重力波拖曳方案下三维变分同化GTS资料对青藏高原地区夏季高分辨率降尺度模拟的改进试验
2021-05-28
青藏高原被誉为“亚洲水塔”，是关键的气候变化和生态屏障区域。由于其海拔较高，地形复杂，气象站点稀少，粗分辨率的全球气候模式和再分析资料在这一区域的适用性较差。同时，在青藏高原等地形复杂区域，当气流无法顺利爬升过地形的情况下，还会在山前产生滞流或绕行，山后产生重力波破碎等现象，复杂地形区域的模式参数化方案对这些现象的不充分解耦也会造成相应的模拟偏差。因此，利用区域气候模式进行降尺度分析是解决这些问题的有效途径之一。本实验室杨毅教授团队提出了一种利用WRF模式中的重力波拖曳(GWD)方案结合三维变分同化(3D-Var)的方法，开展了对这一地区的2018年6月夏季的动力降尺度模拟研究。
本研究采用WRF4.0模式，模拟时选用的混合坐标系可以减小陡峭地形下气压梯度力计算中的垂直截断效应误差。模拟时采用了WRF4.0中新版本的GWD方案，同时利用3D-Var方法循环同化了全球电信系统观测数据（GTS），进行了30和6公里嵌套区域的降尺度模拟。
模拟发现，6km降尺度模拟中 GWD方案（重力波试验）对地面和垂直方向上的风、温度和湿度模拟较好。在这一基础上循环同化GTS资料（同化试验）后，进一步改善了高层大气的风速预报。同化试验对高原地区日降水的空间分布和时间变化方面明显模拟更好，有效地减少了降水的湿偏差，在高原东部更加显著。同化试验对不同等级降水，特别是对小雨（1-10毫米/天）量级模拟刻画也更加准确。通过分析降水模拟改善的机制可知：同化试验使得来自低纬度洋面水汽输送减弱，南亚高压的热力加热作用减少，同时相应的垂直上升速度也有所减小。这为量化青藏高原地区降水的模拟偏差并改善该地区区域气候模拟，建立更高时空分辨率的降尺度数据集提供了一个指导可能。
本研究结果以题为“3D-var assimilation of GTS observation with the gravity wave drag scheme improves summer high resolution climate simulation over the Tibetan Plateau”，已于2021年3月发表在《Climate Dynamics》，第一作者和通讯作者分别为解潜硕士研究生和杨毅教授。该工作受到国家自然科学基金（41675098 和 41905013）的资助。
图1. 6 km (a-c)控制试验、(d-f)重力波试验和(g-i)同化试验的近地面模拟风（左列）、温度（中列）和相对湿度（右列）和高原67个观测站的日平均RMSE空间分布图
图2. （a）GPM观测降水以及6 km (b)控制试验，(c)重力波试验和(d)同化试验的日平均降水模拟空间分布图
图3. (黑点)台站观测，（黄线）GPM观测降水以及6 km (蓝线)控制试验，(绿线)重力波试验和(红线)同化试验的日平均降水，RMSE和相关系数的时间变化图
图4. 30 km(a)控制试验，(b)重力波试验和(c)同化试验的月平均水汽通量和水汽通量散度的空间分布
文章信息：
Xie Q, Yang Y*, Qiu XB, Ma YY, Lai AW, Lin EL, Mai XP (2021) 3D-Var Assimilation of GTS observation with the gravity wave drag scheme improves summer high resolution climate simulation over the Tibetan Plateau. Climate Dynamics doi:10.1007/s00382-021-05720-0
Copyright © 甘肃省气候资源及防灾减灾重点实验室 All rights reserved. 联系地址：甘肃省兰州市天水南路222号 邮编：730000
重力波拖曳方案下三维变分同化GTS资料对青藏高原地区夏季高分辨率降尺度模拟的改进试验
2021-05-28
青藏高原被誉为“亚洲水塔”，是关键的气候变化和生态屏障区域。由于其海拔较高，地形复杂，气象站点稀少，粗分辨率的全球气候模式和再分析资料在这一区域的适用性较差。同时，在青藏高原等地形复杂区域，当气流无法顺利爬升过地形的情况下，还会在山前产生滞流或绕行，山后产生重力波破碎等现象，复杂地形区域的模式参数化方案对这些现象的不充分解耦也会造成相应的模拟偏差。因此，利用区域气候模式进行降尺度分析是解决这些问题的有效途径之一。本实验室杨毅教授团队提出了一种利用WRF模式中的重力波拖曳(GWD)方案结合三维变分同化(3D-Var)的方法，开展了对这一地区的2018年6月夏季的动力降尺度模拟研究。
本研究采用WRF4.0模式，模拟时选用的混合坐标系可以减小陡峭地形下气压梯度力计算中的垂直截断效应误差。模拟时采用了WRF4.0中新版本的GWD方案，同时利用3D-Var方法循环同化了全球电信系统观测数据（GTS），进行了30和6公里嵌套区域的降尺度模拟。
模拟发现，6km降尺度模拟中 GWD方案（重力波试验）对地面和垂直方向上的风、温度和湿度模拟较好。在这一基础上循环同化GTS资料（同化试验）后，进一步改善了高层大气的风速预报。同化试验对高原地区日降水的空间分布和时间变化方面明显模拟更好，有效地减少了降水的湿偏差，在高原东部更加显著。同化试验对不同等级降水，特别是对小雨（1-10毫米/天）量级模拟刻画也更加准确。通过分析降水模拟改善的机制可知：同化试验使得来自低纬度洋面水汽输送减弱，南亚高压的热力加热作用减少，同时相应的垂直上升速度也有所减小。这为量化青藏高原地区降水的模拟偏差并改善该地区区域气候模拟，建立更高时空分辨率的降尺度数据集提供了一个指导可能。
本研究结果以题为“3D-var assimilation of GTS observation with the gravity wave drag scheme improves summer high resolution climate simulation over the Tibetan Plateau”，已于2021年3月发表在《Climate Dynamics》，第一作者和通讯作者分别为解潜硕士研究生和杨毅教授。该工作受到国家自然科学基金（41675098 和 41905013）的资助。
图1. 6 km (a-c)控制试验、(d-f)重力波试验和(g-i)同化试验的近地面模拟风（左列）、温度（中列）和相对湿度（右列）和高原67个观测站的日平均RMSE空间分布图
图2. （a）GPM观测降水以及6 km (b)控制试验，(c)重力波试验和(d)同化试验的日平均降水模拟空间分布图
图3. (黑点)台站观测，（黄线）GPM观测降水以及6 km (蓝线)控制试验，(绿线)重力波试验和(红线)同化试验的日平均降水，RMSE和相关系数的时间变化图
图4. 30 km(a)控制试验，(b)重力波试验和(c)同化试验的月平均水汽通量和水汽通量散度的空间分布
文章信息：
Xie Q, Yang Y*, Qiu XB, Ma YY, Lai AW, Lin EL, Mai XP (2021) 3D-Var Assimilation of GTS observation with the gravity wave drag scheme improves summer high resolution climate simulation over the Tibetan Plateau. Climate Dynamics doi:10.1007/s00382-021-05720-0
Copyright © 甘肃省气候资源及防灾减灾重点实验室
All rights reserved.
联系地址：甘肃省兰州市天水南路222号 邮编：730000
