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行业专项成果综述-适合东亚气候特点的模式边界层过程参数化

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/6/28 16:15:30   标签:   浏览次数:199

一波中特参考资料 www.81icx.cn

项目编号GYHY201006024

研究周期20109月至 2013 12

国拨经费216万元

项目负责人】高志球

项目骨干成员】张芳、郭晓寅、赵兴炳

项目承担单位】中国科学院大气物理研究所

项目协作单位】国家气候中心、中国气象局成都高原气象研究所、中国气象科学院

主要研究成果

本项目的主要研究目标是:通过分析历史资料,与其它项目合作,组织新的观测试验,进一步理解我国大气边界层的结构特征,尤其是气候敏感区,如青藏高原,沙漠地区,黄土高原,北方草原,干旱半干旱地区,东南沿海及超大规模城市群等。在前人对大气边界层研究的基础之上,研发BCC_AGCM自主版权的大气边界层物理过程???,提高BCC_AGCM整体性能。

本项目紧紧围绕以上研究目标开展大气边界层参数化方案的评估和研发工作,已取得一定研究成果。

   1)近地层湍流参数化方案的评估和研发

结合微气象实验资料完成了目前被广泛应用的几种参数方案包括课题组自主研发的参数化方案的评估工作。与若干种普遍采用的通量参数化方案相比,我们自主研发的方案参数化方案由整体理查德森数和动力学/热力学地表粗糙度直接求解大气稳定度参数,在总体上表现出令人满意的精度,但所有方案在夜间稳定条件下模拟结果不理想。随后,我们对这一方案的回归方法和回归系数进行了进一步的修正,得到一组适用范围更广的非迭代方程,我们研发的新方案相对于前人的迭代方案,具有更高的运算效率;给出了针对于稳定边界层通量参数化的新方案,相比前人工作进一步提高了湍流输送系数在弱湍流情形下(极端稳定度)的计算精度,新方案极其适用于高精度的大气数值模式。

2)大气边界层高度参数化方案的评估和研发

气候模式计算有效位能的方程中用到大气边界层高度,而大气边界层高度的计算方案中用到临界理查森数(Ricr)。我们以美国飞机观测资料得到的边界层高度为基准,检验了几种常用边界层高度确定方法的准确性。同时,利用青藏高原理塘站、寿县站、SHEBA(Surface Heat Budget of the Arctic Ocean Experiment)以及CASES99 (Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study 1999)的探空资料,分别确定了强稳定条件、弱稳定条件和不稳定条件下的Ricr临界值。得到强稳定条件下,理查森数临界值为0.24;弱稳定条件下为0.31;不稳定条件下为0.39。并且,其对应的用于计算整体理查森数的表面层高度分别为40米,80米和超绝热层高度,可见于相比传统方案,新的临界理查森数方案用于模式之中可以有效的地改进模式结果的可信度。在此基础上,我们分别对干绝热条件的非局地扩散方案(UW方案)和AP-AGCM中使用的一阶湿湍流方案(HB方案)进行在线测试,并与新方案进行比较,以ARM寿县站为例进行在线测试,通过比较模式输出的2008519日到1228日期间的边界层高度观测期间的模拟结果和观测资料发现,新方案模拟的边界层高度更加接近观测值,而且呈现更加明显的日变化。UW方案由于着重考虑了云层的影响,其模拟得到的边界层高度普遍低于HB方案。就整个模拟时期比较来看,新方案模拟的边界层高度相对于观测值误差最小,UW方案次之,HB方案由于仅适用于晴空条件,模拟值误差相对较大。

3)海面粗糙度参数化研究

利用HEXMAXHumidity Exchange over the Sea Main Experiment)试验的现场观测数据,以无量纲的有效波高和中性层结条件下的10 m为自变量,采用相似理论对摩擦风速,海面空气动力粗糙度和海面拖曳系数进行量纲分析,得到海面空气动力粗糙度依赖有效波高的参数化公式。和观测资料对比发现新案改进了摩擦速度的估算结果,由此说明,利用我们发展的基于有效波高数据的参数化方案,可以明显改进近海面摩擦速度u*的估计,进而贡献于海气界面动量通量的估计。

该研究工作的亮点体现在两个方面:i)改进的参数化方案给出了海面空气动力学粗糙度随无量纲有效波高的变化规律;ii) 改进的方案可以准确地估算近海面边界层内的湍流摩擦速度??悸堑礁慕牟问桨甘腔诤C嬗行Рǜ叻⒄蛊鹄吹?,而卫星遥感观测已经可以提供有效波高数据,因此,我们的参数化方案可望在相关研究中(包括数值模式中的海面湍流通量计算等)获得较好的关注和应用。

 

成果应用情况

Li et al.(2014, GMD)研发了适用范围更广且结果更加准确的稳定层结非迭代近地层湍流通量算法,该算法已应用于国家气候中心新一代全球大气环流谱模式(BCC-AGCM2),BCC-AGCM2代表中国气象局参加了IPCC 第五次气候模式评估。BCC-AGCM2模式模拟结果表明,新的近地层湍流通量算法对于模式结果有所改进,特别是对于高纬度、高海拔及盆地地区夜间的通量计算有明显的改进

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