本论文基于WACCM(Whole Atmosphere Community Climate Model)模式最新版本WACCM6和DART(Data Assimilation Research TestBed)同化工具最新版本Manhattan,开发了中高层大气温度、臭氧和水汽卫星资料的同化接口,搭建了一个包含完整平流层过程的数值同化、天气预报和短期气候预测模型(此后简称模型);本模型对2020年3~4月平流层大气变化进行了同化观测资料的模拟,并以同化试验输出的分析场作为初值,对5~6月的平流层大气进行了0~30天天气尺度预报以及31~60天短期气候尺度预测的回报试验。结果表明:本模型能较好地重现2020年3、4月北极平流层出现的大规模臭氧损耗事件随时间的演变特征,模拟结果和Microwave Limb Sounder(MLS)卫星观测结果很接近;而未进行同化的模拟试验,虽然可以模拟出北极臭氧损耗现象,但是模拟的臭氧损耗规模相比MLS卫星观测结果要低很多;利用同化试验4月末输出的分析场作为初值,预报的5月北极平流层臭氧体积混合比变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10~30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 ppm(ppm=10^(-6))。本模型不但改善了北极平流层化学成分变化的模拟,也显著地提升了北极平流层温度和环流的模拟。本模型同化模拟的3~4月、预报预测的5~6月北极平流层温度和纬向风变化与Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications,Version 2(MERRA2)再分析资料结果具有很好的一致性,仅在北极平流层顶部,预报预测的温度和纬向风分别与再分析资料之间的均方根误差(RMSE)约为3 K和4 m s^(-1)。未进行同化的试验模拟的3~4月、预报预测的5~6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s^(-1)以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。
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