这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
作者及机构
该研究由Hans Hersbach、Stefan Brönnimann、Leopold Haimberger、Michael Mayer、Leonie Villiger、Joey Comeaux、Adrian Simmons、Dick Dee、Sylvie Jourdain、Carole Peubey、Paul Poli、Nick Rayner、Alexander M. Sterin、Alexander Stickler、Maria A. Valente和Steven J. Worley共同完成。主要机构包括欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、瑞士伯尔尼大学、奥地利维也纳大学、美国国家大气研究中心（NCAR）、法国气象局（Météo-France）、英国气象局哈德利中心、俄罗斯水文气象信息研究所（RIHMI-WDC）以及葡萄牙里斯本大学等。该研究于2017年4月发表在《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》期刊上，DOI为10.1002/qj.3040。
学术背景
该研究的主要科学领域是气候再分析（climate reanalysis），特别是针对20世纪早期的高空数据（upper-air data）在气候再分析中的潜在价值。近年来，许多覆盖过去一个世纪或更长时间的再分析数据集被发布，例如“20世纪再分析”（20CRv2）和“欧洲20世纪再分析”（ERA-20C）。这些数据集广泛用于气候应用，显示出再分析数据产品的重要性和潜在价值。然而，现有的20世纪再分析主要仅同化了地表观测数据，并依赖于独立估计的月平均海表温度和海冰浓度作为边界条件。因此，研究团队旨在探索早期（1939-1967年）高空数据在气候再分析中的价值，并开发了一个实验性再分析数据集ERA-PreSAT，该数据集不仅同化地表数据，还同化了历史高空数据。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 数据收集与准备：研究团队收集了多个历史高空数据集，包括NCAR的高空数据库（UADB-2）、综合历史高空网络（CHUAN v1.7）以及ERA-CLIM项目中的数据。这些数据集包含了温度、风速、风向、湿度等观测变量，覆盖了1939年至1967年的时间段。
2. 数据同化系统：ERA-PreSAT使用与ERA-20C相同的同化系统，但增加了对历史高空数据的同化。研究团队将这些数据转换为ECMWF的同化格式，并将其输入到四维变分同化（4D-Var）系统中。
3. 模型配置：ERA-PreSAT的模型基于ECMWF的综合预报系统（IFS）版本38r1，水平分辨率为T159（约125公里），垂直方向有91层，从地表延伸至1 Pa（约80公里）。
4. 数据验证与比较：研究团队通过对比ERA-PreSAT与其他再分析数据集（如ERA-20C、20CRv2）以及独立观测数据（如总柱臭氧数据和ERA-CLIM数据集）来验证ERA-PreSAT的准确性。
5. 结果分析：研究团队详细分析了ERA-PreSAT在温度偏差、预报技能、日际和月际相关性、年际变率、准两年振荡（QBO）以及热带气旋等方面的表现。
主要结果
1. 温度偏差：在北半球，ERA-PreSAT的温度偏差显著低于仅同化地表数据的再分析数据集。
2. 预报技能：在北半球，ERA-PreSAT的预报技能显著提高，特别是在1940年代末期，预报技能的提升尤为明显。
3. 相关性：ERA-PreSAT与独立观测数据（如总柱臭氧和高空数据）的日际和月际相关性随时间增加。
4. 年际变率：ERA-PreSAT能够很好地捕捉到年际变率，特别是在北半球。
5. 准两年振荡（QBO）：ERA-PreSAT在1940年代就显示出平流层准两年振荡的迹象。
6. 热带气旋：ERA-PreSAT在热带气旋的再现方面表现不佳，与ERA-20C类似。
结论
该研究表明，早期高空数据在气候再分析中具有重要价值，特别是在减少北半球的温度偏差、提高预报技能以及捕捉年际变率方面。ERA-PreSAT的实验结果表明，同化早期高空数据可以显著改善再分析数据集的质量，特别是在20世纪早期。然而，研究也指出，早期高空数据的不均匀分布可能导致半球间的不对称性，这一问题需要通过进一步的数据同化和模型改进来解决。此外，研究还强调了历史数据恢复和数字化的重要性，这些数据将有助于未来的再分析工作。
研究亮点
1. 重要发现：ERA-PreSAT显著减少了北半球的温度偏差，并提高了预报技能，特别是在1940年代末期。
2. 方法新颖性：研究团队首次在同化系统中引入了1939年至1967年的历史高空数据，展示了这些数据在气候再分析中的潜力。
3. 特殊目标：该研究专注于20世纪早期的高空数据，填补了现有再分析数据集在这一时期的空白。
其他有价值的内容
研究还探讨了ERA-PreSAT在捕捉准两年振荡（QBO）方面的表现，表明即使在1940年代，ERA-PreSAT也能显示出QBO的迹象。此外，研究团队还分析了ERA-PreSAT在热带气旋再现方面的局限性，指出未来的再分析工作需要进一步改进数据同化方法以更好地捕捉极端天气事件。
该研究为20世纪早期气候再分析提供了重要的数据和方法支持，展示了历史高空数据在气候研究中的巨大潜力。