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NCC/IAP T63海气耦合模式云辐射参数化方案的改进及其在气候模拟中的应用

汪方  
【摘要】:本文利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了较长时间的积分,详细分析了其对云辐射过程的模拟能力,发现原模式对云量的模拟存在较大的缺陷,在大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟出现了明显偏低的现象,这导致大气对短波辐射的吸收和反射过弱,大气顶射出长波辐射过多。为此首先对云量参数化方案进行了改进;考虑到原辐射方案对云量在辐射计算中所起的作用考虑得比较简单,同时原辐射方案在辐射波段的划分上较为粗糙,特引入Fu_Liou辐射参数化方案;其次针对原模式对云水含量模拟的不足,引入了一种新的诊断云水方案,以改善对云辐射性质的模拟;最后,考虑到冰云在辐射传播中的重要作用,利用温度方法对云中冰水和液水进行了区分,同时还研究了模式对云粒子有效半径的敏感性。通过上述改进,使NCC/IAP T63模式中的云辐射参数化方案更为合理,明显改进了云辐射过程的模拟,同时气候模拟的结果在许多方面得到了改进和提高,得到的主要结论如下: (1) 模式原方案对总云量的分布具有一定的模拟能力,但在大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空(纬度30到60度之间)低云的模拟出现了明显偏低的现象。通过对云量方案的改进,明显改善了这些地区云量的模拟。相应于大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云模拟的明显改善,云辐射强迫的模拟得到了明显的改进,同时也改进了这些地区的净辐射模拟。云对辐射加热率具有明显的影响,云量方案改进后,给长波辐射降温率带来了显著的变化,但短波辐射增温率变化不大。云量方案改进以后,对大气平均状态的模拟有了一定的改进,尤其是温度、位势高度、热带地区的垂直速度、以及比湿等的模拟有了较为明显的改进。模式对海温的模拟还存在较大的误差:除部分沿岸地区和30°S~60°S之间海温偏高外,其他地区海温模拟得普遍偏低。云量方案的改进没有带来海温的一致改进。洋流的变化主要表现为南北赤道洋流和赤道逆流(主要是太平洋)的增强,后者使赤道大洋中东部的海温有所升高,改善了该地区海温偏低的现象。此外,云量的变化使得模拟的赤道大洋东部海温的季节循环更为合理。 (2) 针对原辐射方案(Morcrette方案)在辐射计算时对云量的处理较为简单,以及辐射波段划分过粗,引入一种新的辐射方案(Fu_Liou方案),采用了“二元云量”、更细的波段划分、以及更为精确的四流近似,对两种方案的结果进行比较发现:Fu_Liou方案在大气顶入射短波辐射的处理上更加合理;Fu_Liou方案对热带地区对流运动的模拟有明显的改进,这也造成高云模拟的明显改进;由于采用了“二元云 摘要 量”算法,尽管总云量模拟有所减小,Fu--Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所 增强,并且在中低纬度,FuseLlou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测。 (3)原云水含量方案采用饱和比湿进行参数化的方法,造成中高纬地区云水含 量的模拟出现了较大的误差,为此引入了一种新的利用可降水量进行参数化的诊断 方案,结果表明:新云水方案的引入明显改进了南北纬600附近中纬度地区云水含 量的模拟,但同ERA再分析资料相比,在中低纬度还有明显的差距。新的云水方案 使得夏半球中高纬地区的云短波吸收作用有所增强,并使得云对短波辐射的反射能 力大大增强,行星反照率也随之增加,有效改进了这些地区反射短波辐射和行星反 照率模拟过小现象。由于短波辐射对云水含量的变化更为敏感,因此短波辐射的改 进要比长波辐射的改进大得多,这导致了净辐射的改进。在中低纬度,温度模拟的 改善十分明显,主要表现为对流层温度明显升高,而平流层温度降低;纬向平均的 位势高度有了明显的改进,尤其是对流层中部以上的中低纬度,位势高度增加了 20一80位势米;此外,中低纬尤其是赤道附近的水汽含量也有了较为明显的增加。 (4)考虑到冰云在辐射传输中的重要性,采用温度划分方法对冰云和水云进行 了区分,同时还研究了模拟对云粒子有效半径的敏感性,结果表明: 引入冰云和水云的区分以后,有冰水存在的地方云的消光光学厚度明显增大。 云的短波吸收作用在大部分地区明显减小,而行星反照率整体上呈增加趋势。云水 的区分使得短波云辐射强迫明显增加,从全球平均来看,大气顶短波云辐射强迫从 原来夏季(冬季)的22.zZwm一2(25.12wm一2)增加到27.57wm一2(31.27wm一2)。同 样大气顶长波云辐射强迫也有了较为明显的增加,但地表长波云辐射强迫的变化要 比大气顶小得多。相应于云辐射强迫的变化,辐射通量也发生了相应的变化。云水 的区分对大气模拟的影响主要表现为:对流层温度上升,而平流层温度降低;相应 于温度的变化,低纬对流层上部的位势高度明显增加;此外赤道辐合带附近的水汽 含量有了较为明显的增加。 对云粒子有效半径的敏感性试验研究发现,模式模拟对冰云粒子有效半径的变 化更加敏感。当只采用可变的水云粒子有效半径时,光学厚度主要在对流层下层的 大陆地区增加;陆地上云的短波吸收作用有所增强,行星反照率增加,云短波辐射 强迫也相应增加,但长波云辐射强迫变化不大。而只采用可变的冰云粒子有效半径 时,对流层上部光学厚度明显减小;在全球云的短波吸收作用都有所增强,但行星 反照率几乎呈一致的减小趋势;相应云辐射强迫也总体?


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