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云是地球系统内部最为重要的调节因子之一，对地气系统的辐射能量平衡和水循环都具有重要的贡献。同时，云是天气/气候数值模式模拟中的难点，亦是造成模式结果不确定性的最主要来源。深入认识与云相关的观测现象，揭示云主导的变化特征，理解云在数值模式中的敏感性，对于加深客观事实的理解，改进优化模式性能，提高模拟预报技巧等方面都具有重要的理论和应用价值。 基于大气环流模式对云模拟的不确定性这一问题，本文将模拟主要误差来源之一—中国东部冷季层云作为研究对象，深入分析其观测特征，并探讨其对模式不同设置的敏感性。论文首先通过使用一系列台站观测、卫星和再分析资料，对层云形成时的整体动力热力背景结构进行了剖析，并考察了层云宏观和微观物理特征垂直结构的昼夜差异，以及决定昼夜变率的影响因子。这些观测分析加深了对冷季层云的理解。同时，通过分析“耦合模式比较计划(CMIP)”试验中大气环流模式的模拟结果，在理解云在模拟中的不确定性的基础上，重点对比了中国东部和海洋边界层云区的模拟误差。进一步地，利用大气环流模式CAM5，通过一系列数值试验研究了分辨率变化对层云模拟的影响，并指出了主要的模拟误差来源及模拟性能改进的可能途径。最后在拓展部分，将一个两步保形平流方案应用于CAM5谱框架，以替换模式中原水汽平流方案，并进而评估了两套模式对该类层云的模拟，讨论了模拟结果的主要区别。本论文主要结论总结如下: 1.中国东部冷季层云形成的动力和热力背景环境具有独特性。与主要受到大尺度热力逆温控制的海洋层云不同，中国东部层云同时受到了动力和热力因子的控制，特别是低层大尺度抬升运动和稳定度的影响。稳定度和垂直抬升运动的加强均有利于层状云的形成。在冷季，中国东部层云来源于大量在中低层堆积的水汽，伴随着强烈的稳定度，这种高湿—高稳定的背景环境造成中层云的形成。这一有利的大尺度环境的形成得益于地形影响下的中低层环流配置:在低层，一支来自东孟加拉湾的暖湿气流在地形作用下抬升至中层，在西风的作用下影响高原下游的大气，使得大气增湿增暖;伴随着低层冷平流造成的降温，二者共同作用增强了局地的稳定度。同时，中低层的环流还通过调节中层辐散和低层辐合的强度，进一步影响了大尺度抬升运动的强度，并最终影响水汽的输送。 2.冷季层云的宏观和微观物理垂直结构的昼夜变化显著。在宏观特征方面，中层的雨层云的几何厚度和云量的昼夜差异较小，但白天较夜间略高一些。与此不同，中层的高层云的几何厚度从白天到夜间显著增大，并伴随云量的大量增加。通过分析层云旺盛出现时期的气象背景环境发现，两类云的宏观特征的昼夜差异均是由大尺度抬升运动的昼夜差异所决定的。在微物理和辐射特征方面，从白天到夜间，雨层云的光学厚度显著增大，而高层云则表现为略有减小。这一变化同时伴随着雨层云/高层云的云水含量，数浓度和粒子有效半径的减小/增大。同时，对于雨层云，其夜间的云粒子在小半径区间的集中程度较白天更高，而对于高层云则恰恰相反。通过一系列科学分析，证实了两类层云辐射特征的昼夜变化主要是由小半径粒子集中程度的昼夜差异所决定。 3.层云短波云辐射效应模拟的不确定性是大气环流模式模拟误差的核心。模式对云辐射反馈模拟的不确定性依然是所有反馈中最高的。其中，云短波反馈的模式间差异又高于云长波反馈的差异，是气候反馈不确定性的主要来源。CMIP3和CMIP5两代大气环流模式模拟的层云区短波云辐射强迫均存在较大的差异。对于海洋边界层云区，模式对边界层逆温的刻画技巧要超过对短波云辐射强迫的模拟技巧;模式亦能够基本合理地再现海洋边界层云区以弱下沉运动为主导的动力环境，然而却很少有模式能够模拟出短波云辐射强迫对边界层逆温的依赖关系，这是造成短波强迫模拟误差的主要原因。与海洋边界层云区不同，当前大部分模式对中国东部层云区的背景环境场模拟尚存在较大偏差，且几乎没有模式能正确刻画出观测中，高稳定度和上升运动条件下的强短波云辐射强迫分布特征。特别是在冷季，所有模式一致地低估了短波云辐射强迫的强度。 4.增加大气环流模式水平分辨率可以提高冷季层云的出现频率。高低分辨率试验的对比表明，模式水平分辨率的提高有利于层云出现频率的增加，从而改善层云量和短波云辐射强迫的模拟。然而，在CAM5中，这一改进主要源于低层云的增加，而中层云并未得到显著改善，模式表现为系统性地不利于中层云形成。此外，尽管层云出现时云量不甚敏感于分辨率的变化，但是在两组高分辨率试验中，四川盆地处形成了一个出现时云量（云出现时的合成平均云量）的低值中心，直接影响了高分辨率设置下该地区气候平均的云辐射强迫和层云量的模拟。造成这一现象的原因在于:高分辨率设置下的模式中，四川盆地存在过强的下沉运动，造成了云的消散。 5.冷季层云的成功模拟极大地取决于模式背景环境的再现是否合理。通过两类敏感性试验，进一步研究了高分辨率设置下CAM5对层云模拟的两个主要偏差:层云出现频率偏低和四川盆地的出现时云量低值中心。研究表明，层云出现频率的高低敏感于背景环境场的再现是否真实。在更为真实的气候背景下，模式中的层云出现频率提高，并进而提高了云量和云辐射强迫的模拟。这一变化主要得益于近地层环流和水汽条件的改进。另一方面，四川盆地云量低值中心的出现敏感于模式动力框架的选择。在采用欧拉—谱框架CAM5的运行结果中，这一低值区得到了有效地缓解，原因主要在于垂直运动场的改善。 6.成功地将一个两步保形水汽平流方案应用于高分辨率设置下的CAM5，并考察了模拟层云的主要变化。本文将一个基于有限差分的两步保形平流方案(TSPAS)移植入CAM5谱框架，并通过设计一个跳点差分版本的TSPAS，成功地实现了其在高分辨率设置下的大气环流模式中长期稳定积分。研究表明，跳点TSPAS与原TSPAS的计算性能接近，但极大地缓解了由于经纬网格在高纬地区的闭合性造成的时间步长限制问题。进一步通过一系列数值试验，检验评估了两套模式(CAM5和M-CAM5)在不同分辨率设置下对中国东部层云的模拟，结果显示M-CAM5与CAM5在模拟东亚层云方面具有接近的性能。二者模拟的冷季的云辐射强迫，层云量，出现频率和出现时云量的空间分布和量值都较为接近。同时，CAM5和M-CAM5也均模拟出了有利于层云形成的动力和热力环境。总地来说，两套模式对东亚冷季云辐射相关特征的模拟效果接近，模拟结果的主要变化体现在夏季迎风坡降水。