[论文解读] On the predictability of springtime ozone depletion events using the ECCC Global Deterministic Prediction System

J. de Grandpré, И. Н. Иванова+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2024

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences被引用 3

一句话总结

本研究利用加拿大环境与气候变化部全球确定性预测系统（ECCC GDPS）结合臭氧同化与简化光化学方案，评估了春季极地臭氧耗竭事件的中长期可预报性。结果表明，引入臭氧辐射耦合可改善平流层温度与风场预报，尤其在南极地区，能有效减少冷 bias，并加强极地涡旋，从而将可预报性提升至10天以上。

ABSTRACT

Ozone depletion events are recurring phenomena in both polar regions, characterized by significant interannual variability. In this study, the Environment and Climate Change Canada (ECCC) Global Deterministic Prediction System is used to investigate the medium-range predictability of ozone and weather throughout the anomalous polar ozone depletion events of 2020. The system includes ozone assimilation and makes use of a prognostic ozone field for the computation of heating rates. The ozone scheme uses simplified photochemical modules to represent the impact of both gas-phase and heterogeneous reactions throughout polar ozone depletion events. The study shows that during the Boreal and Austral spring seasons, the predictability of the total ozone column exceeds 10 days and is comparable to the predictability of large-scale weather variables. It also demonstrates that over both polar regions, the inclusion of ozone radiative coupling has a significant impact on the temperature and wind distributions throughout the stratosphere. Over Antarctica, the ozone coupled forecasts are systematically colder at all lead times, which helps eliminate a temperature bias present in the model using climatological ozone. The strength of the polar vortex also increases significantly throughout the lower stratosphere, in better agreement with zonal wind analyses. Over the Arctic the use of an ozone-interactive model also produces significant changes in the temperature and wind forecasts, but the impact on the quality of the weather forecasts is generally neutral. The study shows the overall benefits of using ozone coupled models in the highly perturbed springtime conditions of the polar regions.

研究动机与目标

• 利用高顶数值天气预报系统，评估北极与南极春季臭氧耗竭事件的中长期可预报性。
• 评估臭氧辐射耦合对极端耗竭事件期间平流层温度与风场预报的影响。
• 量化使用预报性臭氧与简化化学机制时，总柱臭氧（TOC）与气象变量预报的改进程度。
• 确定初始臭氧分析质量与臭氧输送表示在预报精度中的作用。
• 探究臭氧辐射反馈在极地区域天气可预报性中变得显著的时间尺度。

提出的方法

• 采用延伸至临界层以上的高顶模型的ECCC全球确定性预测系统（GDPS），以解析平流层动力学。
• 通过臭氧同化，在2020年极端耗竭事件期间提供准确的臭氧场初始条件。
• 采用简化光化学模块，以表征气体相反应与异相反应（如在极地平流层云上）过程。
• 利用预报性臭氧场计算辐射加热率，实现臭氧与温度场之间的反馈。
• 对比臭氧耦合与臭氧气候态配置的预报结果，以隔离辐射耦合的影响。
• 利用GDPS分析、OMI卫星观测以及位于尼雅-阿莱桑德的原位臭氧探空数据对结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 中长期数值天气预报是否能可靠预测两个极地区域的春季臭氧耗竭事件？
• RQ2 在极端臭氧损失期间，引入臭氧辐射耦合如何影响平流层温度与风场预报的准确性？
• RQ3 使用预报性臭氧与简化化学机制在多大程度上可减少总柱臭氧与气象变量的偏差？
• RQ4 初始臭氧分析质量与臭氧输送表示对预报技巧的相对贡献是什么？
• RQ5 臭氧损失引起的辐射反馈在极地平流层天气可预报性中何时变得显著？

主要发现

• 在北极与南极，春季臭氧耗竭事件期间，总柱臭氧（TOC）的可预报性超过10天，与大尺度天气变量相当。
• 在南半球，异相化学参数化方案使8月与9月的TOC偏差减少约75%，并将TOC可预报性提升约8小时。
• 在北半球，相同方案使2月与3月的TOC偏差减少约40%，标准差略有降低。
• 臭氧辐射耦合显著改善了低层平流层的温度与纬向风场预报：5天预报时效下，温度偏差减少约0.5 K，南极地区纬向风增加约0.5 m/s。
• 在南半球70 hPa高度，引入臭氧耦合使温度预报可预报性提升约12小时，表明辐射-光化学反馈的解析能力得到改善。
• 在北极地区，由于动力变异性较强，臭氧的辐射影响较弱，但臭氧耦合预报仍能有效减少短时效下的温度偏差，优于气候态臭氧配置。