基于BCC_CSM气候系统模式的陆表温度耦合同化方法研究

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目前国际上已有的陆面资料同化系统多为离线同化系统,而基于耦合气候模式发展与之协调匹配且稳定的陆面资料同化方案,一直是当前国际各大数值预报中心推动其业务模式发展的一个重点和难点问题。为了得到融合真实观测,且与气候系统模式相互协调匹配的陆面分量场,本文基于中国国家气候中心BCC_CSM(Beijing Climate Center Climate System Model)耦合气候模式,使用集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,En KF)算法,发展了适用于BCC_CSM耦合模式的陆表温度耦合同化方案,并分析了在气候模式中同化陆表温度变量可能对整个气候系统模拟的影响及原因。首先,在BCC_CSM模式的陆面分量模式BCC_AVIM中发展了离线的集合卡尔曼滤波陆表温度同化方案,使用中分辨率成像光谱仪(MODIS)反演的陆表温度观测作为同化资料,同化试验证明该方案在BCC_AVIM中可稳定运行,且同化方案有效减少了模式对陆表温度的模拟偏差,证明了此方案的可行性。其次,由于极轨卫星观测具有全球覆盖、不同地点观测时间不一致的特点,为了分析极轨卫星观测的日变化信息对同化效果的影响,从而能够为陆表温度同化选取合适的观测数据时间间隔,使用了不同时间间隔的观测数据分别进行了同化试验。整体来看,在陆面模式中用6小时时间间隔的观测数据进行同化时,可以得到相对较好的同化效果再次,在耦合气候模式BCC_CSM中建立基于En KF的陆表温度同化方案,使用MODIS陆表温度观测资料进行了测试,结果表明该方案在耦合模式中可长时间稳定运行,同化后观测信息进入模式中,模拟偏差和均方根误差略有减少,但也有不少偏差和均方根误差在同化后反而增大的区域,与陆面模式的同化结果相比较差,可能与耦合模式中大气变量的作用有关。最后,分析了耦合模式陆表温度同化对其他陆面、大气变量的影响。耦合模式中陆面与大气之间存在高频实时交互,陆表温度的同化不仅会影响陆面变量,与大气模式变量之间也有密切关系。结果显示,陆表温度的同化会造成各层大气温度、地表净辐射以及地气感热通量的改变;陆表温度的同化在一定程度上可以纠正模式在降水模拟中出现的降水位置、降水范围的偏差。在陆表温度观测缺失较多时,可能造成陆表温度产生偏差,进而产生降水偏差,又反过来影响陆表温度的模拟。本文发展了适用于中国业务模式使用的耦合模式的陆表温度变量同化方案,该方案整体上对耦合模式偏差有一定改进作用,减小了陆表温度在全球范围的模拟偏差,对与陆面频繁交互的大气变量也有一定修正。
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