对流闭合假设集合优化对我国南方夏季降水日变化模拟的影响研究

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我国南方地区夏季降水日变化特征复杂,全球和区域气候模式普遍难以模拟长江上中游的夜间-凌晨降水、下游江淮的清晨为次和午后为主的降水双峰,且东南沿海午后强降水峰值模拟偏早。已有研究指出夏季降水日变化的模拟对于对流参数化方案的选取有着显著的区域敏感性,多是定性的指出模拟的偏差主要与对流参数化方案中最关键的闭合假设存在的缺陷和区域依赖性相关。同时,这些研究多是基于不同的模式和物理过程等,缺少基于统一的模式框架,定量系统地评估对流闭合假设的影响。因此,本文着重利用区域气候模式CWRF(Climate extenstion of WRF)中的集合对流参数化方案(Ensemble cumulus parameterization,ECP),比较不同闭合假设对降水日变化模拟的影响,理解不同对流参数化方案区域敏感性的来源,并探讨基于闭合假设进行集合优化改善降水日变化模拟的可能,具体结论如下:(1)基于30公里网格距的区域气候模式CWRF模拟的1998-2015年长期积分的结果,结合不同的降水类型、事件和区域强迫机制,系统评估了8种不同对流参数化方案对于南方四个关键区域(A:长江流域上游地区;B:长江流域中游地区;C:长江流域下游平原;D:华南地区)夏季降水日变化特征模拟的影响,结果表明,ECPCTL、NSAS、Donner和Tiedtke四个方案能较好的模拟到长江流域夏季的季节降水,但对区域夏季降水日变化的模拟存在各自的优势和不足:1)模式中的控制版本ECPCTL、NSAS方案能一定程度上模拟到长江中游、华南地区的午后峰值,但在高原东部高海拔地区产生了过强的午后降水,均无法模拟到长江上游地区的午夜、中游地区的凌晨降水峰值;只有ECPCTL一定程度上模拟到长江下游地区的清晨和午后双峰的结构,但由于模拟的对流降水峰值偏早,导致总降水午后峰值比观测偏早1-2小时;2)Tiedtke和Donner方案由于模拟的对流降水偏少,非对流性降水在总降水量中比重大,能较好地模拟到以层状云降水为主的长江上游地区的午夜降水、中游地区的凌晨降水主峰值,但是基本无法模拟到以对流性降水为主的长江下游及华南地区的午后降水峰值。(2)基于集成了五大类对流闭合假设(准平衡假设AS、垂直速度假设W、整层水汽辐合假设MC、有效位能释放假设KF、大尺度不稳定能量倾向假设TD)的ECP方案,通过敏感性对照试验,定量分析了对流闭合假设对南方夏季降水日变化模拟的影响,较好地解释了不同对流参数化方案的模拟差异和特征。如:1)只有垂直速度和水汽辐合假设对长江下游地区的长期降水事件中的对流性降水日变化的双峰结构有一定的模拟能力,且较好地模拟了该地区的层状云降水的清晨峰值;同时,这两类闭合假设系统性高估长江上游地区的午后降水;因此,较好地解释了基于这两类闭合假设集合的ECPCTL方案模拟的降水日变化区域特征;2)准平衡假设和大尺度不稳定能量倾向假设中,对流过程对垂直热量的输送和水汽的消耗相比其他假设明显偏小,在长江上游地区模拟的对流性降水普遍偏少,导致其层状云降水贡献较大,同时在长江中游地区模拟到强的夜间水汽辐合和上升运动,这些与基于准平衡假设的Donner参数化方案、基于大尺度不稳定能量倾向假设的Tiedtke参数化方案相对应,二者较好的模拟到长江流域上游的午夜降水、中游地区的凌晨降水主峰值。(3)基于五大类闭合假设考虑环境变量扰动后的16种算法,利用约束非线性优化算法,集合四个区域夏季降水日变化位相模拟偏差较小的7种算法,根据8个夏季降水异常年和平均年,构建了基于格点的集合优化的训练预测模型。与ECPCTL相比较,该模型改善了长江上游地区降水高估的误差,较好地模拟了夜间降水的峰值,并延后了长江下游地区和华南地区偏早的午后降水峰值时间。但是,由于选取的算法主要考虑降水日变化位相的模拟偏差,该模型仍低估长江下游地区的平均降水,不能模拟到长江中游的清晨降水峰值,有待进一步改进。此外,区域气候模式CWRF网格分辨率从30公里提高15公里,不同闭合假设的尺度适应性存在区域差异。其中,垂直速度和水汽辐合假设的非对流性降水和对流性降水雨量都明显增加,因而在四个区域的高估明显增加,但仍然保持了对于长江下游双峰结构的模拟优势;准平衡假设的对流性降水则随着分辨率的提高而减少,因而在长江上游的降水高估明显改善;大尺度不稳定能量释放假设虽然仍低估长江下游和华南地区的降水,但是较好地模拟了长江中游地区的清晨降水峰值,并对长江下游和华南地区的午后降水峰值时间模拟较准确;因此,可以考虑在ECPCTL的基础上,减少垂直速度和水汽辐合假设的权重,增加准平衡、大尺度不稳定能量倾向假设的权重,以期减少分辨率提高导致的夏季区域降水量的高估,并能利用大尺度不稳定能量倾向假设对长江上、中游地区降水日变化位相模拟的优势,为分辨率提高后方案的改进提供依据。
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