青藏高原陆-气耦合过程及其对中小尺度对流系统影响的高分辨率数值模拟研究

Meso- and small-scale convection (MSSC) occurs frequently over the Tibetan Plateau (TP) in summer. MSSCs transfer heat and moisture from the TP surface to the atmosphere, which alters the heating efficiency of TP and in turn modulates weather and climate over the TP and East Asian region consequently. Soil moisture and its spatial pattern can trigger MSSC on one hand. MSSC-related precipitation can also alter soil moisture on the other hand. However, our knowledge is very insufficient about the land-atmosphere interaction over the TP. Recent studies suggested that GCMs cannot correctly simulated the observed relationship between soil moisture and precipitation due to their coarse resolutions and cumulus convection schemes. In the proposed study, we will perform two sets of land-atmosphere coupling ensemble experiments by using 3-km WRF model with cumulus convection scheme closed, to explicitly isolate land-atmosphere coupling effect and evaluate the land-atmosphere coupling strength. The study aims to understand the soil moisture-precipitation coupling processes and investigate its influences on MSSC over the TP in summer. This study tightly tally the goal of NSFC major project. It is expected that the proposed research can deepen our understandings of change in land-atmosphere coupling system over the TP area and related mechanisms.

夏季，青藏高原上空中小尺度对流系统（MSSC）多发，这些MSSC不断向高原大气输送热量和水汽，MSSC的变化直接影响高原加热效率，从而对局地乃至东亚区域天气气候变化产生显著影响。土壤湿度的空间不均匀性是触发MSSC的重要因子之一。反过来，MSSC降水也会改变局地土壤湿度。然而，目前对青藏高原陆-气相互作用过程和机理的认识尚十分有限。近些年来的研究表明，由于分辨率和积云对流参数化方案的原因，粗分辨率模式不能正确模拟观测到的土壤湿度与降水之间的反馈关系。本项目拟利用高分辨率（3km）的数值模式，关闭积云对流参数化方案，开展陆-气耦合模拟试验，显式地将夏季青藏高原土壤湿度与降水之间的耦合作用分离出来，定量评估高原陆-气耦合强度，研究高原陆-气耦合对MSSC的影响及其机理。该项目研究紧密围绕重大研究计划的总体目标，项目的实施将深化对青藏高原陆-气相互作用过程和机理的认识。

夏季，青藏高原上空中小尺度对流系统（MSSC）多发，这些MSSC不断向高原大气输送热量和水汽，MSSC的变化直接影响高原加热效率，从而对局地乃至东亚区域天气气候变化产生显著影响。土壤湿度的空间不均匀性是触发MSSC的重要因子之一。反过来，MSSC降水也会改变局地土壤湿度。然而，由于观测资料缺乏等方面的原因，目前对青藏高原陆-气相互作用过程和机理的认识尚十分有限。近些年来的研究表明，由于分辨率和积云对流参数化方案的原因，粗分辨率模式不能正确模拟观测到的土壤湿度与降水之间的反馈关系。相反，高分辨率模式则能够再现观测的土壤湿度和降水之间的关系。本项目首先对比评估了四类10余种参数化对降水和土壤湿度的模拟能力差别，为高原地区数值模式发展和最优参数化方案选择提出了有价值的建议。然后，利用3-km分辨率的WRF模式开展了两组陆-气耦合集合模拟试验。 该试验可以显式地将夏季青藏高原土壤湿度与降水之间的耦合作用分离出来。研究结果表明：在青藏高原中部地区存在显著的陆-气相互作用。土壤湿度对高原地表及大气变量（蒸发、边界层高度）的影响强度与地形起伏程度呈反相关，即地形相对平坦的地区土壤湿度的影响更为显著。这是在陆-气相互作用领域提出的新发现。青藏高原的土壤湿度显著地影响陆-气能量水分交换及高原大气状态，这种影响随着高度的增加而逐渐减弱。此外，青藏高原地区的陆-气相互作用显著增强了高原地区的MSSC活动。项目的实施将深化对青藏高原陆-气相互作用过程和机理的认识。上述结果表明：在青藏高原地区尤其是在地形相对平坦地区，加强土壤湿度观测并提高数值模式中土壤湿度初值的准确性，预计可在一定程度上提高对气温、降水和边界层高度的数值预报能力。项目研究深入了对青藏高原陆-气耦合作用的认识，有助于提高高原地区乃至我国东部地区的天气预报水平。