大气再分析资料是一种利用资料同化方法把数值预报产品和多种观测资料融合起来而得到的综合资料，具有内容丰富、资料时间长和汇总了广泛观测资料等特点。再分析资料集的出现，弥补了观测资料时空分布不均匀的缺陷，为大气科学及相关领域的研究提供了重要的数据支持，在气象和气候的诸多领域得到了广泛的应用，帮助我们认识和理解大气环流运动规律、天气变化与气候变化的成因和机制。

从20世纪90年代中期开始，美国、欧洲和日本等先后组织和实施了一系列全球大气资料再分析计划及其后续升级计划。目前，全球大气再分析资料主要有：美国国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAR)的60多年(1948年至今)NCEP/NCAR全球大气再分析资料(Kalnay et al., 1996; Kistler et al., 2001)，NCEP与美国能源部(DOE)的NCEP/DOE(1979~2009年)全球大气再分析资料(Kanamitsu et al., 2002)；欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的15年(1978~1994年)全球大气再分析资料ERA-15(Gibson et al., 1997)和45年(1957~2002年)全球大气再分析资料计划ERA-40(Simmons and Gibson， 2000; Uppala et al., 2005)，以及欧洲为下一代再分析资料做准备的ERA-Interim再分析资料(1989年至今)(Simmons et al., 2006)；日本气象厅(JMA)和电力中央研究所(CRIEPI)联合组织实施的25年(1979~2004年)全球大气再分析资料计划JRA-25(Onogi et al., 2007)等。其中，NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40以及JRA-25目前应用相对较为广泛，NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料在连续发布。

自从全球大气再分析资料问世以来，很多科学家利用不同的方法从不同的角度对不同参量进行了比较分析，对再分析资料的可信度进行了评价和检验。我国学者也研究了再分析资料在东亚和中国区域气候变化研究中的适用性问题，并对其在中国区域的可信度进行了检验和评价(苏志侠等，1999；徐影等，2001； 黄刚，2006； 施晓晖等，2006； 赵天保等，2004;赵天保和符淙斌2006，2009；Zhao and Fu， 2006； 周青等，2008；周连童，2009；周顺武和张人禾，2009；高庆九等，2010)，这些研究结果指出：再分析资料在气候变化长期趋势变化研究中存在着较大的不确定性；1979年以后由于同化方案的改进和卫星资料的加入，再分析资料的可信度得到提高；再分析资料可信度总体上在我国东部和低纬的可信度比在我国西部和高纬的高，并且不同要素的可信度不一样，其中ERA-40再分析资料比NCEP/NCAR再分析资料可信度高。

这些研究所用资料绝大部分都集中在气候平均态以及地表参数上，缺少逐时(6 h)变化资料以及对流层中高层以及平流层低层的比较和分析。再分析资料逐6小时全球最终分析资料为研究天气尺度和中尺度系统变化过程提供了条件，并能为中尺度数值模式提供初始场和某些边界条件，并可代替实测资料应用于卫星遥感领域如云检测等(周青等，2008)。但再分析资料由于受预报模式系统、同化系统和观测系统等方面的误差影响而存在着一定的质量问题，并不能完全取代观测资料来描述大气的真实三维演变状态，而以前的研究都集中在气象要素的气候平均态上，在我国大陆区域对逐时再分析资料随高度的质量变化还没有细致评估。

正确的认识和评价再分析逐时资料与高精度探空资料的差异，对利用再分析资料进一步开展天气和气候变化研究有积极的意义，也为再分析资料的进一步改进提供依据。为此，本文采用2008年5~12月在安徽寿县获得的逐6小时高精度RS92探空资料，与同时期NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析资料(6 h)在1000~20 hPa 16个标准气压层上的温度、纬向风、经向风以及相对湿度开展了比较分析，了解再分析资料在某一站点上空的可信度及其代表性。

2 资料和处理方法 2.1 资料 2.1.1 探空资料

本文使用2008年5~12月在安徽省寿县(纬度：32.56°N，经度：116.78°E，海拔：21 m)进行大气辐射综合观测试验期间获得的探空资料。该试验项目使用Vaisala公司生产的RS92型GPS探空仪测量温度、气压、风速和湿度的垂直分布，每天施放4次(00时、06时、12时、18时，协调世界时，下同)，从2008年5月14日至2008年12月28日共有828次有效探空资料，其中有73%的探测高度大于20 km。RS92型探空仪为全数字调频式探空仪，抗干扰能力强，每2 s采集和发送一组气压、温度和湿度数据，垂直分辨率高，全数字技术也简化了地面接收设备；采用GPS扩频技术使得测风精度高；气压测量上使用了新型快速响应气压传感器；探空仪内有两个温度传感器，分别测量气温和舱内温度，便于调整温度系数；使用了两个湿度传感器，可以在探空仪出云和入云时通过交替加热的方式防止传感器表面凝结露或霜；有先进的地面定标设备，可以模拟整个探空仪在高空中的实际环境。上述这些措施保证了风场、气压、温度和湿度等气象参数的高测量精度，其中温度分辨率0.1 °C，测量精度100 hPa高度以下为0.2 °C，100~20 hPa为0.3 °C；相对湿度测量分辨率1%，定标一致性2%，测量不确定性小于5%(Miloshevich et al., 2009)。根据2010年WMO组织的对多种探空仪的对比验证实验结果，RS92型探空仪是当前国际上应用广泛、气象要素测量精度最高的一种探空仪(见 ：http://www.vaisala.com/en/products/soundingsystems and radiosondes/radiosondes/Pages/RS92.aspx[2010-12-20])。有分析指出，RS92与目前中国业务探空所用的国产GTS1探空仪相比，温度滞后误差小，湿度测量结果明显优于后者，测风精度高(李伟等，2009)；GTS1探空仪与Vaisala的探空仪及最新的低温霜点湿度计(Cryogenic Frostpoint Hygrometer，CFH)水汽测量技术相比，在500 hPa以下有10%的干偏差，500 hPa以上干偏差达到30%，在300 hPa以上则上升到55%，温度测量在平流层上白天有小于0.5 K的暖偏差，夜间则有相对较大的冷偏差(Bian et al., 2011)。

2.1.2 NCEP/NCAR再分析资料

NCEP/NCAR再分析资料是美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)提供的逐6小时(00时、06时、12时、18时)再分析资料(以下简称NCEP再分析资料)，包括温度、纬向风、经向风和相对湿度。空间分辨率是2.5°(纬度)×2.5°(经度)经纬网格，垂直分层为17层，分别为1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa。

2.1.3 ERA-Interim再分析资料

ERA-Interim资料是由欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的为新一代欧洲中心再分析资料做准备的过渡期再分析资料，在模式和资料同化系统上都比ERA-40有所改进。本次工作所用到的ERA-Interim再分析资料是每日4次(00时、06时、12时、18时)的资料，包括温度、纬向风、经向风以及相对湿度，空间分辨率是1.5°(纬度)×1.5°(经度)经纬网格，垂直分层为37层，从1000到1 hPa(见： http://www.ecmwf.int/research/era/do/get/era-interim[2010-12-20])。资料时间长度与探空资料和NCEP再分析资料对应。

2.2 处理方法

本工作所用无线电探空资料覆盖了从1000 hPa至20 hPa的高度。NCEP/NCAR再分析数据标准层次是从1000 hPa至10 hPa(共17层)，ERA-Interim再分析数据从1000 hPa覆盖到1 hPa(共37层)。为了实现两种再分析资料与探空资料的对比分析，采用3种资料共有的标准气压层(1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20 hPa)，对1000~20 hPa共16个层次上的气象要素数据进行比较分析。

探空数据垂直分辨率高，一般在10~20 m范围内，用线性插值得出各标准气压层的气象要素(温度、纬向风、经向风和相对湿度)数据。为了比较分析再分析资料与探空资料，本文采用双线性插值法(赵天保等，2004；赵天保和符淙斌，2006)把再分析资料的规则网格点数据插值到寿县站点，即把站点最相邻4个网格点的再分析值进行加权线性内插，得到该站点气象要素的再分析值。寿县探空观测站四周4个格点范围内地形较为平坦，最大高度差小于100 m，4个格点上的气象数据在大多数情况下，有较好的一致性；自然地，最近格点上的数据与站点的探空数据最为接近(图略)。

我们计算两种再分析资料与探空资料在每个相同气压层的相关系数(R)、偏差(B_ias)以及平均绝对差(M_ad)，然后进行比较分析。对应气压层两种资料某一要素的相关系数计算公式为：

3 比较分析 3.1 温度

表 1给出了温度再分析资料与探空资料的相 关系数、偏差以及平均绝对差。 图 1是温度再分析资料与探空资料相关系数和平均绝对差随高度(气压)的变化，实线为NCEP再分析资料与探空资料的比较，点虚线为ERA-Interim再分析资料与探空资料的比较。从表 1可以看出，温度再分析资料与探空资料在1000~100 hPa各气压层的相关系数都大于0.9，在100 hPa以上随高度减小，在30 hPa最小，到20 hPa又有所增大。对比所有标准气压层上与探空资料的相关系数，ERA-Interim再分析资料都优于NCEP再分析资料的。另外，ERA-Interim温度再分析资料与探空资料的偏差的绝对值基本上小于0.3 °C，NCEP与探空的偏差的绝对值小于0.7 °C。并且可以看出，只在400~200 hPa和50 hPa这5层ERA-Interim再分析资料与探空资料的偏差为正值，而NCEP再分析温度资料与探空资料的偏差有超过一半的气压层是正值。比较平均绝对差可见，ERA-Interim再分析资料与探空资料的平均绝对差都小于等于1 °C，NCEP与探空资料的平均绝对差除了在1000 hPa大于1.5 °C外，其余接近1 °C。

表 1(Table 1)

表 1 温度再分析资料(NCEP、ERA-Interim)与探空资料对比 Table 1 Intercomparison of temperature at different levels between the reanalysis data(NCEP，ERA-Interim) and RS92 observation data 层次/ hPa 样本数(时次数) R Bias/ °C Mad/ °C NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim 20 110 0.811 0.826 0.21 -0.21 0.96 0.88 30 326 0.588 0.703 -0.13 -0.13 1.08 0.93 50 593 0.700 0.792 0.02 0.16 1.08 0.92 70 686 0.849 0.892 -0.07 -0.08 1.16 1.00 100 761 0.937 0.965 -0.04 -0.22 1.11 0.83 150 796 0.924 0.968 0.33 -0.06 0.94 0.59 200 811 0.920 0.961 0.65 0.29 0.99 0.61 250 812 0.979 0.988 0.67 0.30 0.96 0.60 300 814 0.989 0.994 0.43 0.22 0.84 0.55 400 815 0.992 0.996 0.18 0.02 0.72 0.50 500 817 0.991 0.994 0.10 -0.05 0.69 0.55 600 818 0.989 0.993 -0.04 -0.22 0.73 0.59 700 818 0.989 0.994 -0.06 -0.15 0.73 0.58 850 820 0.990 0.994 0.28 -0.14 0.88 0.68 925 823 0.989 0.995 0.33 -0.39 0.96 0.71 1000 704 0.972 0.991 -0.56 -0.06 1.69 0.84

表 1 温度再分析资料(NCEP、ERA-Interim)与探空资料对比 Table 1 Intercomparison of temperature at different levels between the reanalysis data(NCEP，ERA-Interim) and RS92 observation data

图 1

Fig. 1

图 1 温度的相关系数R(左)和平均绝对差Mad(右)随气压(高度)的变化。实线(N-RS92)和虚线(E-RS92)分别为NCEP再分析资料和ERA-Interim再分析资料与探空资料的对比 Fig. 1 Variation of R(left panel) and Mad (right panel)for temperature as the function of pressure. Solid and dashed lines represent the comparisons of RS92 data with NCEP(N-RS92) and ERA-Interim reanalysis data(E-RS92)，respectively

从图 1中可见，1000~20 hPa的相关系数基本和平均绝对差呈反相关，即相关系数越大，平均绝对差越小。再分析资料与探空资料的相关系数在1000~250 hPa的气层接近1，在200 hPa及以上的气层，相关系数减小。总体上，ERA-Interim温度再分析资料与探空资料的相关性要优于NCEP温度再分析资料与探空资料的，前者平均绝对差总体水平也小于后者。

3.2 风速

表 2和表 3给出了风速再分析资料与探空资料的相关系数、偏差以及平均绝对差，其中表 2为纬向风，表 3为经向风。图 2是风速再分析资料与探空资料相关系数和平均绝对差随高度的变化。从表 2纬向风的对比来看，NCEP纬向风再分析资料与探空资料的相关系数在1000 ~700 hPa这4个标准气压层小于0.9，而ERA-Interim纬向风再分析资料与探空资料之间的相关系数只有1000 hPa这一个气压层小于0.9。表 2经向风 相关系数显示，NCEP 再分析资料与探空资料的相关系数只在300~150 hPa这4个标准气压层大于0.9，ERA-Interim再分析资料与探空资料之间的相关系数在700 hPa至150 hPa这8层大于0.9。从100 hPa开始，经向风相关系数急剧减小，都小于0.7，两种再分析资料与探空资料的相关性在平流层低层要远比在对流层差。

表 2(Table 2)

表 2 纬向风再分析资料与探空资料对比 Table 2 Intercomparison of zonal wind at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data 层次/ hPa 样本数(时次数) R Bias/m·s-1 Mad/ m·s-1 NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim 20 107 0.907 0.939 0.36 0.20 2.07 1.62 30 317 0.952 0.962 0.28 0.34 2.04 1.82 50 571 0.954 0.964 0.68 0.09 2.46 2.10 70 667 0.966 0.976 0.88 0.04 2.76 2.26 100 737 0.980 0.984 0.76 -0.06 2.78 2.37 150 780 0.986 0.991 0.25 0.03 2.71 2.15 200 803 0.986 0.993 -0.53 -0.53 2.94 2.06 250 808 0.984 0.992 -0.49 -0.67 2.99 2.06 300 811 0.972 0.988 -0.25 -0.39 3.27 2.16 400 811 0.955 0.978 -0.10 -0.37 2.89 2.09 500 813 0.938 0.968 -0.01 -0.26 2.53 1.85 600 815 0.907 0.954 -0.22 -0.04 2.53 1.80 700 815 0.879 0.941 -0.39 -0.01 2.53 1.77 850 814 0.851 0.930 -0.53 -0.03 2.41 1.66 925 818 0.858 0.929 -0.43 0.07 2.21 1.61 1000 701 0.768 0.855 -0.27 0.18 1.79 1.41

表 2 纬向风再分析资料与探空资料对比 Table 2 Intercomparison of zonal wind at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data

表 3(Table 3)

表 3 经向风再分析资料与探空资料对比 Table 3 Intercomparison of meridional wind at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data 层次/ hPa 样本数(时次数) R Bias/m·s-1 Mad/ m·s-1 NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim 20 107 0.577 0.656 0.04 -0.12 2.08 1.87 30 317 0.613 0.690 0.26 0.06 2.38 2.15 50 571 0.586 0.637 0.01 -0.06 2.39 2.26 70 667 0.619 0.714 0.19 0.18 2.95 2.59 100 737 0.828 0.865 -0.20 -0.26 3.01 2.75 150 780 0.920 0.948 0.76 0.16 2.95 2.31 200 803 0.940 0.964 -0.002 -0.25 2.92 2.24 250 808 0.928 0.964 0.36 0.13 3.10 2.16 300 811 0.913 0.958 0.08 -0.09 3.00 2.19 400 811 0.869 0.930 0.20 0.08 2.66 1.99 500 813 0.869 0.930 0.22 0.20 2.35 1.75 600 815 0.874 0.926 0.27 0.06 2.22 1.70 700 815 0.872 0.931 0.32 0.11 2.12 1.59 850 814 0.819 0.894 0.19 0.30 2.09 1.63 925 818 0.820 0.887 0.26 -0.03 2.05 1.55 1000 701 0.785 0.868 0.20 0.03 1.62 1.26

表 3 经向风再分析资料与探空资料对比 Table 3 Intercomparison of meridional wind at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data

从表 2和表 3的偏差值可见，风速再分析资料与探空资料的偏差绝对值都小于1 m·s^-1。纬向风的偏差正负值几乎各占一半，经向风的偏差大部分气压层次为正，少数为负。对于平均绝对差，NCEP风速再分析资料与探空资料的平均绝对差都基本都在2~3 m·s^-1之间，ERA-Interim风速再分析资料与探空资料的平均绝对差的范围是1~3 m·s^-1。

从图 2可见，相关系数与平均绝对差之间呈现出一个正相对应关系，即相关系数越大，平均绝对差也越大。总体上，纬向风再分析资料与探空资料的相关性要高于经向风，ERA-Interim资料要优于NCEP再分析资料。纬向风相关性在各标准气压层都较好，对流层中上层好于对流层低层和平流层低层，这应该是由于对流层自由大气中的风场由天气尺度系统控制，比较恒定，模式再现和预报的精确度较高；经向风的相关系数在平流层低层要比在对流层小得多。

图 2

Fig. 2

图 2 风速的相关系数R(左)和平均绝对差Mad(右)随高度的变化：(a)纬向风；(b)经向风Fig. 2 Variation of R(left panel) and Mad(right panel)for(a)zonal and (b)meridional winds as the function of pressure

NCEP相对湿度再分析资料只提供1000 hPa到300 hPa这8个标准气压层次，而ERA-Interim再分析资料可以到20 hPa。表 4给出了相对湿度再分析资料与探空资料的相关系数、偏差以及平均绝对差。图 3是相对湿度再分析资料与探空资料相关系数和平均绝对差随高度的变化。再分析产品一般可归为A、B、C、D 4类，A类产品质量主要受观测资料的影响，可靠性最高，如高空温度和风速等；B类产品质量受到观测资料和模式的共同影响，可信度要比A类产品低，如湿度等；C和D类产品的质量几乎完全是由模式决定的(Kalnay et al., 1996)。从表 4与表 1和表 2及表 3的对比看出，相对湿度的相关系数远不如温度和风速的，这与再分析不同产品的可靠性是一致的。

NCEP再分析资料与探空资料的相对湿度偏差绝对值在1000~300 hPa这8个标准气压层都不超过8%，在300 hPa高度增大很明显。 ERA-Interim再分析资 料与探空资料的偏差绝对值在400 hPa以下高度都明显小于NCEP再分析资料的，从400 hPa高度开始急剧增大，最大接近25%，而从70 hPa开始又降到一个很低的水平。比较平均绝对差，ERA-Interim资料与探空资料的在400~100 hPa都很大，在15%~20%，远高于其他层次。此外，相对湿度偏差的绝对值与平均绝对差之间呈现出明显的正相关，且随高度先增大后减小，这种现象在温度和风速中不明显。造成这个结果的原因可能是对流层中高层大气中水汽含量的测量精度下降，模式也难以准确地模拟再现。

表 4(Table 4)

表 4 再分析相对湿度资料与探空资料对比(NCEP/ERA-Interim) Table 4 Intercomparison of relative humidity at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data 层次/ hPa 样本数(时次数) R Bias Mad NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim NCEP ERA-Interim 20 70 0.419 -0.90% 0.90% 30 256 0.219 -0.55% 0.55% 50 507 0.459 1.15% 1.17% 70 609 0.747 5.65% 5.66% 100 705 0.650 17.01% 17.18% 150 753 0.725 17.03% 17.72% 200 781 0.808 23.46% 24.25% 250 786 0.827 24.64% 25.55% 300 793 0.672 0.812 7.30% 19.37% 17.08% 21.52% 400 799 0.786 0.846 -3.45% 9.01% 14.61% 14.60% 500 808 0.802 0.863 -2.95% 2.84% 14.65% 12.34% 600 807 0.834 0.893 -3.60% -0.33% 14.22% 10.78% 700 811 0.856 0.895 -4.41% -2.15% 13.16% 10.64% 850 817 0.841 0.887 -4.41% -1.30% 12.50% 9.85% 925 815 0.850 0.904 -4.40% 0.07% 11.46% 8.16% 1000 698 0.859 0.939 3.25% -2.11% 10.41% 6.08% 注：NCEP再分析资料在250 hPa高度以上没有相对湿度数据

表 4 再分析相对湿度资料与探空资料对比(NCEP/ERA-Interim) Table 4 Intercomparison of relative humidity at different levels between the reanalysis data and RS92 observation data

在图 3中可见，在1000~300 hPa高度范围相关系数和平均绝对差反相对应，而300 hPa以上，ERA-Interim再分析资料和探空资料的相关系数与平均绝对差呈现出正相对应的关系。比较相关系数可见，在300 hPa以及下气压层，ERA-Interim资料与探空资料的相关要优于NCEP资料。总之，与温度和风的相比，再分析与探空资料的相对湿度的相关相对较低，相关系数随高度增加减小，偏差的绝对值在对流层高层较大，达到10%~20%。

图 3

Fig. 3

图 3 相对湿度的相关系数R(左)和平均绝对差Mad(右)随高度的变化Fig. 3 Variation of R(left panel) and Mad(right panel)for relative humidity as the function of pressure

本文采用2008年5~12月在安徽寿县获取的一天4次的RS92探空资料与该站点对应的两种再分析值(NCEP/NCAR、ERA-Interim)进行了对比分析，主要结果有：

(1)温度的两种再分析资料与探空资料的相关系数，在1000~250 hPa标准气压层接近于1，在200 hPa及以上高度有所减小；再分析资料与探空资料的温度平均绝对差在0.5~1 °C范围内，在1000~20 hPa相关系数与平均绝对差基本呈反相对应关系。

(2)风速再分析资料与探空资料的偏差绝对值在所有高度层都小于1 m·s^-1。NCEP再分析资料与探空资料的平均绝对差在2~3 m·s^-1范围，ERA-Interim再分析资料与探空资料的平均绝对差在1~3 m·s^-1范围。在各标准气压层纬向风的相关都比较好，在对流层中上层高于对流层低层和平流层低层。经向风的相关总体上低于纬向风的，在对流层随高度增大，在平流层低层迅速减小。风速相关系数与平均绝对差之间呈现出一个较好的正相对应关系。

(3)相对湿度再分析资料与探空资料的相关系数随高度增加减小，偏差的绝对值在对流层上层很大；与平均绝对差在1000~300 hPa呈反相对应关系。在300 hPa以上，ERA-Interim再分析资料与探空资料的相关系数与平均绝对差呈现出正相对应的关系。

(4)总体上，ERA-Interim再分析资料与探空资料的相关优于NCEP再分析资料与探空资料的，温度、风速再分析资料与探空资料的相关系数大于相对湿度的相关系数。

致谢 感谢安徽省气象局寿县气候观象台在施放探空时给予的帮助。寿县2008年RS92探空资料由DOE/ARM项目处理和提供，NCEP/NCAR和ECMWF再分析资料从其网站下载。