基于PolarWRF的南极冰盖气候数值模拟研究

论文摘要

在全球气候变暖加剧的大背景下,南极冰盖作为全球气候变化的重要驱动因子,其天气及气候变化备受国际社会关注,是全球变化研究中的重点。Polar WRF作为目前最先进的极地区域气候模式之一,是南极气候变化诊断及未来预估的有力工具,然而在广泛应用之前,模式模拟能力需要定量评估。本论文以ERA-Interim再分析资料作为初始场和侧边界资料,利用Polar WRF的最新版本（Polar WRF 3.9.1）对南极冰盖2004-2013年的气候变化进行了模拟,从年、季节和月尺度上将模拟结果与28个南极气象观测站点数据进行对比分析,定量评估了模式在不同时间尺度上对整个南极冰盖气温、近地面风速以及地面气压的模拟能力。结果表明:（1）Polar WRF对南极地区2m气温的模拟性能整体良好。2004-2013年模拟值与观测值的年际变化趋势大体一致,平均绝对误差、均方根误差、相关系数分别为2.33℃、2.49℃和0.99。同时,该模式很好地再现了春、夏、秋及冬季气温的年际变化。而且,12个月平均模拟结果的均方根误差和平均绝对误差均在4℃以内,其中1、12的误差最小,7、10、11月份的误差最大,但所有月平均气温与气象站站点观测气温相关性均高于0.97,其中11、12月份的相关性最低,3,4月的相关性最高。然而,就多年平均和季节平均模拟结果而言,东南极冰盖沿岸仍存在冷偏差,冰盖内陆存在暖偏差,在南极半岛既存在冷偏差也存在暖偏差,而沿岸各站点的误差在数量上小于内陆地区。相比较而言,冬季的模拟精度最低,春季其次,夏季和秋季精度较高。春、夏两季,南极沿岸的精度要高于内陆地区,秋季内陆和沿岸的差异较小,而在冬季虽然东南极沿岸站点的精度较高,但南极半岛的精度要略低于内陆地区。（2）该模式对10m风速的模拟在陡峭区域的部分站点误差较大,但整体而言地表风速与实测平均风速整体吻合性较好,能一定程度上捕获南极年尺度、季节尺度、和月尺度上观测风速的特征。模拟的风速与实测结果在2004-2013年呈现出相同的年际变化趋势,两者之间的平均绝对误差、均方根误差和相关性系数,分别为3.91m/s、4.75 m/s和0.62。Polar WRF也能较好地再现四季风速的年际变化趋势,各季节的误差均在4/ms以内。此外,12个月均风速模拟误差在2.5m/s4.5m/s之间,与实测风速的相关性系数均大于0.5。从年平均和季节平均风速模拟结果误差空间分布来看,内陆站点误差较小,东南极沿岸站点误差较大,而在南极半岛上既存在误差较大的站点也存在误差较小的站点。模拟的冬季风速误差最低,秋季其次,春季和夏季的误差较高。秋季和夏季,南极内陆误差要略小于沿岸地区,而在冬季和春季,沿岸和内陆的差异不大。（3）Polar WRF很好地再现了南极年尺度、季节尺度、和月尺度上的地表气压。2004-2013年间气压模拟值和观测值的变化趋势十分吻合,均方根误差、平均绝对误差、相关性系数分别为0.59 hPa、0.47 hPa、0.99。模式还能够很好地捕捉春、夏、秋、冬四季气压的年际变化,四季的气压误差均小于1.8hPa。此外,12个月份的模拟误差均在2.4hPa之间,其中1、11月份的误差最小,8月份的误差最大。所有月份的相关性系数在0.790.99之间,其中3月份的相关性最低,7、9月份的相关性最高。然而,就多年平均和季节平均模拟结果而言,模式对整个南极冰盖以高估为主,其在春季的误差最低,冬季其次,夏季和秋季的误差略高。秋季内陆地区的精度要低于沿岸地区,冬季和春季沿岸与内陆地区的模拟精度大致相同,夏季沿岸的精度大于内陆地区。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 南极地区气候模拟的研究进展
•     1.2.2 南极数值天气预报系统的研究进展
•   1.3 研究内容和技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 研究区概况、资料方法及模式介绍
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置及地域特征
•     2.1.2 气候特征
•   2.2 模式简介与配置
•     2.2.1 模式介绍
•     2.2.2 模式区域及配置
•   2.3 资料方法
•     2.3.1 数据介绍
•     2.3.2 研究方法
• 3 Polar WRF对南极冰盖2m气温的模拟
•   3.1 年尺度评估模式2m气温精度
•   3.2 季节尺度评估模式2m气温精度
•   3.3 月尺度评估模式2m气温精度
•   3.4 讨论
• 4 Polar WRF对南极冰盖10m风速的模拟
•   4.1 年尺度评估模式10m风速精度
•   4.2 季节尺度评估模式10m风速精度
•   4.3 月尺度评估模式10m风速精度
•   4.4 讨论
• 5 Polar WRF对南极冰盖地面气压的模拟
•   5.1 年尺度评估模式地面气压精度
•   5.2 季节尺度评估模式地表气压精度
•   5.3 月尺度评估模式地面气压精度
•   5.4 讨论
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 7 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张玉伦

导师: 王叶堂

关键词: 南极冰盖,数值模拟,精度评估

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,地球物理学

单位: 山东师范大学

分类号: P467;P343.6

总页数: 92

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