對值小于MEERA5絕對值的日數達179 d，占全年的49.0%。以ME為對比指標，CRA40氣溫數據質量略差于ERA5。

日RMSEERA5在2.01～3.83℃，365 d平均為2.69℃。全年日RMSEERA5的年平均值、年最高、最低值均低于RMSECRA40的對應值。RMSEERA5＜3.0℃的日數有260 d，占365 d的71.2%，略低于CRA40的72.3%。RMSECRA40小于RMSEERA5的日數有79 d，占21.6%，集中在3—4月和10—11月。以RMSE為對比指標，全年21.6%的日數CRA40數據質量優于ERA5，集中在3—4月和10—11月。

由圖8可見，rCRA40大于rERA5的天數有22 d，占全年365 d的6.0%，其中有21 d集中在3月。以相關系數r為對比指標，CRA40氣溫數據質量整體上略差于ERA5，但是在3月CRA40氣溫數據質量優于ERA5。

2.5 105站氣溫評估指標空間分布

2.5.1CRA40氣溫逐站評估指標

對新疆區域CRA40氣溫進行逐站檢驗。由圖9可知，新疆區域單站MECRA40在-7.73～4.26℃，105站平均為0.13℃；有83站的MECRA40絕對值＜2℃，占79.0%。由圖10可見，單站RMSECRA40在1.21～8.43℃，105站平均為2.81℃；有76站RMSECRA40＜3℃，占72.4%。105站的rCRA40在0.928～0.996，均通過了0.001的顯著性檢驗。

圖9 全疆105站CRA40日平均氣溫平均誤差ME空間分布

圖10 全疆105站CRA40日平均氣溫均方根誤差RMSE空間分布

對新疆區域ERA5日平均氣溫進行逐站檢驗，并將CRA40與ERA5的各項檢驗指標進行對比。有49站的MECRA40絕對值小于MEERA5絕對值，占46.7%；有38站的RMSECRA40小于RMSEERA5，占36.2%；有51站的rCRA40大于rERA5，占48.6%。依據不同指標，CRA40氣溫數據質量優于ERA5的測站可以達到36.2%～48.6%。新疆區域CRA40氣溫數據質量略差于ERA5。

2.5.2CRA40與ERA5單站指標極端值對比

由表2可見，單站MECRA40和MEERA5絕對值較大的站多為負偏差，負偏差最大的測站相同，均是塔什庫爾干，MECRA40和MEERA5分別為-7.73、-8.37℃。MECRA40和MEERA5負偏差最大的5站相同，分別是塔什庫爾干、巴侖臺、溫泉、新源、伊寧縣，這些站點大多分布在山區，測站周邊地形較復雜。由表3可見，MECRA40正偏差最大5站分別是鐵干里克、巴音布魯克、奇臺、若羌、焉耆，大多分布在南疆海拔較低的平原；MEERA5正偏差較大站點也分布在平原地區，但是主要位于北疆昌吉回族自治州和阿勒泰地區。

表2 CRA40和ERA5的日氣溫單站平均誤差ME負偏差最大5站統計

表3 CRA40和ERA5的日氣溫單站平均誤差ME正偏差最大5站統計

由表4可知，新疆區域RMSECRA40由大到小前5位測站依次是塔什庫爾干、巴音布魯克、巴侖臺、溫泉和新源。RMSEERA5由大到小前5位測站依次是塔什庫爾干、巴侖臺、巴音布魯克、新源和天山大西溝。CRA40和ERA5數據中，塔什庫爾干站的RMSE均為105站中的最大值，并且RMSEERA5大于RMSECRA40。再分析氣溫數據質量較極端的測站分布在地形復雜的高海拔山區，相對而言，質量極端的測站中CRA40數據質量優于ERA5。

表4 CRA40和ERA5的日氣溫單站均方根誤差最大5站統計

2.6 不同海拔高度區域氣溫評估比較

上述分析說明，在海拔較高、地形復雜的山區，兩套再分析數據質量均有所下降。將新疆區域105站記為XJ區，按照海拔高度將全疆劃分為3個次級區域，分別為：＜1 500 m的區域，有90個氣象站，記為Ⅰ區；1 500～2 000 m的區域，有10個氣象站，記為Ⅱ區；＞2 000 m的區域，有5個氣象站，記為Ⅲ區。綜合相關系數、均方根誤差和標準差，繪制新疆區域105站氣溫泰勒圖，見圖11。在Ⅰ、Ⅱ區，海拔2 000 m以下，各站CRA40氣溫綜合評估指標相差不大，在Ⅲ區，各站綜合指標離散度明顯增大。下文中進一步檢驗新疆3個次級區域的CRA40日平均氣溫，評估數據質量。

圖11 全疆105站CRA40日均氣溫泰勒圖

2.6.1不同區域日平均的整體檢驗

新疆不同海拔高度區域的CRA40與ERA5的各項檢驗指標詳見表5。對比分析各次級區域的CRA40和ERA5氣溫檢驗結果，在Ⅰ區，RMSE_Ⅰ和r_Ⅰ指標反映出CRA40氣溫數據質量整體略差于ERA5；在Ⅱ區，ME_Ⅱ、RMSE_Ⅱ和r_Ⅱ指標均反映出CRA40氣溫數據整體質量優于ERA5；在Ⅲ區，ME_Ⅲ和RMSE_Ⅲ指標反映出CRA40氣溫數據質量較優，但r_Ⅲ指標反映出ERA5氣溫數據質量相對更優（表6）。

表5 新疆不同區域CRA40、ERA5氣溫的檢驗指標統計

2.6.2逐日平均誤差ME檢驗對比

由圖12和表6可知，在Ⅰ區，逐日MECRA40_Ⅰ在-0.88～2.61℃，365 d平均為0.30℃。在Ⅱ區，逐日MECRA40_Ⅱ在-1.57～0.01℃之間，365 d平均為-0.78℃。在Ⅲ區，逐日MECRA40_Ⅲ在-3.45～1.05℃，365 d平均為-1.21℃。隨海拔高度升高，MECRA40的負偏差程度越強。比較而言，整體上MEERA5的負偏差更強；隨海拔高度上升，MEERA5的負偏差幅度加劇的程度更為嚴重。依據ME指標，在Ⅱ、Ⅲ區海拔＞1 500 m的高海拔山區，CRA40氣溫數據質量優于ERA5。

表6 新疆不同區域CRA40、ERA5氣溫的全年逐日檢驗指標統計

圖12 各海拔高度區域日平均氣溫平均誤差ME逐日變化曲線

2.6.3逐日均方根誤差RMSE檢驗對比

由圖13和表6可知，在Ⅰ區，逐日RMSECRA40_Ⅰ在2.00～4.67℃，365 d平均為2.82℃，有277 d＜3.0℃，占全年365 d的75.9%；逐日RMSEERA5_Ⅰ在1.80～3.58℃，365 d平均為2.35℃，有307 d＜3.0℃，占全年的84.1%。在Ⅱ區，逐日RMSECRA40_Ⅱ在2.73～3.83℃，365 d平均為3.28℃，有58 d＜3.0℃，占全年365 d的15.9%；逐日RMSEERA5_Ⅱ在2.25～4.84℃，365 d平均為3.39℃，有128 d＜3.0℃，占全年的35.1%。在Ⅲ區，逐日RMSECRA40_Ⅲ在3.19～8.36℃，365 d平均為5.25℃；逐日RMSEERA5_Ⅲ在3.07～7.14℃，365 d平均為5.23℃。隨海拔高度升高，RMSECRA40和RMSEERA5均增大，＜3.0℃的日數迅速減少，數據質量下降。

圖13 各海拔高度區域日平均氣溫均方根誤差RMSE逐日變化曲線

依據ME指標，在Ⅰ區海拔＜1 500 m的區域，ERA5氣溫數據質量整體占優；在Ⅱ海拔1 500～2 000 m的山區，RMSE指標反映出CRA40氣溫數據質量優于ERA5；在Ⅲ區海拔＞2 000 m的山區，CRA40氣溫數據質量與ERA5十分接近。

3 結論與討論

對1981—2020年新疆區域105站CRA40日平均氣溫進行檢驗，與ERA5氣溫檢驗結果進行對比，得到以下結論。

（1）1981—2020年新疆區域CRA40日平均氣溫與測站實況之間相關系數為0.973，通過0.001的顯著性檢驗。新疆區域CRA40氣溫與實況比較，日平均氣溫的年平均值、年最大值和最小值分別相差0.12、0.02、1.94℃，基于CRA40和測站實況的日平均氣溫年內最大、最小值出現日期完全一致。整體上新疆區域CRA40氣溫數據質量較高。

（2）逐年檢驗結果中，40 a來CRA40日氣溫的逐年ME均在1℃以內，年RMSE穩定在3℃左右。2005—2020年CRA40氣溫數據質量較前期有所提高。逐月檢驗結果中，結合ME與RMSE指標，在3月和10—11月新疆區域CRA40氣溫數據質量略優于ERA5。逐日檢驗結果中，以逐日RMSECRA40為指標，全年CRA40數據質量優于ERA5的日數有79 d，集中在3—4月和10—11月。

（3）逐站檢驗結果中，新疆區域105站中有49站的MECRA40絕對值較小，38站的RMSECRA40較小，51站的rCRA40較大。整體上，ERA5氣溫數據質量略優于CRA40，但是依據不同指標，CRA40氣溫數據質量占優的測站分別為36.2%～48.6%。CRA40氣溫數據質量隨海拔高度上升而下降，在1 500 m以上高海拔地區，CRA40氣溫數據質量反而優于ERA5。

（4）在分海拔高度的次級區域檢驗結果中，在Ⅰ區，有186 d的MECRA40絕對值較小，24 d的RMSECRA40較小，32 d的rCRA40較大，ERA5氣溫數據質量整體占優。在Ⅱ區，有362 d的MECRA40絕對值較小，191 d的RMSECRA40較小，142 d的rCRA40較大，CRA40氣溫數據質量優于ERA5。在Ⅲ區，365 d的MECRA40絕對值 均 大于MEERA5，51 d的RMSECRA40較 小，7 d的rCRA40較大，CRA40氣溫數據質量略差，與ERA5十分接近。

已有研究指出，模式地形誤差可能是造成再分析資料誤差的重要原因[22-24]，在新疆海拔＞1 500 m的區域，RMSECRA40略優于RMSEERA5數據。可能與CRA40數據制作過程中更注重于地面觀測、探空資料和風云衛星資料的同化及應用有關系。在區域尺度上CRA40數據的各個要素的質量檢驗還需深入研究。