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“智汇极地”学术沙龙第24期


极地气象与气候:观测、研究与应用

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发布时间:2020-10-22 20:02:35
浏览:349 次

核心提示:
       受到特殊环境和观测技术的制约,极地气象和气候的预报预估依然是全球的热点和难点。随着我国极地考察和研究能力的提升,我国对极地气象的综合研究能力也在提升,本报告主要介绍我国在极地气象观测及研究的重要进展及其应用。
 
人物介绍:
       丁明虎,男,研究员,中国气象科学研究院青藏高原与极地气象科学研究所副所长,担任国际冰冻圈科学协会副主席、中国极地青年科学家协会主席、北极科学委员会专家委员等。主要研究方向为极地气象与冰冻圈,围绕“极区极端环境监测与探测技术—圈层间能量和水分相互作用过程机理—天气气候服务应用”这一链条开展研究,11次参加极地科学考察,发表论文80多篇,其中第一和通讯作者27篇;作为第一发明/主笔人,申请专利13项,出版极地大气观测规程1本;给中央有关部门撰写决策报告多份;多次获国家部委和科研单位奖励,包括“全国优秀青年气象科技工作者”、“中国极地考察先进个人”、“施雅风青年科学家奖”等。
 
报告详情:
       2020年8月18日晚上7点,武汉大学中国南极测绘研究中心“智汇极地”学术沙龙第24期于腾讯会议成功举办,博士生范沛主持本场学术活动。本期嘉宾为来自中国气象科学院青藏高原与极地气象科学研究所的丁明虎研究员,为大家介绍了我国在极地气象观测与研究方面的重要进展。
丁明虎老师的报告主要包含五个方面:①为什么极地预报不准确?②极区极端环境监测与探测技术;③极区物理过程与模拟方法;④极区天气气候的评估与归因;⑤预报。
 
图1 报告PPT首页
 
(1)为什么极地预报不准确?
       为什么极地预报不准确,报告主要介绍了以下的原因:
       1) 南北极面积大且地形多变。南极洲面积相当于中国国土面积的1.5倍,即使在中国,东部的天气预报很准确,但西部如青藏高原,预报精度很差。
       2) 南北极温度太低,尤其南极地区很多地方为零下60℃以下。温度太低对预报和观测的影响都是很大的。
       3) 极地地区实地气象观测数据太少。如图2(c)左图所示,截止到2019年,南极地区还使用的气象站,包括有人值守站和无人站,大约有一百多个,相比于南极广袤的面积,这一百多个站是很少的,图2(c)右图显示了在北极还使用着但不一定能数据共享的六百多个气象站。
       4) 南极的风速大。如图2(d)所示,在1980-1993年,南极冬季超过一半的地区平均风速大于8m/s,这种风速无论是对仪器还是对人都是极其痛苦的,夏季的风速也很大,极端风速将会更大。
       5) 极地预测模型太不准。前面四个原因会极地气象模型的精度,但导致模型太不准的更重要的原因是,目前极地模型主要是从中低纬度天气气候模型更改过来,例如使用比较多的PolarMM5和PolarWRF,就是分别由MM5和WRF发展过来的,而且采取的改进方案是考虑边界层方案、云物理过程、云辐射过程和雪冰表面物理过程等,这些改进是基于北欧地区的实地观测,不一定完全适用于南极。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

 
   
图2 极地预报不准确的原因
 
       在此基础上,丁明虎老师详细介绍了目前精度较高的RACMO区域气候模型的发展历程,如3(a)所示,RACMO团队利用南极观测站资料检验了该模型的精度,发现模型系统性地低估了降雪和下行长波辐射(图3(b)),当考虑云的物理方案,就可以显著提高模型精度。
 

(a)

(b)

   
图3 RACMO模型发展和精度
 
       要解决以上问题,全世界的极地科学家形成一个共同答案:从观测站网、数据集、物理过程、模拟方法、预测预报五个角度系统探讨这个问题。首先解决观测站和数据集的问题,再研究物理过程和模拟方法,最后回归到预测预报。
 
 
图4 极地气象气候研究思路
 
(2)极区极端环境监测与探测技术
       在极区极端环境监测与探测技术方面,中国气象科学院首先必须解决数据的获取问题,获得第一手可信的实地气象观测资料。图5展示了2010年中国南极内陆布设的自动气象观测系统,共有6个气象站,其中一个为中美合作架设,四个气象站属澳大利亚,还有一个站是中国的(Panda-1)架设,说明十年前,中国的观测设备还是比较落后的,主要通过别人出设备我们出力的方式开展工作。所以我国痛定思变,一定要做自动气象站的系统研发。
 
 
图5 2010年的中国气象站
 
       在系统研发方面,首先要解决能源系统问题,前后共研发了两个超低温电池,可以借助太阳能在零下60℃工作半年,并与汉能公司合作,研制太阳能保温方舱.
 
    
图6 工作一:能源系统
 
       第二个工作是风速仪研制。在南极难以获取连续的风速数据,原因有两个,一个是多发冻雨,二是南极相对湿度比较高,造成风速仪冻结,观测中断,观测也不准确。针对此情况,研发了新型风速仪,并在第八次北极科考中试运行,但运行试验不是很成功,再进行了很多的改进,最终在第九次北极考察中做了对比实验,完全结冰明显减少,数据完整度>60%。
   
   
     

   


图7 工作二:风速仪
 
       第三个工作是雪反照率/粒径仪的研制。北极的放大效应主要是冰的反照率造成的,因此,反演南北极的反照率产品就显得十分重要。原有的反照率仪笨重易损坏,不方便在极地考察时使用,丁明虎老师与南京天文光学研究所合作,研发了一款便携式的雪反照率/粒径仪,如图8(a)所示。
 
      
图8 工作三:雪反照率/粒径仪、工作四:低空探空系统
 
       第四个工作介绍了丁老师在参加工作之前研制的低空探测系统,如图8(b)所示。
之后,丁明虎老师对这部分工作进行了总结。可以看出,这些工作在国际上都有了显著的影响力。此外,还建成了中国极地实时气象监测平台(图9),共极地考察和研究使用。
 
图9 极区监测与探测技术的作用
 
(3)极区物理过程与模拟方法
       获取的数据,最终都要服务于极地的能量-物质过程,例如多少年的冰芯反演才能代表平均降水量?多少个站位观测,能代表局地/区域平衡态?(如图10所示)。丁老师建立了物质平衡数据集、气象观测数据库(如图11所示)等数据集,并基于这些数据库,做了大量研究,包括中山-Dome A水稳定同位素比率分布、南极高原夏季Ekman边界层动力过程、北冰洋海冰密集度对边界层的影响、南极内陆湍流过程等(如图12所示)。
   
(a) (b)
图10 冰气界面能量-物质平衡
 
   
(a)物质平衡数据集                               (b)气象观测数据库
图11 南极地区的数据库建设
 
   
(a) (b)
   
(c) (d)
图12 南极相关研究工作
 
(4)极区天气气候的评估与归因
       观测获取的数据,不仅可以用来对极地气候作研究,还要对极区天气气候作评估。Steig et al在《Nature》提出南极内陆并没有增温的现象,海岸地区增温明显,报告中利用去趋势方法,发现该研究高估了增温幅度,如图13(a)所示。同时,报告也对南极海冰做了相关研究,在全球变暖的背景之下,北极海冰快速减退,但是南极海冰还在缓慢增长。利用现代数学统计方法发现,2016年之前只有南极罗斯海的海冰增长了,而其他地区增长并不显著(图13(b))。同样有学者提出在全球升温背景下南极半岛是处于降温过程中,报告中利用南极八个半岛和长城站在内的观测的气温数据和降水数据做了评估后发现,南极半岛在2011年之后,确实有降温的趋势,同时降雪在增多,降雨在减少,并提出影响南极半岛气候的另一大因素——ASL中心位置东西方向移动(图13(c))。还对南极极端气温进行了评估,相关结论如图13(d)所示。对北极极端气候做了评估后发现,北极核心区的增温速度是全球的四倍,冷事件明显减少,暖事件并没有增多(图13(e))。
      
(a) (b)
   
(c) (d)
 
(e)
图13 气候变化评估与归因
 
       在气候变化影响方面,与德国科学家合作,研究发现北极超级气旋在1979-2015是逐步增多的,每十年能增加3-4个,这些超级气旋的可预报性很高,大多能影响到中国的寒潮(14(a))。在气候变化预估上,利用CESM模型,模拟了北极历史和未来秋季逆温层分布,发现由于北极海冰的逐步减少和消退,秋季的北极上空逆温层的强度和厚度都有显著消退,这种稳定层级的消失,对气候的影响是十分巨大的(图14(b))。
    
(a) (b)
图14   气候变化影响与预估
 
(5)预报
       预报是国家海洋预报中心做的比较多的工作,中国气象科学院在2008年搭建了PolarWRF模式,对模式在东南极各站点气温、气压模拟效果进行了评估(图15)。今年来又重新搭建了该模式,并进行了改进,改进主要在三个方面:(1)数据同化;(2)物理过程;(3)框架。
     
(a) (b)
图15   模式搭建与改进
 
       报告最后,丁明虎研究员对合作单位的支持表示感谢!
       报告介绍后,与会的各位老师与丁明虎研究员进行了热烈讨论,大家受益匪浅。倾听报告的各位老师和同学对这次讲座精彩纷呈表示感谢!
 
(编辑:丁锐  审核:郝卫峰)
 

 

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