（气象学专业论文）cam3模式海气湍流通量参数化的改进及其在气候模拟中的应用.pdf

c a m 3 模式海气湍流通量参数化的改进及其 在气候模拟中的应用 摘要 本文通过对流性阵风参数化方法，在c a m 3 原有海气湍流通量参数化方案 ( c a m 3 方案) 中引入边界层自由对流和降水深对流对海表湍流通量的贡献，改 进了c a m 3 模式的海气湍流通量参数化方案( c a m 3m e 方案，简称m e 方案) 。 在此基础上，利用观测的海温积分改进的c a m 3 模式，分析改进后的模式对冬、 夏季大气环流和气候异常的模拟性能。此外，本文也分析了改进后的c a m 3 模 式对于厄尔尼诺事件引起的北半球大气环流变化的模拟能力，得到以下的主要结 论： ( 1 ) 采用对流性阵风参数化方法，引入中尺度对流运动( 边界层自由对流 和降水深对流) 对海表湍流通量的影响，改进了c a m 3 模式的海气湍流通量参 数化方案( c a m 3m e 方案) 。 ( 2 ) 进行了c a m 3 模式对海表湍流通量中尺度加强效应的敏感性试验，结 果表明：采用改进的海气湍流通量参数化m e 方案，模式模拟的海表潜热通量比 c a m 3 方案更接近e r a 4 0 再分析资料。在冬季北太平洋黑潮续流区m e 方案模 拟的潜热通量与e r a 4 0 再分析资料的偏差为2w m 2 ，而c a m 3 方案模拟值与 e r a 4 0 再分析资料的偏差为3 3w m 2 。夏季印度洋及西太平洋地区m e 方案模 拟的潜热通量与e r a 4 0 再分析资料的偏差比c a m 3 方案小1 0 - 2 0w m 2 。 ( 3 ) m e 方案模拟结果表明：冬季，模式模拟的冬季热带西南太平洋、黑 潮流域、北太平洋中纬度地区和东北太平洋海表潜热通量年际变化比c a m 3 方 案有明显改进；夏季，模式对夏季澳大利亚南侧海域海表潜热通量年际变化的模 拟能力比c a m 3 方案有提高。 ( 4 ) m e 方案模拟的冬季热带地区和北太平洋大气环流异常年际变化有明 显改善。m e 方案模拟的冬季阿留申低压和北太平洋副热带高压异常与e r a 4 0 再分析资料的相关系数分别为o 5 6 4 和0 4 7 5 ，而c a m 3 方案模拟的结果与后者 的相关系数仅分别为0 0 2 和o 2 3 7 。m e 方案模拟的冬季5 0 0 h p a p n a 遥相关型年 际变化优于c a m 3 方案，前者与e r a 4 0 再分析资料的相关系数为0 7 9 1 ，后者 与e r a 4 0 再分析资料的相关系数仅为0 4 3 6 。m e 方案模拟的冬季北美地区以及 北大西洋和北太平洋的两支暖流区风场与e r a 4 0 再分析资料的相关系数高于 o 5 ，而c a m 3 方案模拟的上述区域冬季风场与e r a 4 0 再分析资料的相关系数低 于o 3 。 ( 5 ) m e 方案模拟的夏季热带地区和南太平洋大气环流异常年际变化有明 显提高。m e 方案模拟的东亚夏季风和南极涛动年际变化好于c a m 3 方案，前者 模拟的东亚夏季风指数和南极涛动指数与e r a 4 0 再分析资料的相关系数分别为 0 3 9 5 和0 4 2 8 ，而后者模拟的结果与观测结果的相关系数为0 0 9 3 和0 0 7 8 。m e 方案模拟的夏季马斯克林高压和澳大利亚高压异常年际变化与e r a 4 0 再分析资 料的相关系数分别为0 3 6 4 和o 3 8 5 ，而c a m 3 方案的模拟结果与e r a 4 0 再分析 资料的相关系数为0 2 3 6 和o 0 6 2 。此外，m e 方案可以更好地模拟出南太平洋极 区西风急流异常的年际变化。 ( 6 ) m e 方案模拟的冬季热带西南太平洋和热带大西洋降水距平的年际变 化比c a m 3 方案有改善，更接近c m a p 资料。m e 方案模拟的冬季热带西南太 平洋和热带大西洋的降水距平与c m a p 资料的相关系数分别为0 5 7 8 和0 6 6 5 ， 而c a m 3 方案模拟的上述区域冬季降水与c m a p 的相关系数仅分别为o 3 2 0 和 0 4 2 8 。m e 方案模拟的夏季热带西南太平洋降水异常年际变化明显比c a m 3 方 案更接近c m a p 资料，c a m 3 方案和m e 方案模拟的该区域降水异常与c m a p 资料的相关系数分别为0 1 2 4 和0 4 3 8 。 ( 7 ) m e 方案可以更好地模拟出强厄尔尼诺年( 1 9 8 2 1 9 8 3 、1 9 8 6 1 9 8 7 、 1 9 8 7 1 9 8 8 、1 9 9 1 1 9 9 2 和1 9 9 7 1 9 9 8 年) 冬季北太平洋和北美大气环流异常和气 候异常。强厄尔尼诺年冬季合成的阿留申低压s l p 距平在e r a 4 0 再分析资料、 c a m 3 方案和m e 方案模拟的结果中分别为7 h p a 、3 h p a 和9 h p a 。观测的n i n 0 3 4 区海温与e r a 4 0 再分析资料中5 0 0 h p a 上p n a 遥相关指数的相关系数为o 5 5 5 ， 与c a m 3 方案和m e 方案模拟的p n a 遥相关指数的相关系数分别为0 3 5 5 和 0 6 6 0 。此外，观测分析和m e 方案模拟结果均显示，强厄尔尼诺年冬季北美南 部和北部有明显的气温异常变化，北部气温可上升3 左右，南部气温可下降1 左右，但c a m 3 方案却没有模拟出这种变温分布。 关键词：c a m 3 模式；海气湍流通量参数化；气候模拟 i m p r o v e m e n t o fs e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e sp a r a m e t e r i z a t i o n s c h e m ei nc a m 3a n di t si m p a c to nc l i m a t es i m u l a t i o n a bs t r a c t t h ep a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m eo fs e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e si nc a m 3 ( c o m m u n i t ya t m o s p h e r em o d e lv e r s i o n3 ) i si m p r o v e db yt h ep a r a m e t e r i z a t i o nf o r w i n dg u s t i n e s s ，w h i c hc o n s i d e r st h ec o n t r i b u t i o nt os e as u r f a c ef l u x e sb yb o u n d a r y f l e ec o n v e c t i v ea n dp r e c i p i t a t i o nc o n v e c t i v e b a s e do nt h ei m p r o v e dc a m 3 ，t h e s i m u l a t i o no fg e n e r a n lc i c u l a t i o na n dc l i m a t ei sa n a l y s e d f u r t h e r l y , t h es i m u l a t i o no f b o r e a lc l i m a t i cc h a n g ec a u s i n gb ye ln i f i oe v e n t si ss t u d i e d m a i nr e s u l t sa reg i v e na s f o l l o w s ： ( 1 ) b ym e a n so ft h ep a r a m e t e r i z a t i o no fc o n v e c t i v eg u s t i n e s s ，t h em e s o s c a l e e n h a n c e m e n to fs u r f a c ef l u x e si si n c l u d e di nc a m 3 ，t h u s ，t h ep a r a m e t e r i z a t i o n s c h e m eo fs e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e si nc a m 3i s i m p r o v e d t h ei m p r o v e d p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m ei sn a m e dc a m 3m e ( m e s o s c a l ee n h a n c e m e n t ) s c h e m e ( 2 ) t h es e n s i t i v i t yo fc a m 3m o d e lt ot h ep a r a m e t e r i z a t i o no fm e s o s c a l e e n h a n g c e m e n to fs e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e ss h o w e st h a t ：t h es i m u l a t i o no fs e a s u r f a c e sl a t e n tf l u x e si sm o r er e a s o n a b l ei ni m p r o v e dm o d e lt h a no r i g i n a lo n e c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lm o d e l ，t h ea b s o l u t ee r r o r so f t h es e as u r f a c el a t e n tf l u x e si n k u r o s h i oe x t e n s i o nr e g i o ni nw i n t e ro ft h ei m p r o v e dm o d e li s31w m 2l e s s ，a n d 10 - - - 2 0w m 2l e s si ni n d i ao c e a na n dw e s t e r np a c i f i ci ns u m m e r ( 3 ) t h ec a m 3m e s c h e m eh a sb e r e r p e r f o r m a n c ei ns i m u l a t i n gt h ei n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t y ofs e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e so v e rt r o p i c a ls o u t h e r nw e s tp a c i f i c ， k u r o s h i oc u r r e n t ，m i d l a t i t u d en o r t hp a i c i f i ca n de a s t e r nn o r t hp a i c i f i ci nw i n t e ra n d s o u t ht oa u s t r a l i ai ns u m m e r ( 4 ) t h ec a m 3m es c h e m es i m u l a t e st h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h ew i n t e r g e n e r a lc i r c u l a t i o n m o r er e a s o n a b l et h a nt h eo r i g i n a ls c h e m e t h ec o r r e l a t i o n i i l c o e f f i c e n t so ft h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo fa l e u t i n el o wi nt h ee r a 4 0d a t aa n dt h a t i nt h ec a m 3m es c h e m ei s0 5 6 4 ；i ti s0 0 2i nt h ee r a 4 0a n di nt h ec a m 3s c h e m e t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo fs u b t r o p i c a lh i g h i n n o r t h e r np a c i f i ci nt h ee r a 4 0d a t aa n dt h a ti nt h ec a m 3m es c h e m ei s0 4 7 5 ；i n c o n t r a s t ，i ti s0 2 3 7b e t w e e nt h a ti nt h ee 凡0d a t aa n di nt h ec a m 3s c h e m e t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h ei n d e xo fp n at e l e c o n n e c t i o ni nt h ee r a 4 0d a t aa n dt h a t i nt h ec a m 3m es c h e m ei s0 7 91 ，w h i l ei ti so n l y0 4 3 6b e t w e e nt h a ti nt h ee r a 4 0 d a t aa n dt h a ti nt h ec a m 3s c h e m e t h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo fw i n df i e l d so v e r n o r t ha m e r i c aa n dw a r mc u r r e n t so fn o r t hp a c i f i ca n dn o r t ha t l , a t i ci sb e t t e r s i m u l a t e db yt h ei m p r o v e ds c h e m e t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h ei n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t yo f w i n df i e l d s o v e rt h ea b o v er e g i o ni nt h ee r a 4 0d a t aa n dt h a ti nt h e i m p r o v e ds c h e m ei sa l m o s t l yo 5 ，b u tt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so f t h a ti nt h ee r a 4 0 d a t aa n di nt h eo r i g i n a ls h e m ei sl e s st h a n0 3 ( 5 ) t h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h eg e n e r a lc i r c u l a t i o no v e rt h et r o p i c a la n d s o u t h e r np a c i f i ci sb e t t e rs i m u l a t e db yt h ec a m 3m es c h e m e t h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c e n t so ft h ei n d e xo fe a s ta s i a nm o n s o o ni nt h ee r a 4 0d a t aa n dt h a ti nc a m 3 m es c h e m ei s0 3 9 5 y e ti ti s - 0 0 9 3o ft h a ti nt h ee r a 4 0d a t aa n di nt h ec a m 3 s c h e m e a l s ot h ei n d e xo fa n t a r t i co s c i l l a t i o n ( a a o i ) i sb e t t e r ns i m u l a t e db yt h e i m p r o v e ds c h e m e ，w i t ht h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h ea a o ii nt h ee r a 4 0d a t a a n di nt h ei m p r o v e ds c h e m ei so 4 2 8 a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h ea a o ii n t h ee r a 4 0d a t aa n dt h eo r i g i n a ls c h e m er e s u l t si s0 0 7 8 f u r t h m o r e t h es i m u l a t i o no f i n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo fs u b t r o p i c a lh i g ha n dw e s t e mj e t so v e rs o u t h e r np a c i f i ci s a l s om o r er e a s o n a lt h a nt h eo r i g i n a ls c h e m e ( 6 ) 1 1 l ec a m 3m es c h e m es i m u l a t e st h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h ew i n t e r p r e c i p i t a t i o no v e rt r o p i c a ls o u r t h e r nw e s tp a c i f i c ( t w s p ) a n dt r o p i c a la t l a n t i c ( t a ) m o r er e a s o n a b l et h a nt h ec a m 3s c h e m e t h ec o r r e l a t i o nc o e m c e n t so fw i n t e r p r e c i p i t a t i o no v e rt w s p ( t a ) a r e a s i nt h ec m a pd a t aa n di ni m p r o v e ds c h e m ei s 0 5 7 8 ( 0 6 6 5 ) ，w h i l ei ti s0 3 2 0 ( 0 4 2 8 ) i nt h ec m a pd a t aa n di nt h eo r i g n a lo n e t h e i n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h es u m m e rp r e c i p i t a t i o no v e rt w s ps i m u l a t e db yt h e i m p r o v e ds c h e m ei sm o r ec l o s e l yt ot h ec m a pd a t a ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so f i v s u m l t l e rp r e c i p i t a t i o no v e rt w s pi nt h ei m p r o v e ds c h e m ea n di nt h ec m a pd a t ai s 0 4 38 y e ti ti s0 12 4i nt h eo r i g i n a ls c h e m ea n di nt h ec l 廿d a t a ( 7 ) t h ec a m 3m es c h e m eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei ns i m u l a t i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne 1n i f i oa n dn o a hp a c i f i c n o r t ha m e r i c ac l i m a t e t h ec o m p o s i t es e al e v e l p r e s s u r ea n o m a l y ( s l p a ) o fa l u e t i n el o wi s 一7 l 巾ai ne r a 4 0d a t ai ns t r o n ge 1n i f i o y e a r s ( 19 8 2 ，19 8 6 ，1 9 8 7 ，19 91 a n d19 9 7 ) ，i ti s - 9 h p a i ni m p r o v e dm o d e ls i m u l a t i o n , b u ti ti so n l y - 3 h p ai nt h eo r i g i n a lm o d e lr e s u l t s t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so ft h e i n d e xo fo b s e r v a t i o n a ln i n 0 3 4s s t aa n dt h ei n d e xo f5 0 0 h p ap n at e l e c o n n e c t i o no f t h ee r a 4 0d a t ai so 5 5 5 b u tt h eo r i g i n a ls c h e m ef a i l st os i m u l a t i o nt h ec l o s e l y r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en i n 0 3 4s s t aa n d5 0 0 h p ap n at e l e c o n n e c t i o n , w i t ht h e c o r r e l a t i o nc o e 伍c e n t so ft h en i n 0 3 4s s t aa n dt h ei n d e xo f5 0 0 h p ap n a t e l e c o n n e c t i o ni so n l y0 3 5 5 t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c e n t so f t h ei n d e xo fo b s e r v a t i o n a l n i n 0 3 4s s t aa n dt h ei n d e xo f5 0 0 h p ap n at e l e c o n n e c t i o no ft h ei m p r o v e ds c h e m e i s0 6 6 0 t h ei m p r o v e dm o d e ls i m u l a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne ln 硒a n dc l i m a t e c h a n g e so v e rn o r t h e r na m e r i c am u c hb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a lo n e t 1 1 ec o m p o s i t e l0 0 0 h p aa i rt e m p e r a t u r ea n o m a l yi s3 a b o v ez e r oi nn o r t ha n da n dl b e l o wz e r o i ns o u t ho fn o r t ha m e r i c ai ne r a 4 0d a t aa n di ni m p r o v e dm o d e ls i m u l a t i o n , b u tt h e a i rt e m p e r a t u r ea n o m a l yi sn o tw e l ls i m u l a t e di nt h eo r i g i n a lm o d e lr e s u l t s k e yw o r d s ：c a m 3m o d e l ；s e as u r f a c et u r b u l e n tf l u x e sp a r a m e t e r i z a t i o n ；c l i m a t e s i m u l a t i o n 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：茎遵鱼 日期：翌! 垦：! ：芏 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：圭型氐 日期： 砭童：芏：! 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 海一气界面的通量交换过程是气候系统各圈层相互作用的主要过程之一，它 反映了海洋与大气之间相互联系与反馈机制；海一气界面的通量交换强烈地影响 着上层海洋结构及大气边界层结构，进而影响大气环流和海洋环流，造成不同尺 度的气候变化。因此，确定海气界面通量在研究海气相互作用中具有非常重要 的意义，受到了海洋界和气象界的普遍重视。 随着气候变化研究特别是气候数值模式的发展，作为关键参数之一“海一气 界面通量”的观测研究越来越受重视。国际上许多海洋大气科学试验，如巴巴多 斯海洋和气象试验、气团变性试验、大西洋季风试验、全球大气大西洋热带试验、 热带海洋和全球大气试验、海气交换过程试验、印度季风试验、风暴移动和响应 试验、锋面和大西洋风暴路径试验、孟加拉湾联合海一气相互作用试验、夸贾林 环礁试验、耦合边界层海一气输送试验、上层海洋和低层大气研究等都把海气通 量观测研究作为其主要内容。目前正在推行的三大海洋计划即“全球大洋通量联 合研究”、“全球海洋生态系统动力学研究”、“海岸带陆海相互作用研究”亦把海 气通量的观测研究置于特别显要的位置【l 5 】。通过海一气通量观测试验，对通量 参数化方案的不断改进，产生了如e c m w f ( e u r o p e a nc e n t e rf o rm e d i u m - r a n g e w e a t h e rf o r e c a s t s ) 再分析资料和n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o m e n t a l p r e d i c t i o n ) 再分析资料等1 0 多个通量产品数据集【6 1 1 1 。目前，s e a f l u x 计划正 在对各种通量产品进行详细的对比分析，以期建立一套基于卫星资料的高分辨率 的全球海一气界面湍流通型1 2 j 。 众所周知，海气相互作用在地球气候系统中，尤其在热带海洋，起着关键的 作用。热带地区海表温度变化具有明显的年际差异，而该处海温与降水变化对热 带及热带外气候有重要意义f l3 1 。海表温度变化调节着海面上的对流活动，并通 过水汽蒸发等过程对大气环流的非绝热加热产生影响【l4 1 。大气对下垫面的s s t 扰动非常敏感，而大气模式对s s t 变化的响应也依赖于海一气通量的准确描述 1 5 - 1 7 。由于海一气界面的热量、水汽、动量和辐射通量的计算结果具有不确定性， 第一章绪论 所以使得大气环流模式和海气耦合模式的模拟能力受到明显的制约1 8 19 1 。大气环 流模式模拟的海表通量通常存在系统性偏差f 2 0 】，而海气耦合气候模式模拟结果 的偏差更严重【2 1 1 ，因此一些耦合模式中对海表通量采取了通量订正的做法【2 2 1 。 总之，准确计算海气界面的感热、潜热通量及动量通量( 或风应力) ，对于理 解海气相互作用、驱动海洋模式、评价数值预报模式和海气耦合模式都是非常重 要的【1 7 】。 第二节海一气湍流通量参数化研究的进展 2 1 海一气湍流通量参数化 海一气界面的湍流通量计算一般有两种方法【2 3 】：一种是直接算法( 直接算 法又可分为：涡动相关法或惯性耗散法) ，即由快速反应传感器测量脉动 风速、温度和湿度，由这些脉动量直接计算通量，该方法精度很高。但是这种方 法所需的仪器是复杂的、精密的和昂贵的，而且感应头过于灵敏，极易受昆虫、 降水、支架晃动等影响产生观测误差。该方法被广泛运用于观测塔、船舶等观测 场的湍流通量估计【2 6 。3 2 】。另一种是间接算法( 如整体通量算法【3 3 1 等) ，它是用 慢速反应( 平均值) 传感器测量平均廓线，然后利用通量一廓线关系式间接计算感 热、潜热和动量通量等。此方法观测仪器价格低，且可使用常规海洋气象要素进 行计算，因此是现代大气模式中计算湍流通量的基础【3 4 1 。以上两种方法主要用 于特定海域观测的海表湍流通量的计算中。大气环流模式和大尺度的数值预报所 考虑的模式是全球性的大尺度问题，在这些大尺度问题中，边界层内的湍流交换 过程是小尺度的。为了将这些小尺度过程引入大尺度模式，一般是将边界层的影 响用大尺度模式中使用的参数，也就是大尺度模式所要计算的变量表示出来而引 入大尺度模式。 大尺度数值模式中，由于受到气象要素时空分辨率的制约，所以通常根据整 体空气动力学方法，利用模式最底层的风速、温度、湿度以及海面温度等海气界 面环境变量，计算海气界面的感热、潜热和动量通量，即 t = p “? = p g , u 2 ， 2 第一章绪论 h = 一p c s h 婶，一9 湘， e = 一p t q ( g 。一g ，) 【，。 其中：日为感热通量，e 为潜热通量，f 为由上向下的动量通量，丘为蒸发潜 热，p 、u 、眈和吼为模式最底层空气密度、风速、位温和比湿，见和吼为海 表面温度t 的位温和饱和比湿，c 。为空气定压比热。c d 、o 、q 是动量、感 热和潜热通量的整体交换系数，依赖于大气稳定度和动量、热量以及水汽粗糙度 长度。 在近地层m o n i n o b u k h o v 相似理论【3 5 】的基础上，过去几十年中许多不同的 研究机构和组织发展了各自的海气湍流通量参数化方案3 6 4 。这些海气湍流通量 参数化方案通常包括4 个方面：( 1 ) 海水盐度对海表面饱和比湿( 或饱和水汽 压) 的影响；( 2 ) 通量与海表风速、湿度和温度垂直梯度的函数关系，即通量 一廓线( 或通量一梯度) 关系；( 3 ) 动量、水汽和热量粗糙度长度；( 4 ) 中尺 度对流运动对海表湍流通量的影响。 考虑到海水盐度( 平均约3 4 ) 的影响1 4 2 】，海表饱和比湿通常表示为 q 。= 0 9 8 q 。，( t 3 。z e n g 等3 9 1 ( 1 9 9 8 ) 研究指出，若不考虑海水盐度对海面饱和 水汽压2 的减少效应，将导致强风速时计算的潜热通量比观测资料明显偏大， 例如n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r m i o n ) g o e s 1 ( g o d d a r d e a r t ho b s e r v i n gs y s t e mr e a n a l y s i sv e r s i o n1 ) 方案m 3 】在1 4 m s 风速时计算的潜热 通量超过t o g a ( t r o p i c a lo c e a n s g l o b a la t m o s p h e r e ) t a o ( t r o p i c a l a t m o s p h e r e o c e a n ) 观测资料2 0 。目前大多数海表湍流通量参数化方案都采纳 了海水盐度对海表面饱和比湿( 或饱和水汽压) 减少2 的订正方法，例如c a m 3 方案h 4 】等即是如此。 现在的通量一廓线( 或通量一梯度) 关系有几种不同形式，且计算方法也不 尽相同。b u s i n g e r 等【4 5 1 首先利用1 9 6 8 年美国k a n s a s 试验资料具体给出了近地层 的热量、动量通量与风速、温度等垂直梯度的普适函数关系。1 9 7 4 年d y e r 对 b u s i n g e r 等提出的普适函数进行了修j 下【4 6 1 。b u s i n g e r d y e r 通量一梯度关系式为 一般大气层结条件下近地层湍流通量与风速、温度和湿度垂直梯度的关系式，该 第一章绪论 关系式已得到了广泛的应用，例如c a m 3 模式中就采取了b u s i n g e r - d y e r 通量一 梯度关系式。还有一些学者提出了非常稳定大气层结条件1 4 7 1 和非常不稳定大气 层结条件【4 8 1 下的通量一梯度关系式。运用此类关系式计算海表湍流通量需要通 过迭代方法来实现。l o u i s 于1 9 7 9 年提出利用整体r i c h a r d s o n 数与大气层结稳定 度参数的关系，采取直接对湍流整体交换系数进行参数化的办法来计算海表湍流 通量【4 9 1 ，之后l o u i s 等刚和w a n g 等又对该方法做了进一步的修改。此类方法 建立的湍流通量参数化方案，其特点是计算公式简单，无需通过循环迭代来计算 海表湍流通量【5 2 】。 m o n i n o b u k h o v 相似理论很好地描述了海表湍流通量对大气层结稳定度的 依赖关系。然而，如何精确地确定海面空气动力粗糙度至今仍然是研究难剧5 3 j ， 不同湍流通量参数化方案所选取的海面空气动力粗糙度存在明显的差异。海气湍 流通量参数化中粗糙度一般考虑为海表面风速或摩擦速度的函数，但热量、水汽 和风速的粗糙度表达式并不相同。也有一些海气湍流通量参数化方案具体考虑了 粗糙度与海浪、波陡、波龄和摩擦速度等的关系，例如c o a r e 3 0 方案【4 1 1 。至 今还没有一个明确、普遍适用于各个海域的海面空气动力粗糙度表达式。z e n g 等【3 9 1 和b r u n k e 等仔细介绍了目前常用的几种海气湍流通量参数化方案中海面 空气动力粗糙度的表达式及其区别。 中尺度对流运动引起局地海表湍流通量增加的物理过程早就为人们所认识。 研究表吲1 8 1 ，风速低于3m s 时，海一气界面湍流通量交换主要取决于对流运动。 根据t o g a 浮标观测资料，e s b e n s e n 和m c p h a d e n 【5 4 】发现，中尺度对流运动引起 的水汽蒸发量可以占到总蒸发量的3 0 。l e i d v i n a 等【5 5 】对边界层观测资料的统计 分析发现，中尺度对流运动引起的月平均的海面湍流通量约占总量的1 0 ；在赤 道西太平洋暖池和其他主要降水带，当风速较弱且多变时，中尺度对流运动引起 的海面湍流通量超过总量的3 0 ，甚至更大。m i l l e r 掣h 】利用e c m w f 模式研 究指出，考虑边界层自由对流运动对海表湍流通量的影响，模式对热带大气环流 和降水的模拟均有很好的改进。s l m g o 等【5 6 1 和j u 等刚研究指出将中尺度对流运 动对海表湍流通量的影响考虑到气候模式中，对气候模拟非常重要。可见，大尺 度数值模式中很有必要考虑发生在大气边界层中的各种对流运动的效应，但是在 大气环流模式或区域模式中将这种效应表征出来的系统研究还很少i l 引。下文着 4 第一章绪论 重介绍有关中尺度对流运动影响海表湍流通量的参数化的研究进展。 2 2 中尺度对流运动影响海表湍流通量的参数化研究 大气和海洋环流模式都使用整体参数化表征次网格尺度的表面通量。目前大 气环流模式中使用的表面通量方案基于局地物理量，假设网格尺度的参数水平方 向上是均一的。然而，边界层中的对流运动对表面输送性质和表面通量有重要影 响，这些垂直运动导致近表面动力学和热力学参数产生水平变化，使得表面通量 增加。有一种极端情况，如模式网格平均的风速接近于零，此时计算的表面通量 接近于零，然而，由于小尺度风速不均一性的存在带来了表面通量。这意味着在 轻风条件下，湍流热输送接近于零，使得海气丧失了耦合联系，其实在零风速条 件时，通常可以在c o a r e 区域观测到2 5w m 2 左右的潜热通量。事实上，风速 低于3m s 时，表面交换主要取决于中尺度对流活动。这些对流运动在大气环流 模式中无法显式表达，因此，在这些大气环流模式中，要参数化表示这种风速的 次网格尺度水平变化。 由于边界层中对流运动引起的湍涡空间尺度远小于大尺度数值模式的网格 距，所以大尺度数值模式中这些中尺度对流运动对海表通量的影响通常是通过阵 性风速的参数化方法或者直接通过修正湍流交换系数方法等来实现的。中尺度对 流运动主要有两类物理过程5 8 舵】：边界层自由对流和降水深对流，它们的时空尺 度和对流类型各不相同，往往将这两种对流活动的参数化分开处理。 对于晴空对流，边界层底部加热产生的上升运动是贯穿整个边界层的湍流输 送的原因。d u p u i s 等1 6 3 】提出通过在零风速时直接增大湍流交换系数g 、e 值的 方法来处理自由对流运动引起的表面湍流通量的增加。s t u l l 删提出直接用代表边 界层对流强度的自由对流速度尺度m 6 5 】和推广的整体湍流交换系数取代平均风 速和经典的整体输送系数来计算表面湍流通量。然而，这种方法在中等风速和大 风速条件时不能适用。另一种方法是假设风速变化可以用对流运动的强度来表 示，这样就可以对平均风速进行修正。根据此方法，g o d 行e y 和b e j 一) _ 1 6 6 1 提出， 用自由对流速度尺度m 和一个经验参数p 来表示这种中尺度对流运动对平均风 速的影响。s c h u m a n n l 6 7 1 证实了自由对流速度尺度w 可以与水平风速变化联系起 第一章绪论 来。而这种通过对流性阵风参数化方法考虑边界层自由对流对海表通量影响的做 法的困难之一是如何确定经验比例系数卢值。根据不同的观测资料或者数值模拟 结果，不同学者得到的经验参数卢值基本为0 6 1 2 5 【1 4 ，4 0 4 1 ，6 6 ，v 7 1 。m o n d o n 等和 r e d e l s p e r g e r 等t 1 9 1 通过对t o g ac o a r e 观测资料的分析和中尺度大涡的数值模 拟指出，卢值应取0 6 5 0 1 。 j a b o u i l l e 等【4 9 1 提出将降水深对流引起的次网格水平风速变化( 对流性阵风) 与对流强度联系起来，研究指出降水深对流引起的风速增加通常在3 m s 左右。 因此，在u a g m 气候模式中，将降水深对流运动产生的表面平均风速增加直接 考虑为3 m s 1 5 0 。5 1 】。e m m a n u e l 掣6 8 1 提出用云底上曳气流质量通量来参数化这种降 水深对流运动引起的水平风速变化。r e d e l s p e r g e r 等【1 刀提出，应该用对流降水强 度或者云底上曳气流质量通量来参数化表示降水深对流引起的对流性阵风。z e n g 等【6 9 1 提出，需要综合考虑边界层内自由对流运动和降水深对流运动引起的总对 流性阵风对表面平均风速的影响，降水深对流运动引起的对流性阵风可以利用对 流降水强度或者层云覆盖量来参数化表示。 第三节本文拟研究的内容和章节安排 地球表面热通量直接决定着大气环流运动r 7 0 】，因此，海表通量模拟的准确 性将在很大程度上决定大气环流模式对大气环流和气候变化的模拟水平。大尺度 数值模式中海表湍流通量参数化通常采用整体空气动力学方法。该方法基本都是 基于局地( 网格点) 观测，假定在网格尺度上参数是水平均匀的。其实大尺度模 式中每个网格内的风速并不一定是水平均匀的，在网格内可能由于中尺度对流运 动而产生风速的水平变化( 阵风) 。对流运动对大气环流模式和区域模式网格上 的表面通量的增加作用是不可忽略的