大气环流模式中云底次网格尺度垂直运动参数化方案研发

The sub-grid scale vertical velocity (Sub-w) in a climate system model strands for the cloud base updraft, which is an critical dynamic process in the interaction of Aerosol cloud and precipitation.In order to understand the aerosol-cloud interaction and improve the simulation of East Asian climate, it’ll be worthwhile to develop a Sub-w scheme and study its impacts on East Asian summer monsoon (EASM) regions.However, the performances of the current Sub-W schemes underestimate the cloud base updraft greatly, miss the effects of sub-grid topographic gravity wave and have never been evaluated over EASM regions.Furthermore,the possible impact of Sub-W on AIM of EASM is still an open question..This proposal aims to address the following issues: (1) to evaluate the performance of the available Sub-W schemes in the current state-of-art GCMs, and study the possible relationships between the Sub-W and the grid-scale variables in the muti-horizontal resolutions;(2)to analysis the propagating features from sub grid topographic gravity wave and to develop a new Sub-W parameterization by taking account these effects. (3) Then, to applicate in a GCM; the new Sub-W scheme is expected to have a good behavior in EASM regions;(3) to explore the possible impacts of the Sub-W on AIE over EASM regions.

气候数值模拟中,次网格尺度垂直运动代表云底上升气流,它是影响气溶胶－云和降水模拟的重要动力过程。开展次网格垂直运动参数化方案研发,对于提高东亚云和降水的模拟准确性和理解气溶胶与云的相互作用有重要意义。然而,现有主流气候模式中的次网格垂直运动参数化方法严重低估上升运动速度,没有考虑次网格尺度地形重力波对云底垂直运动的影响，在东亚复杂下垫面地形区缺乏科学验证。本项目拟以参数化地形重力波引起的次网格垂直运动为创新点，研发气候模式中适合东亚地区的云底次网格尺度垂直运动参数化方案,并且应用新方案到全球大气环流模式中。具体研究内容和目标为:(1)评估当前主流大气环流模式次网格垂直运动方案的性能,阐明这些方案在不同分辨率下与网格尺度变量的关系;(2)分析和揭示次网格地形激发的重力波对云底上升运动的影响，研发适合东亚复杂下垫面的云底次网格垂直运动参数化方案;(3)应用新方案到全球大气环流模式中。

云底的垂直运动主要通过影响过饱和度的计算影响气溶胶的活化过程，改变气候系统模式中的云-气溶胶相互效应。云底垂直运动影响云量的过程具体表现为:垂直运动增强，促进气块的干绝热上升，气块的温度的急剧下降导致气压和饱和水汽压降低，由于饱和水气压随温度的变化更加剧烈，气块的过饱和度会增大，更多的气溶胶粒子能够被活化，云滴粒子增多，云水含量增加，云量增大。. 通过项目团队四年的努力，首先评估了多套次网格云底垂直运动参数化方案的性能，提出了适合FGOALS-f2/3(FAMIL模式的耦合版本）模式的次网格云底垂直运动参数化方案，将次网格垂直运动参数化方案用于计算气溶胶活化过程，在气候系统模式中实现气溶胶活化的动力物理计算过程，增加了模式模拟和预测“云-气溶胶”相互作用的能力，并测试了不同分辨率下次网格垂直运动参数化方案在大气环流模式和海气耦合的气候系统模式的模拟性能。项目组采用次网格垂直运动参数化耦合的CLR2双参数云微物理参数化方案研究了气溶胶对亚洲云-降水的影响，指出青藏高原东南部地区的气溶胶与大气环流的相互作用能够加热低层大气，加强高原低层的低压涡旋，增强高原的夏季降雨。. 为了更好评估次网格云底垂直运动参数化方案及对云模拟性能的影响，项目组还发展了大气环流模式FAMIL云模拟器系统(FAMIL_COSP)和大气环流模式FAMIL云相关参数化方案测试系统(FAMIL_CAPT），建立了评估参数化方案的标准化平台。项目组进一步发展了大气环流模式FAMIL次网格参数方案(FAMIL_SUBW)和相应耦合版本FGOALS-f2模式的天气-气候预测系统，基于FAMIL模式的次网格参数化方案和预测系统平台，对赤道东印度洋温湿廓线模拟能力开展评估工作，并对新版模式在超算平台的计算效率和未来可拓展性进行了系统评估。. 项目组利用项目支持发展的FAMIL模式和耦合版本FGOALS-f2开展实时热带海温和东亚季风预测，预测系统被气象、海洋和水利等三个国家级业务单位业务化应用，其中2018年冬季温度异常的预测用于大气所组织的咨询报告,报告被中办/国办采用，供中央领导参阅，为国家防灾减灾提供科学依据。