學術前沿 | 丁愛軍團隊最新成果發現氣溶膠是全球天氣預報模式氣溫偏差的關鍵因素
雖然氣溶膠已被廣泛認為是導致氣候模式不確定性的重要因素之一，然而在當前業務化運行的全球天氣預報模式和產品中，其影響尚未被顯式考慮。南京大學大氣科學學院丁愛軍團隊的最新研究表明，氣溶膠是導致全球不同地區天氣預報出現系統性偏差的重要原因，并且該偏差在空氣污染地區隨預報時間顯著增大。
該項工作基于2016-2018年美國國家環境預報中心（NCEP）的全球預報系統（GFS）逐日天氣預報產品和全球數據同化預報系統（GDAS）資料以及全球氣象探空資料，通過針對24小時預報氣溫的“觀測-預報差值法”（Observation minus Forecast - OMF）分析，發現對流層低層的氣溫預報在全球不同地區的典型季節存在著系統偏差。例如，我國東部、印度北部、亞馬遜和非洲中南部的夏季顯著高估，歐亞大陸中高緯度和美國東南部地區春季以及南大洋地區顯著低估，月均偏差的幅度高達±1.5℃不等。上述氣溫偏差可用所在地區典型季節特定類型的氣溶膠（如人類活動的化石燃料排放、生物質燃燒、沙塵和海鹽氣溶膠等）予以解釋，包括撒哈拉沙漠和柴達木盆地等地沙塵、非洲南部森林大火在源區和下風向地區對氣溫垂直結構的不同影響。相關過程也被氣象-化學在線耦合模式WRF-Chem的模擬所證實。
圖1 GFS氣溫24小時預報月均最大偏差與氣溶膠光學厚度的全球分布 (2016-2018)
該研究表明，氣溫預報的偏差更多出現在氣溶膠較高而非云量較高的區域，不同地區的氣溶膠可通過氣溶膠-輻射相互作用（ARI）或氣溶膠-云相互作用（ACI）影響對流層低層的氣溫變化，其中ARI隨著不同地表反照率呈現出顯著的差異。研究指出：當前全球天氣預報模式中的資料同化未能充分融合污染地區的氣象觀測資料，導致天氣預報偏差在相應地區的顯著增長，而相關問題在全球再分析資料產品中仍然存在，解決相關問題的關鍵在于模式中需要考慮氣溶膠與氣象過程的完全耦合。
圖2 GFS氣溫預報偏差在陸地和海洋不同地區與氣溶膠輻射效應及云預報偏差的關系
該研究是丁愛軍團隊從2012年6.10“黃泥天”重污染事件出發，在開展空氣污染-邊界層-天氣過程相互作用的系列研究基礎上從全球視角獲得的首張圖像，為未來天氣預報模式（特別是“化學天氣預報”）的發展以及大氣物理、大氣化學與天氣學等二級學科的交叉開拓了新的思路。論文發表于Science Bulletin，黃昕為論文第一作者，丁愛軍為論文通訊作者，該研究由國家自然科學基金杰出青年基金項目（41725020）和優秀青年基金項目（41922038）聯合資助。
丁愛軍團隊最新成果發現氣溶膠是全球天氣預報模式氣溫偏差的關鍵因素
Huang, X. & Ding, A., Aerosol as a critical factor causing forecast biases of air temperature in global numerical weather prediction models, Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.05.009, 2021.
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321003467#s0005
內容來源：本文轉載自“南京大學大氣科學學院”公眾號，已獲授權。
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