基于Polar WRF的南极Dome A极端低温事件分析

南极作为地球的寒极, 其最高点Dome A地区于2013年8月1日气温达到-93.0 ℃的极低值。利用Polar Weather Research and Forecasting （Polar WRF） 3.8.1模式, 对发生在南极Dome A地区的3次极端低温事件进行数值模拟分析。通过与自动气象站实测数据对比验证, 模拟效果较为理想。结果表明： 印度洋和大西洋交界区域的高压加强, 其高压脊开始向南极内陆延伸, 导致Dome A地区气压升高, 使得该地区天气晴好, 云量极低, 为极端低温事件发生奠定基础; 同时, 南极中心冷涡加强, 长时间的冷平流和稳定的逆温层为Dome A地区提供了足够的降温条件, 并且加强了夜间辐射降温效应, 稳定的垂直场、 极低的向下长波辐射使得Dome A地区的极端低温事件得以维持。     

基于多种机器学习及其堆叠式集成方法的月尺度北极海冰预测研究北大核心CSCD

北极海冰范围退缩已对区域和全球气候变化、北极通航性乃至地缘政治格局产生了深远影响,开展北极海冰预测具有重要意义。本文使用美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的海冰密集度、海冰冰龄遥感资料以及ERA5再分析资料,结合前人研究和海气耦合模式结果选择预测参量方案,开展了月尺度的海冰冰情预测。比较了支持向量机(SVR)、深度森林(DF)、LightGBM (LGB)、XGBoost(XGB)和CatBoost (CAT)等5种机器学习算法和以树模型LGB、XGB和CAT作为基模型,以贝叶斯回归、岭回归、套索回归和深度森林作为元模型的4种堆叠式集成学习模型,以及深度神经网络(DNN)、卷积神经网络(CNN)、时空卷积网络(ConvLSTM)3种深度学习模型在2000年测试集上对海冰范围和密集度空间分布的预测效果。结果表明:在海冰密集度预测中,ConvLSTM表现最优,套索堆叠集成学习模型预测效果次之。集成学习模型相较于三种单一树模型在预测效果上有约1%~4%的提升。在海冰范围预测中,堆叠式集成学习模型的预测效果最好。本研究为开展机器学习海冰预测奠定了重要基础。     

FS-J1四分量净全辐射表在北极地区的性能评测

在全球变暖的背景下,全球的净全辐射监测越来越受到人们的重视,逐渐成为研究区域天气气候的重要手段。为了研究国产FS-J1型四分量净全辐射表在极地条件下的各项性能,于2017年4月10—23日在美国阿拉斯加巴罗地区(203.5°E,71.4°N)进行了为期2周的地面净全辐射量实时监测,并与极地地区应用较广的CNR4型四分量净全辐射表进行对比测试。结果表明:(1)在表面无结冰/霜条件下,国产仪器FS-J1型四分量净全辐射表在不同晴空和日夜条件下都表现出较好的精度和线性关系,各项参数与CNR4的相对误差和相关系数总体分别在5%以内和0.9以上。(2)受极地条件影响,FS-J1表面结冰/霜后,会对辐射变化的响应出现延迟,对总辐射表和地球辐射表分别能造成最大约25%和7%的相对误差。所以针对极地辐射站加设合适的通风加热装置、发展较为合理的误差订正方案仍是国产仪器以后需要改进的关键点。     

中国第一代再分析产品CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性分析

2017年中国气象局发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品（以下简称“中国再分析产品”）CRA Interim, 通过对比CRA Interim气温资料与中国在南极考察区域中山站 - Dome A断面气象站实测2 m气温、 欧洲中期数值预报中心再分析产品（以下简称“欧洲再分析产品”）ERA Interim和ERA5相应的气温资料, 分析了CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性。结果表明： 三种再分析产品均能反映研究区域的气温变化, 均具有一定适用性, 但是都存在一定偏差且适用性存在区域差异和季节差异。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对中山站 - Dome A断面气温的解释方差分别为81.3%、 87.1%、 87.2%。中国与欧洲再分析产品对日均值与最低温的反演都呈现负偏差, CRA Interim对最高温的反演表现为负偏差（-1.8 ℃）, 欧洲再分析产品则表现为正偏差（ERA Interim和ERA5偏差分别为0.5 ℃和0.8 ℃）。中国与欧洲再分析产品在位于冰盖边缘的中山站适用性最好, 位于冰盖内陆的Dome A次之, 对Eagle站气温的反演偏差较大。三种再分析产品对冬季气温反演最差, ERA Interim对秋季气温反演最好, CRA Interim和ERA5对夏季气温反演最好。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对极端低温事件发生时最低温的解释方差分别为46.1%、 76.9%、 87.3%, 对极端高温事件发生时最高温的解释方差分别为59.9%、 65.1%、 73.6%, 极端事件发生时ERA5对极端气温的反演更为准确。2016年9月3日 - 13日极端低温事件主要受冷高压的影响, 7月25日 - 8月6日极端高温事件主要受暖低压和暖舌的影响。CRA Interim能够反演东南极中山站 - Dome A断面的气温及极端气温事件的变化, 但对风场尤其是中山站风场的反演不准确。与欧洲再分析产品相比, CRA Interim在中山站 - Dome A断面的适用性较低, 三种再分析产品中ERA5更适于南极极端天气与气候的研究。     

北极冰雪表面能量平衡研究进展

北极地区冰/雪-大气相互作用的过程,尤其是冰雪表面反照率的变化,是制约我们认识北极地区气候系统快速变化的关键科学问题。目前已有的研究表明,随着观测技术和方法的进步,北极冰雪表面能量平衡研究取得了较大的进展,但由于缺乏高质量、时空连续的观测试验数据,大部分参数化方案、遥感及模式产品等在北极不同区域的适用性仍待评估。因此,北极地区观测站点的加密、综合观测试验的开展和多源卫星遥感体系的进一步完善,能为遥感卫星产品及复杂参数化方案在北极的评估验证提供数据支撑,也可以揭示更多潜在的冰雪表面能量平衡相关的过程和机理,加深对极地海-冰/雪-气相互作用的理解,更好地服务于极地冰冻圈与气候变化研究。