东南极中山站-昆仑站断面极端天气分析与CMIP5模拟初步研究

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随着全球气候系统变暖,极端天气气候事件发生的频率、强度、地区和持续时间都发生了/正在发生显著变化,对极端天气气候事件的研究是当今国际社会的热点问题之一。南极冰盖是地球上的最大冰盖和最强冷源,对气候变化的响应引起了国际的极大关注。然而,有关南极地区的极端天气气候事件研究并不多见,尤其是观测资料相对少的东南极地区。本文基于东南极中山站—昆仑站断面4个气象站中山站、LGB69、EAGLE、Dome A2m日最高和最低气温,辅以ERAInterim再分析资料,分析了该断面日最高/最低气温的时空变化特征,探讨了极端天气事件特例发生、发展的过程及其机理。利用20个CMIP5模式对该断面最高和最低气温进行模拟,评估了这些模式对该区域最高和最低气温的模拟能力。主要结论如下:  1.沿南极冰盖边缘中山站至冰盖最高点昆仑站(Dome A)断面,随海拔高度和距海岸距离的增加:最高气温年较差逐渐增大(17.5℃-37.2℃),最低气温年较差先减小后增大;夏季气温变化幅度逐渐增大,冬季气温变化幅度的区域性差异不明显;最低气温年变化的无芯率(气温没有明显的最小值的程度)逐渐增大(0.34-0.43);最高气温无芯率先减小后增大;周期逐渐缩短(准两周周期缩减为准一周);  2.最高/最低气温具有明显的“短暂夏季、无芯冬季”季节变化特征;最低气温标准偏差(2.78℃)小于最高气温(2.95℃);夏季气温标准偏差(2.23℃)小于冬季(3.48℃),夏季气温变化幅度(12.79℃)远小于冬季(22.09℃);  3.研究区极端天气事件的发生,主要源于地面冷高压和绕极低压的中心位置的移动和强度的变化。当极涡中心位于该区域时,地面冷高压占主导地位,形成极端降温事件,下降风的强度可以影响降温程度。极端增温事件主要是由高压和大风引起,地面低压系统向南输送暖平流,东南极近地层逆温程度减弱也是其中的重要原因之一;  4.极端天气事件发生时,各站气温变化的幅度和持续时间的不同,主要源于各站局地地形的区域性差异。本文分析了以中山站为主的极端降温事件和以Dome A为主的极端增温事件,两次事件发生的中心区域不同,主要有两方面原因:一是极涡和高压的中心位置不同,导致极端天气发生的中心位置不同;二是观测数据时间序列较短。  5.20个CMIP5模式能较好地模拟中山站、LGB69、EAGLE和Dome A区域的最高/最低气温的变化趋势,而对于气温极值绝对值的模拟较差。20个模式在中山站的模拟均呈现显著的冷偏差,而在其余三站,最高气温模拟呈现冷偏差,最低气温模拟呈现暖偏差,减小了气温的日较差范围。CMIP5在DomeA模拟最好,其次为LGB69和EAGLE,在中山站模拟效果最差。综合考虑偏差、RMSE、相关系数和可解释方差,本文认为CCSM4、CESM1-CAM5、CMCC-CESM、EC-EARTH和FGOALS-g2等5个模式对研究区域最高/最低气温的模拟能力优于其他模式;  6.利用上述5个模式进行加权平均多模式集合,结果表明,多模式集合的平均偏差为-1.97℃,RMSE为6.89℃,相关系数为0.82,可解释方差提高至66.9%。相对于单个模式,多模式集合的各种评价指数均有提高,有效克服了单一模式的局限性,提高了模拟能力。
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