（气象学专业论文）基于大气环流模式samil的海气界面湍流通量算法研究.pdf

摘要 海气界面湍流通量计算是数值模式模拟的一个关键环节。深入研究海一气界 面间的湍流通量参数化方案，对于改进数值模式的模拟能力、研究气候变化成 因和气候预测具有重要意义。 首先将一种新型近海层湍流通量参数化方案( g l l 方案) 应用于大气环流 谱模式s a m i l 的近海层湍流通量子模块中，并结合t o g ac o a r e 试验中的通 量观测资料对其进行离线测试。结果表明：( 1 ) l o u i s 方案风应力计算值较观测 资料显著偏低，g l l 方案的风应力计算值较观测值，在低风速条件下偏高，中 高风速条件下偏低，但比l o u i s 方案的计算结果更接近实测值。( 2 ) 在感热交 换较强时，l o u i s 方案较观测值的感热通量偏高，g l l 方案较观测值的感热通 量虽然偏低，但与实测感热通量的偏差较小。( 3 ) 海面潜热通量在低风速条件 下，l o u i s 方案较观测值偏低，但在中等风速条件下，l o u i s 方案较观测值明显 高估。g l l 方案的潜热通量在低风速条件下较观测值高估，随着风速的增大， 高估现象逐渐减少，部分出现低估现象。 进而将g l l 方案应用于s a m i l 中，对其进行在线测试，模拟了全球海表 风应力、感热通量、潜热通量和降水的气候态分布，并将模拟结果与观测资料 进行对比分析，结果表明：g l l 方案能够被成功的应用于s a m i l 中，模拟得 到的海表风应力、感热通量、潜热通量和降水等要素相对原s a m i l 模式模拟的 结果更接近观测资料。 对参与i p c ca r 4a m i p 计划的主要大气模式通量模拟结果进行了评估，得 出以下结论：( 1 ) 大气模式对风应力的模拟，在冬季半球的西风带纬向风的应 力大小和最大风应力出现位置有显著差异。c n r m c m 3 模式模拟结果与实测值 最接近。( 2 ) 所有大气模式对潜热通量的模拟均比o a f l u x 偏高。应用l o u i s 方 案的模式，如c n r m c m 3 、e c h a m 5 m p i o m 、f g o a l s 9 1 0 、i p s l - c m 4 、m i r o c 3 2 ( m e d r e s ) 、m i r o c 3 2 ( h i r e s ) ，其模拟结果和o a f l u x 较接近，这有可能是因为 l o u i s 本身通量计算偏低，从而部分地抵消了通量模拟系统偏差。( 3 ) 各大气模 式对感热通量模拟相对于o a f l u x 偏高。其中，夏季半球中高纬度洋面为感热 通量负值区，海洋从大气获得能量，而g i s s e r 未能描述出此现象。 关键词：大气环流模式海气通量参数化方案g l l 方案 i i a b s t r a c t c l i m a t es i m u l a t i o n sa r ee s p e c i a l l ys e n s i t i v et ot h ee x c h a n g i n go fa i r - s e a i n t e r f a c ef l u x e s r e s e a r c h i n gt h ep a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m eo fs u r f a c et u r b u l e n tf l u x e s h a sb e e no n eo ft h ek e yp o i n t si nt h ec l i m a t em o d e ld e v e l o p m e n t s u s i n gt h ed a t ac o l l e c t e dd u r i n gt h eo b s e r v m i o ne x p e r i m e n t s ( t o g ac o a r e ) ， w ec a l c u l a t e dt h et u r b u l e n tf l u x e sb yu s i n gt h ep r e v i o u sp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ( l o u i ss c h e m e ) a n dt h en e ws c h e m e ( g l ls c h e m e ) ，t h e nc o m p a r e dt h eo b t a i n e d f l u x e sa g a i n s ti ns i t um e a s u r e m e n t s t h er e s u l t ss h o w ：( 1 ) l o u i ss c h e m ec a l c u l a t e d w i n ds t r e s ss i g n i f i c a n t l yl o w e r , h o w e v e r , w i n ds t r e s sc a l c u l a t e db yg l ls c h e m e o v e r e s t i m a t ei nt h el o ww i n ds p e e dc o n d i t i o n s ，u n d e r e s t i m a t ei nh i g hw i n ds p e e d c o n d i t i o n s ， a n dt h ed e v i a t i o ni sl e s st h a nl o u i ss c h e m e ( 2 ) l o u i ss c h e m e o v e r e s t i m a t et h es e n s i b l eh e a tf l u xa n dg l ls c h e m eu n d e r e s t i m a t et h es e n s i b l eh e a t f l u xw h e nh e a te x c h a n g ei si n t e n s e ，a n dg l ls h o ws m a l ld e v i a t i o n s ( 3 ) i nl o ww i n d s p e e dc o n d i t i o n s ，l o u i ss c h e m eu n d e r e s t i m a t et h el a t e n th e a tf l u x ，b u to v e r e s t i m a t e i nt h em i d d l ew i n d s p e e d c o n d i t i o n s i nl o ww i n dc o n d i t i o n s ，g l ls c h e m e o v e r e s t i m a t et h el a t e n th e a tf l u x ，a st h ew i n ds p e e di n c r e a s e s ，t h ep h e n o m e n o no f o v e r e s t i m a t i o nd e c r e a s i n g t h e nw e a p p l i e dg l l s c h e m et os a m i lf o ri t so n l i n et e s t ，s i m u l a t e dt h eg l o b a l s e as u r f a c ew i n ds g e s s ，s e n s i b l eh e a tf l u x ，l a t e n th e a tf l u xa n dp r e c i p i t a t i o n d i s t r i b u t i o no ft h ec l i m a t es t a t e ，a n dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v e dd a t a , t h er e s u l t ss h o w ：g l ls c h e m ec a l lb es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt os a m i l ，t h es i m u l a t e d r e s u l t sr e l a t i v et ot h eo r i g i n a ls a m i lm o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t si sc l o s e rt ot h e o b s e r v a t i o n s t h i sa r t i c l ea l s oe v a l u a t e dt h ef l u x e sr e s u l t so fa t m o s p h e r i cm o d e lp a r t i c i p a t e d i i i i ni p c ca r 4a m 毋t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：( 1 ) w i n ds t r e s ss i m u l a t i o no ft h e s e a t m o s p h e r i cm o d e l sa p p e a r ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n ti nt h es i z eo fw i n t e rh e m i s p h e r e z o n a lw e s t e r l yw i n ds t r e s sa n dl o c a t i o no ft h em a x i m u mw i n ds t r e s s s i m u l a t i o n r e s u l tf o rc n r m c m 3i sc l o s et om e a s u r e dv a l u e s ( 2 ) a l lt h ea t m o s p h e r i cm o d e l s s i m u l a t i o no ft h el a t e n th e a tf l u xi sh i g h e rt h a no a f l u x m o d e lr e s u l tu s i n gl o u i s s c h e m e ，l i k e ，c n r m c m 3 ，e c h a m 5 m p i - o m ，f g o a l s - 9 1 0 ，i p s l - c m 4 ，m i r o c 3 2 ( m e d r e s ) ，m i r o c 3 2 ( h i r e s ，i sc l o s e rt oo a f l u x ，w h i c hc o u l db ed u et ol o wf l u xo f l o u i ss c h e m ew h i c hp a r t i a l l yo f f s e tt h ef l u xs i m u l a t i o nb i a s ( 3 ) s e n s i b l eh e a tf l u x s i m u l a t e db ya t m o s p h e r i cm o d e l si sh i g h e rt h a no a f l u x a m o n gt h e m ，t h es u m m e r h e m i s p h e r eh i g hl a t i t u d eo c e a na r e a sf o rt h en e g a t i v es e n s i b l eh e a tf l u x ，i nw h i c h o c e a ng e te n e r g yf r o mt h ea t m o s p h e r e ，t h eg i s s - e rc a nn o td e s c r i b et h i s p h e n o m e n o n k e y w o r d s ： a t m o s p h e r i cg e n e r a l c i r c u l a t i o n m o d e l a i r - s e af l u x p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ，g l ls c h e m e i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 越钮。盏 日 期： 边f ! ： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 螂弦： 日期：21 ： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 占地球表面积三分之二以上的海洋是大气最重要的热源和水汽源，大量的观 测事实和理论研究证明，海洋在几乎所有时间尺度的气候变化中起重要作用( 缪 启龙等，1 9 9 5 ) 。大气和海洋界面的物理过程决定了海气界面的动量、热量、 水汽和物质通量。在近代大气环流和气候研究中，海面通量是重要的方面，它 对研究气候变化成因和进行气候预测起很大的作用( 赵鸣，2 0 0 0 ) 。海洋和大 气间相互影响、相互作用的最初进程都是由海一气界面通量交换来实现的，一 方面，海洋作为大气的下垫面，通过感热、潜热交换过程影响大气边界层、提 供水汽输送，进而影响大气环流；另一方面，海水运动的大部分驱动力也来自 海气界面处的通量交换，海气界面处的感热通量、潜热通量以及辐射通量是影 响海洋上混合层乃至季节温跃层变化的重要因子；而动量通量则是海流、海浪 的动力来源。 近几十年来，海洋对于气候的作用已经逐渐为气象学家和海洋学家所重视， 许多国家进行了海洋边界层、海气通量和海洋气溶胶等方面的研究工作。从8 0 年代开始，研究海洋与气候关系的论文已经注意分析研究海洋与大气相互作用 的物理过程( 刘家铭，1 9 8 5 ；黄荣辉和李维京，1 9 8 8 ；金飞飞和朱抱真，1 9 8 8 ；巢 纪平和张人禾，1 9 9 0 ；张学洪，1 9 9 0 ；黄真和陶诗言，1 9 9 2 ) 。随后，一些海气交 换与海气边界层的观测研究开始展开( g a oa n dz h o u ，1 9 8 8 ；沈志来等，1 9 8 8 ；曲 绍厚1 9 8 8 ；姚兰昌，1 9 9 1 ；洪延超等，1 9 9 1 ；魏重等，1 9 9 2 ) 。世界气候研究计 划提出的为期1 0 年的研究热带海洋和全球大气环流关系的国际合作计划 ( t o g a ) ，就是这领域内采取的一个重要战略步骤。t o g a 的一个重要研究 内容就是海气通量的测量计划( 程展和吴少华，1 9 9 6 ；陈涉，1 9 9 6 ；姚华栋等， 第章绪论 1 9 9 6 ；z e n g ，1 9 9 8 ；赵鸣和曾旭斌，1 9 9 9 ；王强和高会旺，2 0 0 3o 此外，国际 上许多大气科学试验，如b o m e x ( 巴巴多斯海洋和气象实验) 、a m t e x ( 气 团变性实验) 、a t e x ( 大西洋季风试验) 都把海气通量观测研究作为试验主要 内容。 1 2 近海层海气湍流通量算法研究现状 海气界面湍流通量目前主要通过近海层湍流通量参数化方案公式，利用海 气界面基本变量( 如气温、风速等) 来计算湍流通量。最基本的测量海气表面 湍流通量的方法有四种： ( 1 ) 涡动相关法( e d d yc o 玎e l a t i o nm e t h o d ) ；( 2 ) 惯性 耗散法( i n e r t i a ld i s s i p a t i o nm e t h o d ) ；( 3 ) 廓线法( p r o f i l em e t h o d )( 4 ) 总体空 气动力学方法( b u l ka e r o d y n a m i cm e t h o d ) 。其中只有涡动相关法是最直接的测量 湍流通量的方法。下面分别做简要介绍： ( 1 ) 涡动相关法 涡动相关法是依据通量定义直接测量气象要素的湍流脉动量，计算其二阶矩 而得出其通量值，从而被认为是最可靠的方法。但由于测量湍流脉动值对仪器 精度要求很高，需要昂贵的高速响应探头，并且仪器必须安装在坚固、细长、 稳定的平台结构上，以避免海浪激起的海水污染而影响了精度，以及由于支撑 结构造成的流的歪曲。因此，只有专门设计的船只，浮标和飞机才能采用涡动 相关法。 另一方面由于这样的资料不是全球性的，所以涡动相关法失去了普遍应用的 价值，c h o u ( 1 9 9 3 ) 、d o n e l a ne ta 1 ( 1 9 9 3 ) 、j a n s s e n ( 1 9 9 7 ) 等对其均有论 述。 ( 2 ) 惯性耗散法 惯性耗散法是假设平均流剪切产生的湍动能与湍耗散率相平衡而计算的。惯 性耗散法的优点是测量很简单，只要根据风和温度谱计算出高频惯性区域的湍 能耗散率即可。惯性耗散法适用于移动的平台，如飞机或船只，也是比较普通 2 第一章绪论 的方法。 详细可见文献s m i t h ( 1 9 8 0 ) 、b o u r a s s ae ta 1 ( 2 0 0 3 ) 以及d o b s o ne ta 1 ( 1 9 9 9 ) ( 3 ) 廓线法 用对数廓线方程的最小二乘逼近实测风速廓线法，简称为对数廓线法或梯度 法。 此种方法只能在中性大气层结条件下，而且对风速、温度和湿度廓线的观 测质量要求很高。廓线法在近地层中性层结的气象要素研究中有很高的应用价 值，然而这种方法应用在海洋上结果并不理想。这主要是因为海面上通量梯度 比较小，而且在船舶上要想测得准确的气象要素的垂直梯度是很难的，且同时 受中性层结满足对数廓线的条件的局限( 徐静琦等，1 9 9 8 ) 。 ( 4 ) 整体空气动力学( 整体输送) 方法 整体输送法基于m o n i n o b u k h o v 相似理论( m o n i na n do b u k h o v ，1 9 5 4 ) 计算近 地层湍流通量。该方法仅需要常规气象和海洋资料就可以计算近地层湍流通量， 因而在大区域湍流通量研究和局域通量研究中通常采用这种方法。许多大气模 式和海气耦合模式也用到整体输送法，并且在应用过程中充分考虑了大气层结 对整体输送系数的影响。整体空气动力学方法计算湍流通量的关键在于：一， 整体湍流通量输送系数的参数化；二，近地层空气动力学粗糙度的参数化。 1 3 数值模式中近海层湍流通量算法 目前，世界上各数值模式所使用的湍流通量参数化方法主要可分为以下两 种：( 1 ) 通过观测提出普适函数，进而依据m o n i n o b u k h o v 相似理论( m o n i na n d o b u k h o v ，1 9 5 4 ) ，通过循环迭代求解湍流通量。该类方案是利用数学上的逐步逼 近求解，因此计算精度较高，但需循环迭代，耗费大量计算时间的特点也限制 了其在气候模式上的应用。获得公认的此类方法包括d y e r ( 1 9 7 4 ) 提出的不稳定 条件下普适函数，b e l j a a r sa n dh o l t s l a g ( 1 9 9 1 ) 提出的稳定条件下的普适函数，以 及h 6 9 s t r 6 m ( 1 9 9 6 ) 提出的不稳定条件下的普适函数。( 2 ) 直接对湍流通量整体输 第一章绪论 送系数进行参数化，避免了循环迭代求解湍流通量。这类方案所需c p u 时间较 少的特点使得其被广泛应用于各种气象及气候模式中，但由于其做了近似处理， 计算精度有所降低。该方法包括l o b o c k i ( 1 9 9 3 ) 方案、以及在s a m i l ( 周天军等， 2 0 0 5 ) 模式中应用的l o u i s 方案( l o u i s ，19 7 9 ；l o u i se ta 1 ，19 8 2 ) 。 气候和环境变化是气候系统5 大圈层( 气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈) 相互作用的结果。要真正掌握气候系统的变化规律，必须立足于研究大气海洋 陆地海冰之间复杂的相互作用，能够胜任此项研究工作的工具是耦合各圈层的 气候系统模式。在现阶段，海一陆气冰耦合的气候系统模式正成为研究当前气 候的特征和行为、了解其过去演变、预测其未来变异的不可替代的工具。世界 气候研究计划( w c r p ) 为推动气候模式的发展，在过去1 5 年中相继组织实施了 大气模式比较计；它l j ( a 1 v i i p ) 、海洋模式比较计划、陆面过程模式比较计划和耦合 模式比较计j z i j ( c m i p ) 等。在全球数值模式中，海气界面间垂直方向的湍流动 量、感热和潜热通量参数化是模式中物理过程参数化的一个重要部分( l o u i se t a 1 ，1 9 8 2 ) 。因此，当今各种气候模型的普遍应用，使得精确估算海一气界面湍 流通量，从而精确模拟海一气间的非线性耦合过程变得愈加重要( l e ee t a 1 ， 1 9 9 7 ) 。 1 4 研究的主要内容 s a m i l ( s p e c t r a la t m o s p h e r em o d e lo fi a pl a s g ) 模式是中国科学院大气物 理研究所发展的一套大气环流气候谱模式，该模式发展的初衷是为了针对东亚 区域的地形和气候特点，发展对东亚气候具有较好模拟能力的全球气候系统模 式。经过十余年的发展，该模式在对东亚气候的模拟上有了很大的提高，但仍 有不足，为了更好的发展我们国家具有自主知识产权的模式，本文引入一个新 的无需循环迭代的通量参数化方案g l l ( g a oe ta 1 ，s u b m i t t e d ) 方案来替换 s a m i l 中的海气通量子模块，通过分析新旧参数化方案对s a m i l 模拟结果的影 响，进一步地认识气候模式的输出结果对模式中海气界面通量参数化方案的敏 4 第一章绪论 感性，探索改进s m a i l 模式的方法。此外还将评估i p c ca r 4 中当前主要大气模 式对通量场的模拟性能，并讨论通量模拟的主要偏差区域和出现的问题。 参考文献 巢纪平，张人禾1 9 9 0 热带海气相互作用波及其不稳定性 j 】气象学报，4 8 ：4 6 5 4 陈涉1 9 9 6 t o g a c o a r ei o p 期间的海气通量贯彻结果 j 】地球物理学报，4 0 ( 6 ) ： 7 5 3 7 6 2 程展，吴少华1 9 9 6 近海区域海气温差对海气动量交换的影响【j 】海洋学报，1 8 ( 6 ) ：2 6 3 3 洪延超，黄美元，王昂生1 9 9 1 西太平洋热带海域秋冬积云对流输送的初步研究 j 】大气 科学，1 5 ：1 8 黄荣辉，李维京1 9 8 8 夏季热带西太平洋上空的热源异常对东亚上空副热带高压的影响及 其物理机制【j 】大气科学特刊( 1 9 8 2 1 9 8 8 ) ，1 0 7 11 6 黄真，陶诗言1 9 9 2 1 9 8 2 年夏季热带大气环流异常与e l n i n o 事件发展机制的探讨 j 大气 科学1 6 ：6 2 6 8 金飞飞，朱抱真，1 9 8 8 海气耦合非线性振荡与大气环流年变 j 大气科学，1 2 ：3 4 6 3 5 6 刘家铭1 9 8 5 热带太平洋异常暖水期的大尺度海洋大气相互作用 j 】大气科学，9 ：1 1 0 缪启龙，刘雅芳，周锁铨1 9 9 5 气候学 m 】北京，气象出版社 曲绍厚1 9 8 8 西太平洋热带海域动量，感热和潜热等湍流通量的观测研究 j 气象学报，4 6 ： 4 5 2 - 4 6 0 沈志来，黄美元，吴玉霞1 9 8 8 西太平洋热带海域雨水的化学组成 j 】大气科学特刊 ( 1 9 8 2 - 1 9 8 8 ) ，3 2 8 - 3 3 2 王强，高会旺2 0 0 3 青岛沿海风应力和海气交换研究 j 海洋科学进展，2 1 ( 1 ) ：1 2 1 9 魏重等1 9 9 2 西太平洋赤道海域上空可降水和云液态水的遥感分析 j 大气科学，1 6 ： 1 - 1 0 徐静琦，魏皓，顾海涛1 9 9 8 光滑海面上风、温、湿廓线的层结订正模式及海气整体交换 系数 j 】气象学报，5 6 ：l1 2 1 2 9 姚华栋，李骥，丁一汇1 9 9 6 t o g a c o a r ei o p 海表通量估算 j 】气象学报，5 4 ( 6 ) ： 6 9 3 7 0 8 姚兰昌1 9 9 1 1 9 8 2 年8 月一1 9 8 3 年7 月西太平洋及邻近地区的大气加热场特征 j 气象学 报，4 9 ：3 4 5 3 5 2 张学洪1 9 9 0 海洋在c 0 2 增暖事件中的作用 j 大气科学，1 4 ：4 9 0 - 4 9 6 赵鸣，曾旭斌1 9 9 9 热带西太平洋海面通量与气象要素关系的诊断分析 j 】热带气象学报， 1 5 ( 3 ) ：1 2 5 1 3 1 赵鸣2 0 0 0 关于海面湍流通量参数化的两种方案实验 j 气象科学，2 0 ( 3 ) ：3 1 7 3 2 5 周天军，宇如聪，王在志，等2 0 0 5 大气环流模式s a m i l 及其耦合模式f g o a l s s m 吴国雄亚洲季风区海陆- 气相互作用对我国气候变化的影响( 第四卷) 北京：气象出版 5 第一章绪论 社，2 8 8 p p b e l j a a r sacm ，h o l t s l a ga am 1 9 9 1 f l u xp a r a m e t e r i z a t i o no v e rl a n ds u r f a c e sf o r a t m o s p h e r i cm o d e l s j 】ja p p l m e t e o r ，3 0 ( 3 ) ：3 2 7 - 3 4 1 b o u r a s s am a e ta 1 2 0 0 3 s e aw i n d sv a l i d a t i o nw i t hr e s e a r c hv e s s e l s j j g e o p h y s r e s 。7 ： 4 5 5 2 c h o us h 1 9 9 3 ac o m p a r i s o no fa i r b o r n ee d d yc o r r e l a t i o na n db u l ka e r o d y n a m i cm e t h o d sf o r o c e a n a i rt u r b u l e n tf l u x e sd u r i n gc o l d a i r o u t b r e a k s b o u n d a r y - l a y e rm e t e o r o l o g y , 6 4 ： 7 5 1 0 0 d o b s o new r j e ta 1 19 9 9 s t o r mw i n ds t u d yi i ：o p e no c e a nw i n da n ds e as t a t e m e a s u r e m e n t s p r o c s y m p o nt h ew i n d d r i v e na i r - s e ai n t e r f a c e ： e l e c t r o m a g n e t i ca n d a c o u s t i cs e n s i n g ，w a v ed y n a m i c sa n dt u r b u l e n tf l u x e s ，m l b a n n e r , e d ，u n i v e r s i t yo fn e w s o u t hw a l e s ，2 9 5 2 9 6 d o n e l a nm e ta l 。19 9 3 o nt h ed e p e n d e n c eo fs e as u r f a c er o u g h n e s so nw a v ed e v e l o p m e n t j j p h y s o c e a n ，2 3 ：2 1 4 3 - 2 1 4 9 d y e ra j 1 9 7 4 ar e v i e wo f f l u x p r o f i l er e l a t i o n s h i p s j b o u n d 一l a y e rm e t e o r ，7 ( 3 ) ：3 6 3 3 7 2 g a od e n g y ia n dz h o ux i a o p i n g 19 8 8 ab r i e fd e s c r i p t i o no ft h ea t m o s p h e r i cp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea i r s e ai n t e r a c t i o n so v e rw e s t e r np a c i f i ct r o p i c a lo c e a na r e a 【c a n n u a l r e p o r t ，i n s t i t u t eo fa t m o s p h e f i cp h y s i c s ，a c a d e m i as i n i c a ，7 ：7 2 - 8 5 h 6 9 s t r 6 mu 19 9 6 r e v i e wo fs o m eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea t m o s p h e r i cs u r f a c el a y e r j b o u n d - l a y e rm e t e o r ，7 8 ( 3 ) ：2 1 5 2 4 6 j a n s s e nj a m ，19 8 3 d o e sw i n ds t r e s sd e p e n do ns e a - s t a t eo rn o tas t a t i s t i c a la n a l y s i so f h e x m a x d a t a j b o u n d a r y - l a y e rm e t e o r ，8 3 ：4 7 9 5 0 3 l e eh n 1 9 9 7 i m p r o v e m e n to fs u r f a c ef l u xc a l c u l a t i o n si nt h ea t m o s p h e r i cs u r f a c el a y e r 【j j a p p l m e t e o r ，3 6 ：1 4 1 6 1 4 2 3 l o b o c k il 19 9 3 ap r o c e d u r ef o rt h ed e r i v a t i o no fs u r f a c e - l a y e rb u l kr e l a t i o n s h i p sf r o m s i m p l i f i e ds e c o n d - o r d e rc l o s u r em o d e l s j 】j a p p l m e t e o r ，3 2 ：1 2 6 1 3 8 l o u i sjf 19 7 9 ap a r a m e t r i cm o d e lo fv e r t i c a le d d yf l u x e si nt h ea t m o s p h e r e j b o u n d - l a y e r m e t e o r ，17 ( 2 ) ：18 7 2 0 2 l o u i sjf ，t i e d t k em ，g e l e y njf 19 8 2 as h o r th i s t o r yo ft h eo p e r a t i o n a lp b l - p a r a m e t e r i z a t i o n a te c m w f c w o r k s h o po np l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e rp a r a m e t e r i z a t i o n ，s h i n f i e l dp a r l r e a d i n g ，b e r k s h i r e ，u ke u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u mr a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ，5 9 - 7 9 m o n i nas ，o b u k h o vam 19 5 4 b a s i cr e g u l a r i t yi nt u r b u l e n tm i x i n gi ns u r f a c el a y e ro ft h e a t m o s p h e r e j a k a d n a u ks s s rg e o f i z i n s t ，2 4 ：16 3 18 7 s m i t hs d 19 8 0 w i l l ds t r e s sa n dh e a tf l u xo v e rt h eo c e a ni ng a l ef o r c ew i n d s j j p h ) ，s o c e a n ，1 0 ：7 0 9 7 2 6 z e n gx 19 9 8 c o m p a r i s o no f b u l ka e r o d y n a m i ca l g o r i t h m sf o rt h ec o m p u t a t i o no fs e as u r f a c e f l u x e su s i n gt h et o g ac o a r ea n dt a od a t a j j c l i m 1 1 ：2 6 2 8 - 2 6 4 4 6 第二章近海层湍流通量参数化 第二章近海层湍流通量参数化 2 1 引言 近海层湍流通量参数化的关键在于对整体输送系数进行合理参数化，而依据 m o n i n o b u k h o v 相似理论，以及所给出的近地层风速、温度和湿度廓线，即可通 过循环迭代的方法得到湍流通量输送系数。对风速、温度和湿度廓线表达式中 的稳定度普适函数y 小丸印( f ) 具体形式的确定成了近几十年来的研究重点，国内 外研究者也对此进行了大量近地层外场的试验研究，并得出大量梯度普适函数 y 。 。( f ) 的半经验关系。在这些稳定度修正函数中，应用最广泛的是 b u s i n g e r ( 1 9 7 1 ) 和d y e r ( 1 9 7 4 ) 等人的工作，其表现形式为： l y 。= ( 1 一彳。f ) 4 ，当f 0 y 。( f ) = r ( 1 一彳 f ) 2 ，当f 0 在这之后，b e l j a a r sa n dh o l t s l a g ( 1 9 9 1 ) 提出的稳定条件下的普适函数， h 6 9 s t r 6 m ( 1 9 9 6 ) 提出的不稳定条件下的普适函数，也获得了公认。 l o u i s 于1 9 7 9 年指出，在数值预报模式中利用迭代方法来求解整体输送系 数的方法需要大量的计算时间，因此有必要尽可能简单的参数化所有的物理过 程。l o u i s ( 1 9 7 9 ) 以b u s i n g e r ( 1 9 7 1 ) 等给出的稳定度修正函数得到的迭代结 果为参考，给出了湍流通量输送系数仅仅依赖于下垫面粗糙度和整体理查逊数 的计算公式，这样，即有效避免了通过循环迭代求解稳定度参数进而求解湍流 通量输送系数的过程，有效的节省计算机时间。此后，l o u i se ta 1 于1 9 8 2 年在 第二章近海层湍流通量参数化 数值模拟的基础上，对1 9 7 9 年方案做了进一步修正。l o u i s ( 1 9 7 9 ) 和l o u i se t a l ( 1 9 8 2 ) 所给出的计算公式因简单且无需循环迭代的特点而被广泛的应用于气 象模式中( w a n ge ta 1 ，2 0 0 2 ) ，包括美国海军全球和区域模式以及欧洲中心中 尺度天气预报g c m 模式等( m i l l e r e ta 1 ，1 9 9 2 ) 。但是，l o u i s ( 1 9 7 9 ) 和l o u i s 等( 1 9 8 2 ) 所给出的参数化方案存在一个最大的不足，该方案中假设下垫面热力粗糙度磊。 和空气动力粗糙度z 。相等，但实际情况并非如此。 另一种避免循环迭代的方法是寻求稳定度参数f 与整体理查逊数尺；。之间 的近似函数关系，其中最具代表性的工作是l a u n i a i n e n ( 1 9 9 5 ) 提出的适用于一 定的动力粗糙度与热力粗糙度比值范围内的f 与r 氓之间的计算关系。此外，高 志球等人( g a oe ta 1 ，2 0 0 6 ；胡艳冰等，2 0 0 6 ；李煜斌等，2 0 0 9 ) 在l o u i s ( 1 9 7 9 ) 、 l o u i se ta 1 ( 1 9 8 2 ) 和l a u n i a i n e n ( 1 9 9 5 ) 研究的基础之上，尝试发展了一套兼顾模 式计算时间以及计算精度的新型参数化方案g l l 方案。 国内外学者对湍流通量参数化方案进行了大量的研究，迄今为止，在世界 上主要的气候模式中，仍然采用的是需要循环迭代的方案，探索将非循环迭代， 但同时又能保证计算精度的参数化方案引入到模式中就成为了一个科学难题。 s a m i l 模式采用的近海层湍流通量参数化方案是l o u i s ( 1 9 7 9 ) 方案，由于该方案 假设动力粗糙度与热力粗糙度相等，因此可能会影响模式在计算湍流通量上的 精度。为了进一步提高s a m i l 的模拟效率，首先独立于模式之外，我们利用相 同的实验观测数据，对从s a m i l 模式中独立出来的l o u i s 方案和新发展的g l l 方案进行测试，分析g l l 方案的可行性和计算精度。 2 2 两种近海层湍流通量参数化方案 2 2 1l o u i s 7 9 方案 s a m i l 模式中的湍流通量参数化方案主要采用l o u i s ( 1 9 7 9 ) 的湍流通量非 第二章近海层湍流通量参数化 循环迭代算法，直接对整体输送系数进行参数化，海面风应力、感热通量和潜 热通量表示为： l f = p a u ；= 成巳u 2 ， h = 一p a c p u 良= 一p a c p c 月, u a o ， l 三= 一p 。l 。u 。q 。= 一p a l e c e u a q ， 其中，成是空气密度，且成5 惫，p a 、乃分别为气压和温度，只是干空气 比气体常数。地、0 。、q 。分别是近地层摩擦速度、特征温度和特征比湿。c d 、 c 日、g 分别为动量、热量、水汽整体输送系数。u = “：+ v ：，、屹分别 代表水平经向、纬向风速分量。c p 是空气定压比热。位温差口= 眈一乃，眈是 观测高度空气位温，互是海表温度。t 是水汽相变潜热。比湿差卸= q 。一q 。， 吼是观测高度空气比湿，q 。是在海表温度下的饱和空气比湿。 整体输送系数计算公式： 不稳定条件下： 稳定条件下： c m = c m n 冗( r i b ，z z o ) ， c h = f h ( r i b ，z z o h ) ， = 高， c 删= 面丽k 面2 丽 民- 1 - 芈， 1 + 2 施2 c b l 吒= 1 9 第二章近海层湍流通量参数化 r = ( 志) 2 ， 日= ( 志) 2 其中，k 为v o nk a m a n 常数，z o 为空气动力粗糙度，z 0 为热力粗糙度，l o u i s 方案中取z o = z o 。z 为测量高度，尺为整体理查森数，钆b ，c 为系数