讲稿-第七章 气候的数值模拟1

第七章气候的数值模拟

（研究生为主）§7.1气候模式简介主要内容模式分类大气环流模式海洋模式陆面过程模式模式分类气候及其演变的研究方法：统计学和动力学。动力学：气候模式气候模式发展：1920sRichardson第一次试验失败；1940s电子计算机产生，Charney开始用简化的动力学方程组模拟大气环流；1956年Phillips用准地转模式模拟大气环流成功；60年代中期出现原始方程模式；此后气候模式迅速发展，逐步复杂，成为较完整的“气候”模式。模式分类气候模式都是基于气候系统的一部分热力学和动力学方程，再加上适当的边界条件和初始条件组成的。根据模式的简繁程度，气候模式大体可分为：能量平衡模式（EBM)，这类模式一般只考虑地－气系统局域热量平衡过程，属于诊断模式和机制模式；统计－动力模式（随机－动力模式）（SDM），这类模式主要考虑简单的热力和动力过程以及某种空间平均，属于预报模式和机制模式；大气环流模式（AGCM、OGCM、CGCM、CSM），比较完整的考虑气候系统的各组成子系统，属于预报模式和模拟模式。模式分类EBM和SDM现在应用相对较少，GCM应用越来越广泛。现在的GCM一般包含：大气圈（动力学过程，辐射过程、云水（大尺度降水和对流降水）过程等）；水圈（完整或简化海洋模式，陆地水分平衡过程（蒸发、下渗、径流等））；冰雪圈（海冰模式和积雪模式）；岩石圈（土壤水份循环、热量平衡、反照率等）；生物圈（水份循环、感热、碳循环、粗糙度（摩擦））CSM＝AGCM＋OGCM＋LSM大气环流模式气候数值模拟是研究气候、气候变化以及进行气候预报的主要方法之一。其原理是根据牛顿运动定律、能量守恒定律和质量守恒定律等基本物理定律，来确定“气候系统”的各个部分，如大气、海洋、冰雪、植被等的状况。与天气模式的区别在于更加强调物理过程的详尽（初值和外源强迫的作用）。大气环流模式

大气环流模式垂直分层水平离散化(有限差分法和谱方法)模式包含的主要物理过程地气间热量、水分和动量的交换（LSM）大气内部干、湿对流所形成的热量、水分和动量的输送（积云对流模式）水汽凝结（积云降水，大尺度降水）太阳短波辐射和地球长波辐射输送（辐射模式）云的生成及其与辐射的相互作用（辐射模式）雪的形成和消融（积雪模式，可耦合于LSM中）土壤中热量和水分的物理过程（LSM）次网格尺度过程基本的辐射计算方案按波段划分：太阳辐射、长波辐射按路径划分：均匀路径、非均匀路径按介质的光学性质：吸收、散射、吸收+散射按习惯划分（单色辐射散射解法）：精确解析方法：奇异本征函数方法；伟纳-豪朴伏方法；传输矩阵方法；-函数或X-和Y-函数方法数值计算方法：蒙特卡罗方法；球谐函数（或近似）法；离散坐标法；共轭法；FN方法；高斯-塞德尔叠代方法；逐级散射方法；有限差分法；矩阵算子法（或离散空间理论）；倍加或累加法；不变性原理；不变嵌入方法；DART方法近似方法：爱丁通（δ-爱丁通）近似；二（双）流近似；指数核近似；微扰法；小角近似法云计算过程积云对流算法一是所谓的湿对流调整（MCA）二是郭氏参数化方案三是Arakawa和Schubert参数化方案云的模拟1998湖北特大暴雨数值模拟中尺度对流系统云系结构和生命史（MM5）GCM（观测及模拟的1、7月地表气压）GCM（观测及模拟的1、7月500hPa高度场）GCM（观测及模拟的1、7月降水量）海洋模式洋流分布海洋盐度温盐环流温盐环流ENSO1997-1998年厄尔尼诺事件海洋地形海洋模式海洋环流模拟始于20世纪50年代，成熟于来70后。主要分两类，一类模式的主要特点是仿效数值天气预报中的整层无辐散模式，在海洋表面人为地加了一个“刚盖”，从而滤掉表面波动，模式不能模拟海面的起伏。另一类模式把海洋表面作为自由面，海面高度是模式的一个预报量。海洋模式OGCM的主要预报量为温度、水平流速和盐度。诊断量为密度、压力和垂直速度。海洋中的热量、动量及盐度的垂直和水平湍流输送等次网格尺度过程，采用参数化的技术来处理。求解OGCM的数值方法与AGCM的方法类似。不过由于海洋的几何边界及不规则，经典的谱方法不适合，一般用有限差分法求解。此外海洋所包含的运动频率范围远比大气宽，因此常规的时间积分方法往往不适用，需要一些特殊的加速收敛技术。POM海洋模式POM即普林斯顿海洋模型，是一个垂向采用σ坐标的三维斜压陆架浅海模式,基于原始方程组之上的海洋模型，包含一个二阶湍闭合子模式，能给出随流速变化的湍流涡动系数。可被应用于河口、沿岸区域和开阔大洋。POM有别于其它海洋模式的主要特点是：垂直方向采用σ坐标，因而可以方便地引入大陆架底形；在垂直方向,湍流能量方程、垂直扩散交换系数和垂直速度ω与温度、盐度和海流场交错设置。在水平方向,POM采用ArakawaC型交错网格系统。水平坐标系统可任选,既可为曲线正交坐标,也可为经纬度坐标。在海面无刚盖近似，因而海面的自由高度可用模式预报。POM在南海的模拟陆气相互作用及陆面过程模式陆面是气候系统的重要组成部分，对气候变化有着重要的影响。对能量平衡的影响。对水分平衡的影响。对物质平衡的影响。土壤温度的作用土壤温度异常持续1个月，对大气环流和气候有一定的影响。区域性土壤温度偏高，区内降水明显增大，最大增值达3mm/d。同时异常区南面出现降水明显减小的区域，范围同土壤温度异常区相当。异常区及其南面出现较大范围的气温增高。物理机制：在土壤温度异常区，由于地面向上的感热输送增加，使大气下层增温，地面气压下降，对流层低层辐合加强，降水增加；同时，这种辐合在其南部地区诱发出异常的辐散和下沉，降水减少，气温增高。（ＩＡＰ－ＧＣＭ）土壤湿度作用（１）两组试验，一是土壤完全湿润，一是土壤完全变干。湿土时，大陆日降水基本大于2mm。干土时，除个别地区外，大陆日降水则基本小于2mm。干土时地面温度高，湿土时地面温度低。（２）不同地区土壤湿度对气候的影响不同。30°N－60°N纬度带土壤湿度改变的影响持续约5个月；15°S－15°N纬度带约2个月。就个纬度带土壤湿度，30°N－60°N纬度带的影响最大，极值达4mm/d；0°－30°N的影响最弱，极值为0.5mm/d。有植被的陆面过程陆面过程模式最初的陆面过程模式以Manabe等（1969）的“水箱模式”为代表。此后，随着土壤温度参数化方法的建立，土