[论文解读] Climatology of severe local storm environments and synoptic-scale features over North America in ERA5 reanalysis and CAM6 simulation

Funing Li, Daniel R. Chavas+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Climate variability and models参考文献 96被引用 16

一句话总结

本研究利用ERA5再分析数据和CAM6气候模型模拟（1980–2014年）评估了北美洲强雷暴（SLS）环境及其相关天气尺度特征的气候学特征。结果表明，ERA5和CAM6均能准确再现关键SLS参数（CAPE、S06、SRH03）以及低空急流和干线等天气尺度特征的空间分布、季节变化和日变化模式，但CAM6在东部美国地区对CAPE和SRH03存在系统性高估，主要源于地表水汽过多和低层风场偏差。

ABSTRACT

Severe local storm (SLS) activity is known to occur within specific thermodynamic and kinematic environments. These environments are commonly associated with key synoptic-scale features--including southerly Great Plains low-level jets, drylines, elevated mixed layers, and extratropical cyclones--that link the large-scale climate to SLS environments. This work analyzes spatiotemporal distributions of both the environmental parameters and synoptic-scale features in ERA5 reanalysis and in Community Atmosphere Model version 6 (CAM6) during 1980--2014 over North America. Compared to radiosondes, ERA5 successfully reproduces SLS environments, with strong spatiotemporal correlations and low biases, especially over the Great Plains. Both ERA5 and CAM6 reproduce the climatology of SLS environments over the central United States as well as its strong seasonal and diurnal cycles. ERA5 and CAM6 also reproduce the climatological occurrence of the synoptic-scale features, with the distribution pattern similar to that of SLS environments. Compared to ERA5, CAM6 exhibits a high bias in Convective Available Potential Energy over the eastern United States primarily due to a high bias in surface moisture, and to a lesser extent, storm-relative helicity due to enhanced low-level winds. Composite analysis indicates consistent synoptic anomaly patterns favorable for significant SLS environments over much of the eastern half of the United States in both ERA5 and CAM6, though the pattern differs for the southeastern United States. Overall, results indicate that both ERA5 and CAM6 are capable of reproducing SLS environments as well as the synoptic-scale features and transient events that generate them.

研究动机与目标

• 评估CAM6气候模型在模拟北美洲强雷暴（SLS）环境方面相对于ERA5再分析数据的可靠性。
• 研究关键SLS环境参数（CAPE、S06、SRH03）及其天气尺度前兆的气候学分布与时间周期特征。
• 识别CAM6相对于ERA5在热力学和动力学变量方面，特别是在美国东部和中部地区的系统性偏差。
• 评估天气尺度特征（如低空急流、干线、锋面气旋）与SLS环境发生之间的一致性，涵盖ERA5和CAM6。
• 确定尽管CAM6在地表水汽和风场方面存在已知偏差，其是否仍能可靠地表征预示SLS事件的大尺度气象动力机制。

提出的方法

• 采用1980–2014年共35年的ERA5再分析数据和CAM6模型输出，水平分辨率为1° × 1°。
• 计算关键SLS环境参数：对流有效位能（CAPE）、0–6公里风切变（S06），以及0–3公里风暴相对螺旋度（SRH03），并计算复合指数如CAPES06和EHI03。
• 识别并追踪天气尺度特征，包括南向大平原低空急流、干线、高架混合层（EMLs）以及锋面气旋活动。
• 对ERA5与CAM6的SLS参数和天气尺度特征进行时空相关性与偏差分析，以探空数据作为ERA5验证的参考。
• 针对美国东部六个子区域的极端SLS事件，开展天气异常的合成分析，比较ERA5与CAM6中的动力模式。
• 应用相关系数、偏差和均方根误差等统计指标，量化模型性能与区域差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 与ERA5再分析相比，CAM6模拟在北美洲范围内对强雷暴（SLS）环境的气候学分布及日变化/季节周期的再现能力如何？
• RQ2 在ERA5和CAM6中，与SLS环境相关的主导天气尺度特征是什么？其空间和时间分布的模拟效果如何？
• RQ3 CAM6相对于ERA5在关键SLS参数上存在系统性偏差的主要来源是什么，特别是在美国东部和中部地区？
• RQ4 在不同美国子区域（尤其是东南部）中，ERA5与CAM6在极端SLS事件有利的大尺度天气环流模式上的合成对比如何？
• RQ5 CAM6中地表水汽和低层风场的偏差在多大程度上影响了CAPE和SRH03极端值的模拟？这些偏差如何传递至CAPES06和EHI03等复合指标？

主要发现

• 与探空数据相比，ERA5在大平原地区对SLS环境的模拟表现出强时空相关性和低偏差，具有良好的再现能力。
• ERA5和CAM6均能准确模拟SLS环境的季节和日变化周期，活动高峰出现在美国中部地区的午后至傍晚时分。
• CAM6在东部美国地区对CAPE存在高估，主要源于地表比湿过高；SRH03的次要高估则源于低层风速过强。
• 低空急流、干线、EMLs和锋面气旋等关键天气尺度特征的频率在ERA5和CAM6中均得到良好捕捉，其空间分布与SLS环境气候学高度相关。
• 合成分析表明，CAM6在大多数美国东部区域能再现极端SLS事件有利的大尺度天气环流模式，但在东南部因北大西洋副热带高压影响差异而出现偏离。
• 在东部美国地区，CAPES06和EHI03两个复合指标在CAM6中均存在高估，主要由高CAPE驱动，SRH03的高估程度较轻，表明模型可能高估了强雷暴的发生潜力。