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基于 ACTIVATE 三年飞机观测数据的西北大西洋 ERA5 再分析数据评估

海洋边界层,ERA5,飞机观测,再分析数据评估

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.3 大气边界层和低空环境

大气再分析资料能够提供时空连续的大气状态估计，已广泛应用于天气、气候及数值模式评估等研究。然而，在观测相对稀缺的海洋区域，再分析资料对大气结构的表征仍存在约束不足的问题，尤其是在受边界层过程显著调制的低层大气中。由于西北大西洋受墨西哥湾流强海表温度梯度及频繁天气尺度扰动的共同影响，其海洋边界层结构及热力动力特征复杂，是研究该问题的关键区域。



本研究基于 NASA ACTIVATE（Aerosol Cloud meTeorology Interactions oVer the western ATlantic Experiment）外场试验在 2020–2022 年获取的协同飞机观测资料，系统评估了 ERA5 再分析在西北大西洋上空对温度、水汽和风场的表征能力。研究利用高垂直分辨率的投落送剖面和航段平均的机载原位观测与时空匹配的 ERA5 数据对比，定量分析了再分析偏差的平均特征、垂直分布及其空间和季节变化。此外，基于 600 hPa 位势高度距平构建自组织映射（self-organizing map, SOM）环流型分类，进一步探讨了不同天气尺度环流对偏差的影响。



结果表明，ERA5 能够较好再现观测到的变率，但存在系统性热力偏差。最突出的是从低层至中层的干偏差，其最大值出现在海洋边界层顶附近，且随离岸距离增加而增强。温度整体表现为轻微冷偏，并随高度增加而略微增强；同时，在墨西哥湾流附近的海洋边界层内存在局地暖偏。相比之下，风场未表现出明显的系统性偏差。热力偏差还具有显著的时间变化特征：夏季低层的干偏差更强，而冬季干偏差的相对幅度更大。此外，水汽偏差对环流背景高度敏感，在脊型主导条件下近地层干偏差显著大于槽型条件。因此我得出结论，ERA5 在西北大西洋的热力场偏差不仅随空间变化，还显著受季节及天气尺度环流型调制。进一步分析表明，这些偏差更易出现在大尺度强迫较弱的环境中，此时边界层参数化过程的作用增强，而大尺度动力约束减弱。本研究为海洋区域再分析热力结构评估提供了重要观测基准，深化了对其不确定性环境依赖性的认识，并为边界层参数化方案改进及海洋观测约束优化提供了参考。