引 言

随着资料同化技术水平的提高，大气再分析资料已经成为气象科学研究、气象业务开展和数值模拟的主要资料。目前广泛应用的有NCEP/NCAR和NCEP/DOE，ERA-40以及JRA-25再分析资料。除了受观测系统变更所引入的误差影响外，再分析资料的质量还受到数值预报模式和同化方案等所含系统性误差的影响，特别是受模式系统误差的影响比较大。在研究气候的长期变化趋势时，再分析资料的不确定性较大(赵天保等，2009；高庆九等，2010)，所以在使用再分析资料做气候变化、气候诊断等研究前，有必要对不同再分析产品之间的差异和质量进行分析。

目前已有很多国内外学者对再分析资料进行了研究。赵天保等(2004；2006)就中国区域月平均降水在空间的分布及变化趋势对三套再分析资料的可信度进行了检验，认为NCEP-1再分析降水资料数值普遍比观测值偏高，NCEP-2比NCEP-1有所改进，ERA-40在中国大部分地区比观测值略偏少，但在量级上更接近观测值，可信度最高。由于东亚地区处于季风区，且该地区地理位置独特，天气气候受到热带海洋和青藏高原大地形的影响，所以长期以来东亚地区夏季降水一直是各类数值模式模拟的一个难题(戴泽军等，2011)，李健等(2010)专门针对我国夏季降水对NCEP-2、ERA-40和JRA-25再分析资料进行了评估，发现三套资料都对弱降水有过高估计，强降水有过低估计，且对暴雨的预报能力都非常弱。Ma等(2008)利用均一化观测资料对NCEP-1、NCEP-2和ERA-40再分析地面温度资料进行了对比分析，发现三套再分析资料在中国大部分地区都较观测值偏低，对地面温度的模拟NCEP-2比NCEP-1有一定的改进，ERA-40较NCEP-2更接近观测值。支星等(2013)利用中国区域探空温度资料评估了高空不同层次再分析温度资料，认为3种再分析资料的高空温度均低于探空资料的高空温度；NCEP资料在对流层上层、ERA和JRA在对流层中下层与探空资料更为接近；在描述年际变化和长期变化趋势方面，ERA资料在我国北方的对流层上层再现能力较好，NCEP在南方的对流层上层再现能力较好。对于再分析位势高度资料，赵天保等(2009)认为高度场的绝对偏差主要出现在对流层上层，ERA-40在20世纪70年代中期以前适用性较好，NCEP-1在70年代中期以后的可信度则相对较高。有研究认为，再分析地表通量产品的质量几乎完全是由模式决定的，可信度较低(Kistler et al, 2001)。周连童(2009)比较了NCEP-1和ERA-40再分析感热资料和由观测资料中空气密度、风速、温度等物理量计算得到的感热资料的差异，发现ERA-40的感热资料在年代际时间尺度上更接近于观测资料。游庆龙等(2009)利用念青唐古拉峰扎当冰川垭口和纳木错站的短期观测资料与同期NCEP/NCAR再分析资料进行了对比分析。

上述研究主要针对温度、位势高度、风速、降水、地表感热等气象要素，对湿度的研究还未发现。本文利用相关分析、趋势分析等统计方法对中国区域均一化探空湿度资料、NCEP/NCAR、ERA-Interim以及JRA-25再分析湿度资料进行对比分析，以期为气象业务科研工作提供参考。

1 资料和方法

所用探空资料是国家气象信息中心提供的1980—2010年850、700、500、400和300 hPa等压面上中国区域探空站的月平均温度资料以及温度露点差资料，该资料序列利用20世纪再分析资料作为参考序列，对非均一性进行了初步订正。利用温度和温度露点差计算得到了各层逐月比湿(简称探空比湿或OBS)(盛裴轩等，2003)，公式如下：

$\begin{align} &e={{e}_{s0}}\cdot {{10}^{\frac{at}{b+t}}} \\ &q=\frac{\varepsilon \cdot e}{p-0.378e} \\ \end{align}$

式中，e为实际水汽压，e_s0为0℃时的饱和水汽压，a和b为常数，t为摄氏温标下的露点温度，ε=0.622，q为比湿。

所用3种再分析资料分别为1980—2010年NCEP月平均比湿资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；ERA月平均比湿资料，水平分辨率为1.5°×1.5°；JRA月平均比湿资料，水平分辨率为1.25°×1.25°；3种再分析比湿资料简称为再分析比湿。

根据探空资料选择缺测较少的站点98个(站点分布见图 1)，对个别缺测值用该月多年平均值代替。为分析和比较探空站点资料和再分析格点资料之间的差异，本文采取双线性差值方法将再分析资料的格点值内插到选出的98个探空站点上，在各台站上对再分析资料和探空资料进行对比分析。

2 再分析比湿与探空比湿的空间分布特征 2.1 多年平均比湿的空间分布特征

从3种再分析比湿和OBS比湿多年平均值的空间分布分析(图 2为850 hPa，500和300 hPa图略)，3个层次一致表现为，随着纬度的增加，比湿减小；850 hPa上，3种再分析比湿和OBS比湿高值区均位于我国的广西、云南，OBS比湿的最高值比再分析比湿最高值高，最低值比再分析比湿最低值低；低值中心均位于新疆东南部。500 hPa比湿明显减小，3种再分析比湿的高值中心在青藏高原，而OBS比湿的高值中心比再分析比湿偏东。

表 1为多年平均再分析比湿和OBS比湿的空间分布相似系数。可见，3种再分析比湿与OBS比湿的空间分布的相似性很高，均通过了α=0.05的显著性水平检验。相似系数在850 hPa最高，均在0.9以上，并随高度增加而减小；3种再分析资料中，JRA与OBS比湿分布的相似性最好，表明JRA比湿与OBS比湿分布最一致。

2.2 多年月平均比湿的空间分布特征

表 2为多年月平均再分析比湿与探空比湿的空间分布相似系数。可见，3种再分析比湿与OBS比湿之间的相似系数较大，均通过α=0.05的显著性检验。8月300 hPa NCEP与OBS比湿的相似系数最小，为0.5；EAR和JRA与OBS比湿的相似系数差别很小，且12个月均随高度减小；NCEP与OBS比湿的空间分布相似系数较EAR和JRA比湿小，且在一些月份、一些层次相似系数随高度增大。

3 再分析比湿与观测比湿的差异分析

为了比较3种再分析比湿和OBS比湿的差异，计算了98个站点再分析比湿与OBS比湿多年平均和多年月平均相对偏差，用下式表示:

$\begin{array}{l} {{\rm{\varepsilon }}_{{\rm{NO}}}} = \frac{{{q_{{\rm{NCEP}}}} - {q_{\rm{o}}}}}{{{q_{\rm{o}}}}} \times 100\% \\ {{\rm{\varepsilon }}_{{\rm{EO}}}} = \frac{{{q_{{\rm{ERA}}}} - {q_{\rm{o}}}}}{{{q_{\rm{o}}}}} \times 100\% \\ {{\rm{\varepsilon }}_{{\rm{JO}}}} = \frac{{{q_{{\rm{JRA}}}} - {q_{\rm{o}}}}}{{{q_{\rm{o}}}}} \times 100\% \end{array}$

式中，ε_NO、ε_EO、ε_JO分别为3种再分析比湿与OBS比湿的相对偏差，q_NCEP、q_ERA、q_JRA、q_O分别为NCEP、ERA、JRA再分析比湿和观测比湿。

3.1 多年平均比湿的差异分析

图 3是3种再分析比湿和OBS比湿多年平均值的相对偏差随高度的分布。可以看出，仅有个别站点在850和700 hPa存在负值，其余站点在各高度均为正值，即再分析比湿普遍较OBS比湿偏高。从相对偏差的空间分布分析，3种再分析资料一致表现为，21~26号站点(渤海湾附近)整层相对偏差较小，低于30%，61号站点和68号站点附近(新疆西部)整层相对偏差较大；从高度分布看，相对偏差随高度增大，500 hPa以上，除青藏高原和渤海湾附近站点外，其他站点相对偏差可达200%；从3种再分析比湿资料分析，JRA比湿与OBS比湿的相对偏差较ERA和NCEP比湿偏小。图 4为再分析比湿和OBS比湿全国平均相对偏差的垂直廓线。可见，在700 hPa以下，3种再分析比湿与OBS比湿之间的相对偏差较小，在30%以下，且3种再分析比湿之间的差异不明显；在500 hPa以上，JRA比湿与OBS比湿的相对偏差较NCEP、ERA比湿明显偏小。

3.2 多年月平均比湿的差异分析

为了分月比较再分析比湿与OBS比湿的差异，计算了各站点、各层次、12个月多年平均再分析比湿与OBS比湿的相对偏差。与年平均比湿一致，再分析比湿普遍较OBS比湿偏高，且偏差随着高度的增加而增大，个别站点在850和700 hPa存在负值，NCEP与OBS比湿差值为负值的站点最多，主要出现在广东和海南的54~59号站点，其中在59号海南站，3种再分析比湿与OBS比湿的相对偏差在12个月均为负；从逐月分布看，冬春季月份相对偏差大，夏季月份相对偏差小，负值多出现在夏季月份(图 5)。850 hPa上新疆地区61~71号站点3种再分析比湿相对偏差较其他站点明显偏大，到300 hPa上这种区域差异消失；在850 hPa，NCEP与OBS比湿的相对偏差较大，ERA和JRA比湿与OBS比湿之间的相对偏差不明显，500 hPa以上，JRA与OBS比湿之间的相对偏差较小，NCEP比湿最大。

4 长期变化特征 4.1 年平均比湿的长期变化特征

表 3给出了年平均再分析比湿和OBS比湿的气候趋势系数和气候倾向率(施能等，1995)，加粗部分表示可以通过α=0.05的显著性水平检验。表 4为年平均再分析比湿与探空比湿之间的相关系数。

在850 hPa(图 6)，ERA、NCEP、JRA比湿均没有明显的趋势性变化。数值上，OBS比湿比再分析比湿偏低1 g·kg^-1左右，这一结论与赵天保等(2004；2009) 的研究结论NCEP-1再分析降水资料数值比观测值偏高相一致。3种再分析比湿与OBS比湿的相关性都很高，其中JRA相关最高，达到0.81 (表 4)。

在500 hPa(图略)，3种再分析比湿的趋势系数均为负值，但仅NCEP比湿可以通过显著性检验。在量值上，JRA比湿比其他再分析比湿偏小。与再分析比湿不同，OBS比湿气候趋势系数为正值且通过了显著性检验，说明OBS比湿呈升高的趋势；在数值上，OBS比湿比再分析比湿平均偏低0.8 g·kg^-1，与JRA比湿最接近。

在300 hPa(图略)，JRA和NCEP比湿气候趋势系数均为负值且通过了显著性检验，说明呈减小的趋势。在数值上，1992年以前，NCEP比湿比其他再分析比湿明显偏高，2001年后NCEP比湿与ERA比湿基本相同，而JRA比湿则明显偏低。OBS比湿呈升高趋势，通过了显著性检验。在数值上OBS比湿比再分析比湿偏低，与JRA最接近。在相关关系上，OBS比湿与ERA存在较高的相关(表 4)。

4.2 月平均比湿的长期变化特征

图 7为3种再分析比湿与OBS比湿的逐月分布，可见3个层次上，3种再分析比湿与OBS比湿一致为冬季月份低，夏季月份高，OBS比湿比再分析比湿低。与相对偏差不同，比湿差值夏季月份大，冬季月份小，JRA比湿与OBS比湿的差异最小，NCEP比湿与OBS比湿的差异最大。

表 5为3种月平均再分析比湿和OBS比湿的气候趋势系数，加粗部分，表示通过了α=0.05的显著性检验，表 6为月平均再分析比湿与探空比湿的相关系数。

在850 hPa，OBS比湿气候趋势系数仅在11月为负，其他月均为正值，其中6、7、8、9月的气候趋势系数可以通过显著性水平检验。7月比湿从1992年以后波动增加趋势最为明显(图 8)，9月比湿从2006年以后连续4年持续增加。3种再分析比湿中，JRA比湿的气候趋势系数为正值的月最多，但只有7月的趋势统计上是显著的，ERA和NCEP比湿的气候趋势系数为正值的月份很少，表明月平均JRA比湿的长期变化特征与OBS比湿最接近。1992年后，7月OBS比湿呈增加的趋势，3种再分析比湿呈相反趋势。2006年后，9月OBS比湿连续4年持续增加，3种再分析比湿都能较好的拟合。

在500 hPa，OBS比湿3—10月的气候趋势系数均为正值，其中5—9月的气候趋势系数可以过显著性检验。3种再分析比湿，除ERA和JRA比湿的气候趋势系数在个别月为正值外，其他气候趋势系数均为负值，且NCEP比湿各月的气候趋势系数都可以通过显著性检验，其中ERA比湿与OBS比湿的变化趋势相对接近。

在300 hPa，OBS比湿3—8月上升趋势显著，其他月份趋势性不明显。ERA比湿1和5月上升趋势显著，其他月不明显；JRA比湿多数月份的气候趋势系数为负值，有5个月统计上是显著的；NCEP 12个月气候趋势系数均为负值，11个月统计上是显著的，表明ERA比湿的长期变化特征与OBS比湿最接近。

5 结 论

利用中国98个探空站均一化温度和温度露点差资料计算了850、700、500、400和300 hPa比湿，分析了3种再分析比湿与探空比湿的差异，结论如下：

(1) 从多年平均比湿的空间分布特征分析，JRA比湿与OBS比湿的空间分布相似系数最大，表明两者的空间分布一致性最好。从多年月平均再分析比湿与探空比湿之间的空间分布相似系数分析，3种再分析比湿与探空比湿之间的相似系数在12个月都很大，且均随高度减小。ERA比湿和JRA与OBS比湿的相似系数基本相同，NCEP比湿与OBS比湿的空间分布相似系数相对较小。

(2) 从多年平均比湿的差异分析，渤海湾附近再分析比湿和探空比湿整层相对偏差较小，新疆西部整层相对偏差较大。相对偏差随高度增大，500 hPa相对偏差已达200%；700 hPa以上，JRA比湿与探空比湿的相对偏差较小。从月平均再分析比湿与探空比湿的相对偏差分析，冬春季月份相对偏差大，夏季月份相对偏差小，负值多出现在夏季月份，各月相对偏差最大的区域都出现在新疆；NCEP比湿与OBS比湿的相对偏差在各层均最大，500 hPa以上，JRA比湿与OBS比湿之间的相对偏差明显较小。

(3) 从年、月平均再分析比湿与探空比湿的长期变化趋势分析，在850 hPa，JRA比湿与探空比湿的变化趋势较一致，特别是夏季的升高趋势；在500 hPa，3种再分析比湿与OBS比湿的气候趋势系数大多数符号相反，其中ERA比湿与OBS比湿相对接近。在300 hPa，ERA比湿的长期变化趋势与OBS比湿最接近。