基于降水日变化评估改进数值模式的云雨物理过程

摘要：降水日变化是检验模式物理过程的重要依据。长江流域降水日变化的区域特征明显且内涵丰富，可为评估数值模式参数化方案提供充分的观测依据。本项目拟首先综合利用台站、卫星与雷达等观测资料，进一步分析长江流域降水日变化的规律和特征，利用再分析资料探讨其与大尺度动力、热力因子的关系，并结合卫星云顶亮温分析和TRMM PR反演数据对降水垂直廓线和立体结构日变化进行分析，增强对云雨演变过程的理解。在此基础上，分析模式降水日变化模拟偏差与模式云雨物理过程不确定性的物理关联，确定模式中与成云致雨密切相关的云雨参数化方案的关键不足之处并加以改进，提高数值模式对我国东部降水的模拟能力。

云雨物理过程是气候模式最大不确定性的来源之一，在日变化时间尺度上细致分析云雨持续时间、强度结构和演变过程等，不仅有利于加深对区域气候特征的认识，也有利于对降水形成机制的理解。长江流域降水日变化的区域特征明显且内涵丰富，可为评估数值模式参数化方案提供充分的观测依据。本项目综合利用台站、卫星与雷达等观测资料，分析了长江流域在内的中国副热带地区降水和云的日变化特征，发展了一个可用于模式云物理过程评估的亮温计算方案，并基于该方案评估了区域气候模式对云雨过程的模拟能力，揭示了模式的关键不足，指出了可能的改进方向。主要研究成果包括：（1）对长江上游高原东南部复杂地形区的降水日变化特征进行细致分析，评估高原地区卫星降水数据（TRMM，CMORPH）在日变化时间尺度上的可用性，指出地形是导致不同观测资料降水日变化差异的重要原因之一；（2）利用风云卫星亮温数据产品，考察长江流域及其以南地区夏季云顶亮温日变化的气候特征，揭示了不同云顶高度的云发生频率及其与降水日变化地域差异的关系；（3）发展了一个可直接利用卫星亮温资料评估模式云物理量的亮温计算方案，其可用于确定模式中云的存在、云类型及其发展程度，为定量分析和检验模式云结构预报是否合理提供科学依据；（4）评估了区域气候模式CREM 对中国东部地区云雨日变化的模拟能力，在明确模式模拟偏差的基础上通过对云方案的初步调整，探讨了改进模式性能的可能途径；（5）利用CloudSat云产品，分析了中国东部冷季雨层云和中层云的宏观和微观云物理特征的昼夜差异，指出对流层中低层大尺度抬升运动的昼夜变化是造成不同层云昼夜差异的重要原因，在此基础上，评估了大气环流模式CAM对中国东部层云的模拟能力，考察了不同水平分辨率对模拟结果的影响，为深入理解模式云物理过程的不足提供依据。上述研究成果不仅有助于增强对影响我国区域气候的动力与热力过程的理解，同时也为模式云雨物理过程的改进与发展提供了思路。