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行业专项成果综述-气候系统模式关键物理过程不确定性对东亚气候的影响研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/4/25 16:33:09   标签:   浏览次数:942

项目编号GYHY201306020

研究周期2013年1月—2016年12月

国拨经费416万元(核减后408.44万)

项目负责人】吴统文

项目骨干成员】张艳武、路屹雄、王召民、曾刚、黄安宁、杨犇、刘一鸣、张莉、辛晓歌、张宇、刘向文、史学丽、颉卫华

项目承担单位】国家气候中心

项目协作单位】南京信息工程大学、南京大学、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、中国科学院青藏高原研究所、扬州大学

主要研究成果

一、成果主要内容

本项目在国家气候中心组织研发的全球气候系统模式BCC-CSM1.1m(全球大气T106分辨率,近110km,垂直26层)基础上,对云和降水的微物理过程、陆-气、海-气相互作用物理过程等科学问题开展了深入研究。与云、降水等相关的模式物理过程参数化方案得到了进一步的发展;通过青藏高原观测资料的获取,加深了对陆-气通量计算不确定性影响对高原地区温度的模拟误差的深入理解;研究了海-气通量计算不确定性对南、北极海冰的影响,探讨了西太平洋潜热误差对华南降水模拟的影响。一些创新研究成果已在BCC-CSM模式最新版本中得到了应用,提升了模式的整体性能,改进了对东亚季风气候的模拟能力。

针对国家气候中心气候模式BCC-CSM在东亚地区的模拟偏差,即夏季风偏弱、降水偏少的特征,选取大气云和降水物理过程中的多个不确定性参数,通过取样生成上百组参数组合,研究模拟的亚洲季风降水与观测的一致性,发现深对流降水率和蒸发率相关的物理参数对亚洲季风降水模拟的影响较大,调整这些参数可以使得BCC-CSM模式模拟的季风降水与观测更加接近。用同样的方法研究物理过程不确定性参数对季节内振荡MJO的影响,发现浅对流调整时间尺度、低层不稳定云湿度阈值参数对模式模拟的MJO影响较大,通过参数优选配置,可以有效提高BCC-CSM气候模式对MJO的模拟和预测能力。

将参数化改进成果和物理参数优选成果用于新版气候系统模式BCC-CSM2-MR,该模式正用于参加国际耦合模式比较计划第六阶段的多模式比较,该版本模式相对于CMIP5版本的气候模式在东亚夏季风、东亚降水、MJO方面的模拟能力有了较大的提升。基于项目阶段性研究成果,还形成了BCC-CSM1.2模式,基于该模式建立了次季节到季节(S2S)尺度预测系统,并实现业务运行。

 

二、成果技术特点

1云量参数化不确定性研究

云是气候模拟和预测中最重要的不确定性来源之一,模式中的云量通过影响辐射过程进而影响对整个气候系统的模拟结果。国家气候中心(BCC)气候模式中原有大尺度云量方案基于相对湿度及经验阈值计算云量,方案简单且模拟云量存在较大偏差。为了研究云量参数化不确定性的影响,项目研究过程中,引入并改进了物理概念更清晰的基于水汽分布概率密度函数的云量方案(下称PDF云量方案);并将该方案与原有云量方案的模拟效果进行了比较分析。结果显示,使用PDF云量方案,BCC_CSM模式所模拟的全球尤其东亚区域云垂直结构比原有方案更合理,能够模拟出应用原有云量方案时不能再现的青藏高原大地形对云量垂直分布的影响。PDF云量方案模拟的云量和云垂直结构(除南极地区冬半年偏差较大外)接近观测,但东亚区域环流和降水没能得到改进。

2.引入了云微物理双参数化方案

云微物理参数化始终是气候模式发展中的一个薄弱环节,同时也是气候模拟的重要不确定性来源之一。在项目研究过程中引入并完善了一个双参数云微物理方案(MG方案),基本包含了主要的云微物理过程(核化、凝结凝华、蒸发升华、自动转换、碰并、冻结、融化、沉降等)。研究结果显示,使用MG方案之后模式能够较好地再现全球平均云量、云水路径、降水量和辐射等物理量特征,且能够较好的模拟出云滴有效半径和云滴数浓度的分布特征,模拟的对流降水和大尺度降水分布也和实况类似,只是比实况模拟稍偏多。MG方案的引入使BCC模式可用于气溶胶的间接效应方面的研究,并且模拟结果合理,数值在IPCC AR5评估报告给出的模式最佳估计范围内。研究结果还显示,使用MG方案和RK方案时模拟的间接效应之间存在明显差异,表明模式模拟的气溶胶-云相互作用的辐射效应存在较大的不确定性。

3.改进了边界层过程参数化方案

边界层过程作为气候系统模式关键物理过程之一,其不确定性对气候模拟具有重要影响,考虑BCC_AGCM中原有边界层过程HB方案相对简单,为了研究边界层过程参数化不确定性的影响,在模式中引进了对湍流产生机制描述更全面的UW边界层方案。UW方案考虑热力湍流、机械湍流以及辐射等对湍流的影响,采用TKE闭合,将垂直扩散率K与湍流动能TKE建立联系,并且该方案对边界层顶夹卷过程进行了明确参数化,考虑了云顶辐射冷却和蒸发冷却的作用。结果显示,UW方案的使用能够减小低层大气水汽含量的模拟误差,改善对降水的模拟;对热带地区而言,UW方案的应用可以减弱Walker环流和Hadley环流上升支,使得西太平洋上升运动减弱,ITCZ水汽辐合减弱,进而减弱对流、减少降水,使赤道双辐合带现象有一定改善。

4.改进了湖泊参数化方案

通过在BCC_AVIM模式中增加新的湖泊过程方案选项(如define LAKE_DAI),将CoLM陆面模式中的湖泊过程方案(记为DaiLake)引入到BCC_AVIM陆面过程模式中,改进了湖泊点的模式结构和湖面温度算法并引入全球可变的湖泊深度数据,进行针对模式中的宏定义、初值和restart等多方面调试,实现了两者的耦合。与原模式中的过程方案相比,DaiLake方案在垂直结构和湖泊部分冻融过程的描述等方面都更为合理。使用DaiLake方案后北美湖泊温度偏低区域的温度偏差得到一定程度改善。

5.优化了青藏高原下垫面参数

在项目的部分资助下,形成了针对青藏高原性能检验的玛曲高原陆面观测数据集,并基于这些资料对BCC-AVIM下垫面参数进行了改进,对模式模拟效果进行了评估。结果显示,参数改进后模拟结果有不同程度的改善:植被冠层高度的改变,改善了地表温度(植被温度)的模拟;土壤机械组成的改变,改善了土壤表层湿度的模拟状况;存在降水强迫时,模式能够较好的模拟出陆面的辐射收支、水热循环过程;但在持续睛天时,模式对土壤层中的水分输送无法准确的描述,并对可能的原因进行了分析。

6.参数优化优选配置

采用超立方取样方法,针对大气云和降水物理过程中的8个不确定性参数,包括冰云转换阈值、层云降水蒸发率、高/低层云相对湿度阈值、深/浅对流降水率、深对流降水蒸发率、深对流夹卷率,生成了能有效代表8维参数空间的100组参数值组合,每组参数组合开展为期8年的数值模拟试验,模式积分时间达到800年。将这些试验模拟的亚洲区域季风降水与观测进行对比,分析每组参数试验模拟性能对参数值的敏感性。该成果的的技术特点是试验计算量大,产生的分析数据多且分析方法复杂。

三、成果的创新性

1.建立了青藏高原多种气候分区和不同类型植被和土壤下垫面的台站资料,形成了青藏高原模拟性能检验的陆面观测数据集。通过对与高原植被、土壤等相关参数分析,建立了高原植被根系参数化方案,提高了对高原陆面辐射收支、水热循环过程的模拟。

2. 通过进一步改进或引入了与云量参数化、大尺度降水微物理过程、边界层过程、陆面过程等相关的模式参数化方案,对东亚气候的模拟能力得到了整体增强。

3. 通过物理过程不确定性参数敏感性分析和优选配置,提高BCC-CSM模式对东亚降水气候和MJO的模拟和预测能力。

 

四、成果所解决的主要问题

1.通过云量方案的改进,解决了云垂直结构,尤其青藏高原及其以东地区云量垂直结构模拟不合理的问题,改进后的模拟结果能抓住地形对云垂直结构影响的重要特征。

2.通过双参数云微物理方案(简称MG方案)的引入,使BCC模式可用于气溶胶的间接效应方面的研究,并且模拟结果合理,数值在IPCC AR5评估报告给出的模式最佳估计范围内。

3.通过DaiLake湖泊模型的引入,在一定程度上改进了湖区地表温度偏低的问题,提高了陆面模式的模拟性能。

4.研究物理过程不确定性参数分析,解决原模式中不确定物理参数人为给定的盲目性。

5.针对敏感性物理参数的优选配置,解决模式中东亚夏季风偏弱、降水偏少的问题。

6.针对敏感性物理参数的优选配置,解决模式中MJO强度偏小、周期偏短的问题。

成果应用情况

1)基于本项目建立的中等分辨率气候系统模式已用于建立了次季节到季节尺度(S2S)预测系统,参加了国际S2S预测计划,并实现了实时业务运行,为全球短期气候预测业务提供数据。

2)基于本项目研究建立的气候系统模式BCC-CSM2-MR,正用于开展耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的大量数值试验。

    (3)本项目研究成果将进一步用于建立高分辨率气候系统该模式BCC-CSM2-HR,该模式将用于建立国家气候中心一体化气候模式预测系统,为中国气象局国家气候中心的短期气候预测业务和服务工作提供科技支撑。

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