气候模式中对流参数化方案不确定性分析及对流变化引起的物理动力响应

【摘要】：气候模式参数化方案中参数值的选取对模式性能有着直接影响,通过理论计算或有限观测得到的大部分参数存在很大的不确定性,对这些参数进行不确定性分析或者优化可以减小模式模拟结果的不确定性,帮助加深对大气内部物理过程和动力机制的理解。本文利用一种能有效收敛到最优参数的取样方法定量分析了WRF (Weather Research and Forecasting)区域气候模式Kain-Fritsch积云对流参数化方案和CAM (Community Atmosphere Model)全球气候模式Zhang-McFarlane积云对流参数化方案中一些关键参数的不确定性及其对模式系统的影响,探讨模式物理过程参数的不确定性及其优化在不同物理过程、不同分辨率和不同区域的普适性,并消除模式中过多的对流降水、错误的对流和层云降水比率,从而改进气候模式对区域和全球气候以及大气环流的模拟能力。 WRF区域气候模式结果表明,优化方法得到的最优参数能有效降低模式对降水的模拟误差。与下沉气流强度、上升气流夹卷率和对流有效位能(CAPE)消耗时间相关的参数能对模式性能造成显著影响。下沉气流的增强能降低模式中的对流降水,而较长的CAPE消耗时间能有效减少(增加)对流(层云)降水。进一步分析表明,通过观测降水的约束而得到的最优参数能同时提高模式对温度和风场的模拟能力；在较粗分辨率(25km)下得到的最优参数能有效改善模式在较高分辨率(12km)下的降水模拟；当模式区域气候背景发生变化时,最优参数仍可改善模式对降水的模拟。这些结果表明模式参数的不确定性及其优化能在不同物理过程、不同分辨率和不同区域内都具有一定程度的普适性。 CAM5全球气候模式结果表明,通过TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)对流降水观测的约束而得到的最优参数能使模式对对流降水比率和不同强度降水频率的模拟得到显著改善。敏感性分析结果表明,模式对流降水对与CAPE消耗时间、上升气流夹卷率和下沉气流强度相关的参数响应较明显。当通过调节参数来抑制对流活动时,模式降水更容易被局限在大尺度强上升区或者不稳定区,而由此造成的凝结潜热释放的分布变化可以导致全球尺度上大气环流的改变。因此,当使用最优参数时,标准CAM5中虚假的双热带辐合带(double-ITCZ)、较差的东亚季风区降水以及偏弱的越赤道气流等,也在一定程度上得到了解决。在较粗分辨率(2°)下得到的最优参数也能在一定程度上改善较高分辨率(1°)模式的模拟结果。 本论文利用区域和全球气候模式分析了模式物理过程参数不确定性及其优化的一些基本问题,为进一步探讨模式中不同物理过程中的不确定性提供了科学依据,对于从大气内部物理过程和动力机制方面研究气候模式参数化的不确定性及参数优化问题具有重要应用价值。