南极地区地表能量平衡及近地层湍流通量参数化方案研究

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南极地区的地表能量分配与转换不仅对当地的天气和气候变化发挥着重要作用,还可通过大气环流的作用影响全球。但由于南极地区恶劣的自然环境,和受限于之前较为落后的技术手段,开展观测试验非常困难,导致观测资料较为缺乏,特别是通过涡动相关法精确测量地表能量平衡方程中的湍流感热和潜热通量数据。另一方面,由于涡动相关观测系统覆盖度较低,目前仍无法获取足够的数据用于天气和气候模式中。因此,提高基于Monin-Obukhov相似理论的近地层湍流通量参数化方案在南极地区的适用性对数值预报结果至关重要。此外,固定冰作为南极气候系统的重要组成部分,其生消过程与海冰表面能量分配密切相关。本文基于南极中山站地区陆地和海冰气象观测站点的观测资料,分析了该地区的地表能量平衡特征,给出了近地层湍流通量参数化的最佳设置方案,并测试了高分辨率热动力雪/冰模型(High-resolution thermodynamic snow/ice model,下文简称“HIGHTSI”)中各参数化方案的计算结果及其偏差对海冰厚度模拟的敏感性。主要结论如下:(1)对地表能量平衡特征的分析表明,中山站地区陆地和海冰表面的地表能量平衡特征在冬季无显著差异,地表通过净辐射和潜热通量损失能量,其中以净辐射为主,地表损失的能量由感热通量和地表热通量共同补充。然而,随着太阳辐射的增强,陆地和海冰表面地表反照率的差异导致了地表净辐射差异逐渐增大。到了春季,海冰表面的净辐射远小于陆地表面,进而导致了感热通量和地表剩余能量项的分配差异。(2)基于梯度观测数据分析表明,在稳定层结下CB05方案和不稳定层结下Bu71方案的稳定度修正函数在该地区具有更强的适用性。对动力(热力)粗糙度长度的计算结果表明,陆地和海冰表面的典型值分别为3.9×10-3 m(1.8×10-4 m)和1.9×10-3 m(3.7×10-5 m)。在陆地观测站点,当地表被积雪覆盖时,在稳定层结下,A87方案计算的热力粗糙度长度结果最好,但在近中性和不稳定层结下,A87方案与观测值之间存在一定的偏差。因此,基于Z95方案的方程形式,本文提出了新的k B-1参数化方案。在海冰观测站点,A87方案的计算结果与观测值较稳合。此外,对4种非迭代方案适用性的评估表明,各非迭代方案都能够较好地计算湍流动量通量,然而对感热通量计算的偏差稍大,相较而言,Wo12方案和Li14&15方案的标准化误差较小。(3)对HIGHTSI模式中各参数化方案的计算结果及其偏差对海冰厚度模拟的敏感性分析表明,地表反照率和大气长波辐射参数化方案的计算结果相对较差,且在模拟海冰厚度时,模式对大气长波辐射参数化方案计算结果的偏差较为敏感。此外,通过改进模式中对海洋热通量的描述,模拟的精度得到了显著提高。
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