CMIP6-WACCM模式对北半球反气旋型Rossby波破碎趋势的预估

利用CMIP6中的CESM2-WACCM模式逐日资料,预估未来2020—2099年SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种不同排放情景下北半球对流层顶附近反气旋型Rossby波破碎(Anticyclonic Rossby Wave Breaking,AWB)的空间分布、发生频率、水平尺度、对称结构及其长期趋势。总体而言,未来四个季节AWB都在北太平洋和北大西洋有高频区。夏季北太平洋高频区发生频数显著多于北大西洋高频区,其他三季相反。两高频区在三种不同情景下,AWB物质经向输送通常以对称输送为主,但北太平洋区内冬、春、秋三季在SSP2-4.5情景下AWB物质向极净输送,北大西洋区内夏季在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下AWB物质向赤道净输送。未来的长期趋势显示,两高频区内各季节的AWB发生频数、水平尺度和物质向极输送主要呈减小(减少)趋势,且温室气体排放量越大,减小趋势越显著。在SSP5-8.5情景下,北太平洋夏季AWB总面积变化趋势为-365.5个1°×1°标准经纬度网格/10 a,该变化由区域内AWB平均尺度减小(-2.7个标准化网格/10 a)和发生频率减少(-1.9个/10 a)共同导致;该区域的向极输送率变化率为-0.0165/10 a。北大西洋秋季AWB发生频数变化率为-2.3个/10 a,导致其总面积则以-440.4个标准化网格/10 a的速度减小。

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS温度观测资料同化试验

基于WACCM+DART(Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed)临近空间资料同化预报系统,以2016年2月的一次平流层爆发性增温(SSW)事件为例,开展了临近空间SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)和MLS(Microwave Limb Sounder)温度观测资料集合滤波同化试验.结果表明:同化SABER和MLS温度观测资料可显著降低WACCM模式在中间层和平流层中上部(0.001~10 hPa)大气温度场的预报误差,改善CR试验在SSW发生时中间层变冷现象偏强、纬向风场首次发生反转的层次偏低以及增温恢复阶段0.1~10 hPa的东风层提前消退、纬向风速偏大、平流层顶位置偏高等现象.基于ERA5(The Fifth Generation of ECMWF Reanalyses)再分析资料的检验表明:同化SABER和MLS温度资料明显有利于减小北半球高纬度地区(60°-90°N)平流层中上层和下中间层(0.1~14 hPa)纬向风场以及平流层和中间层中下层(0.01~100 hPa)温度场的分析误差;同化低层大气观测也有利于减小0.1~14hPa纬向风场和0.01~100 hPa温度场的分析误差,但是不如同化SABER和MLS温度资料对临近空间纬向风场和温度场分析误差的改善效果显著.

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 TestBed)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。

热带平流层CO浓度准两年振荡的位相变化特征

利用2005~2014年10年的卫星微波临边探测仪(MLS)资料分析了热带平流层一氧化碳(CO)体积混合比的年际变率,发现热带平流层CO浓度的准两年振荡(QBO)在30 h Pa高度附近存在明显的位相变化特征。大气化学气候模式模拟结果表明,热带平流层CO的准两年振荡信号是化学和动力过程共同作用的结果,而动力作用主要是QBO引起的次级经向环流引起的物质传输。化学和动力过程共同作用导致热带平流层CO浓度的垂直梯度在30 h Pa高度处发生反转,进而产生一氧化碳QBO信号的位相变化。此外,化学气候模式模拟结果还表明,与CO有关的化学过程不但可以减弱一氧化碳QBO信号的振幅,还可以在热带30~10 h Pa高度范围内造成一氧化碳QBO和纬向风QBO信号之间约3个月的时间差。

中国廊坊中间层和低热层大气平均风观测模拟

利用中国廊坊站(39.4°N,116.7°E)流星雷达在2012年4月1日至2013年3月31日的水平风场观测数据,分析廊坊上空80~100 km的中间层与低热层(Mesospherc and Lower Thermosphere,MLT)大气平均纬向风和经向风的季节变化特征.结果表明平均纬向风和经向风都表现出明显的季节变化特征.平均纬向风在冬季MLT盛行西风,极大值位于中间层顶,随高度增加西风减弱;在夏季中间层为东风,低热层为强西风,风向转换高度约为82 km.平均经向风在冬季以南风为主,在夏季盛行北风.纬向风和经向风在春秋两季主要表现为过渡阶段.流星雷达观测结果与WACCM4模式和HWM93模式模拟的气候变化特点基本一致,但WACCM4模式纬向风和经向风风速偏大,而HWM93模式纬向风和经向风风速偏小.