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2008 非均匀地表陆面过程参数化研究_陈斌

2008 非均匀地表陆面过程参数化研究_陈斌
2008 非均匀地表陆面过程参数化研究_陈斌

文章编号:1000-0534(2008)05-1172-09

收稿日期:2007-03-30;改回日期:2008-02-14 基金项目:国家自然科学基金项目(40375035)资助 作者简介:陈斌(1977—),男,山东临沂人,博士生,主要从事非均匀陆面过程参数化和气候模拟等方面研究 E -mail :cb sdly792@https://www.wendangku.net/doc/a59846346.html,

非均匀地表陆面过程参数化研究

陈 斌

1-2

, 丁裕国1, 刘晶淼2, 张耀存

3

(1.南京信息工程大学,江苏南京 210044;2.中国气象局中国气象科学研究院,北京 100081;

3.南京大学大气科学系,江苏南京 210093)

摘 要:地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。关键词:陆面过程参数化;非均匀性;次网格通量中图分类号:P404

文献标识码:A

1 引言

陆—气相互作用对天气气候类型以及气候系统的物质和能量循环具有重要影响[1-2]。目前人们已经认识到区域模式或GCM 模式预报的准确性在很

大程度上取决于陆面过程参数化的有效性,即地—气间热量、水汽、辐射、动量交换等的描述是否真实[3-5]

。由于自然的陆面特征(地表土壤类型、土壤湿度、植被分布、地形等)以及人类因素(城市下垫面和土地利用类型的改变)等的影响,使得地表陆面存在着多重尺度的非均匀性特征。陆面各种特征参量的时空非均匀性及陆面过程本身高度非线性的特征可造成大气边界层结构和运动状态在时空域上的重大差异,明显地影响陆面与大气之间的动量、水分和能量交换[6]

陆面模式和陆面参数化的核心内容是对地表过程进行详细的描述,准确计算各种通量,为大气(气候)模式提供合理的下边界条件。所以,与气候模式耦合的陆面过程模式,不仅需要确定单点或一定尺度的均匀陆面通量,更需要确定包含多种陆面类型的某一区域的面积平均通量。例如,全球环流模式网格尺度的陆面通量参数化方案是建立在均匀下垫面经典的大气边界层理论基础上的,在均匀分布大气条件驱动下,实现自身内部过程[7-8]。国际

陆面模式比较计划(PILPS )[9]

,通过对不同模式的比较,发现模式对均匀地表区模拟效果要好于非均匀地表区,因此,精确估计地—气界面的物质和能量交换,发展时空非均匀下垫面上的陆面过程参数化方案,已成为目前气候模拟和大气边界层研究的热点,也是国内外当前在“新一代陆面过程模式及其与大中尺度模式耦合”等研究中亟待解决的问题[10-14]

。虽然考虑空间非均匀性的参数化方案是陆面过程模式下一步发展的方向[15-16],国内外学者也发表了一些非均匀陆面过程研究的成果[17-18],但在这方面的研究还处于起步阶段,尤其是东亚地区下垫面的地形地貌,土壤植被变化十分复杂,研究发展针对次网格尺度的非均匀陆面过程模式,对于改进我国乃至东亚地区的气候模拟效果以及研究下垫面的改变对气候的影响等问题都具有重要实际意义。

2 陆面非均匀性对近地层大气的影响

陆—气相互作用是通过一系列发生在地表的复杂动力、物理、生物和水文过程来实现的,且大多具有高度非线性特征。陆面次网格尺度非均匀性及其相关的次网格过程不但影响边界层的垂直结构而且明显影响中尺度和GCM 尺度过程[19-22]。例如,近地层的风速随着地面状况的改变而改变,地面状

第27卷 第5期

2008年10月

高 原 气 象

PLATEA U M ETEORO LOG Y

V ol .27 N o .5

October ,2008

况的信息向上扩散可以达到一定高度。为了研究陆面非均匀性对大气边界层的影响,学者们引进了混合高度的概念[23],即在这一高度之上大气的状态近似均匀,不再依赖于地表非均匀的水平分布和位置,也可以认为混合高度是地表非均匀性的影响小于某一阈值的高度。

对于与单个的粗糙单体相联系的小尺度的非均匀性(<10km),由于湍流的混合作用,其混合高度在近地层之内(100m左右),其对边界层大气的影响较小[24]。所以,小尺度的地表非均匀性的影响一般局限在近地层之内,其主要影响表现在对地表通量的计算上,而对近地层大气的影响并不特别显著。

对于大尺度(>10km)的非均匀性,其混合高度可以达到甚至超出边界层顶,详细分析可参见文献[25-26]。由于不同下垫面对外界大气强迫有不同响应,造成不同下垫面上热力条件极大差异,会引起如同海陆风那样的中尺度环流,它既干扰了原有湍流的特性,并给网格上空垂直平均通量增加了一项所谓中尺度通量,其强度与不同下垫面分布形式及它们内部水热条件密切相关。在低层大气,陆面上小尺度的变化可以引起空气对流产生,所产生的中尺度通量和陆面上的感热通量的方差成正比[27-28]。地表非均匀性引起的地面通量的空间变化继而又显著影响降水、土壤温湿度和大气环流[6,15]。研究表明,非均匀地表通过影响水汽的空间分布可以使浅层对流降水增强;植被覆盖、土壤湿度、地表粗糙度通过影响边界层的发展可以改变对流单体的位置等等。由于表面能量的次网格变化和它们对对流单体的影响,可引起次网格大气的运动,提高陆面模式和大气模式的分辨率都可在一定程度上改善模式中的通量估计[29]。

3 模式计算的面积通量对地表非均匀性的敏感性

陆面过程的非线性使得模式通量的计算并不只是地表参数的简单平均。只要非均匀性尺度达到边界层厚度的大小时,均会对地面通量计算产生影响。研究地表非均匀性对模式通量计算的影响以及如何求得模式网格的面积平均通量仍是一个未解决的问题。

3.1 理论分析和数值计算试验

最近10年来,面积平均通量计算结果在地表非均匀性的敏感性问题上,很多学者已做了大量的理论分析和数值试验[3,18,30-35]。地表非均匀性对近地层大气的影响取决于其水平尺度的变化,依据尺度大小,Avissar[36]利用大气方程组,首先在理论上将模式次网格通量可以划分为中尺度通量和小尺度的扰动通量贡献两部分,也即后来所称的区域通量影响的动力效应和聚集(Agg regatio n)效应[37-39]。Hu等[37]给出了一个次网格变化对尺度转换中通量计算影响的理论分析框架,表明大尺度模式网格内的平均通量和网格内的地表次网格非均匀特征有很大关系。胡隐樵等[14]根据大气线性热力学基本理论指出,对于非均匀陆面过程,除了湍流输送外也还应包括大气辐散和辐合对能量垂直输送的贡献。

对于大尺度的地表非均匀性(>10km),虽然针对非均匀陆面过程的动力影响,有人提出了中尺度通量的参数化[36]。同时,人们借用中尺度数值模式的数值模拟表明,在许多大气背景条件下由非均匀性强迫所引起的中尺度环流造成的次网格通量和湍流通量具有相当的量级[27-28]。但实际情况远远复杂得多,就目前研究而言,中尺度通量参数化并没有实际应用到天气气候模式中去。受观测条件限制,甚至对于真实情况下中尺度通量的大小我们都不能确定。诸如地形作用、海陆风、城市热岛环流这类中尺度环流引起中尺度通量输送过程及其参数化对非均匀地表陆面过程是一个极大的挑战。但是,随着计算机计算能力的提高,气候模式的分辨率在逐步提高,使得此问题的解决已成为可能。

而有的学者认为,对于小尺度的非均匀性(< 10km),由于湍流混合的作用,近地层大气并不具有明显的非均匀性特征,面积平均通量对地表特征的非均匀性并不敏感[40-41]。但更多的研究表明,地表非均匀性的影响不可忽略。Avissar[42]发现陆面面积平均通量对地表反照率和粗糙度长度的非均匀性最敏感,而像叶面指数的变量可以简单的平均方法来求得。比较用不同参数和参数平均计算的两种面积通量,发现潜热通量对小尺度非均匀性最为敏感,而辐射通量最不敏感[21],这与H u等[37]分析的结果类似。Bonan等[20]认为潜热通量的计算结果和地表的变化特征有很大相关性。Gro tzner 等[43]研究了网格点尺度海-冰非均匀性对大气环流的影响,结果发现用块(Lumped)模式计算的感热通量总是比用分布(Distributed)模式要小。除了水平方向的地表非均匀性研究外,张耀存等[30]首次考虑了垂直方向上地形高度的非均匀性对地表长

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波辐射通量计算的影响。结果表明在特定情况下,其影响相当大,可产生不容忽略的误差,考虑次网格地形的热力作用非常必要。

在所有陆面非均匀性的特征中,土壤湿度非均匀性对模式网格平均的地表通量密度以及近地层气象条件的影响已成为热点。研究发现,地表湿度存在非均匀性时,用地表参数的平均值计算网格的感热通量和潜热通量就会和实际通量存在很大误差。湿条件下的整体方法过高地估计潜热通量,而干条件下,情况则相反。另外,土壤湿度的空间变化还影响季节性的水文平衡[44-45]。Ronda等[16]用整体(bulk)和准分布式方法(quasi-distributed)探讨了土壤湿度非均匀性的影响。刘晶淼等[46]研究了地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响。

这些非均匀尺度研究都试图了解通量从小尺度细网格到大尺度网格转换的可能机制。但大多数的研究还只是对通量影响的敏感试验的定性研究,并没有给出地表非均匀通量的定量描述。

3.2 外场观测数据的验证

随着外场观测试验的开展,飞机等观测手段的应用,人们有机会利用实测资料去研究非均匀陆面参数化方案的有效性。Mahrt等[47]利用4个不同外场飞机观测的资料,研究了不同空间尺度(模式网格大小)和拖曳系数、交换系数的关系。研究表明,拖曳系数对空间尺度具有依赖性,而水热的交换系数和空间尺度的关系不大。他们指出,如果有效交换系数对空间平均尺度大小的依赖性很小,那么相似理论就可以用来计算面积平均通量。Frech 等[48]用NOPEX(Northen hemisphe re land-sur-face clima te Processes Ex prim ent)飞机观测资料,通过比较4种不同的“聚集”方法得到的面积通量,验证了不同方法在此研究区计算面积通量时的适用性。Mahrt等[49]利用BO REAS(Bo real Ecosy stem -atmosphere Study)的铁塔和飞机观测资料计算了此区域的面积平均通量,检验了面积平均通量对不同假设条件和外部气象条件的依赖性。发现计算的面积平均通量对净辐射的敏感性很强,也就是对云的多少很敏感。另外,面积权重和植被类型的影响也很重要。这些研究都表明,地表非均匀性对模式网格通量的计算具有某种程度的影响。最近, Ma等[50]利用中国几个不同的外场观测资料,发现陆面非均匀性导致地表不同的热力学和动力学参数,这也表明非均匀性必将影响通量计算的结果。4 非均匀地表陆面过程参数化方案

由前文所述,非均匀地表对模式网格面积通量的计算具有重要的影响,但目前非均匀下垫面的理论并没有很好的建立,为了准确地计算非均匀下垫面的面积通量,改进陆面模式、天气和气候模式的模拟效果,不同的研究者提出了不同的参数化方法。

4.1 马赛克(Mosaic)方法

目前国际上流行的是用M o saic方法[19,21,51-53]来简单处理陆面过程的非均匀性问题。对次网格之间的变率采用“拼图”描述,将一个大尺度模式的网格区依据陆面类型[3,19]和地形高度[51]等特征不同细分为若干个均匀的次网格(Sub-g rid)。面积平均通量可由各个次网格面积权重的加权平均得到,然后耦合大气模式。

M osaic方法已被应用于一些“离线”(o ffline)陆面模式[54-55]、边界层和中尺度模式[17,51,56-59]甚至GCM[60-62]中。最初的M o saic参数化方案中,假定近地层的大气条件是均匀的,即同一模式网格内不同的次网格具有相同的大气强迫(相同辐射、降水和近地层参考高度上的大气变量),它忽略了大气边界层的垂直变化。原则上,通量计算的参考高度应取在混合高度上[24,51],但目前的数值模式中一般设为模式最底层高度[63]。对于大尺度(>10 km)的陆面非均匀性,影响的高度通常高于近地层之上甚至可以超过混合高度[25,64]。此时参考高度低于混合高度,用于计算陆气间交换通量的大气强迫变量在网格上并不是均匀的,利用网格平均值计算网格面积通量必然带来计算上的误差。在相当于GCM模式网格大小的面积上,用中尺度模式输出的局地风速、温度和面积平均的风速、温度计算的网格的感热通量相比较,发现相对误差可达30%[65]。因此,M ahr t[25]明确指出,M osaic方法只适用于小尺度的陆面非均匀性。为克服上述局限性,A rola[66]提出了“Ex tend M osaic”方法,利用稳定状态的对数修正廓线关系来确定每个次网格参考高度上的风速、空气温度和定压比湿,分别计算次网格上的耦合通量,再取加权平均。显式的“精细网格”(fine-mesh)参数化方法[67],考虑到大气强迫变量(尤其是降水)的非均匀性。与GCM耦合时,首先将大气强迫变量(温、湿等)和辐射通量分解(disag g reg ation)或者降尺度(dow nscaling)到高分辨率的精细陆面网格点上,再将高分辨率的陆面

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格点通量加权平均后提供给大气模式。“扩展(Ex-tended)M osaic”(EM)方法[39,68-69]考虑陆面多尺度非均匀性对边界层的垂直影响,就是使得网格可分辨过程(水平平流、垂直对流、辐射加热和积云对流)和次网格过程(湍流混合)相互作用,并使得在垂直方向上这种作用可达到行星边界层顶。

Mo saic方法简单易行,在一定程度上描述了陆面的非均匀性,改善了次网格通量的估计,但其最大缺点是增加了计算量,且不能从网格整体上解析地描述陆面—大气之间的交换过程,有悖于模式参数化的初衷。另外,对于湍流通量而言,这种面积的加权平均在物理上的合理性还有待于进一步的研究。

4.2 统计—动力学参数化方法

为了减少计算量,以便于从整体上分析地表非均性的特征,很多人提出统计—动力方法,即用概率密度函数(PDF)来描述陆面非均匀性[21,41,70-72],把陆面气象要素在空间点上的取值看作随机变量,在统计大量观测数据的基础上,给出适合地表参数的分布函数后求网格区上的平均值。Gio rgi[73-74]用Mo siac方法描述次网格间变化,而用PDF描述小尺度次网格内的变化,提出了在陆面模式中地表非均匀性的一种理论描述方法———对称的概率分布函数拟合某一气象要素的分布,用数学解析解的方法求解通量,并应用H APEX和A RM E的实验资料,对这种方案的有效性和敏感性进行了试验。Zeng等[75-76]发展了Gio rgi的参数化方法,提出了“结合(Com bine)”法,并做了对夏季风影响的敏感性试验。

统计—动力学参数化方法和M osaic方法在实质上是相同的,可以认为PDF实质上是M osaic方法的一种连续形式的描述,但是统计—动力学参数化方法有自己的独特优势,陆面特征和地表通量的非线性关系使得使用PDF更为合适。另外,解析方法可以避免繁琐的数值积分,相对减少了计算量。同样,它也可以代替有效参数或者其他的特定平均方法。

但需要指出的是,由于统计样本的不足,统计—动力法中概率密度函数的选取往往具有不确定性。尤其是连续型PDF的数学表达式往往较为复杂,如何选择恰当的PDF作为陆面变量非均匀性的描述函数是一个值得研究的问题。不同的研究者采用不同的形式,如描述土壤水分和径流的就有高斯分布[42]、指数分布[70]、Gam ma分布[71-72,77-78]等,准确的确定地表变量和降水等的PDF形式需要较多的观测事实或外场观测资料。研究还发现不但地表参数的空间分布型对陆表通量的计算有影响,即使对同一地表参数采用相同的概率密度函数,由于偏度的不同使得计算的区域通量值存在误差[21]。另外,计算解析积分往往又涉及到特殊函数的计算,这就在某种意义上增加了此种方案的难度和计算量[79]。为简化问题,刘晶淼等[80]和王纪军等[81]提出了简化的对称和不对称PDF,曾新民等[82]用对称的余弦函数表述陆面特征的非均匀性,从而避开了特殊函数,这些工作都从一定程度上简化了计算。

以上问题往往限制了统计—动力学参数化方法在业务化气候模式中的应用。且它将地表参数空间分布非均匀性用某种概率密度函数解析地加入到模式方程组内,从而将地表非均匀性对区域平均通量的影响加以定量化,可进行各种地表非均匀性影响的敏感性试验,为非均匀参数化理论研究提供了一种方法。

4.3 有效参数方法

为了将单点或局地尺度上建立起来的陆面过程与天气气候模式耦合,最简明的思路就是在非均匀陆面上仍然保存均匀陆面上的通量参数化计算方法,在某些条件限制下(如面积通量守恒),建立有效参数与平均通量之间的关系,从而将问题转化为模式大网格尺度有效参数的求取问题,这就是有效参数方法。如有效粗糙度[23-24,51]、有效气孔阻抗[44]。这里所谓的有效参数是指通过某种计算方法修正后,可以给出接近面积平均通量的地表参数值,即用此参数计算的网格面积通量和各次网格通量的加权平均相一致。GCM网格上的热量、水分和动量的面积平均通量是由网格平均的温、湿和风速的平均梯度来求得。这类似于均匀地表上用局地通量和局地梯度的相关来求通量的参数化方法。 第二次大气模式比较计划(AM IP)的大多数GCM采用了有效参数方法来刻画陆面次网格的变化[83-86]。然而,由于地表通量和陆面特征参数的非线性关系,陆面平均参数计算的面积平均通量并不等同于局地计算的通量的面积平均,因此,有效参数的求取仅仅是将次网格地表参数简单的线性平均。与不同陆面类型上计算的通量面积加权平均相比,由叶面指数(LAI)、土壤水含量简单的线性平均值计算的感热通量偏高,潜热通量偏低。不稳定情况下,面积线性平均粗糙度计算的潜热通量偏

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高,而感热通量偏低,在大气稳定条件下,则反之。因此,针对模式中的有效参数,人们提出了许多不同的计算方法[26,87-88]。混合高度在一定程度上可以修正非均匀通量估计中的平流作用影响。当混合高度在近地层之内时,可给出有效粗糙度[89]:但当非均匀尺度较大且近地层大气状态不稳定时,混合高度可以达到甚至超过对流边界层,基于相似理论的通量计算方法不能用于此高度[25]。另外,湍流通量和垂直平均廓线之间的非线性关系使得有效参数方法并不适用于地表非均匀性变化强烈的区域[44]。如地表面水、雪、冰共存时,控制热量和水汽通量的物理机制不同。对于>10km的非均匀性导致中尺度环流,有时这种中尺度次网格通量甚至相当或大于湍流通量,此时有效参数方法也不适用[87]。

5 不同陆面参数化方案的比较及其模拟结果对非均匀参数化的响应

5.1 不同参数化方案的比较

比较非均匀陆面参数化的不同方法可从它们各自的优劣点出发,这样有利于了解非均匀性对边界层及气候的影响。例如,Arain等[90]比较了“优势植被法”和“有效参数法”,他们用CCM3模式对全球区域进行了10年积分模拟,发现后者比前者在模拟地表通量和温度方面可能存在较大差别,它提高了撒哈拉沙漠和喜马拉雅山地区的模拟精度。Klink[56]比较了M osaic和有效参数方法,对美国东部中心的模拟表明,前者提高了区域气候模拟的精度。Mo lders等[58]做了类似的比较,同样发现Mo saic方法比细网格模式模拟结果可能低估了潜热通量,同时发现不同方法对北半球中高纬地区的模拟差别很大,而对诸如沙漠相对均匀的地区,不同参数化方法对模拟结果影响不大。Co oper 等[91]、Van等[92]、Arola等[31]及Polcher等[93]比较了M osaic方法和有效参数法从春季到夏季的北半球局地模拟效果。这些研究结果大都表明,M osaic 方法计算的潜热通量偏低,而感热通量偏高,对地面通量的模拟更加精确。但总体上说,Mo saic方法与实际情况更接近。

5.2 数值模拟结果对非均匀参数化方法的响应

大多数的数值模拟结果显示,考虑陆面的次网格变化可以提高天气气候模拟的效果。Hahmann 等[94]在全球气候模式中应用Seth等[95]的M osaic 方案时发现,夏季热带非洲气候模拟结果对非均匀性的响应较大,但他的工作并没有考虑大气强迫(即温度、相对湿度、降水等)的非均匀性。因此, Andrean[96]和Gio rgi等[67]做了更细致的研究工作。Andrean[96]假定降水服从指数分布,提出了一个空间解集(disagg reation)方案,并耦合于CCM3,检验了气候对其参数的敏感性。Gio rgi等[67]用类似于Mo saic参数化方法,依据次网格地形高度的不同将大气强迫变量采用降尺度方法(Dow nscaling)应用到细网格上,又将LSM模式模拟的结果再聚集(Ag g reg ation)到大气模式中。通过数值模拟研究了地形高度和陆面类型的次网格变化对气候模拟结果的影响。结果发现,M osaic方法可以提高对地表温度和积雪量的模拟精度。

Desborough等[54,62]、Essery等[63]及Becker 等[97]研究发现,即使采用相同的陆面参数,由于陆—气之间的相互反馈机制,采用M o saic方法的(o ffline)陆面模拟结果和耦合GCM模式时的结果有很大差异。Gendy等[98]考虑地形引起的土壤湿度非均匀性,研究气候模拟结果对次网格土壤湿度的敏感性,“offline”和“online”模拟结果都表明,模式中对次网格土壤湿度的描述可以改进模拟结果。Dery等[99]研究了次网格雪盖的非均匀性对气候模拟的影响。左洪超等[100-101]研究了绿洲和沙漠的非均匀性,给出了由于非均匀性而引起的逆湿现象的物理图像,并且通过数值模拟,对此进行了研究。所有研究都表明,引进考虑陆面过程的非均匀性的参数化方案可在一定程度上提高数值模拟的精度。6 非均匀地表参数化研究的关键问题和展望

6.1 卫星遥感技术的应用

获取真实的陆面过程研究资料是进行各种研究的基础。截止目前,缺乏完整的适合模型所需各种时空分辨率的基础资料仍然是限制陆面模式发展的一个重要原因。虽然我国已经开展了几次陆面过程的外场观测试验,但从获得资料的时空分辨率来看,对非均匀陆面过程的研究还是远远不够的。值得注意的是,遥感技术为获取陆面和大气状态数据提供了一个有效途径[102],陆面过程研究中的一些地表参数可以直接由遥感数据获得,如地表温度、叶面指数、归一化植被指数等,还有一些参数亦可通过遥感技术反演数据间接获得。

我国很多学者对此也作了大量的研究[103-106],对揭示不同时间和空间尺度陆面过程的能量、水

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分、动量和物质的生物地球化学循环起到重要作用。就目前的研究而言,卫星遥感结合地面观测获取通量值的方案仍有许多方面依赖于经验,遥感反演参数的精度还有待于进一步提高。如目前遥感卫星反演降水量的精度不超过50%,土壤湿度和叶面积指数(LAI)的反演精度也有待于提高。

6.2 次网格面积通量的定量研究

由于下垫面的非均匀性和复杂性,使陆面与大气之间能量、水分及CO2等交换过程非常复杂,不仅随下垫面不同而变化,还随时间和空间而变化。研究陆面非均匀性的最终目标应是:提出二维或三维的中尺度、具有良好验证性的、面积积分的参数化方案,对不同时空尺度的能量和物质循环进行定量描述。从而较为真实地描述土壤—植被—大气的界面过程。然而,目前发展的非均匀地表通量计算方法只能在一定程度上解决由点到面的三通量集合问题。如近年来,地形因素对地表长波辐射通量计算影响理论分析和定量化研究[30,107],Garrigues 等[108]采用变差函数模型定量化研究了归一化植被指数非均匀性的影响。但是地表非均匀性是多样的,今后应当进一步定量化研究地表非均匀分布对次网格通量的影响,发展和完善不同尺度的计算网格平均或体积平均通量的理论,全面考虑非均匀地表的影响(包括地形地貌、水文、大气—陆面时间尺度的协调性等)。

6.3 大尺度地表非均匀性(>10km)引起的边界

层通量变化研究及其参数化

针对非均匀陆面过程的动力影响,Avissar 等[36]提出了中尺度通量的参数化。但是目前中尺度通量参数化并没有实际应用到天气气候模式中去。人们借用的工具大都是中尺度数值模式,研究中尺度通量的一些相似规律。而对于真实情况下中尺度通量的量级及其变化规律的研究却需要大量的野外实地观测,一般这类实验需要空间上密集布站或利用飞机观测,因此这类野外实验会耗资巨大。地形作用、海陆风、城市热岛环流这类中尺度环流引起中尺度通量输送,对这些环流在大尺度中的作用研究是以后要发展的一个方向。在观测资料和数值试验的基础上,总结出中尺度通量随这些参数的变化规律,最终将中尺度通量参数化,直接应用于大尺度的数值模式中。

需要指出的是,文中所涉及的非均匀陆面参数化方法大都考虑了空间上的非均匀性,而在数值模拟过程中时间上的非均匀性如何同时加以考虑,也是下一步研究中需要解决的一个问题。

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Review on Research of Parameterization of

Heterogeneous Land Surface Process

CH EN Bin 1-2, DING Yu -g uo 1, LIU Jing -miao 2, ZH ANG Yao -cun 3

(1.Nan jing Un iver sity o f In f ormation S cience and Tech no logy ,Nan jin g 210044,Ch ina ;2.Ch inese Acad emy o f Meteorolog ica l Sciences ,Ch ina Meteorolog ica l A dministration ,B eijing 100081,Ch ina ;3.Depar tment o f Atmosp here Nanjing University ,Nan jin g 210093,Ch ina )

A bstract :Land surface heterog eneity (LS H ),w hich is ubiquito us in nature ,have an effect on the ver -tical structure of a tmo spheric surface lay er ,and even change the local w eather conditio n .There is also a marked sensitivity of mo del g rid sensible and latent heat fluxes calculated in large scale to the land surface

sub -g rid heterog eneity .So implemented the parame terizatio n of LS H in the land surface model to enhance the accuracy o f clima te m odels forecast has become one of the key issues and difficulties of current re -search .Through lo oking up plenty of do cument info rmatio n ,this paper presented a review on process and advances in the param eterizatio n of heterog eneous land surface .Com pare and analy sis amo ng the different techniques that attempt to incorporate the effects of LS H in the mode over past several years is carried out .The respo nse of numerical model simulatio n re sults to them is also discussed .Some key issues w hich are very unclear as ye t and should be furthe r investig ated currently are point out at last .

Key words :Land surface process parameterizatio n ;H eterog eneity ;Sub -g rid flux

1180 高 原 气 象

27卷 

WRF物理过程参数化方案简介

WRF物理过程参数化方案简介(WRF V2) 分类:WRF相关 | 时间:2009-06-19 00:40 | 阅读:508人/次 | 发布者:laiwf 作者:胡向军, 陶健红 ,郑飞 ,王娜,张铁军,刘世祥,尚大成 1 辐射过程参数化 1.1 RRTM长波辐射方案 来自于MM5模式,采用了Mlawer等人的方法。它是利用一个预先处理的对照表来表示由于水汽、臭氧、二化碳和其他气体,以及云的光学厚度引起的长波过程。 1.2 Dudhia 短波辐射方案 来自于MM5模式,采用Dudhia的方法,它是简单地累加由于干净空气散射、水汽吸收、云反射和吸收所引起的太阳辐射通量。采用了Stephens的云对照表。 1.3 Goddard短波辐射方案 它是由Chou和Suarez发展的一个复杂光学方案。包括了霰的影响,适用于云分辨模式。 1.4 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL)长波辐射方案 这个辐射方案来自于GFDL。它将Fels和Schwarzkopf的两个方案简单的结合起来了,计算了二氧化碳、水汽、臭氧的光谱波段。 1. 5 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL) 短波辐射方案 这个短波辐射方案是Lacis和Hansen参数化的GFDL版本。用Lacis和Hansen的方案计算大气水汽、臭氧的作用。用Sasamori等人的方案计算二氧化碳的作用。云是随机重叠考虑的。短波计算用到时间间隔太阳高度角余弦的日平均。 2 微物理过程参数化 2.1 Kessler暖云方案 来自于COMMAS模式,是一个简单的暖云降水方案,考虑的微物理过程包括:雨水的产生、降落以及蒸发,云水的增长,以及由凝结产生云水的过程,微物理过程中显式预报水汽、云水和雨水,无冰相过程。 2.2 Purdue Lin方案 微物理过程中,包括了对水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的预报,在结冰点以下,云水处理为云冰,雨水处理为雪。所有的参数化项都是在L in等人以及Rutledge和Hobbs的参数化方案的基础上得到的,某些地方稍有修改,饱和修正方案采用Tao的方法。这个方案是WRF模式中相对比较成熟的方案,更适合于理论研究。 2.3 Eta Ferrier方案

WRF模式物理过程参数化方案简介

第24卷第20期2008年10月 甘肃科技 Gansu Science and Techno logy Vol.24N o.20 O ct.2008 WRF模式物理过程参数化方案简介* 胡向军1,2,陶健红1,郑飞2,3,王娜2,4,张铁军1,刘世祥1,尚大成1 (1.兰州中心气象台,甘肃兰州730020;甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020; 2.兰州大学大气科学学院,甘肃兰州730000; 3.中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京100029;4.陕西省气候中心,陕西西安710014) 摘要:文章较全面的介绍了新一代中尺度天气预报WR F(W eather R esearch and Fo recast)模式各种物理过程参数化方案的基本情况,进行了参数化方案选择应用的一些讨论,对模式研究和预报应用时如何选取参数化方案提供了一定的参考。 关键词:W RF;物理过程;参数化;选择应用 中图分类号:P457.6 在数值模式模拟天气过程时,往往由于模式分辨率不足等原因,对次网格尺度的物理过程不能很好的描述,需要诸如辐射、边界层、微物理等物理过程参数化来完善模拟的效果。目前很多参数化方案均来自各种当前较为流行的气象模式所使用的方案,本文介绍的WRF模式参数化方案是目前参数化方案较为丰富,代表性较好的一类。 W RF模式系统是由美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报系统,其目的是提高我们对中尺度天气系统的认识和预报水平,以及促进研究成果向业务应用的转化[1]。在未来的研究和业务预报中,WRF模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度的工具[2]。邓莲堂[3]、章国材[4]、李毅[5]、汤浩[6]等人已对WRF模式的基本结构和框架情况做了介绍,但并未对其物理过程参数化方案的相关情况做全面的介绍,本文即是在此基础上更进一步的对该模式各种物理过程参数化方案进行简要的介绍,文中以WRF v2版本为基础进行论述,为研究和业务人员根据自己的研究对象而选取不同的参数化方案提供一定的参考。 1辐射过程参数化 1.1RRT M长波辐射方案 来自于MM5模式,采用了M la w er等人的方法。它是利用一个预先处理的对照表来表示由于水汽、臭氧、二氧化碳和其他气体,以及云的光学厚度引起的长波过程。 1.2Dudhi a短波辐射方案 来自于MM5模式,采用Dudh ia的方法,它是简单地累加由于干净空气散射、水汽吸收、云反射和吸收所引起的太阳辐射通量。采用了Stephens的云对照表。 1.3Goddard短波辐射方案 它是由Chou和Suarez发展的一个复杂光学方案。包括了霰的影响,适用于云分辨模式。 1.4Eta Geophysi c al F l u i d Dyna m i c s Laborat o r y (GF D L)长波辐射方案 这个辐射方案来自于GFDL。它将Fels和Schw arzkopf的两个方案简单的结合起来了,计算了二氧化碳、水汽、臭氧的光谱波段。 1.5Eta Geophysi c al F l u i d Dyna m i c s Laborat o r y (GF D L)短波辐射方案 这个短波辐射方案是Lacis和H ansen参数化的GFDL版本。用Lacis和H ansen的方案计算大气水汽、臭氧的作用。用Sasa m ori等人的方案计算二氧化碳的作用。云是随机重叠考虑的。短波计算用到时间间隔太阳高度角余弦的日平均。 2微物理过程参数化 2.1Kessl e r暖云方案 来自于COMMAS模式,是一个简单的暖云降水方案,考虑的微物理过程包括:雨水的产生、降落以及蒸发,云水的增长,以及由凝结产生云水的过程, *基金项目:国家自然基金科学基金项目(No.40675078);甘肃省气象局青年科技基金;中国气象局区域中心能力建设项目共同资助

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