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Arid
CLM4.5下西北地区对流参数化方案优选
任余龙
完成单位中国气象局兰州干旱气象研究所
登记(发布)日期2018
中文摘要1 研究背景 我国西北地处青藏高原、黄土高原和蒙古高原三大高原交汇区域,受复杂的下垫面性质、高原地形及大气环流综合影响,现有的区域气候模拟效果较差。积云对流参数化方案在区域气候模式降水模拟中起着关键作用,在区域气候模式中选择适合的积云对流参数化方案,对于提高区域气候模式在西北区域的模拟水平尤其重要。 对于RgeCM中的积云对流参数化方案,1993年Giogri等利用积云参数化中不同的闭合假设和参数设置,对欧洲区域的夏季和冬季进行了对比试验,结果表明,采用不同方案对冬季降水的模拟差别不大,而对夏季模拟结果的差异很明显,Grell方案比Ku方案模拟的降水大,很大程度地反映在表面能量和湿度通量中, Grell方案与RgeCM中大多数改进的物理过程联合使用模拟效果最佳。1996年刘永强等利用RegCM对1990年夏季东亚季风进行的不同积云对流参数化方案对降水模拟影响的研究结果表明,Grell方案模拟的降水量一般比观测值偏大,而Ku方案模拟的降水量一般偏小。1998年符涂斌等利用RegCM区域气候模式模拟的研究则表明,在东亚季风区Ku-Anhtes方案明显优于Grell方案。王建捷等指出, 在RegCM2 区域气候模式中选用质量通量方案比Kuo 、Grell和Betts-Miller方案更好地模拟东亚地区的积云对流活动过程。潘劲松等利用RegCM2对东亚季风区域进行气候模拟,分析不同参数化方案对降水总量分布的模拟,发现Betts方案的模拟能力明显优于Anthes-Kuo和Grell。李建云等模拟后认为对中国南方夏季强降水的模拟,Kuo方案模拟效果相对优于Anthes-Kuo和MIT-Emanuel。杨雅薇等研究后均认为在青藏高原地区,选择Grell 积云参数化方案比Anthes‐Kuo 方案更为适宜。对于中国东南部地区夏季极端强降水,黄安宁等研究认为Grell方案较Kuo、Anthes‐Kuo 和Betts‐Mille 积云对流参数化方案更适合。然而对于西北,该方面的研究较少。 最新版的区域气候模式RegCM4.4最明显的一个改进是引入了新的陆面模式CLM4.5,相比之前的陆面模式,CLM4.5具有更好的性能,因此选择适应CLM4.5下积云对流参数化方案,对提高西北区域气候模式的模拟水平,发展西北区域气候模式,具有重要的现实意义。 2 技术原理及性能指标 (1)区域气候模式RegCM RegCM是1980S后期由Dickinson、Giorgi等通过对中尺度模式MM4中的辐射方案、对流参数化方案、陆面物理过程的扩充和修改后建立起来的区域气候模式;随后Dickinson等通过对其物理过程方案和中尺度模式的改进,产生了RegCM2及RegCM3;RegCM4是区域气候模式RegCM的最新版本,目前被广泛应用于区域气候研究中。 (2)NCAR CLM4.5陆面模型 第一代CLM模式在戴永久(IAP94)、NCAR LSM、CCM3的基础上建立,命名为CLM(Dai et al.2003);在将 NCAR-LSM 中改进的碳循环、动态植被和河流汇流过程引入到CLM 中,并采用生物群落代替植被功能对地表植被进行分类后, 该 模 式 作 为 命名为CLM2.0,被CAM2.0和CCSM2.0 采用( Oleson et al., 2004 ) Thornton and Zimmermann( 2007) 采用次网格组成的空间向量来表现模式结构,以便更好地处理碳、 氮循环的参数化过程,而后在生物物理过程上做了一定的改进,模式命名为 CLM3. 0。在将地表数据基于 MODIS 产品进行修改,改善了冠层积分方案( Thornton and Zimmermann,2007) 以及冠层对降水的拦截系数( Lawrence et al．,2007) , 采用了新的 TOPMODEL-based模式模拟径流( Niu et al.,2005),采用一个简单的地下水模式确定地下水埋深( Niu et al.,2007),并改进了冻土过程方案(Niu and Yang, 2006)后,CLM3.5发布。在改进了地表和大气的强迫数据,进一步发展了土壤水文和雪过程,并引入碳氮循环,城市冠层模式以及改进的植被挥发性有机物模式,形成了 CLM4.0. 在 CLM4.0的基础上, Bonan 等( 2011) 通过改进植被冠层辐射、 叶过程尺度、 光合作用过程及相关参数提高了模式对初级生产量( GPP) 和潜热通量的模拟。Sun et al．(2012) 采用新的 Newton-Raphson迭代方案改善了模式在计算 GPP 迭代不收敛带来的偏差。Subin et al． ( 2012) 引进新的湖泊模式改进了原有的湖泊模式在观测站对水温、 地表通量模拟过差的问题。Swenson and Lawrence( 2012) 通过纠正永久冻土区土壤的干偏差改善了土壤湿度、 植被生产力等的模拟, 通过一个新的次网格雪覆盖面积参数化方案提高了对季节性雪深—雪覆盖百分比演化的模拟。Koven et al．(2013)发展了新的土壤生物化学模式,提高对碳、 氮过程的模拟,尤其在高纬地区。此外, 加入了甲醇、 氧化和排放模式, 扩展了作物模式并将VIC 模式作为汇流方案的一个选择,对城市冠层模式进行了修正,将大气强迫数据替换为 1901—2010CRU-NCEP大气强迫数据,2013年6月CLM4.5发布。 (3)对流参数化方案 Grell 方案基于 Arakawa-Schubert(A-S)闭合假设,是 A-S 方案的最新版本。A-S 方案主要说明积云群和大尺度环境如何相互作用,认为积云之间由对流引起的下沉运动是造成大尺度环境观测热量分布的主要原因,云中上升气流的绝热冷却及环境空气的卷入混合抵消凝结潜热,积云上升引起的周围空气补偿下沉增温减湿作用以及云顶液态水的卷出蒸发使环境变冷变湿。Grell方案适用于10-30km的模拟。Emanuel 方案的云模式是随机混合的模式,主要假设云尺度的上升气流作为对流输送的主要因子。在 Emanuel 方案中关键的参数是气块的降水效率和云外雨数的份数。气块的降水效率决定了气块中有多少凝结水转为降水。相对湿度的垂直廓线对这些微物理参数非常敏感。Kain-Frisch方案是KF方案的修正方案。与老的KF方案一样,此方案也用了一个简单的包含水汽抬升和下沉运动的云模式,包括卷出、卷吸、气流上升和气流下沉现象。Tiedtke方案假定地面沿干绝热抬升的未稀释气块若能逐层保持正浮力并上升至抬升凝结高度,则可以发生深对流或浅对流; 如果不能发生深对流或浅对流,则考虑中层对流,即从模式底部 3～10层中寻找相对湿度＞90%的层次作为中层对流云底层;若云底之上存在对流不稳定层且有大尺度上升运动,则触发中层对流。该方案描述各种类型的对流,包括与大尺度辐合流相联系的穿透对流、在抑制条件下的浅对流以及边界层以上的位势不稳定大气和与大尺度上升相联系的热带外有组织中层对流等,这3种对流分别采用基于对流有效位能调整的闭合假设、次云层水汽收支平衡假设和大尺度水汽辐合平衡假设。 指标包括： (1)距平均方根误差 它是观测值与真值偏差的平方和观测次数n比值的平方根,在实际测量中,观测次数n总是有限的,真值只能用最可信赖(最佳)值来代替.方根误差对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感,所以,均方根误差能够很好地反映出测量的精密度。均方根误差,当对某一量进行甚多次的测量时,取这一测量列真误差的均方根差(真误差平方的算术平均值再开方),称为标准偏差,以σ表示。σ反映了测量数据偏离真实值的程度,σ越小,表示测量精度越高,因此可用σ作为评定这一测量过程精度的标准 (2)Pearson相关系数 皮尔森相关系数(Pearson correlation coefficient)也称皮尔森积矩相关系数(Pearson product-moment correlation coefficient) ,是一种线性相关系数。皮尔森相关系数是用来反映两个变量线性相关程度的统计量。相关系数用r表示,其中n为样本量,分别为两个变量的观测值和均值。r描述的是两个变量间线性相关强弱的程度。r的绝对值越大表明相关性越强。 (3)SPI干旱指数 标准化降水指数SPI 能够较好地反映干旱强度和持续时间,使得用同一干旱指标反映不同时间尺度和区域的干旱状况成为可能, 因而得到广泛应用。该指数假设降水量服从Γ分布,考虑了降水服从偏态分布的实际,随后又进行了正态标准化处理,使得同一个干旱指数可以反映不同时间尺度和不同类型的水资源状况,成为继Pamler指数之后又一被广泛认可的干旱指数。SPI 通过计算给定时间尺度内降雨量的累积概率,能够在多个时间尺度上进行计算比较,不仅可反映短时间内降雨量的变化,如对农业生产有重要影响的土壤水分的动态变化,也可以反映长期水资源的演变情况, 如地下水供给、地表径流等。SPI适合于不同类型的干旱定量化研究,时间尺度为5～24月的SPI可用于反映地下水位的变化;2～3月的SPI可反映农业干旱情况。 3 技术的创新性 积云对流参数化方案对气候模式的模拟性能起着非常关键的作用,陆面过程是影响积云对流过程的重要因素,选择与陆面模式相适应的积云对流参数化方案,对提高区域气候模式的性能具有重要作用。该项目利用最新版区域气候模式RegCM4.4和和陆面过程参数化模型CLM4.5,对区域气候中的Grell、Emanuel、Tiedtke、Kain-Fritsh等对流参数化方案,通过对近15年西北干旱区降水、气温等要素进行模拟检验,分析了不同数值试验的误差特征,优选出在CLM4.5陆面模型下适合西北地区气候模拟和预测的对流参数化方案,为改进和发展西北区域气候模式提供支撑。 4 技术的成熟度 区域气候模式RegCM 是目前我国开展区域气候模拟和预测应用最广泛的模式工具,该模式最初版本是在著名的中尺度模式MM4中的基础上发展和建立起来的,随后研发者对其进行了持续改进和升级,其模拟性能在不断的提示中。本项目选择的NCAR CLM4.5是美国NCAR致力发展的核心陆面模型之一,作为第三代陆面模式的代表,广泛应用在我国天气及气候预测研究中。 5适用范围和安全性 该项目的研究成果适用于我国西北区域气候模拟和预测中,项目所生成的数据可公开用于同类研究中,对公共安全无任何危害。 6应用情况及存在问题,以及获奖情况等 RegCM作为兰州干旱所开展气候模拟及预测的主要工具之一,西北区域数值预报中心在其基础上建立具有西北特色的区域气候模式RCM_LZ。RCM_LZ经过水平格距试验、LAND USE改进等改进,提高了模拟水平。应用在西北区域干旱模拟、年度和汛期气候预测中。 项目共发表两篇论文(Ren, Y. L., Y. H. Li, Z. X. Pu, et al., 2018: Effects of updated RegCM4 land use data on near-surface temperature simulation in China. J. Meteor. Res., 32(5), 1–10, doi: 10.1007/s13351-018-7156-0;任余龙, 李耀辉, 段海霞,等. 我国西北东部春季一次极端干旱事件的数值模拟及波—流作用分析[J]. 干旱气象, 2017, 35(4):535-544.),其中1篇为SCI期刊,1篇为1级核心期刊。
中文关键词CLM4.5 ; 西北地区 ; 对流参数化方案 ; 优选
成果类型应用技术
语种中文
国家中国
中图法分类号P434.5
URLhttp://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001124690
来源机构中国气象局兰州干旱气象研究所
资源类型成果
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/243966
推荐引用方式
GB/T 7714		 任余龙. CLM4.5下西北地区对流参数化方案优选[Z]. 应用技术,2018.
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