积云对流参数化方案诊断和初步改进研究

【摘要】：在一般的天气数值预报模式和气候模式中，积云参数化方案是影响模式性能极为关键的部分。因此对积云参数化方案进行性能评价和改进研究具有非常重要的意义。 本文首先利用GRAPES单柱模式，采用GCSS WG4第三次个例资料，对GRAPES中的BMJ、SAS和KFeta三种积云参数化方案进行了数值试验和诊断分析。然后根据单柱模式诊断结果及前人的研究成果，对KFeta方案中进行修改，并用单廓线试验、单柱试验和GRAPES_Meso实际个例验证考察新修改方案的性能。最后鉴于积云对流动量输送的重要性以及GRAPES模式中没有考虑该效应，通过在KFeta方案中添加积云对流动量输送部分的方式将积云动量输送效应引入GRAPES模式，并以2010年超强台风“鲇鱼”为个例进行了数值试验。结果表明： （1）BMJ方案具有较强的水汽向上输送能力，易造成低层偏干，中高层偏湿，BMJ方案模拟的大气层结过于稳定；KFeta方案则由于对流穿透过强导致对流层高层偏冷严重，同时KFeta方案模拟的湿度在低层有偏湿的倾向。 （2）本文提出的对KFeta方案的修改主要是：在该方案的垂直速度方程中增强湍流扰动效应、增加表征气压扰动的项，优化和调整该方程中最大环境流入率的下限和降水效率系数。单廓线试验、单柱试验和GRAPES_Meso实际个例证明本文新提出的和Anderson等（2007）提出的修改方案都能有效地改善对流层高层的位温模拟。但Anderson提出的修改方案的影响是多方面的和复杂的，需要用更多的个例和更好的资料去评估。 （3）数值试验表明，考虑积云对流动量输送效应能有效改进超强台风“鲇鱼”的路径模拟。在强度模拟上，在时间段一（2010年10月14日00时到18日00时），积云动量输送效应表现为抑制台风增强的作用；在时间段二（18日00时到22日00时）则表现为促进台风强度增加的作用。这可能跟积云动量输送造成的风场有关。在时间段一，积云动量输送造成的低层风场在台风中心附近主要体现为辐散或者是负涡度性质，因此抑制台风发展；在时间段二，积云动量输送造成的低层风场在台风中心附近则体现为辐合或正涡度性质，促进台风发展。