论文部分内容阅读
大气边界层对气候系统有着十分重要的影响，但是由于大气模式中分辨率的限制和边界层内湍流运动的复杂性，需通过参数化方案来描述边界层内的物理过程，合理的边界层方案对大气模式的模拟能力有着重要的影响。 本论文针对格点环流大气模式GAMIL2，改进了边界层次网格过程参数化方案，并分析了改进后的方案对模式模拟性能的改善。具体开展了如下几方面的研究工作: 1)GAMIL2原有的边界层方案属于“K廓线方案”，该方案中没有考虑不稳定边界层项的夹卷这个重要的物理过程。针对这一问题，本论文在该方案的基础上加入了边界层顶的夹卷过程，抑制了模式低层的云量和云水含量，进而使得模式模拟的短波云辐射强迫的强度减弱，这使得原模式在热带印度洋和太平洋中西部对短波云辐射强迫强度的高估有了明显缓解。 2)由于模式在副热带海洋层积云区模拟的短波云辐射强迫本就有些偏弱，加入夹卷过程后使得这一偏差加剧。为此，本文改进了层积云的诊断方案，并利用双K廓线的形式在边界层方案中考虑了层积云顶的长波辐射冷却效应对湍流混合的影响。上述改进不仅使得模式在副热带海洋层积云区模拟的云量和云水含量都有所增加，在层积云-积云过渡区的横截面上表现出了云量和云水含量的大值区以及云顶高度向西抬升的趋势，而且改善了加入夹卷过程后模式在海洋层积云区短波云辐射强迫模拟偏弱的问题。 综合来看，在边界层方案中同时考虑边界层顶的夹卷和层积云顶的长波辐射冷却对湍流混合的作用，对模式低云和短波云辐射强迫的模拟有明显地改善。此外，上述两个过程在模式低层的垂直分辨率增加后对模式模拟的影响和上文所述也基本类似。 3)在模式中引进了UWMT方案，并对其性能进行了对比分析。该方案与“K廓线方案”不同，它属于“TKE方案”，其湍流输运系数确定不再基于“K廓线分布”假设，而是采用了一种基于湍流动能的显式方案。而且，该方案也同时考虑了边界层顶夹卷和层积云顶长波辐射冷却对湍流混合的影响。模拟结果表明，该方案对低云和短波云辐射强迫模拟能够取得与前面所述改进后的“K廓线方案”类似的改进效果。此外，该方案对模式的降水、风场、气压场等物理量都有所改善。使用该方案模拟的MJO信号强度更强，能够更加合理地再现MJO的传播和生命周期。 4)初步探讨了浅对流方案的改进与垂直分辨率的提高对模式模拟结果的影响。若只提高垂直分辨率而不对相关参数化方案进行调整，会使得模式在低云、短波云辐射强迫、降水等方面的模拟能力不仅不能提高，反而有所下降。模式中的浅对流方案的假设比较简单，并且该假设对垂直分辨率有较大的敏感性，因此在上述UWMT方案的基础上引入一种更为合理的质量通量浅对流方案，则原模式和提高垂直分辨率后的模式的模拟能力均有所改善，并且改进后的方案相比原方案对模式垂直分辨率的变化具有更好的稳定性。