基于极地区域气候模式的南极粒雪层模拟研究

In order to understand the global sea level rise under climate change, it is crucial to estimate the mass balance of Antarctic ice sheet. The density estimation of the firn layer over ice sheet is a priori to convert the ice volume observed by satellite to ice mass. This estimation depends on simulations from firn densification models (FDMs). FDM is driven by annual mean value of the air temperature and accumulation, thus cannot including the influence of synoptic events like melting and blowing snow. The climate model does not simulate the entire firn layer, and its snow compaction scheme does not consider firn microphysics, so it overestimates the densification rate of the polar firn at deeper layers. In this study, firn microphysics like grain boundary sliding, pressure sintering and crystal growth from an FDM will be introduced into a polar-optimized regional climate model to improve its simulation of the density of Antarctic firn layer. A new density estimation of Antarctic firn layer which considers the synoptic scale air-ice interaction will be derived through the dynamic downscaling of global atmospheric reanalysis by this improved regional climate model. This study will provide a reliable prior to satellite remote sensing and help better estimating the mass balance of Antarctic ice sheet.

南极冰盖物质平衡的正确估计对理解气候变化背景下全球海平面的上升有重要意义。从高程卫星反演的冰盖体积推算冰盖质量时，需要准确估算冰盖表面粒雪层的密度。针对南极粒雪层目前存在两个问题：（1）现有的密度估计来自粒雪密实化模型的模拟，此类模型以年平均气温和累积率离线驱动，不能包含融雪和风吹雪等天气尺度事件的影响；（2）气候模式并不模拟完整的粒雪层，且其中的积雪压实方案由于不考虑微物理过程的影响，明显高估了冰盖深层粒雪的密实化速率。针对上述问题，本研究将在一个极地区域气候模式的基础上，通过引入粒雪密实化模型中的晶界滑移、压力烧结和晶粒生长等微物理过程，使模式具备模拟南极冰盖粒雪层的能力。基于改进后的区域气候模式做动力降尺度，将得到一个新的包含了天气尺度冰气耦合过程影响的南极粒雪层密度估计。本研究将为卫星遥感提供可靠先验，有助于更准确地估计南极冰盖物质平衡。

南极冰盖物质平衡的正确估计对理解气候变化背景下全球海平面的上升有重要意义。从高程卫星反演的冰盖体积推算冰盖质量时，需要准确估算冰盖表面粒雪层的密度。针对南极粒雪层目前存在两个问题：（1）现有的密度估计来自粒雪密实化模型的模拟，此类模型以年平均气温和累积率离线驱动，不能包含融雪和风吹雪等天气尺度事件的影响；（2）气候模式并不模拟完整的粒雪层，且其中的积雪压实方案由于不考虑微物理过程的影响，明显高估了冰盖深层粒雪的密实化速率。针对上述问题，本研究在CLM5的积雪模块的基础上进行了一系列的更新，包括：（1）增加模式垂直层数，取消封顶雪水当量；（2）更新了密度变化方案，以密度、压力和粘滞力为变量来考虑晶界滑移过程，以密度、压力、温度和形状参数为变量来考虑烧结过程的影响，同时使用HLA粒雪密实化模型来模拟深层粒雪的密度变化；（3）耦合PIEKTUK风吹雪模型，加入风吹雪过程对表层积雪密度的影响；（4）将风吹雪启动的临界风速更新为基于密度的阈值公式。上述内容改善了CLM5对南极冰盖粒雪层密度的模拟。改进后的CLM5与区域气候模式WRF耦合，以ERA-Interim再分析资料为驱动开展了南极区域气候动力降尺度，得到一个新的南极粒雪层密度估计，该估计包含了天气尺度冰气耦合过程的影响。本研究在WRF模式和CLM5模式的基础上，发展了一个适用于模拟极地粒雪层的区域气候模式，该模式包含粒雪密实化过程和风吹雪过程，是利用数值模拟手段研究极地气候问题的重要工具手段。本研究通过数值模拟得到的南极冰盖粒雪层的估计，可以为南极冰盖物质平衡的估算提供参考。此外，本研究还基于WRFDA和自主开发的ENKF模块建立了一个区域循环同化模拟系统，可作为后续进一步开展南极地区气候研究的工具手段。