SAMIL单柱模式下深对流参数化方案的检验及改进

The importance of cumulus convection in the climate system can never be overemphasized. Its parameterization in global circulation models (GCMs) has long been a central issue, and exerts a great impact on the overall model performance. Therefore, the verifying and improving of cumulus parameterizations in reasonable ways are crucial to the model development. In this project, first, the single column version of SAMIL3 will be constructed, followed by an evaluation work to disclose the model performance of deep convection occurred in continents and oceans with the aid of SAMIL3_SCM. Second, investigation of the sensitivity of convection triggering functions and closure assumptions on SCM simulations will be carried out to illustrate how deep convection affects the final results. Also a study to illustrate how deep convection, shallow convection and PBL turbulence schemes compensate each other in some features is concerned. And finally, the representation of entrainment/detrainment processes in cumulus convection will be refined. We will realize this by first diagnosing the entrainment/detrainment using a Cloud Resolving Model (CRM) simulation, then using the diagnosed results to evaluate the parameterizations in SAMIL3_SCM. According to this, an improved parameterization of the entrainment/detrainment process will be given, as well as its performance in SAMIL3_SCM. This project gives more insight into the cumulus convection, and no doubt will facilitate the model improvement.

积云对流参数化一直是国内外研究的热点，也是制约模式整体性能提升的重要瓶颈。科学合理地检验并改进积云对流参数化方案是提高模式性能的关键。与利用全球模式检验模式性能不同，本项目将通过建立SAMIL模式的单柱版本(SAMIL3_SCM)来揭示模式在深对流方面的模拟能力。然后，基于GCSS WG4提供的深对流个例，研究不同对流触发机制、闭合假设对单柱模式模拟结果的敏感性；开展多单柱模式间的比较工作，分析模拟误差的共性及异同点；研究深对流与浅对流、边界层湍流等其它物理过程之间的协调性。最后，分析比较模式参数化的夹卷率与云可分辨模式(CRM)揭示的夹卷率之间的差别，同时基于CRM结果，提出改进的夹卷率参数化方案, 并检验改进方案下SAMIL3_SCM的模拟性能。项目对深入了解积云对流及其参数化有重要的科学意义，对发展、改进大气环流模式有重要的推动作用。

项目实施3年，本人基本按照计划开展各项工作，主要完成了以下四方面研究:.1. 设计并建立了用于检验模式物理过程的单柱大气模型，可以更好地用来帮助追踪和定位模式的误差来源，是模式发展的重要工具。单柱模型的开发对深入理解模式物理过程十分有益，为改进和研发新的物理过程参数化方案打下了坚实的基础。.2. 在单柱大气模式基础上，引入海洋薄层模式，建立了一维海气交互模型，并利用该模型揭示了辐射对流平衡 (RCE) 和弱温度梯度近似 (WTG) 条件下海温和降水对CO2、气溶胶等外强迫的平衡态响应。一维模型的优势在于能快速达到平衡，同时能用来研究全球变化等科学问题。.3. 积云上升运动是对流参数化方案的重要组成部分，诸如气溶胶活化、衡量物输送等过程都与积云垂直运动有关。此外，积云垂直运动还便于准确地定出云顶高度。首先理论推导出完整的积云垂直动量收支方程，并利用大涡模式研究了积云垂直运动方程中各项对垂直动量的贡献，最终通过参数化气压扰动项和次云羽输送项，得到描述积云上升运动的简化方程，参数化结果十分令人鼓舞，对新闭合方案的提出是具有启发性的。.4. 气候模式中云参数化过程一直是模式不确定性的最大来源。对辐射传输过程来说，云垂直重叠假定至关重要。利用云分辨模式结果，揭示了层积云、对流云、以及卷云在垂直方向上的相关性。通过考虑该相关性在垂直方向上的变化，分别提出适用于云量的抗相关厚度参数化方案和适用于云中水凝物的抗相关厚度参数化方案。新方案明显提高了模式对云辐射强迫和辐射加热率的模拟能力。.发表项目资助SCI论文7篇。通过本项目研究，建立了用于检验模式物理过程的单柱大气模型，深入理解了积云对流参数化过程并提出了积云垂直运动的简化方程，对发展和改进大气环流模式具有推动作用。