极地区域气候模式下南极上空2米温度的模拟与评价外文翻译资料

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极地区域气候模式下南极上空2米温度的模拟与评价

摘要：

欧洲中期天气预报再分析中心(ERA40)， 20世纪国家环境预报中心(NCEP)的再分析，以及沿南极横贯线从中山到天穹a的三个观测站的观测，利用台站对区域气候模型的2-m温度模拟技术进行了评价。这个模型(HIRHAM)来自德国极地和海洋研究所。结果表明(1)模拟多年平均2 m温度场模式接近ERA40和NCEP的模式;(2)整个南极地区相对于ERA40的偏冷1.8℃，而NCEP偏冷5.1℃;(3) HIRHAM相对ERA40的偏倚存在季节性变化，在夏季主要偏冷较大，高达3.4℃。在秋季内陆偏暖较小，达0.3℃。进一步的分析表明2m温度偏冷的原因是HIRHAM模拟的近地表边界层的物理条件与观测结果不同(1)夏季观测表明，近地表大气稳定条件既有逆温又有非逆温，这是由于正感热通量和负感热通量同时存在的结果，但HIRHAM几乎总是模拟逆温和负感热通量的情况；(2)在秋季和冬季，观测到的近地表稳定性几乎总是反逆温的稳定性，这与HIRHAM模拟结果一致。这在一定程度上解释了秋季和冬季的小偏差。

关键词

极地区域气候模型，2m温度，逆温，感热通量

南极地区的面积(60°S以南，包括南极洲和高纬度的南大洋)有5200万平方公里。南极洲面积1400万平方公里,其中包括三部分:东南极洲、西南极洲和南极半岛。该地区在全球气候系统中占有重要地位。首先是寒冷的气候，内陆高原年平均气温是-56°C, 该地区是地球上主要的冷源，也是一个全球大气纬向环流的驱动力。其次是南极冰盖、冰架和南大洋海冰的反照率。南极反照率的变化将对全球气候系统产生重大影响。最后，南极冰盖整合了全球90%的淡水，其变化将对全球海平面和海洋环流产生巨大影响。

全球环流模型是研究气候系统和气候变化的有力工具。然而，由于它们的空间分辨率受计算机能力的限制，在研究局部气候系统和气候变化方面存在不足。动态降尺度可以弥补了这一不足，利用GCM输出作为初始和边界条件，并进行同化观测，驱动有限面积模型(LAMs)， LAMs的动态框架和物理过程优于GCM，分辨率也更高。研究表明，LAMs可以显著提高仿真分辨率，仿真结果更接近于观测值。近年来，一些LAMs已应用于南极地区，但由于下垫面和物理大气过程(冰云和其他)的独特性质，以及地形的复杂性，它们并不令人满意。Fraedrich等人在1991年指出，由于南极强烈的斜压大气，LAM预测误差增长迅速，速度是中纬度地区的两倍。Bromwich等人在2005年评估了由美国国家大气研究中心(NCAR)和俄亥俄州立大学(OSU)联合开发的南极中尺度预测系统(AMPS)。他们发现，虽然该模型可以预测高空温度和风的变化趋势，但由于对地面温度和低层风的观测和模拟存在相位滞后现象，低层风的预测能力较差。Connolley等人在1994年利用观测数据对英国气象局南极区域气候模式(UM)进行了测试，结果显示内陆气温被低估。Reijmer等人(2005)利用1年的观测数据对荷兰皇家气象研究所的南极区域气候模型(RACMO2/ANT)进行了评估，发现1月份相对于ERA40模拟的偏差达到-4°C，尽管年平均偏差很小。Xin等人(2010)利用澳大利亚Davis、Mawson和Casey站点在南极的无线电探测仪观测，对德国Alfred Wegener研究所(AWI)的极地和海洋研究区域气候模型HIRHAM进行了测试。结果表明，自由层温度模拟较好，边界层温度模拟较差。

由于观测网络分布不均、极地冬季数据缺失、时间序列短，对南极LAMs的评估受到观测资料的限制。中尺度天气过程已经被许多研究人员评估过，但对南极区域气候模型的评估较少(Christensen等，2007)。2米高的气温是南极气象观测的重要要素;它是雪层温度的重要环节，也是地表能量平衡估算的重要因素(Chen et al.， 2010a, 2010b)。本文利用中国中山至天穹a站的南极横贯数据，以及其他南极站数据，加上ERA40和NCEP 20世纪再分析，对HIRHAM模拟的2 m温度进行了评估。确定了产生偏差的主要原因，这将有助于HIRHAM的开发和仿真技术的提高。

1模型、数据和方法

1.1模型介绍

HIRHAM是一种基于高分辨率有限面积模型和ECHAM模型子集的大气区域气候模型(RCM)，将前者的动力学与后者的物理参数化方案相结合。HIRLAM是由国际HIRLAM项目开发的数值短程天气预报系统，用于多个气象机构的常规天气预报。ECHAM GCM是马克斯普朗克气象研究所(MPI)与外部合作伙伴合作开发的一种通用大气环流模型。最初的HIRHAM模型来自丹麦气象研究所、荷兰皇家气象研究所(KNMI)和MPI的合作。HIRHAM建模系统的最新操作版本(版本5)增加了极地物理参数，并应用于北极和南极。HIRHAM具有静态的垂直平衡和水平均匀的网格。其水平分辨率为0.5°times;0.5°，约为50 km。时间差分格式采用半隐式、半拉格朗日格式。程序的主要物理参数如表1所示。

表1 HIRHAM模型的主要物理参数化方案

1.2数据与方法

所使用的数据包括:HIRHAM输出的月平均数据和日四次数据。月平均数据为1958年至1998年(共41年)，日平均数据为2005年至2008年(共4年)。分辨率都在50公里左右。1958 - 1998年ERA40再分析月平均值，分辨率约2.5°times;2.5°。1958年至1998年NCEP 20世纪再分析的月平均值，分辨率约为1.9°times;1.9°。

南极站观测资料，包括:(1)自动气象站(AWS)数据沿中山市至天穹a的横贯线。导线和南极地形图如图1所示。三个AWSs是中山(68.6°S, 78.0°E;海拔0米，鹰(76.4°S, 77.0°E;海拔2852米，天穹- a(80.4°S, 77.4°E;海拔4093米)。从2005年到2008年，这些地点每天都有观测数据。观测到的要素是气温、风速和三个水平(1米、2米和4米)风向。数据被严格的质量控制(Ma, 2009)。(2) 2008年中山站湍流感热动量通量的超声数据。原始数据质量控制包括异常值的删除、标准差去噪、三坐标旋转法的使用(Ma, 2009)。(3)阿蒙森斯科特站(90°S, 0°E海拔2835米)，哈雷(75.5°S, 26.4°W;海拔30米)从1979年到1998年月平均气温2 m时间序列。

图1 南极横贯从中国中山到天穹a站和南极地形图

2结果

2.1 2m气温

图2显示了由HIRHAM模拟的南极地区多年平均2米温度场。从图1和图2可以看出，随着海拔的升高，温度逐渐降低，等温线近似平行。温度梯度最大值常出现在南极东部和南极西部冰原的最大坡度处。

图2：HIRHAM南极(60°S以南地区)多年平均(1958-1998)2 m温度场。域水平网格是以110times;122点为中心，以南极为中心旋转经纬度网格。

南极冷空气的中心仍然靠近天穹a，温度低于-58°C。2m温度场与ERA40相似(图3(a))，包括冷空气中心和梯度最大区域。然而，相对于ERA40，存在内陆偏冷(图3(b))。南极洲东部偏倚面积较大，比ERA40低4°C。整个南极区域平均偏冷度为1.8°C。相对于NCEP 20世纪的再分析(图3(c))， HIRHAM的冷偏倚(图3(d))更大，尽管模式相似。部分位置存在8°C的冷偏，整个区域的平均偏置约为5.1°C。

为了检验冷偏倚，我们确定了HIRHAM和ERA40的季节差异(图4)。HIRHAM相对于NCEP在四个季节都存在冷偏倚，因此没有显示它们的差异格局。图4(a)、(d)清楚地显示了极地日的冷偏倚;在极夜，冷偏不明显(图4(b)， (c))。夏季(12月、1月、2月)区域平均偏冷为3.4℃，春季(9月、10月、11月)偏冷为2.4℃。秋季(3、4、5月)，冷偏消失，差值(HIRHAM - ERA40)为0.004℃;内陆温度为0.3°C。冬季(6月、7月和8月)的温差为-1.3℃，内陆仅为-0.7℃。因此，整个地区的偏冷主要源于夏季。

图5对比了HIRHAM、ERA40、NCEP 20世纪两个台站的月平均2 m气温时间序列。1979年至1998年阿蒙森斯科特南极站(图5(a))， ERA40在冬季观测值接近，但在夏季偏暖。20年夏季平均偏暖度为6.7°C。这与NCEP形成了鲜明对比，NCEP在夏季接近，但在冬季偏暖;20年平均冬季偏暖为10.7°C。在哈雷站(图5(c))， ERA40接近观测值，但NCEP在冬季和夏季均较暖;20年平均偏暖度为5.5°C。HIRHAM比两个观测站(图5(b)、(d))、Amundsen Scott的3.1℃和Halley的3.0℃都要冷。这种偏冷主要发生在夏季(12月、1月和2月);三个月的平均偏冷在阿蒙森·斯科特和哈雷分别为9.0°C和5.2°C

图3：多年平均(1958-1998)2米南极温度场再分析数据集。(a)ERA40;(b) HIRHAM减去ERA40;(c) NCEP 20世纪再分析;(d) HIRHAM减去20世纪NCEP的再分析。

图4：2m温度场的多年平均季节偏差(HIRHAM - ERA40)。(a) 12月、1月和2月;(b) 3月、4月和5月;(c) 6月、7月和8月;(d) 9月、10月和11月

图5 ：1979年至1998年HIRHAM、ERA40和NCEP 20世纪再分析的月平均气温对比图。观察、HIRHAM、ERA40和20世纪再分析在(a)阿蒙森·斯科特和(c)哈雷;赫勒姆减去(b)阿蒙森·斯科特和(d)哈雷的观察

2.2 2m冷偏的原因

从以上分析可以看出，HIRHAM模拟的南极2米气温明显低于观测值，尤其是在夏季。为了找出原因，利用中山站的AWS数据到doma导线和中山站的超声波数据对南极边界层过程进行了分析。南极地区常年被冰雪覆盖，地表反照率高，热力学粗糙度低，极地夜间太阳辐射少，地表净辐射大多为负。这意味着感热、潜热和雪热通量之和为负。这表明热量在冬季从大气输送到地面。在夏天，情况就不一样了;由于太阳向下辐射的增加，必须小心确定地表净辐射是否为负。利用HB88 、L79和G07 边界层参数化方案计算了三个站点的AWS剖面测量的感热通量。利用中山站的超声数据，采用涡动协方差法计算感热通量。详情载于Ma(2009)。根据边界层理论，感热通量与风速成正比，与大气与地面温差成反比。在已知空气密度和热容的情况下，风速对感热通量随空气与地面温差变化的斜率为感热传递系数CH。

图6给出了夏季三个观测站的观测结果与HIRHAM的关系。很容易区分HIRHAM的特征。几乎总是有一个几乎总是有逆温 (T2m-Tsurfgt;0°C)和负感热通量, 这与三个观测站的夏季观测结果有显著不同，夏季观测结果并不总是显示逆温和负感热通量。在天穹A 站 (Figure 6 (a)), 逆温(T2m-Tsurfgt;0.5°C)情况占所有的24% (1825) cases, 而非逆温 (T2m-Tsurflt;0.5°C) 为 58% 。在鹰站(图6(b))，逆温情况占全部(1790例)的36%，非逆温占31%。在中山站(图6(c))，逆温占总数的57%(166)，非逆温占8%。这意味着观测到的南极近地表(地面到2米)的温度剖面显示了逆温和非逆温，因为有负的和正的感热通量。因此，我们发现了一个潜在原因，对于夏冷偏倚的HIRHAM与观测;也就是说，HIRHAM模拟的近地表剖面几乎总是逆温的，原因是热量总是从大气传输到地面。

实际边界层情况有所不同，因此模拟的2mHIRHAM温度统计上要比观测值低。秋冬两季的AWS数据存在很多缺失和错误，但仍有一些有用的数据;在图7中对它们进行质量控制并绘制之后，它们显示了类似于图6的情况。结果表明，HIRHAM模拟的感热通量的温度分布和方向与实测结果基本一致。这部分解释了为什么HIRHAM在秋冬季节的偏冷性不显著。

图6 ：风标感热通量(SHF/U)与模型(蓝色)、EC观测(黑色)及观测导出的风标感热通量(SHF/U)散点图:绿色HB88;红色L79;黄色G07。2005-2008年Dome-A (a)和Eagle (b)的11月、12月、1月和2月数据;2008年1月及2月中山的数据(c)

图7 ：类似于图6，但适用于秋冬季节。Dome-A (a)和Eagle (b) 2005年和2008年4月份的数据;2005年6月、7月和8月Eagle (c)的数据。

3讨论与结论

对1958 ~ 1998年由HIRHAM模拟的南极2米温度场进行了平均，并与ERA40再分析、NCEP 20世纪再分析和台站观测结果进行了比较。结果表明:(1)赫勒姆相对于再分析存在冷偏倚。HIRHAM的平均2-m气温比ERA40低1.8℃，比NCEP低5.1℃。(2) HIRHAM相对于ERA40的冷偏性的季节差异。夏季区域平均偏冷为3.4℃;秋季内陆偏暖为0.3℃。

进一步研究表明，造成这一现象的主要原因是夏季边界层情况与观测值的差异。(1)夏季，观察结果显示出逆温和非逆温，而在HIRHAM几乎总是存在逆温。(2)在秋季和冬季，HIRHAM和观测值几乎总是存在逆温，这在一定程度上解释了这些季节的偏差较小。综上所述，HIRHAM模拟的南极夏季边界层条件与观测

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