北极地区海-冰-气界面参数化对表面辐射和能量平衡数值模拟的影响研究

北极地区在全球能量循环中扮演着重要的角色，由于该地区的观测资料尤其是海-冰-气交换的观测资料极为缺乏，目前还未能完全掌握其复杂的物理机制。数值模式是理解北极表面辐射和能量平衡特征的重要工具，但由于北极表面特殊的海-冰-气界面条件，使得数值模式在模拟一些重要的物理过程中还存在较多的问题。因此，开展北极海-冰-气界面过程对表面辐射和能量平衡影响的研究，能够提高对极地气候系统主要物理过程认知程度和改进数值预报模式，有着重要的意义。本项目通过收集整理北极地区低层大气和海-冰-气界面的相关观测资料，分析北极地区表面辐射和能量平衡变化特征，分别利用大气边界层模式和大气柱模式，模拟北极地区表面辐射和能量变化特征，并研究不同的海-冰-气界面参数化方案对其数值模拟的影响，揭示表面辐射和能量平衡在北极大气-海冰-海洋系统中的重要性。

本项目在分析北极地区表面辐射和能量平衡变化特征的基础上，模拟了北极地区表面辐射和海-冰-气热通量变化特征，并研究了不同的参数化方案对其数值模拟的影响。与中低纬度不同，北极地区的大气边界层结构、海气界面过程、表面辐射和能量平衡等有其独特的特征，一些北极特有的物理过程会对其产生明显的影响，如北极夏季大范围长时间的层云覆盖和复杂多变的海气界面类型等。通过对比试验，不同的海气界面参数化方案的模拟结果主要有两处存在较大差别，一是大气边界层与自由大气的卷夹层，二是海气之间感热通量和潜热通量的模拟。当海洋表面的粗糙度增大时，会使模式模拟的边界层高度增加、感热通量增加、潜热通量减少、边界层内的温度降低湿度增加。采用云微物理过程和RRTM参数化方案组合能很好的模拟出表面接收到的太阳短波和表面长波辐射通量，而此云微物理过程参数化对表面感热和潜热通量的模拟还存在缺陷。RRTM和CCM2两种辐射传输参数化方案对模拟北极表面辐射与能量平衡能力相近，相比之下，RRTM的模拟结果要好些。通过本项目的研究，揭示了表面辐射和能量平衡在北极大气-海冰-海洋系统中的重要性。对提高极地气候系统主要物理过程认知程度并改进数值模式参数化有着重要的意义。