关于Dome C（东南极洲）的边界层在OPALE夏季试验中的特性描述外文翻译资料

 2022-12-08 15:45:02

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关于Dome C（东南极洲）的边界层在OPALE夏季试验中的特性描述

H. Galleacute;e, S. Preunkert, S. Argentini 等

摘要：

在2011-2012年的南极洲夏天，位于东南极洲高原Dome C区域的区域气候模式MAR被用来加深我们对在OPALE对流层化学试验下的气象情况的理解。对流层下部建立了一个非常高的垂直分辨率，栅格间距大约2m。模式的输出值对比了近地表、45m高的观测塔、声雷达和辐射雷达获取的温度和云的观测数据。MAR大体上与观测数据相符。但是，有些时候低估可云的形成，从而导致了模拟向下长波辐射的被低估。被吸收的短波辐射也因为低估了雪的反照率而被轻微的高估，并且这影响了地表能量预算和大气湍流。尽管如此，这个模式在讨论Dome C的Concirdia站在区域试验期间，近地表实施化学测量的代表性时提供了充足可靠的地表湍流通量，垂直扩散系数的垂直廓线和边界层高度信息。

1.介绍：

这篇文章的目的是评估在Dome C地区在2011-2012（从2011年11月到2012年1月中旬）南方夏季OPALE期间实施的MAR模拟，从而来支持对于对流层化学物质的观测值的解释。另一个特别的目的是描述在这期间Dome Ｃ地区的边界层的行为和垂直结构的性质。

一个相似的实验之前在东南极洲高原地区开展过，这个实验基于对kohnen站的夏季观测值，尽管观测值只有一个简单的１－D模式的夏季观测值。

Dome C是一个因为其特殊的地理位置使观测和定边界层模式（的实验）都已经开展的地方。并且Dome C最近被选为下一届GABLS4模式国际模式对照的测试地点。尽管运营多年的Concordia站距离偏僻，但他从物流上有许多支持的理由。Dome C被选中作为EPICA计划的部分。该计划旨在在这个有史以来最长年代钻到冰核，允许人去研究最后的８个冰河圈。EPICA计划起始于大量的在Dome C的气象观测，旨在建立当地和全球气候的联系。所以，在Dome C钻地区建立一个地区模式能使人去同化大规模的气象条件和模拟当地大气条件，从而有助于建立这个联系。Concordia站和南极洲海岸的良好物流管理和Dome C低的光学湍流也促使该地作为大气观测点。Dome C的主要气象条件的特性是在近地层，湍流条件仅仅在一个相当浅的层中有效，特别是在夜间。在白天，敏感的热量流动远比潜在的热量流动要大。这是因为低温和随之而来的低的大气湿度。因此，对一个混合的层的发展的条件是最好的，这条件和南极洲的海岸线例如hally站的情形对比鲜明。这意味在Dome C对夏季情况研究的模拟将会对证实大气模式的湍流计划非常有用。太阳和音速风速计测量在Dome C站被实施是为了监测PBL和温度转化，ABLCLIMAT计划下评价ＰＢＬ高度的湍流结构的联系。

高度45ｍ，建在Concordia站的塔也是非常有用的观测条件的工具。对Dome C地区的关注与降雪模式的短期气象模拟已经完成，长期模拟也已经完成。Swain和Galle和Lascauxet使用有限的地区模式MAR和Meso－NH来比较Dome C地区的大气光学道具和那些潜在的南极洲的大气观测使用的大望远镜。Galle和Gorodetskaya证实了MAR的冬天条件，强调准确模拟下层长波辐射和提议包含小空气传播的雪粒子作为雷达传播的参数的困难。MAR也已经被用来提供关于在夏季在Dome C地区大气湍流的信息，这些信息看上去控制着垂直留下和大量大气化学物种的浓缩廓线。最终，对Dome C地区２年的观测被使用来对比一个长期的MAR模拟，显示在用练好垂直分辨率代表大气的好处。如今我们通过详细评价在OPALE试验期间夏季条件模式又更近了一步。

最近研究的动力在于从气象观点提供一个为未来致力于调查在南极洲高原上南极洲边界层化学组成的工具。所以，该论文的第一个目标是评价一个能够模拟传输和连接化学常规的气象模式。第二个目标是提供关键大气边界层物理参数来理解在OPALE试验期间收集的数据。传输过程并不是在2011-2012 OPALE试验期间所想,并且我们将关注某些情况，这些情况的特点由位于南极洲高原上的大气循环所决定的。在高原上，空气的化学物质到处都很相似。这意味着从气象学的角度来看，大气湍流在由积雪排放的NOx ,HONO, HCHO或 H2O2 中起了决定作用。关键要素是地表湍流通量和边界层的高度，这些由垂直湍流扩散决定。这些参数被用来和论文一起决定湍流对在Dome C.由地表发射的推动近地表大气的氧化剂的关键大气物质对湍流的贡献度。MAR湍流垂直扩散系数被Preunkert 使用并且随后的HCHO混合速率的不确定性也被讨论了。Legrand也用了同样的MAR结果去促使他们的1-D盒子模型来模拟HONO混合速率。Kukui用同样的MAR结果实施了相同的计算。Frey使用MAR边界层高度来决定何时运用Monin–Obukhov相似理论来据算代表边界层的NOx湍流通量。其他参数项孕妇钙和风指向被化学分析所考虑。例如，阴天的情形不被考虑，风指向从Concordia站来的也不考虑，因为空气呗该站发射的污染物污染了。晴天更被偏爱因为假定的晴天相似下界短波辐射将会才出现。从气象角度，这些标准也允许我们去避免大部分云被MAR所低估，导致错误的地表能量预算行为和随之而来的大气湍流的情形。幸运的是，MAR的这些行为允许我们去分析符合相同天的情形的最好部分。这些天的化学物质分析是最简单的。

论文剩余部分被分成了4部分。为实验设定和MAR模型的主要特点在部分2和3分别作了描述。第四部分致力于评价这个模式，特别关注底边大气能量预算和大气湍流的模拟的辐射传输的影响。

2.气象观测

2.1

原地湍流和辐射测量和声呐观测为期一年的观测在December站开展。从2011.11到2012.11，作为ABLCLIMAT计划的一部分。有着能缩放到大气边界层热度湍流结构的能力的SL声呐是Argentini和 Pietroni描述的升级版本。有了SL声雷达，PBL高度H根据Casasanta被评估。在对流情况下，H由声雷达发射的声波弱回波区密度的高度所决定。在稳定条件下，H由要么最小的第一次后向散射信号的倒数或它最大曲率所决定。测量湍流的方法随着一个安装在3.5m高的三轴声音的热风速计的建成而被想出。热量和动力流线通过eddy covariance方法呗评估。长波和短波辐射组成物通过Kipp amp; ZonenCNR1辐射传感器来测量。这工具结合了2个下行和上行广波段长波长辐射通量日射强度计。这些强度计呗安装在雪地上1.5m高。

2.2

气象测量自从2008在Dome C处45m高的的塔上实施。风，温度和湿度按照从近地面到靠近塔顶的6个层次检测。仪器偶尔因为Dome C的极端天气情形而失效。但是，数据记录自从2009年几乎是完整的并且仪器在夏天也不会出问题。Genthon已经论证了在弱风情况下如果传统的通风雷达盾被用来保护固态温度计，声雷达辐射的一个更热的温度偏差会影响南极洲的测量。为了克服这个问题，在Dome C的塔的温度测量是在吸气盾里进行的。更多的测线建立细节，仪器和达到的结果可以在Genthon中找到。

3． MAR的描述

下面给出MAR地区气候模型的概述。概述关注与湍流结构的描述。MAR大气动力基于流体力学原始方程近似。这个近似只有在循环的垂直程度保持在比网格的尺度更小时才成立。但是，应该指出，非流体力学过程造成了虚弱的重力流减速。垂直坐标是模式顶位于1Pa压力层的归一化压力。边界层的湍流参数化基于Monin–Obukhov相似理论。并且通过考虑吹雪通量的稳定性影响而完成。边界层上方的湍流使用当地的E-e模式进行参数化，包括2个耗散预测方程允许人们把混合长度和当地湍流来源联系起来，并且不至于地面。这里使用的模式已经被Duynkerke采用与中性和温度情形，并且由Bintanja修改。包括进来一个符合经典下降速度的参数化雪粒子湍流传输的参数化。水相的变化对湍流的影响也被包含进来。根据Sukoriansky,动力湍流扩散系数和尺度的关系取决于Richardson数。

预测方程被用来描述5个水相关的参数：特定湿度，云滴，冰晶，雨滴和雪粒子。第六个等式被添加进来描述冰晶的数量，并且对于特定空气团的水文气象也被包含在模式里。这允许我们通过代表压力梯度力作为空气密度的方程而不仅仅是潜在温度来计算在大气流动力学中侵蚀粒子的重量。

通过大气的辐射传输向Morcrette 一样参数化，并且和ERA-40在分析使用的也一样。正如吹雪粒子很小。他们也许对辐射传输有影响。雪粒子对大气光学厚度的影响也被包括进了MAR模式。

地表过程使用“土壤-冰晶-雪-蔬菜-大气传输”方案来模式化。雪的侵蚀/沉淀对于地表粗糙度的影响通过允许空气动力粗擦程度来增加作为10m高度处风速方程从而考虑进来。当风速大于6ms-1，雪脊形成的时间尺度被假定为半天，并且地表粗糙长度的渐进值会作为风速的方程线性增加。当降水发生时没有雪的侵蚀，z0允许减少。确实，最近的雪沉淀掩埋了雪脊。Andreas发现z0的值的范围从大约10-4 到 100 mm。条件是摩擦速度不大于0.6ms-1。King 和 Anderson在Hally观测紧凑的雪脊，即在Dome C,碰见的相同的雪属性。z0值是(5.6 0.6)*10-5 m。z0的散射非常高且由z0对雪脊的高自由度所解释。我们的参数化包括了简单方式的影响，且被校准来获得对风速的最好模拟。值得注意的是雪地表反射率取决于雪的性质和太阳方位距离，但并不取决于脊或脊的方位。

4．MAR的评价

我们利用3DMAR版本来把排风在divergence对大面积散度的影响和随之而来的边界层的下降和变薄考虑进来。另外，这运行人们去解释在Dome C地区风循环转向的可能影响。图1代表了MAR领域。水平格点距离20km，在低对流层的垂直离散化是2m，60层次。垂直分辨率当高度超过32km开始减少。相似的，MAR在底层也用一个距离1km，结果没有任何显著变化的垂直网格来表示。利用近地层更高的垂直分辨率，这个后者模式结果被用来讨论不同大气成分如HONO,ROH,HCHO等的行为，在OPALE试验期间测量近地表。

图1 MAR领域和地形。实线代表3250m的isocontour。

MAR模式嵌套在欧洲再分析ERA-Interim。这是一个用5个格点描述每个横向边界和模式变量在再分析变量的6个层次里被推动。即在Dome C地区高于13km。随着OPALE试验从2011.11到2012.1中旬发生，MAR已经运行超过3个月。模式变量被假定在第一个模拟月适应Dome C情形。积雪起始于300kgm-3的密度并且假定的造成轻微初始反照率降低的小颗粒的存在和由Brunet评估的值形成了对比。值得注意的是，如果考虑脊的方位，反照率将会被低估。但是，在OPALE试验期间，没有关于脊的观测被发现。我们的分析师专注于2.11.12.12和2012.1.14这大多数OPALE被观测的这一段时间。

4.1 云覆盖和地表能量预算

当我们在Adeacute;lie大陆上运行模式时，已经碰到一个问题。这个问题是对云覆盖的低估和随后的对底层长波辐射的低估。因此，造成了对夜间地表空气温度的低估。

我们接下来会调查在Dome C，这个缺点在MAR情形下究竟会到什么程度。我们首先注意到MAR总的来说低估了短波和长波底层辐射，偏差大概为24.3 and 20.8Wm-2。前者对地表能量预算的影响比后者的影响要低，因为雪的反照率比较大。

我们如今要检验底层长波辐射和近地面的空气温度。观察和模拟都展示了在长波低层辐射的急剧变化（图2A）。LWD和云视觉厚度的相关系数是在各个变量的10min间隔内为0.19。这表明云覆盖对大多数变化负有责任。

图2B比较在长波低层辐射每天平均偏差和Dome C的近地表空气温度。前者总的来说被低估了，导致后者的被低估。从这2个偏差中能看到明显的联系，甚至在温度偏差为正的情况下，长波低层辐射偏差仍然是负的。但是，后一个偏差被吸收太阳辐射的轻微的正偏差所弥补。可能是因为对雪表面反射率的低估。

与之形成鲜明对比，在被吸收的太阳辐射的偏差可能变成负的。比如在2012.1.10和11号，在长波低层辐射的偏差几乎是0，并且降雪被模拟了。2011.11.31号的正温度偏差可能是因为对MAR长波低层辐射的高估。

结果，正如已经在Adeacute;lie Land海岸所观测到的，MAR在Dome C,低估云覆盖，但不不是总是如此。这个低估引起了对低层长波辐射的低估。正如长波低层辐射在地表能量预算好随之而来近地表湍流行为中齐了重要作用。这点在这篇论文的剩余部分将被考虑到。关于运用MAR去理解OPALE时期的大气化学测量，对云覆盖的低估大体上不是很重要。因为阴天的情形在这些模式运用中不会被考虑。

图2.顶：长波低层辐射：模拟和观测。数据经30min间隔的平均。底：每天平均LWD偏差和空气温度偏差的比较。ISAC是观测值。MAR温度值平均在2m and 4ma.g.，间隔是缺测。

4.2 近地表的风和温度

模拟温度和风速的实施通过模拟和观测的联系概括在表1，Nash 和 Sutcliffe提出偏差，均方根误差（RMSE）和统计测试效率（E）：S和RMSE是各自的观测和均方差误差的模拟变量的标准偏离度。值得注意的是RMSE=0暗示着E=1。效率系数大于0也意为着比较模拟变量和符合的观测提供了一个比比较模拟变量和时间平均获得的RMSE较低。负效率指数意味着RMSE比观测标准偏差要高。最后，这暗示着一个详尽模式在比较一个更简单的模式所提供的对时间期间的变量的评估将不会提升结果。

据发现，对所有的比较，温度和风速的效率统计测试不会低于0.6777。让我们相信各自的时间平均和这些模拟变量的起伏。<!--

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