基于云雨日变化评估改进数值模式的云雨物理过程

The inadequate knowledge of regional cloud and rainfall evolutions is one of the important reasons for the large biases in the simulation of East Asian monsoon rainfall in the present numerical models. Supported by the National Natural Science Foundation, the project team achieves the anticipated progress in revealing the observational fact of rainfall and cloud diurnal variations, and develops a satellite brightness temperature calculation scheme that can quantitatively examine model cloud parameters and is applied to the evaluation of cloud scheme. Based on these results, this application plans to enhance the analyses of the new remote sensing data from satellites and radar, and further investigate the vertical structures and evolution features of cloud and rainfall system in diurnal time scale in subtropical regions of China. The diurnal evolution processes of different category of rainfall events will be analyzed in detail, and the rainfall and cloud structures and their physical relationship with topography features, moisture and thermal conditions and circulation systems will be discussed. On the basis of the observational features, we plan to carefully examine the capability of current climate models in simulating cloud and rainfall diurnal variations in East Asia, propose key metrics in assessing model results, and establish a preliminary evaluation system that can be used in cloud and rainfall parameterization assessment. Meanwhile, by fully understanding model capability and results, we will design sensitive numerical experiments using climate models, determine the key threshold and key parameters that affect model performance, and provide feasible approaches in the improvement of model simulations on regional climate of East Asia.

对区域云雨物理过程认识的不足是导致当前气候模式对东亚季风降水模拟存在显著偏差的重要原因之一。围绕东亚云雨日变化这一关键科学问题，青年科学基金项目在揭示云雨日变化观测事实方面取得预期进展，同时发展可用于模式云物理量检验的卫星亮温计算方案，并应用于云雨方案的评估中。本项目拟以此为基础，加强对卫星和雷达遥感资料的分析，进一步考察中国副热带地区云雨系统的空间结构及演变特征。细致分析不同类型降水及相应云系统的小时尺度演变过程，探讨云雨结构与地形特征、水热条件及环流系统的关联与机理。以观测事实为基础，细致检验气候模式对与降水日变化相关的云演变过程的模拟能力，提出评估模式云雨演变过程的关键指标，建立检验模式云雨参数化方案的基本评估系统。在理解模式结果的基础上，合理利用气候模式开展敏感性试验，加深对云雨演变物理机制的理解，确定导致模式偏差的关键过程，为改进数值模式对中国区域气候模拟的不足提供思路。

项目按照原定计划开展了相关研究工作，完成了各项目标。围绕我国副热带地区云和降水精细化特征这一关键科学问题，项目从观测数据分析和数值模拟评估与改进两方面开展研究。受复杂地形和海陆分布的影响，我国副热带地区云和降水演变特征复杂，导致各类模式对该区域降水的模拟均存在较大偏差。本项目首先利用高时空分辨率的观测资料细致分析了我国副热带地区云和降水的演变特征。由于降水存在很强的时空非均匀性，为考察降水时空变化的整体特征，提出了一种分析有限区域内降水整体特征的区域降水事件的新方法，该方法不仅为更合理运用高分辨率卫星资料分析小时尺度降水特征提供了新思路，并且为有效评估数值模式降水提供了新方法。利用区域降水事件的方法，细致分析了高原下游复杂地形区降水的精细化特征，揭示了青藏高原东北坡祁连山地区降水气候态分布及日变化的区域性特征，指出台站高度对于祁连山区降水分布及演变有重要影响；揭示了高原东坡、四川盆地西缘强降水频发区的暖季降水与上游高原对流系统下传的关联。降水与云的发生发展密切相关，为考察我国副热带地区云的细致特征，分析了高原下游独特层云垂直结构及其微观物理特征的昼夜差异，指出小半径粒子集中程度的昼夜差异是导致不同层云辐射强迫差异的重要因子。在理解观测事实的基础上，针对性的开展了模式评估工作，对比分析了采用超级参数化方案和对流参数化方案的大气环流模式对我国副热带降水小时特征的模拟能力，发现采用超级参数化方案的模式对降水频次-强度结构及日变化均有更合理的模拟，这与其更真实再现浅对流向深对流转换的过程有关。为分析模式对东亚独特层云的模拟偏差及原因，基于敏感性试验，考察了水平分辨率和背景环境场对东亚层云模拟的影响，并研究了云辐射方案改进层云区云辐射强迫的原因。通过上述研究，加深了对我国副热带地区云雨演变物理机制的理解，提出了导致模式偏差的关键过程，实现了项目的预期目标。