中国地区对流参数化加热廓线的分析研究和数值试验

为了使ＭＭ４模式在我国范围内得到很好的应用，需用我国的气候资料对ＭＭ４模式中的对流加热参数进行统计分析，以适应我国各地区气候状态．为此，本文选取了１９９０～１９９３年６～８月的常规探空资料，采用郭氏的对流参数化方案，放宽假设后直接计算求得各站点各时次的对流加热率参数，再按气象站的站区分区进行统计．结果表明：黄河以南地区，对流云上、下部的垂直加热率比较均匀，加热廓线峰值偏低，为σ＝０．６５～０．８０，对流云顶也比较高．黄河以北地区，对流云中的垂直加热率分布不均匀，加热集中于某一层上，加热廓线峰值出现在σ＝０．５０～０．６５，对流云顶相对低一些，这与各地区气候背景和局地环流有关．由此预报的雨量更接近实况，从而提高了ＭＭ４模式各等级雨量预报的准确率，减少了空报率．

一种适合于云南低纬高原中尺度数值模式的加热廓线方案

从加热廓线的角度对Kuo型方案进行改进 ,试图找到一种适合于云南低纬高原地区的积云参数化方案 .数值试验结果表明 ,垂直加热廓线采用相当位温法比较适合云南低纬高原的中尺度数值模拟 .

云三维结构对加热率廓线及通量影响的模拟

大气加热率强度与结构是驱动全球大气环流的关键因素,实际加热率分布与云三维结构密切相关。作者使用三维蒙特卡洛辐射传输模式,模拟计算了云分辨模式所得3个典型三维云场的加热率廓线及通量;定义了两个参数来同时描述加热率廓线的垂直分布和强度,通过与独立像素近似算法对比,定量统计分析了高分辨率下云三维结构对辐射的影响。结果表明,在高分辨率条件下云三维结构对加热率廓线和通量影响十分显著,且不同结构云场所体现的影响各具特点,提出需要考察现有大气模式中云三维结构对当前所用加热率计算方案的订正方向。

MJO研究新进展

MJO与ENSO的关系、MJO的数值模拟(预报)以及MJO对天气气候的影响是近些年来国内外大气科学研究的重要前沿问题。本文将综合介绍国内有关MJO对天气气候的影响以及MJO的数值模拟(预报)方面的近期研究进展,因为过去已介绍过MJO与ENSO相互作用的研究结果。利用澳大利亚气象局的RMM-MJO指数研究MJO与西北太平洋台风活动的关系,结果表明大气MJO对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2:1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时的比例也为2:1。对大气环流的合成分析显示,在MJO的不同位相西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有极其明显不同。在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,并为台风生成和发展创造了有利的大尺度环流动力场。对多台风年与少台风年850hPa的30～60d低频动能距平的合成分析表明,在多台风年最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15?N以南的西北太平洋地区,表明那里有强MJO的活动;而少台风年的情况与多台风年相反,菲律宾以东的西北太平洋上与季风槽位置对应区域是低频动能的负距平区,那里MJO偏弱。即赤道西北太平洋上MJO活动的强(弱)年对应西北太平洋的台风偏多(偏少)。对应MJO的不同活动位相,无论冬季、春季或夏季,中国东部的降水都将出现特殊的异常形势。在春季,MJO的第2、3位相有利我国东部长江中下游地区多雨、华南地区少雨;MJO的第4、5位相有利我国华南地区多雨而长江中下游地区少雨;在MJO的其它位相,我国东部地区都为降水负异常。在冬季,对应MJO的第1～3位相(特别是第2、3位相)中国华南降水偏多;而对应MJO的第6～8位相(特别是第6、7位相)中国华南降水偏少。在夏季,MJO位于印度洋时,MJO可以通过低层西风急流的波导效应影响到中国东南部地区,造成该地区降水偏多;当MJO位于西太平洋地区时,可以造成经向环流的上升支向北偏移,导致西北太平洋副高的东撤、以及中国东南部地区水汽输送减弱,降水减少。资料分析还表明,在年际变化尺度上,热带中、东印度洋MJO指数的持续异常对云南夏季降水有明显的影响。大气环流和数值模拟都表明,MJO活动不同位相的强对流会在东亚/西北太平洋地区激发产生不同形势的遥响应(Rossby波列),导致在中国不同地区出现有利(或不利)降水的环流形势和条件,是MJO活动影响中国降水的主要机制。用数值模式对MJO进行数值模拟(预报)是尚未很好解决的困难问题,原因也没有完全搞清楚。我们的一系列数值模拟清楚表明,MJO的模拟(预报)效果对模式所用对流参数化方案有很强的依赖关系;模式能否很好描写(再现)热带大气非绝热加热廓线,是极其关键的问题,只有当加热廓线在对流层中低层有最大加热时,模式才能得到同实际观测大体一致的MJO及其活动特征。这些数值模拟结果与我们过去从理论研究得到的结论相吻合,彼此得到应证。

积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡(MJO)模拟的影响。结果显示:积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。

低纬高原上中尺度模式的积云参数化方案研究

在低纬高原上的中尺度数值模式研究中 ,积云参数化方案的设计是极其重要的 ,而垂直加热廓线和增湿系数的方案设计是Kuo型积云参数化方案中两个重要的问题。本文从垂直加热廓线和增湿系数的角度设计了多种改进的Kuo型积云参数化方案进行数值试验。试验结果表明 ,垂直加热廓线采用位温法 ,增湿系数采用指数型定义法的Kuo型改进方案较适合云南低纬高原上的中尺度数值模式 ;低纬高原上的增湿系数比我国东部沿海及一些平原地区要大 ;在改进积云参数化方案的基础上考虑低纬高原地形的影响 。

热带大气季节内振荡数值模拟对积云对流参数化方案的敏感性

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的大气环流模式(SAMIL-R42L9)研究了热带大气季节内振荡(MJO)的模拟对积云对流参数化方案的敏感性,结果表明两种对流参数化方案——湿对流调整方案(MCA)和Zhang-McFarlane(1995年)方案对MJO的模拟能力有明显的差异。MCA方案较好地模拟出了MJO的基本特征,包括季节内的时间尺度和向东的传播。Zhang-McFarlane(1995年)对流方案模拟的MJO振幅非常弱,而且缺乏连续的传播特征,在MJO的演变过程中弱的低层水汽辐合使MJO难以维持和传播。两种不同的对流参数化方案产生的非绝热加热垂直廓线明显不同,Zhang-McFarlane(1995年)方案产生的非绝热加热强度在对流层各层过于一致,没有明显的最大加热层,而且平均的加热强度太弱,这是该方案难以模拟出合理的MJO的主要原因之一。因此,模式对热带大气季节内振荡的模拟能力很大程度上依赖于所使用的积云对流参数化方案,当积云参数化方案改变时模式模拟的MJO也发生明显变化,而非绝热加热廓线是对流参数化方案影响MJO模拟的一个重要影响因子。3种不同的非绝热加热垂直分布的敏感性试验表明,当最大的加热层位于对流层中低层尤其是对流层中层时,更容易产生出与观测较为接近的季节内的扰动,而当最大加热位于对流层高层时,更易于激发出西传的扰动。

IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟评估

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的模拟结果,评估了IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。分析结果表明IAP AGCM4.0模式可以在一定程度上模拟出热带大气季节内振荡的主要时空谱结构特征,在周期30~80天处存在明显的谱能量中心;模式模拟的季节内振荡东传的主要特征与观测基本一致,东移波的能量远大于西移波。基于RMM指数(All-season Real-time Multivariate MJO Index)的分析表明,模式模拟的850 h Pa和200 h Pa季节内尺度风场和对流活动在赤道地区的空间分布与观测基本一致。但与观测相比,模式模拟的热带大气季节内振荡的周期较短,东传速度快于观测,虚假的西传特征过强,对流活跃区域范围较小、强度较弱。就非绝热加热而言,模式模拟结果与再分析资料比较接近,但最大加热在印度洋和西太平洋地区出现的位相较晚。进一步分析表明,模式中影响对流触发的相对湿度阈值(RHc)的不同取值(RHc分别取为85%、90%、95%和100%),可以显著影响热带大气非绝热加热垂直廓线,从而影响模式对热带大气季节内振荡的模拟;当对流触发相对湿度阈值取为90%时,IAP AGCM4.0模式对热带大气季节内振荡模拟的能力相对最好,非绝热加热垂直廓线在不同位相的分布特征也与再分析资料最为接近。这说明模式对流参数化方案中不同参数的合适选取,可以改进模式对热带大气季节内振荡的模拟能力。

热带气旋强度变化机制的位涡拟能诊断研究

分析表明，热带气旋（ＴＣ）区域平均的位涡拟能变化对应热带气旋强度变化是一致的。本文通过对切向波数域中位涡拟能收支的计算，分析讨论了影响ＴＣ强度变化的一系列因子。结果表明，平均非绝热加热随高度变化并通过气旋性涡度及科氏效应的作用是影响ＴＣ强度变化的重要因子，特别在强度突然加强阶段；当加热最大值出现在对流层中上层时有利于ＴＣ的形成及加强，而当加热的这种作用减小或最大加热出现在对流层中下层时ＴＣ将很快减弱。研究表明，ＴＣ环流的轴对称场和非轴对称场对ＴＣ强度变化起不同的作用。此外，对其他因子的作用也进行了讨论。

积云对流参数化方案对热带大气季节内振荡模拟的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的大气环流谱模式的最新版本SAMIL2.2.3系统分析了积云对流参数化方案对热带大气季节内振荡(ISO)模拟的影响.结果表明该模式的三种积云对流参数化方案都能模拟出热带地区气候平均季节内振荡(CISO)时空演变的基本特征;其中Tiedtke方案相比于Manabe方案和Zhang-McFarlane方案,模拟出的CISO与观测更为接近.而SAMIL2.2.3模式对ISO年际变化部分(TISO)的模拟结果显示尽管SAMIL2.2.3相对于之前的版本对Tiedtke方案和Zhang-McFarlane方案针对不同问题做了必要调整,但三种积云参数化方案中只有Zhang-McFarlane方案能够模拟出27～50天TISO模态的东传特征.另外,SAMIL2.2.3与其较早版本SAMIL2.08中的Manabe方案完全相同,物理过程的其他部分如辐射方案和气溶胶条件有所调整,但仅后者能模拟出100E以西热带27～50天TISO模态的东传特征.因此,模式发展过程中物理参数化方案的改进并非在每一方面上都产生正面效果.动力框架和物理过程,以及不同物理过程之间的协调发展是改进模式的重要途径.