观测和再分析资料确定的美国南部大平原低空急流及其对水汽输送的影响外文翻译资料

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观测和再分析资料确定的美国南部大平原低空急流及其对水汽输送的影响

LARRY K. BERG, LAURA D. RIIHIMAKI, YUN QIAN, HUIPING YAN, AND MAOYI HUANG

西北太平洋国家实验室，Richland，Washington

（2014年10月23日收到稿件，2015年5月20日刊登发表）

摘 要

本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)能源部第2版再分析资料(NCEP2)、NCEP气候预测系统再分析资料(CFSR)、欧洲数值预报中心再分析资料(ERA-Interim)、日本气象厅25年再分析资料(JRA-25)，美国国家航空航天局(NASA)现代回顾性再分析资料(MERRA)和北美地区再分析资料(NARR)这6种常用的再分析产品，以评估在美国能源部大气辐射测量计划(ARM)气候研究机构(ACRF)在南部大平原地区站点上的低空急流(LLJ)的特征。利用两组无线电探空仪观测数据：一个是六周的中纬度大陆对流云实验(MC3E)资料，另一个是2001-2010年为期10年的资料。将六种再分析资料分别与MC3E资料进行比较，10年的数据分别与NARR、MERRA和CFSR再分析资料进行比较。尽管每种再分析资料都有高估LLJ凸起（约900mb）与700mb气压层之间风速的倾向，但这些再分析资料都能反映LLJ的大部分特征。从再分析资料中得到的LLJ与观测到的LLJ数量差异较大，尤其是对于强LLJ，导致再分析资料低估了LLJ的水汽输送。当考虑10年的数据时，NARR和CFSR高估了总的水汽输送，MERRA低估了总的水汽输送，但是这三者都低估了与强LLJ相联系的水汽输送，其中CFSR、NARR和MERRA 相应的低估系数分别为1.4、2.0和2.7。在与MC3E观测数据对比时，水汽辐合辐散存在差异，但是在与10年的数据对比中，水汽辐合辐散比较一致。

1.引言

众所周知，南部大平原(SGP)低空急流(LLJ)在美国中部地区的水汽输送中发挥着重要的作用（例如，Uccellini和Johnson，1979；Helfand和Schubert，1995；Stensrud，1996； Higgins等，1997；Schubert等，1998；Tollerud等，2008；Frye和Mote，2010）。目前已经提出了很多LLJ形成的机制，如Kraus等（1985）和Stull（1988），这些机制有：与地表加热和边界层混合周期变化相关的惯性振荡（Blackadar，1957）、与北美内陆地区地形升高加热有关的水平温度梯度（Holton，1967）、地形引导风（Wexler，1961）以及诸如锋面或冷空气爆发等天气尺度的天气模式（例如，Kraus等，1985；Bowen，1996；Whiteman等，1997）。在已经提出的机制中发现，单独的一个机制很可能不足以解释南部大平原上空LLJ的建立，所以用以惯性振荡为主导的这些物理机制的组合来解释（例如，Parish等，1988；Zhong等，1996；Parish和Oolman，2010）。

研究机构还利用区域和全球的再分析资料来研究水文循环（例如，Gutowski等，1997； Betts等，1999；Roads等，2002；Mo等，2005；Schneider等，2006）。还有研究使用北美地区(NARR)再分析资料、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料和ERA-40再分析资料，将LLJ与大尺度环流联系起来（Weaver和Nigam，2008；Weaver，2011），并且调查了大气层河流的影响（Newman等，2012）。另外，也对再分析资料进行详细评估来说明其缺点。Trenberth和Guillemot（1998）将NCEP-NCAR再分析资料与许多不同的数据集进行比较，发现在一些水汽变量（包括蒸发和降水）中存在显著的偏差。随后，Trenberth等研究了八个不同的全球再分析资料的性能，发现大气中水汽维持时间极短。

一些研究着重于评估一种或两种再分析产品的性能及其对LLJ的表征。Mo和Higgins（1996）表明，NCEP再分析资料和NASA资料同化处（DAO）的再分析资料在处理北美地区的水汽通量散度时存在差异，这个差异归因于LLJ的不确定性。Higgins等（1996）将降水的NCEP、DAO再分析资料和无线电探空的地面观测资料进行比较，他们发现虽然再分析资料捕获了LLJ的主要特征，但在计算柱状积分水汽通量时存在显著差异。他们还研究了降水的日变化周期及其与LLJ的关系，并记录了夜间降水的季节变化（Higgins等，1997）。其他的研究（例如，Wang和Paegle，1996；Min和Schubert，1997）发现，与LLJ表征有关的误差导致了水汽输送的不确定性。还有研究表明，NCEP和ERA-40再分析资料得到的强LLJ往往比使用NOAA风廓线雷达网资料（Anderson and Arritt，2001）发现的少。Walters等（2014）将NARR再分析资料与美国中部的无线电探空资料进行比较，发现NARR再分析资料得到的LLJ一般比观测得到的少。

本研究的目的是为了评估LLJ和水汽输送在多个再分析产品中的表现，包括最近开发的高分辨率再分析资料。本研究集中在两个不同的时间段：1）2011年4月和5月大气辐射测量项目（ARM）气候研究机构（ACRF）在大平原南部地区进行的短期中纬度大陆对流云实验（MC3E），2）建立在气候学基础之上（如Song等，2005）的2001-2010年10年期间，然后用这两个不同时段内收集到的数据来分析再分析资料的性能。十年期的研究又被分为两种。第一种，仅使用5月份的数据生成复合数据，与MC3E期间的资料进行比较。第二种，使用暖季月份（5月-8月）生成复合数据，在暖季月份南部大平原上LLJ最常见（例如，Whiteman等，1997）。MC3E研究在约70000平方公里的发射场内增加了5个无线电探空仪，以便研究LLJ的空间不均匀性。这项工作利用MC3E期间的六种再分析资料[NCEP-DOE第2版再分析资料(NCEP2)、NCEP气候预测系统再分析资料(CFSR)、ECMWF中期再分析资料(ERA-Interim)、日本气象厅25年再分析资料(JRA-25)、北美地区再分析资料(NARR)和美国国家航空航天局(NASA)现代回顾性再分析资料(MERRA)]和三个为期十年的气候学资料（NARR，MERRA和CFSR）。

在本文研究中所用LLJ的定义在第2节中给出，包括确定LLJ厚度的方法。第3节描述了无线电探空资料构成的观测基础和所用的再分析产品。第4节给出了观测资料和再分析资料分析出的LLJ的气候特征，不仅包括合成风速廓线，而且还包括MC3E和10年研究期间LLJ的高度和厚度的概率密度函数（PDFs），本节还介绍MC3E期间LLJ的空间变化。第5节介绍了LLJ对南部大平原水汽输送的影响，并讨论了有LLJ和无LLJ案例之间的水汽输送差异。

2.LLJ的定义

Bonner（1968）提出了可以用来辨认LLJ的标准，该标准已经被研究界广泛接受。风速最大值必须出现在低于700mb的气压层上（相当于ACRF上空约3公里的高度），才能被列为LLJ。根据风速最大值（）和两个不同高度之间风速随高度的变化（）的强度将急流分为四类。Bonner（1968）最初提出了三种不同的类别，其中将LLJ的的最小值定义为。根据对南部大平原资料的分析，Whiteman等（1997）将风速小于的较弱急流增加为第四类。本文用了Bonner（1968）定义的类别（如表1），但有一个重要的说明：按照他们的定义，Bonner的标准并不是唯一的[如Whiteman等（1997）所指出的那样]，也就是说，这三类LLJ将被定义为1类、2类和3类LLJ，而在本文工作中，除这三类LLJ外，我们将最弱的LLJ定义为0类。虽然这使得与现有文献的比较变得更加困难，但是这让较强的LLJ及其在区域尺度水汽输送中的作用更容易理解。其他研究人员，如Andreas等（2000）和Banta等（2002）提出了其他的标准，但是本文没有采纳。

在本文的工作中，还研究了LLJ的垂直范围（厚度）。虽然之前的研究已经提出了峰值风速所在高度的垂直分布，但他们并没有给出具体的南部大平原各个LLJ的垂直范围（例如，Bonner，1968；Whiteman等，1997）。Kalapureddy等（2007）提出了印度LLJ的垂直厚度，但印度的情况与北美的情况大不相同。LLJ的垂直厚度被定义为气压层之间的差值，顶层和低层的急流的风速最大，而之间的风速是最大值的75％。虽然这个定义不是很准确，但是在选择小于75％的比例的大多数情况下，LLJ的厚度是不能被定义的，这是因为在LLJ凸起的风速和急流上方的最小风速之间相差很小。

表1 用于定义LLJ的标准[根据Bonner(1968)和Whiteman等(1997)]

3.数据和再分析产品

a.无线电探空资料

我们利用ACRF SGP站点附近收集到的无线电探空资料给出风速、风向和比湿（q）的分布图，其中包括从ACRF SGP中心站发射的常规无线电探空仪和作为MC3E一部分的无线电探空仪（Jensen等，2015；Holdridge等，1994）。先前的研究都是利用在相对较短时段内的ACRF数据集研究LLJ（例如，Stensrud，1996；Whiteman等，1997；Song等，2005），而本文的工作除了使用MC3E的数据外，还利用了10年收集的数据。正如Tollerud等（2008）指出的那样，由于发射站间距较远、发射频次相对较少，天气无线电探空仪网络不足以研究LLJ等现象。相反，ACRF的无线电探空仪每天发射4次（在0530、1130、1730和2330 UTC），提供了较高的时间分辨率，足以研究LLJ（例如，Whiteman等，1997）。在MC3E期间，无线电探空仪在ACRF SGP内的另外五个站点更频繁地（在0230、0530、1130、1730、2030和2330 UTC）发射信号（图1）。MC3E无线电探空仪网络的分布允许分析LLJ在150公里的距离上的空间变化，而在传统的天气网下不能分析。研究的另一个时段是从2001-2010年的10年期间的暖季，这是为了以长期视角观察，这一时期还包括美国中部较干的年份（2006）和较湿的年份（2007）（例如，Lamb等，2012；Qian等，2013）。另一个10年的数据集，它只包含5月份的数据，这个数据与MC3E研究时期的非常一致。在本文研究中，无线电探空资料和再分析产品均插值到了NARR的垂直格点上（MERRA和CFSR与NARR在大于300mb气压下所使用的垂直分辨率相同）。每种再分析产品在空间上进行插值用来匹配各种无线电探空仪发射地点的经纬度，没有进行时间插值，这是因为无线电探空仪的发射时间是在再分析有效时间之后的30分钟。

除了在MC3E期间收集的无线电探空资料之外，还有一些其他仪器系统部署在SGP周围，包括一个用于测量风速和风向的垂直廓线的多普勒扫描雷达（例如，Newsom等，2013），大气发射辐射干涉仪（AERI）——测量温度和q的垂直廓线（例如，Feltz等，2003；Turner和Louml;hnert，2014），还有一个可用于测量q垂直廓线的拉曼激光雷达（例如，Ferrare等，2006）。然而在这个分析背景下，我们只关注无线电探空仪收集的数据，有两个原因：第一，无线电探空仪能够可靠地测量出从地表附近到大气顶部的风廓线，这意味着可以测量出LLJ的整个深度；第二，在有一个较长的无线电探空仪资料的历史记录时，我们能够更好地记录LLJ的气候特征。

b. 再分析资料

本研究选择了六种不同的再分析产品：NCEP2、CFSR、ERA-Interim、JRA-25、NARR和MERRA。选择这些产品是因为，这些产品在研究界被广泛使用，跨越了一系列不同的水平和垂直空间尺度，并且使用了许多不同的数据同化系统。每种再分析产品的关键信息都在表2中列出，另外各种再分析产品的说明可在表中列出的参考资料中找到。

每种再分析产品10年平均的5月份降水量显示出这些产品结果的一些相似性和差异性（图2）。在这种情况下，将1/ 8的坡面回归模型（PRISM / UW；Daly等，2008）得到的降水量

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