北极水汽输送的时空分布特征研究

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水汽输送可以通过直接或间接的方式影响北极地区(60°–90°N)的水文、辐射和动力等气候因子。了解水汽输送的分布和变化特征,对研究北极气候变化具有重要意义。北极地区的观测数据受限于恶劣的自然条件,在精度和时空分辨率上存在诸多限制,这导致了学者对于北极水汽输送的具体变化过程研究的还不够深入。本文基于CRA-40、ERA5、JRA-55、MERRA-2四种再分析资料对2000–2020年北极水汽输送的时空分布特征进行了研究。首先利用北极地区的IGRA2探空资料对四种再分析资料的经向风和比湿数据的精度和变化趋势进行了分析;其次,基于四种再分析资料估计的水汽通量,探讨了沿70°N水汽通量在水平和垂直方向,以及月平均的分布特征,并研究了北极地区整层水汽通量在各季节的时空分布特征和线性趋势。本文的主要结论如下:1.在所选的四种再分析资料中,我国第一代再分析资料CRA-40在北极地区的经向风和比湿数据的精度较高,且与国际最新的ERA5再分析资料的数据精度相近。整体上,CRA-40、ERA5和JRA-55的经向风和比湿数据的精度接近,而MERRA-2的精度略低于其他三种再分析资料。全年中CRA-40和ERA5的经向风数据在800 h Pa高度以下的精度最高,JRA-55比湿数据的精度略高于其他三种再分析资料。对经向风和比湿数据的时间分布特征进行分析后发现,相较于经向风,比湿在北极地区的季节变化更明显,夏季比湿数值最大,次之为秋季、春季和冬季。在比湿最低的冬季,四种再分析资料和IGRA2均观测到了近地表的“逆湿”层。在北极不同区域再分析资料的精度不同,CRA-40、ERA5、JRA-55、MERRA-2的比湿数据均在加拿大北极群岛和东西伯利亚的精度较高,而在北大西洋、北欧和西西伯利亚平原北部的精度偏低。此外,MERRA-2的经向风和比湿数据在东北极的误差偏高。对四种再分析资料的经向风和比湿数据的空间分布特征进行分析后发现,对流层内经向风和比湿的垂直分布情况主导了各自的误差分布:随着高度增加,经向风及其误差都随之增大,而比湿及其误差都随之减少;全年中对流层内经向风不仅随着高度增加而风速逐渐增大,风向也从向北逐渐转为向南。因此,可以将对流层内的经向风分为三个层级:1000–800 h Pa以向北的经向风为主(风速为1 m/s),800–500 h Pa为过渡高度(风速为-0.5 m/s),500–300 h Pa以向南的经向风占据主导并且风速达到最大(-3.5 m/s)。对四种再分析资料的比湿进行分析后还发现,比湿的变化主要集中在5–10月份。21年间再分析资料的经向风和比湿均有较明显增长,但两者的特点明显不同:经向风的增长主要分布在对流层中层和高层的北大西洋,楚科奇海和巴伦支海,并具有增速快而覆盖面积小的特点;比湿则在对流层不同高度均有明显增长,整体具有增速慢而覆盖面广的特征。2.与JRA-55和MERRA-2相比,CRA-40和ERA5估计的北极水汽通量与IGRA2具有更强的正相关性,且精度更高,因此CRA-40和ERA5更适合于开展北极地区水汽输送的研究。在加拿大北极群岛附近,CRA-40、ERA5和MERRA-2更适用于水汽输送的研究。四种再分析资料的分析结果均表明,受海陆分布影响,沿70°N的水汽输送方向在东北极主要向北,而在西北极则为向南和向北相间分布且相对东北极更活跃。北极地区向北的水汽输送通道主要位于170°W楚科奇海、50°W巴芬湾、0°北大西洋、90°E中西伯利亚,而向南水汽输送通道则主要位于100°W加拿大北极群岛和25°W丹麦海峡。在垂直方向上,沿70°N的向北水汽输送在700 h Pa高度附近最为强烈。此外,沿70°N的向北水汽输送平均高于向南水汽输送,说明北极地区整体为水汽输送的汇入地。北极地区的向北水汽输送在夏秋季比冬春季节更活跃,且夏秋季的水汽通量分别在北大西洋、中西伯利亚、巴芬湾附近和向北水汽输送通道附近的增速更为明显。对沿70°N的水汽入侵的时间变化和水平分布结果进行分析后还发现,水汽入侵主要发生在向北水汽输送通道附近。
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