基于质量通量型边界层方案的层积云数值模拟与物理机制研究

Boundary layer clouds play a major role in the Earth radiation budget and the energy balance at the surface. At the mean while it has a strong impact on the simulation of temperature and moisture in the low levels of troposphere and forecast of precipitation of the weather. But the simulation of boundary layer clouds is a very difficult mission because that it has very close interactive relationship between boundary layer diffusion, convection, radiation and cloud within boundary layer of the atmosphere. The study use a method of a term of convective mixing diffusion with entrainment and detrainment mass flux style instead of counter gradient term used in traditional boundary layer schemes. It will have a higher level of coupling between boundary layer and shallow convection because that it is well popular of mass flux style convection schemes. It will be easier to analyze the relationship between all the physical processes within boundary layer using single column model simulation with the new scheme coupling boundary layer and shallow convection, disclose the specific effect of the key physical processes on simulation boundary layer clouds, and expose the internal physical characteristics of stratocumulus by comparing satellite data. The study will develop a new boundary layer diffusion scheme, have the benefit of conformity and consistency of boundary layer and convection, and at the same time improve the forecast skill of numerical weather prediction.

边界层云在地面辐射、能量收支平衡等方面起着重要的作用，对整个对流层低层的温度、湿度场的模拟以及降水的预报都有深刻的影响。但是由于层积云中边界层、浅对流、辐射以及云等各种物理过程联系紧密，使得边界层内层积云的模拟成为一个困难的任务。本项目引入带有夹卷过程的质量通量型的对流混合扩散项，代替传统意义上边界层方案中所使用的逆梯度项，新方案使得对流层低层边界层描述的干空气以及浅对流描述的湿空气同为质量通量型,方案设计更为合理。利用边界层新方案，借助单柱模式，对比加密的多种观测资料，可以深入了解层积云的时空变化特征。将新方案引入全球天气预报模式GRAPES，设计敏感性试验来诊断分析层积云中与边界层有关的物理过程之间关系，对比卫星观测资料，揭示这些关键物理过程在模拟层积云中所起的具体作用。本项目的成果实施可以发展新的边界层方案，同时有助于提升数值模式在对流层低层的模拟能力。

边界层内的层积云在地面辐射、能量收支平衡等方案起重要的作用，对整个对流层低层的温度、湿度场的模拟以及降水的预报存在深刻的影响。但是由于层积云中边界层、浅积云对流、云以及辐射等各种物理过程联系紧密，使得边界层内的层积云的模拟成为一个困难的任务。本项目引入带有夹卷过程的质量通量型方法来代替传统边界层方案所使用的逆梯度项来描述非局地项的作用，同时考虑由于层积云辐射冷却导致的温度变化对边界层顶的夹卷造成的影响，这样的设计使得新边界层方案更为合理。. 通过层积云区的单柱模式DYCOMⅡ试验验证，新方案相较于原边界层方案，边界层位温模拟更接近观测资料, 边界层内的层积云的模拟的云层厚度也更为合理，因而可以认为新边界层方案能够有效地提供给天气预报模式、气候模式使用，从而得到更为合理的边界层-层积云结构。为了诊断分析层积云中以边界层为核心的各物理过程之间的耦合关系，设计单柱模式敏感性试验，增强微物理过程中云水-雨水自动转换率，从而增强降水过程，来诊断通过改变微物理过程进而改变云基本结构，边界层过程以及云本身内部的变化反馈过程。与控制试验对比分析可知，由于云底下层出现大量雨水蒸发，温度变低，湿度增加，在云层变薄的同时，在上层云的下方重新凝结成为下层云。由于云底的蒸发冷却，次云层温度与环境冷空气充分混合，增强下层大气的稳定度，从而边界层顶会降低。同时，因为新边界层方案也考虑云顶辐射冷却对边界层过程造成的影响，所以在上下层云之间，温度垂直扩散系数变化，使得下层云顶与环境冷空气混合，导致上层云底和下层云顶之间处于相对稳定的状态，所以云层会分离，不会合并统一。将新型边界层方案引入全球天气预报模式GRAPES_GFS系统中，可以明显提升热带及副热带区域的模拟性能，使得本项目的研究成果得到了合理的应用。. 本项目研究发展了新型边界层方案，为进一步了解层积云形成发展消亡的物理机制，提升天气气候模式在层积云区的模拟能力具重要的意义。