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

论文题目: 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

论文类型: 博士论文

论文专业: 气象学

作者: 汪方

导师: 丁一汇

关键词: 海气耦合模式,云辐射参数化,改进

文献来源: 中国气象科学研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 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?

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 云辐射参数化发展综述

1.2.1 云方案

1.2.2 辐射参数化

1.3 气候模式中云辐射反馈机理的评述

1.3.1 云和辐射间的主要反馈机制

1.3.1.1 云量和云高

1.3.1.2 云量的垂直重叠

1.3.1.3 云水含量

1.3.1.4 云的光学厚度

1.3.1.5 云粒子大小

1.3.2 模式对云辐射参数化的敏感性研究

1.3.3 云辐射过程和大尺度天气气候背景的关系

1.3.4 东亚及中国地区云辐射反馈过程的研究

1.4 研究中存在的主要问题

1.5 本文所要解决的问题和主要研究内容

第二章 NCC／IAPT63海气耦合模式介绍及试验方案

2.1 海气耦合模式简介

2.1.1 大气模式

2.1.1.1 动力框架

2.1.1.2 物理过程参数化

2.1.2 海洋模式

2.1.2.1 基本方程组

2.1.2.2 正斜压分解—耦合算法

2.1.2.3 海水状态方程

2.1.2.4 数值方法

2.1.2.5 物理过程的参数化

2.1.3 大气模式和海洋模式的耦合

2.2 试验方案及资料

2.2.1 方案设计

2.2.2 验证资料

第三章 模式对云辐射过程的模拟及其对云量方案的改进

3.1 引言

3.2 云量参数化方案及其改进

3.3 气候漂移和通量调整

3.4 对云和辐射的模拟

3.4.1 云量的模拟

3.4.1.1 总云量

3.4.1.2 总云量的全球分布

3.4.1.3 云量的垂直结构

3.4.2 辐射的模拟

3.4.2.1 短波辐射

3.4.2.2 长波辐射

3.4.2.3 净辐射

3.5 云对辐射加热率的影响

3.6 云量的改进对模拟的影响

3.6.1 对大气基本要素场模拟的影响

3.6.1.1 气温

3.6.1.2 位势高度场

3.6.1.3 比湿

3.6.1.4 纬向平均风场和垂直速度

3.6.1.5 降水

3.6.2 对海洋模拟的影响

3.6.2.1 海温

3.6.2.2 热带海温的季节循环

3.6.2.3 表层洋流

3.7 本章小结

第四章 两种辐射参数化方案对模拟影响的比较

4.1 引言

4.2 辐射参数化方案介绍及试验设计

4.2.1 两种辐射参数化方案的主要差别

4.2.2 试验设计

4.3 结果分析

4.3.1 大气顶入射短波辐射

4.3.2 云量

4.3.3 辐射

4.3.3.1 两种方案短波辐射吸收能力的比较

4.3.3.2 大气长波辐射

4.3.3.3 行星反照率

4.3.3.4 大气顶和地表的辐射通量

4.3.3.5 辐射加热率的变化

4.3.4 对大气和海洋平均状态模拟的影响

4.3.4.1 温度

4.3.4.2 位势高度

4.3.4.3 水汽

4.3.4.4 降水

4.3.4.5 潜热和感热

4.4 本章小结

第五章 一种新的诊断云水含量方案的应用

5.1 引言

5.2 一种新的诊断云水方案的引入

5.3 模拟结果分析

5.3.1 云量

5.3.2 云水含量

5.3.3 有关辐射的模拟

5.3.3.1 云的短波吸收和行星反照率

5.3.3.2 云辐射强迫

5.3.3.3 辐射通量

5.3.4 对大气模拟的影响

5.3.4.1 气温

5.3.4.2 位势高度

5.3.4.3 水汽含量

5.3.4.4 潜热和感热

5.4 本章小结

第六章 冰云和水云的区分以及模拟对云滴有效半径的敏感性

6.1 引言

第一部分 冰云和水云的区分

6.2 冰云和水云的区分

6.3 冰云光学性质的处理

6.4 云水含量和消光光学厚度

6.5 对辐射的模拟

6.5.1 大气和云对短波辐射的吸收

6.5.2 行星反照率

6.5.3 云辐射强迫

6.5.3.1 短波云辐射强迫

6.5.3.2 长波云辐射强迫

6.5.4 大气顶辐射通量

6.6 有关大气气候场的模拟

6.6.1 气温

6.6.2 位势高度

6.6.3 水汽含量

第二部分 模式对云滴有效半径的敏感性

6.7 云滴有效半径

6.8 光学厚度的变化

6.9 与辐射有关量的模拟

6.9.1 云对短波辐射的吸收和行星反照率

6.9.2 云辐射强迫

6.9.2.1 地理分布

6.9.2.2 季节变化

6.10 有关大气气候场的模拟

6.10.1 气温

6.10.2 位势高度

6.10.3 水汽

6.10.4 感热和潜热通量

6.11 本章小结

第七章 结论和讨论

参考文献

致谢

个人简历

发布时间: 2005-07-27

参考文献

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• [3].印尼海浪潮流耦合数值模式的发展及其上升流模拟应用[D]. Rita Tisiana Dwi Kuswardani.中国海洋大学2012
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