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气候模式中一种新的云—辐射处理方法的研究及应用

荆现文  
【摘要】:云对大气辐射传输具有重要的调节作用,但是传统气候模式对云的辐射作用的模拟却存在很大的不确定性,这主要是由于传统气候模式空间分辨率较低,因此云的次网格结构无法准确给出。随着气候模式的不断发展,云-辐射过程逐渐成为限制气候模拟准确性的一个重要因素,因此更好地表征云的次网格结构及其辐射作用无疑具有很重要的意义。本文将一种新的McICA云-辐射方案应用于国家气候中心气候模式BCC_AGCM2.0.1中,该方案一方面能够给出更接近实际的次网格云结构,另一方面在保证计算精度的同时控制了辐射计算所需的时间,因此非常适用于改进大尺度气候模式次网格云辐射传输的需要。但是该方案也会引入一定的随机扰动,可能对模拟的气候场产生影响。 本文从McICA方案的随机误差对所模拟气候场造成的随机扰动和新方案代替原方案对模拟的气候态的影响两方面,综合探讨了新方案在BCC_AGCM2.0.1中的应用效果;此外,还利用一个全球高分辨率云分辨模式的模拟结果初步研究了改进云的重叠结构、减小总云量模拟误差的方法。主要结论如下: 1. McICA随机误差引起的模拟扰动很小,随机误差对所模拟的各种气候变量的影响也很小,全球平均值与作为参考的精确独立气柱近似(ICA)结果的差别都在0.01%量级,模拟结果的纬向分布、垂直分布和典型区域内的分布等气候特征都基本上与ICA一致。因此,在BCC_AGCM2.0.1中应用McICA云-辐射方案具有较高的可信度,模拟性能的提升仍然主要取决于模式物理过程、动力框架等方面,而可以忽略随机误差的影响。 2. McICA云-辐射方案的引入使BCC_AGCM2.0.1模式对晴空和有云条件下地气系统的全球平均长、短波辐射收支的模拟都有了较大的改善,其中全天大气顶OLR模拟误差由原方案的约6.5W/m2降低到了约2.8W/m2,大气顶净短波辐射误差由约5.9W/m2降低到了约3.7W/m2。新的垂直重叠假定的使用使全球总云量的误差由约8%减小到仅有约1.4%。新方案一定程度上减小了原方案对流层温度偏低的现象,同时热带大气比湿的模拟误差比原方案减小约1/3。低纬度地区大气温、湿条件的变化也伴随着大气环流的改变,新方案一定程度上减小了热带地区垂直速度的模拟偏差。地表温度、海平面气压、降水等的分布和季节变化则与原方案相似。 3.使用气候平均的重叠参数(有效抗相关厚度)数据或者建立重叠参数与其他气象因素(如垂直风速)的参数化关系,可以体现不同地区云的重叠特征差异,有助于减小总云量模拟的误差,未来在McICA云-辐射方案下可以考虑从这两个方面来提高云量及辐射的模拟准确度。


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