不同再分析资料驱动场对我国夏季区域气候模拟的不确定性研究

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东亚区域是人类活动最频繁、全球气候变化最敏感和最脆弱的地区之一,对该地区气候变化的研究难度较大。由于全球再分析数据集相对过去的气象观测资料具有高质量、长时间序列和高分辨率的优点,已经成为大气科学各方面研究的主要支撑。然而,再在描述中小尺度气候信号上,区域气候模式由于具有更高的分辨率和较为完善的物理过程参数化方案而成为更好的选择。区域气候模式的侧边界值可以由全球再分析资料或大尺度粗网格模式提供,不同的边界强迫场模拟结果必然存在差异。本文首先利用全球探空资料IGRA对1989-2008年NCEP/NCAR、NCEP/DOE、 NCEP/CFSR、JRA25、ERAIN和MERRA全球再分析资料高空变量场在中国地区对流层中高层的可信度进行了初步的检验。分析结果表明:再分析资料对中高层位势高度和温度的夏季平均气候态具有较好的再现能力,EOF时空变化特征与观测吻合也较好。绝对湿度再分析值较观测结果要偏大,且EOF分析结果MERRA与观测最为接近。此外,再分析资料不能很好地反映经向风的夏季平均气候态及年际变化特征,EOF的时空模态和观测偏离也较大。总体而言,NCEP/NCAR、NCEP/DOE及NCEP/CFSR对这些变量的再现能力较JRA-25、ERAIN和MERRA弱。其次,本文利用NCEP/NCAR、NCEP/DOE、NCEP/CFSR、JRA25、ERA40、ERAIN和MERRA全球再分析资料作为驱动场驱动WRF模式对东亚区域1982-2001年的气候进行模拟,检验不同再分析资料驱动场条件下WRF模式模拟我国区域气候变化的能力。结果表明:几组试验均能较好地模拟出多年夏季平均地而气温和降水的空间分布特征;地面气温模式结果在冷中心偏冷,暖中心则偏暖,NCEP/NCAR、NCEP/DOE和NCEP/CFSR驱动场下模拟结果在冷中心偏冷较大;模式在中国西北和西南地区降水偏少,NCEP/CFSR、ERA40和ERAIN试验结果在西南沿海地区降水偏高较大。模式基本能模拟地面气温和降水的年际变化特征,模拟结果高估华北、江淮和华南的地面气温,且大部分模拟结果高估东北、华北和华南地区降水。模式也能较好地模拟出多年夏季平均位势高度和温度的空间分布特征,经向风的模拟结果较不理想。分析结果发现,中高层位势高度高压偏差带,对应反气旋风场偏差、温度偏暖且湿度偏干;低压偏差带则反之。此外,多年平均及逐年夏季地面和高空变量不同试验结果之间均存在较大的差异,表明模式驱动场的差异可以引起模拟结果较大的不确定性。此外,模拟结果集合场对地面和高空变量的描述均优于单个模拟结果。最终,本文定量分析了不同再分析资料驱动场的差异引起的模式不确定性的大小并探讨不确定性的主要来源。结果表明:温度模式离散度呈现随地形分布特征,海拔越高则离散度越大,且相对模式自然变率,绝大部分地区模式离散度均较为显著,尤其是高海拔地区。降水离散度和夏季降水量平均态基本一致,均呈现由南至北递增趋势,且在大部分地区均较为显著。多年夏季平均位势高度、温度、水平风和绝对湿度的模式离散度相对模式自然变率均较为显著,尤其是绝对湿度;且位势高度、温度和水平风单个试验结果和试验结果集合场之间的差异呈现出随天气形势变化的特征。比较驱动场侧边界条件发现水汽是引起模式不确定性的主要因素,尤其是模式西边界和南边界水汽差异最大,西边界水汽差异主要集中在大气低层,南边界集中在中层。此外,研究结果还指出,除绝对湿度外,模式的计算作用会使得再分析资料之间的差异明显增大。
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