大气环流模式（F/SAMIL）中云微物理方案的改进及在青藏高原地区的应用

Cloud physical properties in the Tibetan Plateau affect long wave and short wave radiative transfer in the atmosphere. Feedbacks between cloud, radiation and climate change have large uncertainties in General Circulation Models, and parameterizations of cloud microphysics need to be improved. In this project, a parameterization of entrainment-mixing mechanisms for clouds in the Tibetan Plateau will be developed; this parameterization will be further used to improve the cloud microphysics scheme in the General Circulation Model (F/SAMIL) and will be applied to studies in the Tibetan Plateau. First, examine two quantities (homogeneous mixing degree and transition scale number) recently proposed by the applicant, based on aircraft observations in the Tibetan Plateau and statistical results from an entrainment-mixing model; develop a parameterization of entrainment-mixing mechanisms on the cloud scale based on the relationship between the two quantities. Second, implement the new parameterization on the cloud scale into a cloud-resolving model, and upscale it for General Circulation Model. Third, improve the cloud microphysics scheme in the F/SAMIL model using this new entrainment-mixing parameterization and test it off-line. Finally, analyze cloud optical depth and cloud albedo from the F/SAMIL model, and examine the effects of entrainment-mixing mechanisms by comparing the model results with satellite observations. The improvement of cloud microphysics scheme will enhance the model ability to simulate cloud and radiation, which will also benefit the studies on energy and hydrological cycles in the Tibetan Plateau.

青藏高原的云物理性质影响着大气中长短波的辐射传输。大气环流模式中云、辐射和气候变化之间的反馈存在很大的不确定性，云微物理过程的参数化方案亟待改进。本项目将建立青藏高原地区云中夹卷混合机制的参数化方案，改进大气环流模式F/SAMIL的微物理方案，并加以应用。首先，利用青藏高原的飞机观测资料和夹卷混合模式的统计结果，计算申请人最近提出的两个物理量（均匀混合百分比与过渡尺度数），在云尺度上建立夹卷混合机制的参数化方案。其次，把云尺度上的参数化方案植入云分辨模式中，实现该方案的升尺度，使之适用于大气环流模式。再次，利用夹卷混合机制的参数化方案改进F/SAMIL模式中的云微物理方案，并离线测试。最后，利用F/SAMIL模式的结果，研究青藏高原地区云的光学厚度和反照率，与卫星资料进行对比，分析夹卷混合机制的影响。微物理参数化方案的改进将提高模式对云和辐射的模拟能力，有利于青藏高原能量和水分循环的研究。

夹卷混合过程影响着云微物理量、光学性质和辐射传输，但目前主流大尺度模式的云微物理方案中都假定了均匀或者极端非均匀机制，过于理想，与实际观测资料不符。因此，迫切需要改进参数化方案，实时诊断夹卷混合机制。而且，由于青藏高原地区海拔高、下垫面复杂等特点，云中的夹卷混合机制具有独特性。为此，本项目对青藏高原地区云中的夹卷混合机制进行了深入研究，建立了参数化方案，并加以应用。具体内容如下：（1）利用项目负责人在以往研究中定义的均匀混合百分比，揭示了夹卷混合研究中的最佳时间尺度，为建立夹卷混合过程的参数化方案奠定基础。如果目标是评估夹卷混合过程中含水量或饱和比率的变化，干空气达到饱和的时间是最佳的。如果目标是评估夹卷混合过程中云滴尺度和数浓度的变化，云滴蒸发时间尺度是最佳的。（2）在夹卷混合气泡模式中，输入青藏高原第三次大气科学试验（TEPIX-III）的云高仪数据、气象要素以及气溶胶探空数据，进行了约23000个敏感性试验，模拟青藏高原云与干空气之间的夹卷混合过程，揭示了干空气相对湿度、湍流耗散率、卷入云内干空气比例及云内初始云滴数浓度等因子对夹卷混合机制的影响。分析了均匀混合百分比与过渡尺度数之间的关系，建立了夹卷混合过程的参数化方案。（3）把夹卷混合参数化方案植入云微物理方案中，发现新方案增强了对青藏高原云微物理、光学性质的模拟能力。冰相过程较弱时，新方案的影响大，这主要与凇附过程有关。与观测资料CERES的两个产品相比，发现方案改进后，云光学厚度的模拟效果优于改进前的方案。（4）在研究过程中，发现高原上再分析资料不确定性较大，利用Barnes客观分析方法，根据探空资料对其进行订正。订正后，温度和水汽都出现了较大幅度的改进，尤其是地表附近。该资料为进一步研究高原热源性质、驱动高原高分辨率模拟奠定了基础。基于以上成果，发表/录用论文13篇（其中SCI收录10篇）。