„Ако не бяха вълните, морето съвсем не би било страшно.“

Документът описва ERA5, JRA-55 и NCEP FNL масивите за реанализ на вятъра. Данните бяха сравнени помежду си и с реални наблюдения. Анализирани са средните месечни полета на скоростта на вятъра над Японско море, както и разпределението на вятъра по интервали и посоки на скоростта. За да се оцени качеството на данните в определени моменти, повторяемостта е изчислена с грешка от 3 m/s или повече и са дадени отделни синоптични ситуации с най-голямата разлика в скоростта на вятъра между данните от модела. Въз основа на резултатите от изследването, масивът NCEP може да бъде препоръчан за изчисляване на климатичните характеристики, а данните ERA за анализ на вятъра в определени моменти.

Изследванията на метеоролозите от миналия век се основават на малкото налични данни от наблюдения по това време. Авторите трябваше да предполагат физиката на процеса, без да могат да подкрепят своите предположения с действителни данни. Това се отнася особено за слабо проучени региони, като Арктика, Антарктида, планински райони, морски райони и т.н. Въпреки това, дори и в наше време, тяхната работа е от голям интерес. Сега изследователите имат големи възможности и всичко това благодарение на безплатния достъп до различни масиви от метеорологични данни, където данните от повторния анализ са особено популярни.
Този термин се разбира като най-пълният и последователен набор от метеорологични данни за последните години във възлите на правилна мрежа, базиран на налични стационарни наблюдения, данни от въздуха и сателити, като се вземат предвид законите на физиката, за да се получи най-добрата оценка за състоянието на атмосферата.
Такива масиви съдържат различни метеорологични параметри както близо до повърхността, така и в свободната атмосфера за дълъг период от време. Друго съществено предимство на такива данни е липсата на пропуски, тъй като те са продукт на моделни изчисления. Форматът на данните, в който се представят масивите за повторен анализ, като правило е WMO GRIB с преобразуване в netCDF.

В момента, въпреки санкциите, на множество сайтове в публичното пространство можете да намерите различни масиви, разработени от водещите световни центрове за данни. И тогава възниква въпросът кой да изберете. В тази статия сравнихме трите най-известни масива за повторен анализ днес: европейския ERA5, американския NCEP FNL и японския JRA-55. Вятърът е избран като изследван параметър за сравнение.
Масивът ERA5 е пето поколение данни за повторен анализ на Европейския център за средносрочни прогнози за времето (ECMWF) през последните 4 до 7 десетилетия. В момента има налични данни от 1950 г., разделени за съхранение в периодите 1950–1978 г. и от 1979 г. до днес. Данните са представени във възлите на правилна мрежа от 0,25 градуса. Времева стъпка: 1 ч. Данните са налични на 37 нива от повърхността до надморска височина от 80 км. Пространствено покритие: глобално. Данните се актуализират ежемесечно.
JRA-55 масив за повторен анализ за 55 години, ежедневни 3-часови и 6-часови данни (JRA-55: японски 55-годишен повторен анализ, ежедневни 3-часови и 6-часови данни). Това е вторият глобален проект за реанализ на атмосферата на Японската метеорологична агенция (JMA). Той обхваща 55 години, започвайки през 1958 г., разработен през 2013 г. и продължава в реално време. Данните са представени във възлите на правилна мрежа от 1,25 градуса. Времева стъпка: 3 и 6 ч. Данните са налични на 37 нива от повърхността до надморска височина от 80 км. Пространствено покритие: глобално. Данните се актуализират ежемесечно.

Набор от данни NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses, продължаващ от юли 1999 г. Данните са представени във възлите на правилна решетка от 1 градус. Времева стъпка: 6 ч. Данните са налични на 26 нива от 1000 hPa до 10 hPa. Пространствено покритие: глобално. Данните се актуализират ежемесечно.
За сравнение в работата се използват и реални наблюдения. Това е масив от Националния център за климатични данни на САЩ (NCDC), който е архив на действителни наблюдения от буйове, морски платформи и кораби, представени от 10-градусови квадрати в океаните. В момента архивът не е пълен, наблюденията за някои инструменти са изключени от масива. Архивът на NCDC е формиран в продължение на няколко години с помощта на GNINGI и сега има най-пълната версия за периода на наблюдение от 1910 до 2021 г. Обемът на данните е около 216 GB.
Първо, нека сравним масивите един с друг. За целта бяха изградени карти на несъответствието на скоростта на вятъра между разглежданите реанализи (рис. 1, 2).
На рис. 1а се показва несъответствието на средната скорост на вятъра между данните от ERA и NCEP за януари. Положителните стойности показват, че скоростта на вятъра е по-висока според данните на ERA, отрицателните стойности показват, че според данните на NCEP. рис. 1b и 1c за масиви ERA и JRA, NCEP и JRA.

Рис. 1. Несъответствие на скоростта на вятъра между данните от повторния анализ на ERA и NCEP (a), между ERA и JRA (б), NCEP и JRA (в). Януари

Като цяло, анализирайки и трите фигури, можем да направим следните изводи: над сушата скоростта на вятъра е по-малка според модела JRA в сравнение с други масиви; в централна Канада и Гренландия моделът ERA показва по-високи скорости на вятъра; в арктическите райони най-силните ветрове – според реанализа на японския модел.
Подобни карти са изградени за летния период. Тук, както през зимата над сушата, скоростта на вятъра е по-ниска според реанализа на JRA. Най-ниските стойности са отбелязани на територията на Индия, Ирак, край източното крайбрежие на Африка. В сравнение с други модели разликата в тези зони е средно до 3 m/s. Над Гренландия масивът ERA има по-висока скорост на вятъра.

Рис. 2. Несъответствие на скоростта на вятъра между данните от повторния анализ на ERA и NCEP (a), между ERA и JRA (б), NCEP и JRA (в). Юли

За да се сравнят данните от повторния анализ с действителните наблюдения, беше използван международният комплексен набор от данни за атмосферата и океана на ICOADS. Масивът е най-пълната колекция от повърхностни морски данни със средни месечни скорости на вятъра в мрежа 1°×1°. Това са редовно актуализирани наблюдения от кораби, метеорологични кораби и метеорологични буйове.
На рис. 3 с остатъчни стойности на скоростта на вятъра между данните от повторния анализ на ERA, NCEP, JRA и масива ICOADS се показва, че през зимата, според данните от ICOADS, скоростите на вятъра в близост до брега са по-високи (отрицателни стойности), тъй като масивите от повторен анализ също съдържат данни за земя и описват по-добре режима на вятъра в близост до брега.
Средно до 30 ° с.ш. в зоната на пасатите всички модели показват, че скоростта на вятъра е по-висока, отколкото според действителните наблюдения, а също така всички модели надценяват скоростта на вятъра в полярните ширини близо до ръба на леда до 4 m/s.

Рис. 3. Несъответствие в скоростта на вятъра между данните от повторния анализ на ERA (a), NCEP (б), JRA (в) и масива ICOADS. януари

За летния период (рис. 4) разликите са незначителни. Най-голямо несъответствие се наблюдава над водите на Атлантическия океан и Арктика. Средно, според данните от реанализа, скоростта на вятъра тук е с около 1 m/s по-висока от действителната.

Рис. 4. Несъответствие в скоростта на вятъра между масива ICOADS и данните от повторния анализ на ERA (a), NCEP (б), JRA (в). Юли