比较表面高度与观察到的卫星NCAR气候模型使用:对皮肤温度模拟的影响

文摘

本文试图找出的原因之一为穷人皮肤温度模拟的土地在格陵兰岛气候模型。首先比较了卫星表面高度测量在格陵兰岛与所使用的模型和表明,格陵兰岛的表面高度规定的国家大气研究中心(NCAR)社区气候系统模型/社区土地模型版本3(实验/ CLM3)极大地从卫星测量不同国家航空和宇宙航行局(NASA)卫星在冰川边缘和中部地区。这一缺陷,在一定程度上,会导致低估了皮肤温度在沿海地区重要的冰盖融化是观察到的领域。此外,敏感性研究表明,格陵兰岛的表面皮肤温度模拟将显著提高如果使用更精确的表面高度。的问题目前的全球气候模型中使用的高主要是由于这一事实模型使用粗网格大小,和在一个网格,地表高度异质性高。如何分配一个适当的表面高度为每个模型网格,同时充分展示陆地表面的高异质性是一个巨大的挑战在当前模型的发展。

1。介绍

格陵兰岛的温度迅速增加更多比任何其他类似规模的土地或海洋表面(1- - - - - -3]。这导致大型对表面冰层融化的影响。特别是,表面的高度,这是一个动态质量平衡主要在冬季和春季融雪降雪积累之间,随着表面温度的函数。然而,这种高度变化的后果并不是解决全球气候模型。最近,国家航空和宇宙航行局(NASA)卫星平台测量高分辨率表面高度数据(4),可用于验证全球气候模型(GCMs)。本文探讨如何这样的表面高度反映在国家大气研究中心(NCAR)社区气候系统模型/社区土地模型版本3(实验/ CLM3),和这个变量是多么重要对格陵兰岛表面皮肤温度模拟。

表面高度和表面皮肤温度相互密切相关(5,6]。皮肤温度的极地地区影响地表能量平衡和冰盖融化。南极洲和格陵兰岛被冰盖覆盖厚度超过3000米,含冰量相当于地球上78%的淡水。足够温暖的日子里,表面温度会变得温暖足以导致融化的冰盖的边缘。这样可以减少地表反照率,融化表面温度增加,因此更多的积雪和冰层融化,也就是说,它是一个积极的反馈。

气候模型,例如,实验/ CLM3,一般设置H作为规定的参数。其价值观源于一些全球数字高程图足够平滑,消除模型的动态不稳定,会发生太粗糙边界较低。然而,如本文所示,这种平滑将引入大,可能在局部皮肤温度模拟不可接受的错误。H /格陵兰冰云和地面高度和实验之间的差异/ CLM3 600 - 1000米。皮肤温度之间的巨大差异也见过观察从国家航空和宇宙航行局(NASA)的中分辨率成像光谱仪MODIS和模拟模型。本文使用简单的建模敏感性研究表明大部分观察和模拟温度之间的差异可能会占观测和模型假定高程之间的区别。部分2本文描述了用于分析数据集和背景信息。部分3讨论结果和紧随其后的是一段最后的讨论和评论(部分4)。

2。数据

卫星表面高度数据
ICEsat-observed表面高度对格陵兰岛是用来评估该参数在NCAR模型中。的冰云和地面高度任务的一部分,美国国家航空航天局地球观测系统(EOS)任务,在2003年1月启动。地球科学的激光高度计系统(格拉斯)卫星测量冰原海拔,一起通过时间和海拔的变化近似海冰厚度。在一个提供表面的高度水平分辨率。2003年7月,我们使用了测量。

MODIS地表温度
进行NASA的Terra卫星上的MODIS仪器,在12月,1999年,NASA的Aqua卫星,2002年5月推出。皮肤温度测量7太阳能和3热谱带10:30 LT和22:30 LT每日(Terra) 13:30 LT和1:30 LT(水)。每个像素都有一个最低点时(1公里分辨率7]。在这项研究中使用的测量已经扩大到汉诺威分辨率和平均每月值。只有测量值与质量标志证明没有云。

NCAR实验/ CLM3
NCAR社区地表模型版本3 (CLM3)是一种先进的地表模型设计与全球或地区大气耦合模型来模拟地表能量平衡,水文过程,植被的影响(8]。实验通过大气组件社区大气模型(CAM3)提供了大气强迫CLM3包括空气温度,向下短波和长波辐射,降雨,相对湿度,风在每个模型步伐,CLM3计算地表的重要生物物理过程。图1介绍了1990年7月从CCSM3.0 / CLM3.0意味着控制模拟445 - 449年。这些年来的分段仿真分析了迪金森et al。8]。

3所示。结果

3.1。观察与测量皮肤温度

图1(一)表明最低观察皮肤温度发生在格陵兰岛的中心,但延伸到南部山区约65°N。在这些永久冻结成冰的区域,皮肤温度低于260 K。相比之下,附近的格陵兰岛的边缘,7月的皮肤温度可高达290 K。

显著差异之间观察到的实验/ CLM3建模皮肤温度模拟(图1 (b))和卫星观测(图1(一))。首先,实验/ CLM3高估了表面皮肤温度在中部冰川地区至少几个度下观察皮肤温度低于260 K,但模拟值高于260 K。第二,建模的温度没有显示格陵兰岛南部的冷中心(约65°N)。此外,皮肤温度建模在边缘大约10 K的温度比观察。这样的缺陷在皮肤温度模拟可能很大程度上是由于使用的表面高度误差模型证明了在下一节。

3.2。观察和模型表面高度(H)

一般来说,观察H /格陵兰岛很低的边缘和中心增加(图2(一个))。H是光滑的中央部分超过3000 m在70°N, 40°W,而H接近边缘附近海面。除了中央峰在75°N H,南部地区有一个峰值2500 m在60 - 65°N,降价°W。考虑到格陵兰岛的大小,大的变化高度(从0到)的意思是一个戏剧性的表面高度改变了那地方。

标准差揭示了高可变性H在格陵兰岛的边缘(图2 (b)),标准偏差值平均模型解决方案主要是高达500米至600米不等。相比之下,格陵兰岛的内部是相对平坦的,高度不超过100米的标准偏差。

实验的表面高度H / CLM3如图2 (c)。最著名的卫星观测(图之间的差异2(一个)H(图),模型2 (c))如下:

(1)模型只有一个位置在中部以上2500米,但观察到的峰值在南部地区图2(一个)在模型中丢失数据。(2)边缘有小H比观测到的变化,特别是H的突然变化并不代表模型中。(3)格陵兰岛中部的低比观测模型中。

在80°N(图进一步比较3)表明,尽管模型沿着80°N H的形状非常类似于卫星观测,高度的绝对值有巨大差异。特别是,甚至可以在边缘上,大多数模型值高于观测但其他模型H低于ICESAT-based H。在许多地区,这种差异可达1000米。类似的差异也观察到70°N(没有显示)。这样错误的表面高度影响皮肤温度的仿真模型是我们下面的小节将讨论的问题。

3.3。模型对格陵兰岛的表面高度的敏感性

检查格陵兰表面高度模型模拟的重要性,我们进行了控制仿真和格陵兰岛的表面高度的灵敏度仿真模型中被卫星观测所取代。两个实验使用离线(非耦合的大气模型)CLM3.5和NCEP再分析大气强迫(9]。模型和水平分辨率T42步伐是20秒。注意,在离线CLM3.5、表面压力和空气温度变化的高度根据递减率0.9°C / 100 m。这样的设计是基于model-ICEsat差异显示在图2在模型表面主要是低于观察平均500米。当然,这样的设计可能只提供一个上限模型可能是由于极端的敏感程度表面高度的变化。每月平均地表地面温度(即为雪表面皮肤温度)是用来评估表面高度的变化的影响。

图4显示离线建模CLM3.5格陵兰地面温度(即皮肤温度在冰雪覆盖的表面)减少约2.5 K表面高度的增加。边缘当前模型表面的高度高于观察(见图颜色4,也图3);因此,减少表面高度会导致皮肤温度的增加,在离线CLM3.5。注意,提出模型的输出是一个17年的气候学的7月,8月和9月平均皮肤温度。瞬时值在阳光充足的白天可以更高,因此提高雪融化。这样的改善地面/夏天的皮肤温度模拟将允许一个更好的模拟融雪的边缘。进一步,在格陵兰岛,皮肤温度会降低使用更高的表面观察到的高度。因此,区域温度梯度将增加模型可能改善地区风力模拟。

4所示。讨论

当前测定格陵兰岛的表面高度NCAR实验部分原因是一个不准确的模拟皮肤温度,可以改善同化卫星观测到模型中。结果,皮肤温度模拟将明显改善,因为表面温度和表面高度之间的密切关系。皮肤温度可能进一步大幅贡献大的空间变异性的地形(图2 (b)),修改表面能量平衡,例如,通过减少有效反射率和辐射率通过所谓的“斜坡效应”多个散射山上(例如,10,11])。

耦合模型应该会有更强的敏感性比离线地表地表高度模型,因为许多height-related物理和动力学过程不能在离线地表模型来解决。然而,由于皮肤温度本身是一个联合的结果很多流程,减少耦合模型可以提供一个更小的温度随着海拔变化比用于离线模式。当前挑战的充分利用高分辨率卫星高度耦合模型中的数据是如何表示表面高度异质性模型中网格,一般是30 - 100公里。这可能是一个极端极性陆地表面的重要研究课题。

的问题目前的全球气候模型中使用的高主要是由于这样的事实,全球模型必须使用粗网格大小来避免快速变化的动态不稳定(吉布斯效应)表面。地区在一个网格地表高度异质性高,如何分配一个适当的表面高度为每个模型网格,同时充分展示陆地表面的高异质性是一个研究课题。

确认

这项工作是由NSF GEO / ATM /拉/ CLD批准号060928 - 9145。作者想表达真诚的感谢Drs。王就和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的Jay Zwally提供美国卫星表面高度的观察。

引用

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