南极区域气候模拟中大气内部变率特征的研究

南极区域（南纬60度以南）以其独特的下垫面特征和海洋绕极流对全球气候系统有着重要影响。目前，南极地区的气候变化和数值模拟研究还存在着一定的空白和不确定性。本研究利用德国极地研究中心的HIRHAM区域气候模式作为工具，设计若干数值试验，着重研究南极区域气候模拟中大气内部变率（Internal Variability）信号的时空变化特征，揭示内部变率信号对模拟不确定性的可能影响。在数值模拟的基础上，再利用中国南极科考的观测数据来验证HIRHAM模式单点模拟能力，分析模型单点模拟偏差的可能原因。通过以上的研究，提高该模式在南极的模拟能力，减少模拟的不确定性，为将来研究南极气候预测和南极气候变化创造研究平台和提供科学依据。

南极地区在全球气候系统中有着重要作用。本研究以一个极地气候模式-HIRHAM模式为工具，研究了南极大气内部变率（即模拟不确定性）的时空特征。并利用南极观测资料，评估了模式的模拟能力，指出了模式存在的不足以及需要改进的地方。通过以上研究，初步得到了以下一些认识和结论：.1.大气内部变率是大气热力和动力非线性的一种体现，是其自身的性质。相比较海洋而言，大气内部变率更大，这种变率随时间表现为一种随机性，近似于噪声，但并不是标准的噪声。大气内部变率的大小与初始场扰动强度和初始场扰动位置相关性较小，而与天气过程、季节变化以及区域模式积分范围相关较大。.2.南极气温内部变率的时间序列在边界层表现出一定的季节趋势，但风速和位势高度没有明显的季节趋势。气温内部变率自由层小于边界层，风速和位势高度正好相反。.3.南极气温、风速和位势高度内部变率的空间平均表现为东南极小于西南极。在边界层，气温、风速和位势高度内部变率空间特征各不相同；在自由层，气温、风速和位势高度空间特征较为一致。.4.HIRHAM模式对南极大陆沿岸站点夏季气温垂直廓线模拟较好，但冬季900 hPa气温模拟偏暖高达8 ℃左右，主要原因是模式对冬季云量模拟偏多；HIRHAM模式对近地层（900 hPa）急流高度模拟较好，但对冬季急流强度明显偏弱，主要原因是模式对站点尺度的风场无法模拟等原因。.5.HIRHAM模式对南极内陆站点年平均地面温度和2 m气温模拟偏冷，主要原因是模式对边界层稳定度模拟过大，近地面逆温过强；HIRHAM模式对内陆站点年平均风速模拟偏大，主要原因是对近地层逆温模拟过强、稳定度过大和地形偏差较大等。.6.HIRHAM模式对边界层拖曳系数CM模拟是内陆站点优于海岸站点；对感热输送系数CH模拟是内陆海岸整体偏小。造成两个系数偏差可能原因是模式参数化的粗糙度与稳定条件与观测不同。.7.HIRHAM模式对南极大陆沿岸地区短波辐射、长波辐射与云量的关系模拟较好。但短波辐射对云量变化过于敏感。可能的原因是模式云参数化方案中液态水比例偏多导致云反照率偏大。