格点大气环流模式(GAMIL)对流、云-辐射方案的改进与数值模拟

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格点大气环流模式(GAMIL)是中国科学院大气物理研究LASG国家重点实验室新近发展的大气环流模式。其动力框架采用的是格点框架,它在任何条件下都保持了总质量守恒,在标准层结近似下,保持了总有效能量守恒。其对流参数化方案包括两种:Zhang-McFarlane方案和Tiedtke对流参数化方案,其它物理过程与美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式第二版(CAM2)的物理模块基本一样。   经过综合考虑和评估后,本论文选择对包含Tiedtke对流参数化方案的模式版本(GAMIL1.0.2,使用Zhang-McFarlane方案的版本为GAMIL1.0.1)进行改进,针对此版本模式对热带降水模拟的偏差和模式顶和底出现的能量收支不平衡,通过增加浅对流的卷入/卷出率、加入相对湿度阂值和减少云水到雨水的转换效率等措施对Tiedtke方案进行修改,结果表明改进后的方案(GAMIL1.1.0)明显改善了热带地区的降水模拟,特别是双赤道辐合带的降水。同时其它变量场如温度场、湿度场的模拟也得到了不同程度的提高。在GAMIL1.1.0基础上,又通过对云光学性质参数化过程的改进和云量的控制( GAMIL1.1.1).使得模式顶和底的辐射收支基本平衡。本文还评估了上述三个版本( GAMIL1.0.2、GAMIL1.1.O、GAMIL1.1.1)对热带大气季节内振荡的模拟能力,结果表明三个版本都能够模拟出热带大气季节内振荡在印度洋和西太平洋地区的东传,并且主要以纬向一波东传为主,及在东西两半球传播的速度差异和冬春季振幅强于夏秋季的一些重要特征,但GAMIL1.1.1模拟更接近NCEP再分析。   通过参与国际模式比较计划,综合评价模式性能,是发展和改进气候模式的有效途径,本文利用GAMIL1.1.0完成了CLIVAR的“二十世纪气候模拟国际比较计划”(C20C)的第二阶段的试验,讨论了外强迫对全球变暖的影响和对中国东部夏季变冷的影响。结果表明:(1)包括自然外强迫和人为外强迫在内的外强迫因子在年际、年代际尺度上,对地表气温的演变起重要作用,二十世纪三十年代和自七十年代开始的增暖,均是由外强迫所致。在除欧亚和北美大陆的部分区域外,外强迫对两次变暖期间的区域温度变化也有重要影响。大气内部噪音的影响,在变冷期比变暖期要强。(2)硫酸盐气溶胶对中国中东部夏季变冷起了主要作用,太阳常数变化(或自然变率)的影响也不可忽视。除了它们的直接热力影响外,它们的动力影响也很重要。硫酸盐气溶胶导致对流层中上层呈现南暖北冷的形势,进而200百帕的西风急流北移、东亚夏季风加强,中国东部除江淮流域外的区域云和降水增多,地表冷却进一步加剧。
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