三种近海层湍流通量参数化方案在CAM3.0中的比较试验

摘要

为了提高大气环流模式的气候模拟性能，不断改善模式中物理过程的参数化方案一直是模式发展的迫切需要。本文将一种新的湍流通量参数化方案引入到NCAR CAM3.0，该方案能够同时考虑空气动力学粗糙度和热力粗糙度的差异，并且具有计算公式简单，无须循环迭代的特点，通过在线测试检验了该方案在CAM3.0中的模拟性能。另外，由于COARE算法是近年来被广泛应用的近海层湍流通量算法，因此本文也将其引入到CAM3.0中，目的是将其作为参照来检验新方案的模拟性能。 通过对所模拟的降水、潜热通量、感热通量、海平面气压场、风应力的气候平均态与观测资料的对比分析，结果表明： ①加入Gao方案和COARE方案的CAM3.0(分别称为GCAM、CCAM)对降水强度的模拟比原方案(OCAM)有所改进，其中对夏季季风区降水的模拟有明显改善。但是，GCAM、CCAM、OCAM的热带降水最大值在北半球始终存在，而观测数据表明热带降水最大值随季节在赤道南北两侧移动。 ②OCAM的潜热通量在暖洋流海域偏高，寒流海域偏低，虽然GCAM和CCAM出现同样的趋势，但GCAM明显减少了此偏差的强度。对于纬向平均的潜热通量，GCAM在热带副热带区域和实况更接近，但是在北半球中高纬度GCAM和CCAM计算的潜热通量值与OCAM有差异。 ③虽然GCAM只修改了CAM3.0中的近海层湍流通量参数化方案，但是通过大气环流的作用，它对大陆区域也产生了间接影响，如，GCAM对沙漠气候区域的感热通量模拟更切合实际。在两极区域，GCAM、CCAM、OCAM纬向平均的感热通量与NCEP再分析资料相差较大，由于极区实际观测资料很少，再分析产品存在不确定性，所以无法用NCEP资料验证模式输出结果，这有待今后实际测量的通量资料验证。 ④GCAM对冬季各主要大气活动中心海平面气压的模拟与OCAM相比有所改善，而在夏季的部分区域GCA_M和NCEP再分析的偏差略微偏大，其原因有待进一步研究。 ⑤GCAM较好的再现了全球风应力分布特征，对北半球盛行风带的风应力有较明显改善。 ⑥GCAM的计算效率相对OCAM、CCAM有明显提高。 GCAM有效改善了大气环流模式对降水、潜热、感热、海表风应力等要素气候平均态的模拟能力，并且提高了模式计算效率，由此表明Gao方案引入到CAM3.0是可行的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 NCAR CAM3.0模式发展历程

1.3 CAM3.0模式模拟能力的现有研究

1.4本文的研究意义和主要内容

第二章 CAM3.0模式动力框架和物理过程简介

2.1模式基本方程

2.2空间离散方案

2.2.1水平谱变换

2.2.2垂直有限差分

2.2.3时间积分方案

2.3模式的物理过程

第三章 近海层湍流通量参数化方案

3.1整体输送法

3.2 CAM3.0模式近海层湍流通量参数化方案

3.3 Gao方案

3.4 COARE方案

第四章 Gao方案、COARE方案、原方案在线测试结果对比分析

4.1对比试验目的、资料和方法

4.2降水

4.2.1全球分布特征

4.2.2 纬向平均特征

4.2.3 小结

4.3潜热

4.3.1 全球分布特征

4.3.2 纬向平均特征

4.3.3 小结

4.4感热

4.4.1全球分布特征

4.4.2 纬向平均特征

4.4.3 小结

4.5海平面气压场

4.5.1全球分布特征

4.5.2 小结

4.6风应力

4.6.1全球分布特征

4.6.2 小结

4.7计算效率对比

第五章 结论与展望

5.1主要结论

5.2特色

5.3展望

致谢

参考文献