引言

亚洲季风试验(GAME)是全球能量和水分循环试验(GEWEX)的重要组成部分,而GAME本身由淮河流域能量与水分循环试验(HUBEX)^[1]、第二次青藏高原试验(TIPEX)、及在西伯利亚地区开展的气象科学试验等组成。GAME再分析资料是GAM的研究成果,其再分析同化系统使用了T213L30模式,1.1版本的GAME再分析数据所含有的原始资料(输入模式的初始资料)除了全球通讯系统(GTS)的数据外,还包括TIPEX和HUBEX的无线电探空加密观测资料,以及T IPEX和HUBEX试验区之间的区域、东南亚地区和鄂霍次克海地区的无线电探空加密观测资料,另外还包括印尼、泰国和印度区域的风廓线仪资料。其中G TS数据为常规数据,它包括全球无线电测风资料、综合海洋资料、飞机观测资料、卫星探测资料、微波特殊探测/图像(SSM/I)资料和卫星观测风资料等。NCEP再分析同化系统所用的模式是T62L28全球谱模式,其加入模式的初始资料仅包括GTS数据。NCEP再分析资料是目前使用频率较高的资料,但它自身存在不够准确精细的缺点^[2～5]。

因为淮河流域是本文关注的重点区域之一,因此有必要在这里介绍一下HUBEX。为了更好地理解梅雨锋区多尺度云系的能量与水分循环过程以及他们与地面水文过程的相互作用,从而搞清梅雨区云系的多尺度动力学及其与东亚季风的关系,1998年中日合作开展了GAME在淮河流域的能量与水分循环试验,即HUBEX,试验期为5月1日到月31日,在整个试验期对水文和气象的多种要素进行了强化观测(IFO),并在6～7月进行了加密观测(IOP)。试验观测所得到的探空资料加入了GAME的资料同化系统中,其探空系统由我国东部及中部14个省市气象局的21个高空探测站组成,在IFO期间(5月和8月)每日观测2次,所得探空资料与GTS在淮河流域的探空资料相同,在IOP期间(～7月)每日观测4次,所得探空资料比G TS的探空资料多出06: 00和18: 00两个时次的观测资料。

而1998年夏季淮河流域所处的大尺度天气背景形势又是比较特殊的。1998年是1997年开始的特强厄尔尼诺现象的次年,南海季风强度偏弱,西太平洋副高脊线位置偏南,而中高纬度上空的大气环流呈经向分布,极涡、鄂霍次克海阻高等天气系统持续异常,这使得季风雨带长时间维持在长江及邻近地区,造成该地区40多年未遇的全流域大洪水^[6]。

本文的目的就是利用相同分辨率的两组同化资料进行对比分析,揭示有加密观测资料的GAME再分析资料和不含加密观测资料的NCEP再分析资料的差别,以及它们对于揭示江淮梅雨和亚洲季风系统及其关系又有何异同之处。

1.   资料

GAME和NCEP水平分辨率为2.5°×2.5°的再分析资料,包括每日4个时次的高度场、风场、比湿场、降水量、潜热通量和感热通量等再分析资料。文中使用1998年逐日全国700多站点实测降水资料和NOAA的2.5°分辨率OLR资料。所用资料时段为: 199年6～8月。空间范围为: 东西方向包括60°～140°E ; 南北方向包括5°S～75°N ; 垂直方向包括1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20和1 hPa共17层等压面。

2.   GAM E与NCEP再分析资料的对比研究

我们把夏季江淮地区的天气时段分为有雨和无雨时段,有雨时段又分为梅雨期和非梅雨期; 无雨时段分为梅雨间断期和非梅雨间断期。我们以此划分为基础,对两组资料在不同时期的差异进行了对比分析。

2.1   高度场的对比分析

由图 1(a)可以看出(图 1(a)和(b)中各层高度场相对差值由计算得出,其中H_GAME表示GAME资料的高度场值,H_NCEP表示NCEP资料的高度场值),GAME和NCEP两组资料的日平均高度场在北纬约25°～60°N的对流层低层差别较大,如图中850 hPa(实线)和700 hPa(长虚线)的高度场相对差值所示,其中在HUBEX试验区(图中30°～40°N之间的区域)这两个层次的高度场相对差值达峰值,经计算图中85 hPa和700 hPa的高度场相对差值之格点平均值分别为0.28%和0.12%; 两组再分析资料在低纬度的对流层顶也有较明显差别,如图中100 hPa (实心短虚线)的高度场相对差值所示,其高度场相对差值的格点平均为0.14%; 两组资料在对流层中高层差异很小,如图中500 hPa (空心短虚线,400～200 hPa层次的相关图略)的高度场相对差值所示,其高度场相对差值的格点平均仅为0.04%。由图 1(b)可以看出,单个时次的GAME和NCEP资料,以06: 00(UTC,下同,图中粗实线)和18: 00(图中点虚线)的高度场相对差值较大,其850 hPa高度场相对差值的格点平均分别为0.34%和0.42%; 而00: 00和12: 0的高度场相对差值已较小,其850 hPa高度场相对差值的格点平均分别为0.23%和0.29%。各个层次情况相同,图中仅示850 hPa的情况。其原因可能主要是因为NCE资料所含有的GTS探空资料仅包括00: 00和12: 00两个时次的观测资料,而GAME资料在诸多试验区的高空资料含有00: 00、06: 00、12: 00和18: 00共4个时次的探空观测资料。在分别对比各个时次的GAME和NCEP资料时,与图 1(a)所示相同,我们也得出,在各个时次两组资料的高度场相对差值在对流层低层和对流层顶100 hPa及以上层次较大,在对流层中高层高度场相对差值较小。

图  1  1998年夏季GAM E资料与NCEP资料的高度场对比分析

(a)为GAME和NCEP两组再分析资料850 hPa(实线)、700 hPa(长虚线)、500 hPa(空心短虚线)和100 hPa(实心短虚线)高度场相对差值的季节平均(6～8月,每日4个时次)纬向平均(100°～120°E)剖面图,(b)为两组资料的850 hPa高度场分别在00: 00(UTC,下同; 细实线)、06: 00(粗实线)、12: 00(空心短虚线)和18: 00(点虚线)4个时次的相对差值季节平均(6～8月)纬向平均(同(a))剖面图,(c和(d)分别为淮河流域入梅前后6月26日和7月2日的白昼平均OLR场(阴影区,单位: W°m^-2 与06: 00 GAME资料(实线)和NCEP资料(虚线)的高度场588 dagpm等值线

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鉴于两组再分析资料的差别主要体现在06: 00和18: 00,而大尺度天气过程的变化特征在时、日时间尺度上具有连续性,故在对比两组资料的差异时,我们可以选06: 00或18: 00的要素场参照OLR场或实况24 h降水量,来分析GAME和NCEP高度场资料哪一个更能准确地反映实际情况。图 1(c)和(d)中,NCEP资料的588 dagpm内有明显的强对流活动,而GAME资料的588 dagpm所包围的地区为晴空区,因此GAME资料的50 hPa高度场与OLR场配合得较好^[7],这表明GAME资料的高度场对西太平洋副高的描述更符合实际情况(400、300和200 hPa高度场分析略)。

可以看出,GAME资料的高度场在对流层中高层较NCEP资料的高度场更准确(18: 00两组资料的情况类似06: 00) ,两组资料在对流层低层的准确性在随后的散度场和垂直速度场的分析对比中可以得到,在对流层100 hPa及以上层次,还难于判断出两组资料哪一个更准确,这有待于进一步研究。

2.2   散度场和垂直速度场的对比分析

因为GAME再分析同化系统加入了T IPEX和HUBEX以及TIPEX和HUBEX之间区域的探空加密观测资料,而在p坐标系中难以将这些区域(青藏高原至江淮地区)在对流层低层的天气形势表现在同一张图上,因而我们计算了σ坐标中由青藏高原经西南地区直至江淮地区的散度场,以便分析在这些地区的GAME再分析资料与不含上述探空加密观测资料的NCEP再分析资料有什么差异。

图 2(a)是1998年6～7月逐日06: 00 σ坐标系中0.75层次沿30°N的GAME资料散度场与实况24 h降水量的时间-经度剖面图,图 2(b)也是σ坐标系中同样情况下的NCEP资料散度场与实况24 h降水量时间-经度剖面图,其中散度指σ坐标中的项,表示单位体积气柱在单位时间内空气质量的辐合辐散,其中ps指地表面气压,指在σ坐标系中等σ面上的水平风速。项类似于z坐标中的项。在图 2(a)和(b)中只绘出了散度的负值区,表示辐合。可以看出,图 2(a)和(b)最明显的差别是在102°E左右到120°E附近的区间内(相对应我国四川盆地西部到江南地区之间),GAME资料的风场辐合区与实际降水区在空间和时间上配合得较为一致。同时可以看出我国西南地区有低压天气系统东移并影响江南地区发生降水的天气特征,但NCEP资料在此区间的风场辐合区与实际降水区配合得很不好,也无从体现西南地区低压天气系统东移并影响江南地区降水的天气特征。另外,在94°E附近的青藏高原地区,与实况降水区相对应两组资料都表现有较强的风场辐合区,尤其从图 2(a)GAME资料的风场辐合与降水剖面图中我们可以看到,青藏高原以东下游地区的风场辐合和降水可能与高原上94°E附近的对流层低层低压天气系统有关。如图 2(a)中6月21日左右在高原上94°E附近有风场的辐合产生并伴有降水,到6月26日左右,高原的风场辐合仍在加强,而其下游地区在随后直到7月初的几日都有明显降水发生。

图  2  (a)为1998年6～7月06: 00 σ坐标系中0.75层次沿30°N的GAME资料负散度与实测24 h降水量时间-经度剖面图,(b)为σ坐标系中相同情况下NCEP资料负散度与实测24 h降水量时间-经度剖面图。

(图中等值线表示负散度,单位为Pa°s^-1,阴影区为24 h降水量,单位为mm)

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图 3 是1998年6月27～29日江淮第一次入梅开始时,实测24 h降水量分别与两组资料的p坐标垂直速度纬向剖面图。其中垂直速度是分别用两组资料11层等压面的u、v 风场根据p坐标质量守恒方程计算得到的,垂直速度范围取在沿27.5°N上的925～100 hPa和100°～120°E的剖面上。24 h实测降水量取为27°～28°N纬带上的最大实况单站降水量,其东西方向也取在100°～120°E之间,与垂直速度相配。由图 3(a)的27日、28日和29日可看出,在降水区有GAME资料垂直速度场的上升运动与之相对应,在图 (b)的27日、28日和29日图形中NCEP资料的垂直速度场却在102°E附近的降水区显示有下沉运动。在图 3 中降水量明显增大时,GAME资料的垂直速度也增大,NCEP资料的垂直速度场却没有相应变化,而且在江南地区无降水时,图 3b 中NCEP资料显示有较强的上升运动。由此我们得出,GAME资料的垂直速度与实测降水配合较好,而NCE资料的垂直速度与实测降水却不相匹配。另外,我们将图 3和32.5°N上同样的垂直速度与实测24 h降水(图略)进行了对比分析,结果表明在对流层低层GAME资料的垂直速度显示出了西南涡和实际雨区相伴东移进入江淮地区的天气特征,而NCEP资料却对这一特征没有反映出来。

图  3  1998年6月27～29日逐日06: 00 p 坐标垂直速度纬向(27.5°N)剖面图与实况24 h降水量(黑色柱体,单位为mm)

图(a)为GAME资料与实况降水,图(b)为NCEP资料与实况降水。 (黑色柱体及带下划线的数字表示27°～28°N纬带上的最大实况24 h降水量,单位为mm。等值线及其数字为p坐标垂直速度,单位: Pa°s^-1)

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2.3   淮河地区水汽收支的对比分析

我们分别用GAME和NCEP 2.5°×2.5°水平分辨率的资料,计算了1998年6～8月逐日00: 00、06: 00、12: 00和18: 00共4个时次的淮河流域水汽收支(净流入水汽通量)^[8]。其中所计算的淮河流域水汽收支的水平范围为32.5°～35.0°N,112.5°～120.0°E,垂直范围为从地面到300 hPa。

由图 4(a)可看出,6月的11日和29日及7月的1日和16日都是淮河地区降水峰值日,在图 4(b)、(c)和(d)相对应的这些天中,GAME资料的水汽收支也出现了峰值,其中图 4(b)和(c)中GAME资料的水汽收支最大值都出现在6月29日,图 4(d)中GAME资料的夜间水汽收支最大值出现在6月11日,不难看出GAME资料的水汽收支演变符合于实际大气降水的变化。而NCEP资料06: 00和18: 00的水汽收支演变与实际降水的变化配合得并不很好,如图 4(c)中NCEP资料的水汽收支最大值出现在7月5日,而这一日及前后几天中并无明显降水,再如图 4(d)中的7月4日,也是连续几日无明显降水时NCEP资料的水汽收支出现了较高值; 另外图 4(d)中7月1日和16日NCEP资料的水汽收支在降水日并没有增加反而有所下降,而相应GAME资料的水汽收支却依然随着实际降水日的出现而增大。

图  4  1998年6～8月淮河流域16站平均降水量和GAME与NCEP资料水汽收支逐日演变(a)为淮河流域6～8月16站平均的24 h降水量演变。(b)、(c)和(d)为两组资料分别在6～8月00: 00、06: 00和18: 00淮河流域的水汽收支逐日演变

(实线为GAME资料,虚线为NCEP资料,其中纵坐标单位: 4 kg°s^-1°km^-2)

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表 1 是依据图 4 中的要素计算得到的相关系数,从表中可以看出,GAME资料的水汽收支与实际降水的相关无论在哪一时次都比NCEP资料的水汽收支与降水的相关要明显地大。两组资料的共同点是在夜间与降水的相关都较白昼低。在06: 00,GAME资料的水汽收支与降水相关系数最大,而NCEP资料的水汽收支在00: 00与降水相关最大。但两组资料在00: 00的差别最小(如图 4(b)所示),其相关系数达0.86。

表  1  淮河流域水汽收支和降水量(R)相关系数表

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2.4   降水资料的对比分析

在图 5(a)中,GAME模拟的降水量(实线)与实际降水量(虚线)更接近,而NCEP资料的降水量(点线)误差较大,同样在图 5(b)中可看出虚线(实际降水减NCEP资料降水的绝对值大于实线(实际降水减GAME资料降水)的绝对值。此外,值得注意的是,在图 5(a)和(b)中,到8月以后,GAME资料在淮河流域的平均降水量与实况降水量的差别有所增大,这是因为HUBEX试验的加密观测在7月底已结束而在8月的探空观测资料与常规GTS探空资料相同的原因,从此处也足见HUBEX外场加密观测试验的重要性,而且也揭示出GAME资料比NCEP资料准确的原因,主要是GAME的再分析同化系统包含了诸多试验中的探空加密观测资料,而不是因为GAME和NCEP再分析同化方案不同。关于这一点,在下文地面通量的对比分析中能再次得到验证。

图  5  1998年6～8月淮河地区(32.5°～35.0°N,112.5°～120.0°E)16站平均的实况24 h降水(虚线)、淮河地区平均的GAME(实线)和NCEP(点线)资料24降水逐日演变(a)及其实况降水减GAME资料降水的差值(实线)和实况降水减NCEP资料降水的差值(虚线)逐日演变(b)

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2.5   地面通量资料的对比分析

在降水日地表与近地面大气的湿度差减小,使得水汽蒸发减小; 并且由于大气中水汽凝结释放潜热的过程发生,使得大气的比湿进一步增加从而抑制地面向大气的水汽蒸发,这都会导致潜热通量降低。由图 6(a)我们可以看到,在6月11日、7月1日和28日等降水日中(降水日可参考图 4(a))GAME资料的潜热通量均有所降低,而NCEP资料的潜热通量却在增大,这与实际降水过程不相符合。通过计算06: 00两组资料的潜热通量(如图 6(a)所示)分别与淮河流域16站平均降水量的相关,得出GAME资料的潜热通量与降水的同期相关系数为-0.18,NCEP资料的净潜热通量与降水的同期相关系数为-0.05 ; GAME资料的潜热通量与滞后一日的降水相关系数为0.21,NCEP资料的净潜热通量与滞后一日的降水相关系数为0.01。由以上分析可以看出,GAME资料的潜热通量要比NCEP资料的潜热通量更符合实际情况。但两组资料的潜热通量与实况降水相关程度都较低,其原因可能是潜热通量不仅仅与降水有关,它是一个受多因子影响的复杂物理量。

图  6  1998年6～8月06: 00 GAME资料(实线)和NCEP资料(虚线,均按小值纵坐标在淮河地区(32.5°～35.0°N,112.5～120.0°E)平均的潜热通量演变(a)和感热通量演变(b)对比分析

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同样,因为在降水日地表与近地面大气的温度差减小而导致感热通量也会降低,那么由图 6(b) 可看出,在6月11日、7月16日、22日、8月3日、9日及14日等峰值降水日中(参照图 4(a)),GAME资料的感热通量都有减少的变化,而NCEP资料的感热通量却没有相应变化甚至某些日在变大。通过计算两组资料感热通量(如图 6(b)所示)与实测降水量(如图 4(a)所示)的相关,也证实了GAME资料的感热通量比NCEP资料的感热通量要合理的多,其中GAME资料的感热通量与实测降水量的相关达-0.551,而NCEP资料的感热通量与实测降水量的相关仅为-0.130。

与前面降水量的对比分析相一致,图 6(a)和(b)明显表现出在8月1日以后(HUBE的探空加密观测结束以后),GAME资料的潜热和感热通量分别与NCEP资料的潜热和感热通量差别减小,再次说明了GAME资料优于NCEP资料的主要原因在于GAME资料含有气象科学试验的探空加密观测资料。

3.   结论

1998年6～7月每日4个时次的GAME再分析资料和NCEP再分析资料的差别在06: 00和18: 00最明显,就我国范围来说,其差别主要分布在江淮流域和青藏高原至江淮流域之间的地区,且在对流层低层和100 hPa及以上层次较大,在对流层中高层较小。分析表明含有HUBEX等试验探空观测资料的GAME再分析资料在基本要素场、导数场、降水量场和地面通量场中比NCEP再分析资料更准确。两组资料主要差别所在的时次和区域正是GAME再分析资料包含的几个气象试验的加密观测时次和试验分布区域,这说明GAME外场加密观测试验的重要性,在对GAME和NCEP两组资料在淮河流域的地面通量的比较中,也能看出这一点。即在8月1日以后(HUBEX的探空加密观测结束以后),GAME资料与NCEP资料的降水量、潜热通量和感热通量的差别明显减小。本文所作的分析揭示出了GAME资料优于NCEP资料的主要原因在于GAME资料含有其诸多科学试验的探空加密观测资料,而不是因为两组资料的同化系统不同。所以增加观测资料的时空分辨率,并将其尽可能在资料同化方案中使用,必将对改进资料质量进而提高天气预报和气候预测的准确率具有重要价值。

另外,在分析中我们也发现,虽然江淮流域大尺度降水的水汽主要来自南海方向,但其大尺度降水天气的初始扰动多来自于西边,而且青藏高原东南部对流层低层的低压天气系统与随后的江淮降水似乎有一定联系,其成因与否还有待于进一步研究。