抽象性

人们对气候系统的理解大有提高,但在寒季模拟大气响应方面仍然存在两大问题:(a) 陆地-地表图中缺少雪和冻土的详细物理描述;(b) 冰层对区域气候响应理解不足多层雪表层模型基于保护土壤和雪中的热水物质,并伴之以大气RCM调查冷季雪、雪熔和土壤霜对大气的影响并发RCM显示1997年3月至4月水分和温度模拟比GCM使用简单参数化大有改善区域机模拟过程的重要性在受地表能变化和水文循环影响的过渡期间(隔冬-春季)中中高纬度更为突出冰层物理通过雪波反馈机制作用改变偏差温度梯度并转而改变跨区域天气系统定位研究效果显示,为减少不确定性并更好地评估气候变化的影响,RCM模拟应包括详细的雪和冻土过程

开工导 言

精度模拟下雪和渗透对模拟大气-陆地交互性至关紧要一号,2..包括详细的雪和冻土物理不仅能改善气候模拟中季节性雪熔循环,而且还能改善高温纬度地表能和水流[3,4..研究表明,土壤湿度、温度和雪在季节间时间尺度上表现出持久性5,6..加上外部强力和内部地表动态,季节性持久化对扩展预测气候和水文极端有重要影响准确预测雪雪、雪熔和冻土过程对寒季区域气候模拟的精度很重要积雪模拟模式多变虽然相当大,但降雪的开始和持续时间对预测大气通量和水文循环都至关重要[7..因此,需要精确区域气候模型模拟并减少不确定性,以便更好地评估气候变化影响的极限

数十年来,大气泛环流模型被广泛用于解答地球气候问题。典型网格分离数百公里和相对简单处理GCM物理参数化是区域气候详细复制中众所周知的缺陷和限制

动态降尺度法取GCMs输出字段并用之为区域气候模型初始条件和边界条件获取区域尺度气候信息8-10..区域气候建模的目标是提供区域细节嵌入低分辨率全球模型中,并更好地表示地形学和物理学单向嵌套策略多年来常用于数值天气预测(NWP),但这种方法越来越多地用于大规模驱动场降尺度以补全球气候模型的缺陷[4,11..

基于对多前研究的评审,洪和川美秀12摘述区域气候建模研究的几个问题问题之一是引导气候漂移问题动态平衡下两个因素决定区域气候模型的气候学 大尺度信息由横向边界条件 区域特征由内部物理和模型动态生成尽管多次尝试开发RCM并改进能力和应用,大规模强制产生的区域气候解决方案仍然有系统错误。并伴有天气偏移,因为区域气候模拟是开放系统的长期整合,并定期更新横向边界强制尽管有这些问题,系统错误最近稳步减少,不仅因为大规模驱动力质量提高,还因为裸技术学、内部物理和RCM动态的改善[13,14..

由于GCM和RCM在北纬度和高地形区域如西藏高原复制气候时不确定性,RCM研究稳步增加以理解雪覆盖效果seol和Hong15发现春季雪异常与东亚夏季降水有联系其结果显示RCM仿真比GCM强近观察多数研究使用现有模型或改变/扰动初始条件并进行与表雪过程有关的敏感研究此处介绍的研究与这些研究不同,因为我们使用新开发的雪冰模型测试模拟结果

多雪模型或地表模型开发模拟雪和冻土演化,包括Anderson演化16Verseghy17Stieglitz等[18号Mosaic地表模型19号公有土地模型20码社区诺亚地表模型21号Purdue雪地表模型22号..多雪模型比较研究显示三种通用模型复杂性描述不同的雪计划23号,24码.. 头类由相对简单所谓的重力恢复机制组成,用复合雪土层建模雪相对简单类使用单显雪层区分雪覆盖热量和表层通量与土壤相区别(例如Verseghy17))第二类计划包括详细内部慢流程计划,如Anderson计划[16和Jordon25码..模型多层垂直分辨率相对优异并有详细的物理参数化机制但这些模型在大气模型中的使用因计算成本相对较高而受到限制。第三类所谓的中间复杂化计划以内部慢工模型为基础(二类)。但它们使用物理参数化体系简化版描述最重要的过程并建模解决雪覆盖内大热密度梯度所需的最小层数(例如Stieglitz等)。[18号))

北美区域气候不仅是对陆地量与邻近海洋差热的大气响应,也是造成这种强迫的原因具体地说,该区域冬季和春季降水量大都主要归因于综合波系统传播尽管先前在区域气候模拟中多次研究地表进程的影响[26-28码研究主要集中在北美和欧洲大洲的夏令营,从冬季到春季相对较少工作自冬雪暴和春雪熔促成重大灾难并影响区域和全球气候大规模环流特征以来,

寒地上大气建模存在两大问题:(a) 本地数据不足和(b) 土地模型缺乏雪和冻土的准确物理描述前文提到的研究试图通过以下方式解决这些问题:(a) 适当使用遥感数据;(b) 开发多层地表模型供从冬季到春季和高纬度适合使用的全球/区域气候模型使用前者可以通过精确初始化表面边界条件提高模型降水预测后者很重要,因为雪强烈地影响冬季春季地表能源预算因此,雪进程精确初始化和表示并发区域气候模型对预测大气和水文至关重要本文研究这些进程在解决区域气候模型中可能的缺陷方面的作用,以研究未来的气候变化假设

二叉Prudue区域气候模型和实验搭建

2.1.PRCM描述

PRCM是一个静态原始方程模型,使用按地形调整压力标定系统 垂直方向模型使用Arakau错开C格列,可更精确计算差值PRCM配有预测方程供风等量的冰潜在温度、表压、扰动能和水所有阶段(喷雾器、云水、冰、雪、雨和超冷水)使用26-31号..

某些显著特征包括Goddard短波和长波辐射参数化32码Prude-Lin六级微物理机制29..PrmC计算压力梯度时考虑本地引用以减差接近悬浮地形法计算sigma坐标系28码..行星边界层参数化为1.5级闭合法,包括TKE预测变量地表图中包括理查斯方程和扩散方程预测土壤水分和温度31号..地表机制已经升级,以计及雪和冻土对植被的影响、对释放土壤水分的抗药性以及从植被表面蒸发和蒸发[30码..当前PRCM物理和数值配方综合汇总见Min30码和Sun等[三十三..

2.2.实验搭建

选择研究并发模型区域气候模拟能力并研究其撞击时间为1997年3月和4月北平原中北美1996-97年冬季经历可怕的条件暴风雪后11月下半月至1月积雪多区降雪超过3米数量比正常年量高2-3倍1997年3月初温度下降到正常水平以下,延缓雪熔开始3月中旬雪融化后雪线向北移动大雪覆盖融化开始 特别热条件3月底4月初南达科他州、明尼苏达州南部和北达科他州南部多江上升,有时远高于洪位4月5日至6日周末条件变换, 大雨降于已经经历雪融的区域, 更多暴风雪条件带30cm或更多雪到红河北部20世纪最灾难性洪涝灾难发生在明尼苏达州和达科塔斯州34号..北红河洪水发生于这些异常条件中,并导致上中西部大部严重洪泛估计事件损失,包括红河全美部分,总计约40亿美元,共11人伤亡近邻大福克斯和东大福克斯损失36亿美元

Purdue区域气候模型地表计划允许一层雪并使用简单雪融进程,类似于全球环流模型有效雪平计算PRCM-LSS可区分植被分片或雪覆盖裸地雪熔量计算法假设当表面温度大于273.15K时将使用所有太阳能加热反之,新并发SLV22号多层雪和土壤可模仿雪土内物理过程,包括冷冻土壤,以及土壤类型对土壤热通量和热量、土壤水分通量和植被蒸发的影响表2一号PRCM-LSS与雪地表模型(SLM)之间的一些主要差分汇总和表物理其他方面一样,交互雪土模型使用标志比早先使用粗法大有改进然而,在这次实验中,由于模型初始条件约束,土壤层最大数限为三层关于可持续土地管理进程更详细的讨论见Min30码................................................22号..

由Bosilovich和Sun开发的现有LSS27号不计细雪水文学和冷冻土壤动态控制运行使用欧洲中程天气预报中心初始条件和边界条件的PRCM-LSS搭建实验运行(EXP1)仅因SLV并发而异横向边界条件如温度、高度和风场与控制运行条件不变包括模型动态和物理在内的其他配置除地表图外完全相同。模型域横向分辨率45kx45k全美28垂直西格玛层框2对北平原进行详细分析,那里因快速雪融而发生最大洪泛一号)数值模拟选择周期为1997年3月和4月模型运行在3月和4月前一周初始化并连续整合而不裸起或重开每月模拟避免误差和分量问题潜在增增12..

数值实验旨在测试并验证雪的存在及其从冬季到春季的融化会波及天气波传播、降水量和北平原洪泛新建土地模型可开或关多层雪过程但我们只展示数值实验 详细雪过程开机

3级结果

研究冷土过程对模拟春季雪融洪并配建系统的影响, 我们研究月均特征和事件时间演化并分析水文预算PRCM-SLM土壤水分初始化需要土壤冰量,而传统表层观测不易获取。因此,我们最初根据273.15K土壤温度区分土壤冰和液量,而PRCM-LSS不包括土壤冰

3.1.水平均值字段

PRCM加多层SLM(EXP1)成功地复制了1997年3月和4月期间美国北平原上春季雪融洪简单雪土参数化由单层雪和没有冷机制的土壤组成(CTL),与新SLM模拟法相比,雪覆盖量、表温、压力、降水量和美国北平原洪泛区积雪等观察结果大相径庭(图示图解)。2至5)

图2显示模拟雪深度(雪水当量)和200HPa风向NOAA环境卫星、数据和信息服务北半球SSM/I(特殊传感器微波/Imager)雪覆盖/海冰遥感数据用于雪比较2(a))EXP1显示覆盖区比较一致(图解)2(c))200hPa风向矢量总体上与ECMFF重新分析完全一致,该再分析被用作观察的代理物(图解)。2d)级极地喷射机位置和东北方最大核March EXP1风场显示强极喷射机分布在美国和加拿大边界上,较弱亚热带喷射机与CTL相比合并成东北核心总体说来,1997年3月对PRCM-SLM模拟与观测在规模和空间模式上都比较一致

反照率计算图3显示所有变量间最显著差异月均值及其与CTL的差值显示3月反照率达40%差值,这大大降低了地面吸收的太阳辐射量。模拟结果显示,将可持续土地管理与PRCM相联对模拟冷季区域气候非常有效图解4并5显示6小时时间序列海平面压力和表面温度CTL和EXP1都模拟表压时间变异极优随综合波的流转(图解)4)根均方差(RMSE)和EXP1对海平面压力观察为1.96和1.57HPA,相关关系分别为0.92和0.95。EXP1模拟观测二元循环和表面温度综合变异5)根平均平方误差为2.24和1.48K,CTL和EXP1相关联度分别为0.92和0.97。

包括多层冻土和雪效应降低表层温度,原因是初始冻土和雪面高反射层改变横向温度梯度并转而改变遍及冷地的天气系统位置不仅影响下层大气,还影响上层大气和中高纬度大规模天气系统与前一次PRCM-LSS模拟相比,新的SLS200HPA级地球潜力和风场也有显著改善这表明,对于精确区域气候模型模拟并减少不确定性,详细的雪土参数化对更好地评估气候变化影响的极限很重要。

3.2垂直剖析

图6显示3月和4月全模型域温度和混合比平均垂直剖面图CTL(开放圆圈)和EXP1(绿线)和地理潜能高度差一号)总的说来,冷地过程对温度和水分都产生显著影响。高表反射和初始冷土EXP1冷干下层大气覆盖全域6(a))Geopoly高度差还显示EXP1高度场大减6(b))大气中地球潜能变异取决于温度,而地球潜能高度在冷层比温暖层快速下降EXP1高度场逐步下降达200HPA,因为下方空气列比CTL冷

低层大气中CTL增湿和中美降水量增加后, 过度潜热释放热向中上层大气热下降列平均度温度梯度上层喷气流速度下降并比ECMWF三月数据多曲线化(图不显示)。增强四月EXP1可以类似方式理解北向后退和削弱极地喷气流在CTL和EXP1中都很好模拟,但加入冷季过程(EXP1)导致列平均温度梯度强近30-40摄氏度和冷中上层温度比CTL高250HPa整体而言,冷季进程效果强化了加拿大高压系统以及太平洋西北和南方低压系统

两种系统压力梯度强度增强表风,刺激温度和水分低位混合下层大气冷却和干燥通过静水平衡进一步提高中上层高度面积并增加曲面温度梯度后继过程增强上层风,从而改变北平原和北美的治理动态和大气循环

此外,加拿大冷高压系统增强北平原降雪量比3月和4月初CTL增加增降雪还增加表层反射法,通过减少太阳辐射达地进一步冷却表层温度视此特征为冷季过程的直接效果另一方面,主要风暴路径降水量增加可被视为冷季过程的间接效果,因为天气总模式变换使暴风系统相对于上层动态处于比较有利的位置。

3cm3水预算

积雪、降水和土壤三维模型交互作用是一个高度复杂非线性过程,很难确定冷季过程在影响后续降水模拟方面的确切作用。在此小节中,我们通过分析大气水预算进一步调查降雪交互作用

大气水分量是确定风暴系统严重程度的最重要因素之一,因为过量降水可引起大面积洪涝灾难分析水分预算是诊断洪涝暴雨和降水的常用实用方法sigma坐标段内大气列湿度预算方程可写作 去哪儿 特定湿度 全压列 三维风向 地表蒸发 降水到达地面 扩散和子电网通量水蒸气水分促降水 可取自列水分存储法(方程左侧)和表面蒸发法 水分汇合(方程右侧第一词)和/或水分跨边界扩散 )我们使用数值结果计算术语一号)除 中计算为方程剩余值

图73月和4月框北平原平均湿度计算一号)三月CTL显示比降水蒸发多得多,正因如此 下图7(a))反之,EXP1显示仅部分蒸发区由较冷土地面产生,但总降水量与CTL相似正因如此 下图7(b))值得注意的一个有趣的事实是,这两个案例显示该区域净水分差四月CTL和EXP1条件比三月差多区内水分运输总量相似于3月7(c))EXP1显示降水量和蒸发量略高于CTL7d)级可归结为冷表温度禁止早期雪熔4月下旬温度变暖和降水量剧增地表水供应量,从而在明尼苏达州和达科塔州产生雪融洪与1997年春季实际事件完全一致

3.4.统计学

表表显示CTL和EXP1模型模拟与ECMFF重新分析数据比较1997年3月和4月的平均偏差和相关性2.高层次统计比较地球潜能高度和温度 风度和特质湿度 850、700、500和200HPA显示冷季仿真新SLV大有改进,因为偏向代理观察小温度700和500HPa中间值显示微冷偏差0.5-1K,但水分偏差和地球潜能值显著下降

4级讨论和结论

多层SLM和PRCM相联显示1997年3月和4月期间模拟北平原春季雪融大为了扩展模型模拟地面积雪和融雪以及土壤内冷解的能力,表层模型需要包括详细物理和冷季热动过程更精确描述大气-土地交互作用并使用高分辨率地表初始条件,就有可能更好地预测雪融洪、河流路由并减少其对农业、财产和人命的破坏

与PRCM-LSS模拟相比,PRCM-SLM显示表层和地面温度、降水量和反射计算有显著差异总的来说,北平原区域降水强度和位置与PRCM-SLM比较一致总体讲,1997年3月和4月区域气候模拟,包括详细的冷冻土壤和雪过程,改善了冷季的天气和局部循环以及表温和压力二元循环内含冰层模型物理效果会降低表层温度,部分原因是初始冷冻土壤条件和高反射雪覆盖区-对面雪波反馈机制显示变暖导致表层太阳辐射下降影响水平温度梯度并转而改变天气综合系统位置和巴洛克诊断区此外,进取辐射能分治对雪熔和土壤冻结/解冻条件敏感

本项研究的局限性在于实验只为熔化季节进行测试RMs强健性可持续土地管理并更好地了解区域气候变化,需要继续这项工作并开展更多敏感度研究

当观察数据有限时,数值模型成为研究物理和陆表现象交互作用的主要工具冷季和高纬度时尤其如此并发建研究中,我们辨识出重要因素和过程影响冬季晚至春前区域水和能源周期的不同时空尺度效果显示 RMS需要详细多层雪和冻土过程 来创建实战冷季模拟 并避免气候漂移这项研究还显示前景,未来变暖气候变化研究中,冷地物理和热动学可改善冬季至春季雪熔引起的降水量预测

利益冲突

撰文者声明,本论文的发布不存在利益冲突问题。

感知感知

这项研究得到Kyungpook国立大学研究基金(2014年)和大气遥感中心(CARE)部分支持作者感谢评审员和编辑的建设性评论