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基于Polar WRF模型的南极冰盖气温、风速和气压数值模拟.docx
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基于Polar WRF模型的南极冰盖气温、风速和气压数值模拟.docx
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南极冰盖作为世界主要的冷源库之一,不仅为大气纬圈环流提供驱动力,
影响着大洋间水汽交换以及热量平衡
[ 1-3]
,还由于其冰雪表面反照率的变化与
气温的正反馈效应进而对全球气候变化产生一定影响
[ 4]
。此外,由于南极的
淡水储量巨大,气温的升高和表面冰盖的融化会直接影响全球海平面高度和海
洋环流
[ 5-8]
。另一方面,南极对全球气候变化较为敏感,是全球气候变化的放
大镜和重要指示器
[ 9-10]
,因此对南极的天气气候观测与研究,不但有利于发觉
中低纬度地区人类难以捕捉的预警性天气变化,还可以加深我们对全球气候系
统的理解,探究过去发生的环境变化并且提高对天气变化预报的水平。然而南
极地区气候环境极其恶劣,需要借助人工的实地观测只能在较小的区域进行,
大量的冰雪覆盖区域缺乏存档完整且时间序列长的站点
[ 11-12]
,而遥感卫星产
品所提供的观测数据虽然覆盖范围广泛,但时间序列较短
[ 13]
,因此南极是当
前世界上最缺乏现场观测资料的地区之一
[ 14-15]
。观测数据的缺乏,不仅增加
了目前对南极研究结果的不确定性,还限制了该地区气候特征的表达以及我们
对南极气候变化机理的理解。
再分析资料作为一种可以提供较长时间序列且覆盖范围广泛的格网数据,
目前已经取得一定的进展。然而再分析资料的质量很大程度上取决于资料同化
系统所用观测的质量和数量以及预报模式的性能。此外,Bromwich 等
[ 16]
发
现再分析资料在南半球高纬度地区的趋势被证明存在一定的虚假性。另一方面,
针对全球气候模式在高纬度地区模拟的缺陷与难点,研究人员开发了一系列适
用于极地的区域气候模式。虽然区域气候模式的强迫场需要在其域的边界提供,
而无法对全球气候进行反馈,但是由于区域气候模式的分辨率相对较高,而且
在南极大陆进行的观测数量仍然有限,使得高分辨率区域气候模型成为动态缩
小全球再分析数据尺度,生成精细尺度气象资料的适当工具
[ 17]
。Polar WRF
被认为是现如今最先进的极地气候模式之一,Bromwich 等
[ 18]
、Hines 等
[ 19-
20]
、Listowski 等
[ 21]
在北极地区进行了一系列测试,结果表明模式的模拟结果
较为良好。Bozkurt 等
[ 13]
比较了南极半岛 Polar WRF 和 RACMO 的温度模拟
结果,研究显示两者在模拟南极半岛的不同温度状况方面表现出良好的技巧,
并且彼此之间有密切的时空变化。马永锋
[ 22]
的研究表明,Polar WRF 模拟的
500 hPa 的风向和 ERA-interim 模拟结果的大气活动中心的位置和强度十分一
致,均很好地模拟出了南极大陆上空强大的冷低压。Deb 等
[ 23]
在西南极地区
开展了高水平分辨率的模拟试验,结果表明 Polar WRF 模式是一个捕捉近地
表气象条件的有利工具,在西南极地表气压的模拟方面表现出很高的技巧。此
外,Steinhoff 等
[ 24]
针对南极 McMurdo 独特的地理环境,通过修改模式中的
雪场、土地利用、土壤等的输入,改进了对极端天气的模拟,并首次对该区域
的焚风物理机制进行了解释。然而 Wilson 等
[ 25]
对 Polar WRF3.1.1 的试验结
果表明 Polar WRF 在云微物理过程中存在一定缺陷,从而进一步影响对极地
的短波辐射和长波辐射的模拟。总体来看目前测试研究主要集中在北极地区,
尽管在南极地区已经展开了一些研究,但是由于计算条件的限制,所有的模拟
都只局限在特定的区域
[ 26]
。另一方面,已开展的模拟试验中所用的侧边界资
料主要以 NECP FNL 为主,然而马永锋
[ 22]
的研究表明 NECP FNL 在南极地
区的整体精度要略低于 ERA-interim,且 ERA-interim 初始和横向边界条件用
于南极洲气候降尺度研究
[ 27]
,与观测结果相比表现良好。所以开展以 ERA-
interim 提供初始场条件的 Polar WRF3.9.1 的数值模拟研究,对其模拟结果进
行分析评估是改进模式的重要前提。本文采用 ERA-interim 为 Polar WRF3.9.1
提供风、温度、位势和相对湿度等初始场信息,对南极冰盖 2004—2013 年的
2 m 气温、10 m 风速以及近地表气压进行模拟,并与 28 个气象站的观测资料
进行对比分析进而评估模式的性能。模式的模拟结果不仅可以弥补极地地区气
象站点观测数据缺失,为人们提供长时间序列的气象数据进行科学研究,还可
以为模式的完善与改进提供参考依据。
1 模式、数据与方法
1.1 Polar WRF 模式 和 数 值试 验 介 绍
Polar WRF 是极 地气 象学 小组 和俄 亥俄 州立 大学 继 Polar MM5 之后 在
WRF 模式基础上联合开发的更加先进的极地区域气候模式,它是 WRF 模型的
极地版本
[ 28]
。Polar WRF 在水平方向上求解 Arakawa C 格网完全可压缩非静
水方程组,在垂直方向上采用地形跟随坐标系。该模式对陆面模型中海冰的表
示进行了修改,允许指定海冰厚度和积雪深度,而不是仅通过掩模划分海冰是
否存在(0 表示海冰不存在,1 为海冰存在),海冰反照率、海冰厚度和海冰
上的积雪不再是固定的,可随季节改变而变化
[ 17-18]
。此外模式中的 Noah-LSM
模型被 Hines 和 Bromwic 进行了优化
[ 16]
,对雪的热特征进行优化并改进热通
量计算,并将地表雪的影响应用于模型中,使模型更适用于极地环境。
本文采用模式 Polar WRF3.9.1 进 行 数值试验,试验 区 域差分格式选择
Arakawa C 跳点 格式 ,并 采用 极射 投影 作为 投影 方式 。模 拟区 域被 划分 为
129×129 个格网,格点之间的水平间距为 50 km,包括了南纬 50°以南的整个
区域。模式在垂直方向上采用质量垂直坐标,设置最高层气压为 5 000 Pa,
最高层与地表面之间共被划分成 44 个全垂直 η 层,垂直差值方式为 SINT。模
式的时间积分步长被设为 150 s,实时输入数据时间间隔为 6 小时,模拟所需
的海表温度场、初始土壤参数(土壤水、水分和温度)以及地表气温、气压等
初始资料由 ERA-interim(6 小时,0.75°×0.75°)提供。试验中海冰场的资料
和海表温度由再分析资料提供。而土地高程数据和土地覆被信息分别来由默认
的分辨率为 30 弧度的 GTOPO30、USGS24 类土地覆被资料所提供。模式还
采用了分辨率为 1°的深层土壤温度数据、基于 MODIS 精度为 30 s 的植被指
数数据以及精度为 0.15°的月地表反照率和雪反照率数据。模式运行采用了以
下物理参数化方案:(1)在微物理方案上采用了适用于高分辨率模拟,包括
冰、雪、霰等过程的 WSM6 方案;(2)在辐射方案中采用了新版 RRTM 长
波辐射和 Goddard 短波辐射方案;(3)在近地层采用了基于 Monin-Obukhov
相似理论的 JanJicEta 方案;(4)陆面过程采用了由极地气象小组改进的适
用于极地天气的 Unified-Noah 陆表面模式;(5)在积云参数化过程中采用了
基于集合平均方法的 New Grell(G3)方案,该方案允许格点的沉降效应向周
围传递;(6)在行星边界层参数化中采用了囊括了自由大气中所有湍流状态
的 MYJ PBL 方案。
1.2 数 据 介 绍
1.2.1 气 象 观 测 资料
本文所用南极冰盖上的气象观测站点实测资料均来自于南极科学研究委
员会(SCAR: Scientific Committee on Antarctic Research)的南极环境研
究 参 考 数 据 ( READER : Reference Antarctic Data for Environmental
Research)项目。该数据库主要包括三个来源:一是时间比较久远,相关气
象观测资料较为匮乏的观测数据,其主要来自于 CLIMAT 气候数据的月平均;
而对较早期的气象观测资料主要通过观测者进行目视读取后借助电传磁带打
孔记录;而近期的实时数据则是通过 WMO 全球电信系统获取,各站点的具体
位置分布和绍如表 1 和图 1 所示。这些站点中序号为 1~11 的站点分布在南极
半岛,序号为 20~28 的站点分布在东南极沿岸,剩余的 Byrd、Harry、Theresa
站位于西南极,Larsen_Ice_Shelf、Amundsen_Scott、Dome_C_II、Vostok、
Harry 位于东南极内陆地区。
表 1 观测站地理位置、高程、观测类型
Table 1 Weather station information including locations, altitude and
measurement type (The numbers represent stations are presented in
Fig.1)
序
号
站名
站
点
类
型
纬度
/S
经度
/E
高
程
/m
格点
格
点
高
程
/m
1
Marsh
人
工
气
象
站
62.2
°
-
58.9°
10
(94,
13)
36
2
Great_Wall
人
工
气
象
站
62.2
°
-
59.0°
10
(94,
13)
36
3
Jubany
人
工
气
象
站
62.2
°
-
58.6°
4
(94,
13)
36
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