基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

NCEP和ECMWF资料表征南海夏季风的差异

比较美国国家环境预报中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的再分析资料,分析了二者用低层风场表征南海夏季风上的差异.结果表明,NCEP得到的南海夏季风指数有明显的减小趋势,而ECMWF则没有;二者在年际尺度上都能较好地表征南海夏季风强度,而年代际尺度上有明显的位相差.与西沙站的探空资料比较结果表明,NCEP在经向风上更接近观测资料,而经向风的趋势变化正是西沙站西南风减小趋势的主要贡献项;ECMWF资料在年代际尺度变化上更接近观测资料.与1998年南海夏季风试验SCSMEX的再分析资料比较显示,NCEP资料在空间上与SCSMEX资料更相似.     

HALOE资料揭示的热带平流层CH4时空变化特征

中层大气微量成分的分布和变化是中层大气研究的重要问题之一,但是长期以来中层大气的资料非常少。卤素掩星试验（HALOE）对中层大气多种微量气体进行观测,形成中层大气多种微量元素的空间分布和时间演变资料组,这是对中层大气微量气体含量资料的极大补充。作者利用1992～2003年HALOE资料分析热带地区（20°S～20°N）平均的CH4的垂直分布和时间演变特征。结果表明:热带平流层CH4混合比在平流层下层有较充分的混合;热带平流层CH4混合比的季节变化明显,在平流层中上层以年循环为主,而在平流层下部以半年变化为主;热带平流层CH4混合比的年际变化主要有准2年和准5年振荡。       

多种再分析地面气温资料在江西省的适用性

为评估不同再分析地面气温资料的适用性和模拟精度，采用双线性内插法将JRA55、ERA Interim、ERA5和MERRA2等再分析地面气温资料降尺度至气象观测站，评估其对实测气温的平均态（平均偏差、均方根误差、相关性分析）、趋势态（年际趋势）和极端态（高温日数、低温日数）的再现能力。通过在江西省的对比分析，结果表明：①利用邻近格点气温和高度值计算的逐时气温垂直递减率具有合理的波动范围以及季节性周期，适用于复杂地形下逐时再分析资料的内插订正；②订正后JRA55地面气温资料的均方根误差最小，MERRA2其次，ERA Interim和ERA5最大；③从气温年际变化趋势来看，JRA55、ERA Interim和ERA5增温速率与实测值较为一致，且JRA55对增温中心的刻画更优；④4种再分析资料均能再现高、低温日数的年际波动，但JRA55在量级上描述最优。综上，再分析地面气温资料的适用性JRA55＞ERA Interim＞ERA5＞MERRA2，JRA55再分析资料能较好地再现气温实际观测资料。     

青藏高原东部三种再分析资料与地面气温观测资料的对比分析

为了检验再分析资料在青藏高原(下称高原)的适用性,以地面观测资料为标准,综合比较了1989-2009年间NCEP/DOE(简称NCEP)、ERA-interim(ERA)和JRA-25(JRA)三种再分析资料在高原东部地区的月平均地面气温的分布和变化规律。从平均季节变化来看,夏季再分析资料与观测资料的一致性总体好于冬季,其中NCEP资料整体偏低于观测资料,JRA则相反。从线性趋势来看,ERA和JRA资料与观测资料较一致,均表现出高原东部区域整体增暖趋势,而NCEP资料则表现出略微的下降趋势。从年际尺度变化来看,ERA和JRA资料所反映的年际变化和变率特征要好于NCEP资料,并且JRA资料的结果要优于ERA资料。最后,比较了三种再分析资料的质量指数,发现ERA资料质量最好,NCEP资料最差,而且NCEP和JRA资料在近20年质量有变差趋势,ERA资料有变好趋势;ENSO、东亚季风和高原季风对再分析资料地面气温场的质量均有一定的影响。     

两套土壤湿度再分析资料在黑河流域的对比分析

利用黑河流域少量观测台站的实测降水和土壤湿度资料, 对比分析了欧洲中心ERA40及美国NCEP R-1两套常用的土壤湿度再分析资料在黑河流域的空间分布、 年际变化和季节循环特征, 结果表明:两套资料在黑河流域均能表现出“南湿北干”的分布格局, 湿度高值中心位于祁连山区东南部\.以此为中心, 土壤湿度从上游山区向中下游递减。ERA40土壤湿度在祁连山区年际变化明显, 与降水的响应关系要好于NCEP资料, 在中下游站点, NCEP 10 cm层土壤湿度对降水的响应好于ERA40。祁连站ERA40土壤湿度在6~8月接近观测值, 在额济纳站两套资料对于土壤湿度的描述都不理想。     

夏季南亚高压对其邻近UTLS区域臭氧分布的影响

利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）提供的ERA5高分辨率月平均再分析资料，分析了1991—2020年共30 a夏季6—8月南亚高压对其邻近上对流层—下平流层区域臭氧（O₃）分布的影响。结果表明：ERA5资料能清晰地刻画出南亚高压夏季6—8月的月变化及振荡特征，同时能很好地反映出对应的臭氧低值这一现象。此外，ERA5高分辨率资料还能揭示出臭氧低值的范围和强度变化与南亚高压的范围和强度变化之间存在紧密联系。当南亚高压异常偏强（弱）时，邻近区域的臭氧低值增强（减弱），当南亚高压中心位置发生振荡时，臭氧浓度纬向偏差的中心也随之发生变化，这种变化在南亚高压偏强年时更明显。但这种联系有一定复杂性，不同月份的相关性存在差异。南亚高压对臭氧浓度的这种影响主要与对流层的空气输送有关，臭氧低值中心位置和范围的变化与位涡低值、位温纬向偏差负值区域分布相对应。     

ERA5再分析资料对甘肃省近地面风速气候特征及变化趋势再现能力的评估

为了探究ERA5再分析资料对甘肃省近地层风速的再现能力,利用甘肃省1981-2020年80个国家级气象台站的地面风速资料,分析了近40年间甘肃省风速变化情况,并比较了第五套欧洲中期天气预报中心再分析资料（ERA5）与观测资料变化趋势的异同,讨论了其对甘肃省地面风速的再现能力。结果表明,甘肃省四季平均地面风速自西向东逐渐减小,地面风速最大季节均为春季,不同地区风速偏小季节有所差异;近40年地面风速的变化整体上趋于平稳,但各站点春季风速以显著下降趋势为主,其余三个季节以上升趋势居多;在20世纪90年代初以前四季平均风速均呈现减小趋势,春季变化趋势最强,秋季变化趋势最弱,之后转为平稳变化或上升趋势,冬、夏两季风速上升趋势较强。ERA5再分析资料对甘肃省风速月际变化和主要季节特征的再现能力较好,但对各季节平均风速值和风速长期变化趋势的再现能力较差,仅在风速下降时期有较好的再现能力,并且ERA5风速资料也不具备再现甘肃省各季节风速长期趋势的能力;ERA5再分析资料不能直接用于估算甘肃省的风能密度,但对其进行线性偏差订正后,在风能密度的多年平均值方面有较好的再现能力。     

ERA5再分析资料对中国大陆区域近地层风速气候特征及变化趋势再现能力的评估

基于台站观测资料,评估了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）最高时空分辨率的第五代大气再分析资料（ERA5）对1979～2018年间中国大陆区域10 m高度风速的气候特征及其变化趋势的再现能力,并同步对比分析了ERA5资料100 m高度风速的特征和长期趋势。结果表明,ERA5资料10 m和100 m风速在空间分布、年—季节—月尺度演变的气候特征方面与台站观测非常一致,10 m风速气候态空间相关系数达到0.66。观测和再分析资料均显示,中国近地层风速呈现出显著的区域性特征,风速大值区主要分布在内蒙古、东北地区西部、新疆北部以及青藏高原西部地区,上述区域的风速季节差异也相对明显,春季风速最大。台站观测、ERA5资料10 m和100 m全国平均风速在4月达到最大值,分别为2.6、3.0、4.5 m s–1,8月为最小值,分别为2.0、2.4、3.5 m s–1。从月平均序列来看,ERA5资料的10 m风速较台站观测偏高0.3～0.5 m s–1,而100 m的风速较10 m风速整体偏高1.2～1.4 m s–1。在风速变化方面,台站观测风速在中国陆地区域整体呈下降趋势–0.4 m s–1（39 a）–1,春季下降趋势最显著[–0.5 m s–1（39 a）–1],且1979～1992年冬季风速降幅最大[–0.7 m s–1（14 a）–1],2013年以后风速逐渐增强。ERA5资料两个高度层的风速在整个中国区域均没有明显的长期变化趋势,4个季节风速变化趋势的空间分布与观测也存在差异,100m风速的长期变化趋势与10 m一致但变化幅度大于10 m风速。总之,ERA5资料对中国大陆区域气候平均风速具有较好的再现能力,但无法呈现台站观测风速的长期变化趋势。     

两种再分析资料平流层温度场的对比分析

在Lorenz环流分解基础上,比较了全球平流层低层ECMWF和NCEP/NCAR两种再分析资料月平均温度场的差异。结果表明：（1）纬向的平均温度无论DJF季度还是JJA季度100 hPa,30°S～30°N纬带都是冷中心;在该冷纬带ECMWF资料温度均值显著低于NCEP资料,ECWMF资料的年际方差显著小于NCEP资料。（2）30 hPa以上NCEP资料的定常波比较杂乱,在中纬大陆上出现与事实不符的高低中心,而ECMWF资料反映的气温定常波则比较合理。（3）ECMWF资料在100 hPa和10 hPa上气温异常未能充分地反映近50 a来3次强的火山喷发引起的平流层增温。