气候系统模式经过多年的发展，在很多方面取得了实质性的进步，被广泛应用于气候变化机理分析和未来气候预估等，已经成为研究气候变化机制、提供气候变化的应对决策、以及解决科学和社会问题的重要工具。气候模式特别是大气模式中的物理参数化方案包含大量不确定参数，是气候模拟和预估不确定性的重要来源之一。目前针对参数不确定性的研究，多关注于通过改变参数值的选取以及参数优化来改进模式的模拟性能;然而，不确定参数对模式物理和动力过程影响的机理研究还较少，特别是对于大尺度环流影响的研究更少，而大气环流特别是热带大尺度环流对气候系统能量分布和输送起重要作用。因此，本文将基于中科院大气物理研究所LASG实验室自主研发的格点大气环流模式the Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG version2(GAMIL2)探究物理过程方案中不确定参数对模式中物理过程和大气环流的影响。为区分参数自身作用和参数间的联合作用对模式模拟的影响，本文分别利用均匀抽样和拉丁超立方抽样方法对GAMIL2中9个湿物理过程参数进行采样并运行模式，定量研究了不确定参数对云相关物理量、热带太平洋海表风、沃克环流和哈德莱环流模拟的影响及机理，并以此基础对GAMIL2的整体性能进行优化和评估。论文的主要结论如下:　　(1)不确定参数对云相关物理量模拟的影响:模式中的云量、云水含量、湿度、辐射和降水等云相关物理量对深对流触发的有效位能阈值(CAPELMT)、深对流初始下沉气流质量通量(ALFA)和浅对流云水雨水转换率(C0shc)这3个参数的响应较弱，对深对流触发的相对湿度阈值(RHCRIT)响应最强。如当增大RHCRIT时，模式中的深对流强度将减弱，这将造成水汽在低层堆积，难以输送至大气高层，进一步使得高层变干，高云和中云减少，低层变湿，低云增多。此外，对水汽模拟影响显著的参数还包括深对流云水雨水转换率(C0_deep)，对流降水蒸发率(KE)和浅对流调整的特征时间尺度(CMFTAU)。C0_deep增大主要引起对流层中上层水汽减少，从而降低模式中的云量;KE增大将增强对流降水的蒸发量，一方面减少了模式中的对流降水，另一方面使得模式低层变得更湿，低云增加;增大CMFTAU能够减弱浅对流强度，导致模式整体的相对湿度增加，引起低云量增多。低云生成的相对湿度阈值RHMINL和高云生成的相对湿度阈值RHMINH主要通过其作为阈值的直接作用来调节模式的云量。辐射通量对参数的响应和云量、云水含量的响应密切相关。低云对参数的响应主要影响大气顶净短波辐射通量的模拟，中云和高云对参数的响应能够同时改变大气顶净短波辐射通量和向外长波辐射通量。晴空下大气顶长短波辐射通量对参数的响应较弱，全天空情况下大气顶辐射通量的响应主要由云辐射强迫的响应所决定。对流降水和层云降水对大部分参数的响应呈负相关，表明对流过程和层云过程对降水有潜在的竞争关系。与均匀抽样试验结果相比，拉丁超立方抽样试验中云相关物理量对C0_deep和KE的响应明显变强，表明参数之间的联合作用会引起参数对模式物理量的影响发生变化。　　(2)不确定参数对热带太平洋海表风和沃克环流模拟的影响机理:为全面客观地表征沃克环流强度，本章在前人研究的基础上，分别基于质量流函数、有效边界层风矢量和纬向海平面气压梯度定义了三种沃克环流强度指数，发现不同沃克环流强度指数对于参数变化没有表现出完全一致的响应。只有当响应较强时，不同沃克环流强度指数才会表现出较为一致的响应。沃克环流受到热力直接驱动，与大气中的非绝热加热(DH)密切相关。主导赤道太平洋地区DH响应的物理过程主要包括深对流、浅对流、层云过程和长波辐射冷却。能够显著影响湿物理过程（深对流、浅对流、层云过程）的参数包括C0_deep,KE、CMFTAU、RHCRIT和RHMINL。在850hPa以上高度，深对流和层云过程的响应存在互相平衡的关系，当深对流凝结潜热增强（减弱）时，生成的云水增多（减少），层云的蒸发冷却增强（减弱）。C0_deep、CMFTAU和RHCRIT对深对流和浅对流的作用也几乎相反。这表明湿物理过程不同分量之间存在复杂的相互作用。不确定参数的变化引起DH和垂直速度的响应表现出显著的空间相关性，佐证了在热带地区非绝热加热（冷却）是由垂直运动引起的绝热冷却（加热）所平衡的。不确定参数的变化引起DH和垂直速度的响应，进一步激发环流异常，影响赤道太平洋海表风和沃克环流的模拟。通过对热力学方程进行分析发现，尽管静力稳定度对参数的响应在大气高层最强、低层较弱，但其在低层对于垂直速度的影响超过20％，不可忽略。参数之间的联合作用可以引起参数的作用强度和空间的变化，特别是KE对于沃克环流上升支的DH模拟的影响。　　(3)不确定参数对哈德莱环流模拟的影响机理:哈德莱环流上升区(700-400hPa，5°S-15°N)的DH和哈德莱环流强度之间存在显著的正相关。DH对参数的响应主要由与垂直速度相关的动力学变化所决定。RHCRIT对热带地区DH和哈德莱环流强度的影响最强，增大RHCRIT使得哈德莱环流上升区的DH增强，下沉区DH减弱，从而增强哈德莱环流的上升支和下沉支，显著增强模式模拟的哈德莱环流强度。而增大C0_deep、KE和CMFTAU主要是通过降低赤道附近DH，减弱赤道上升区的垂直上升运动来减小哈德莱环流强度。从大气中各物理过程的角度看，湿物理过程加热率和长波辐射冷却对参数的响应在哈德莱环流强度模拟中的作用明显，其中湿物理过程的作用更强。另外，不确定参数能够通过改变模式中对流层项高度和大气整体静力稳定度，进而影响哈德莱环流宽度的模拟。　　(4)GAMIL2的参数优化与评估:基于上述的机理分析，采用均匀抽样和单纯形下山法相结合的两步法对GAMIL2进行参数调优并评估调优效果。调优组EXP的整体误差相比于标准版本GAMIL2减小7.5％。在构造目标函数的16个变量中，有11个变量的模拟误差有所减小，表明模式整体性能得到改进;其中，高层的湿度场和风场的改进明显，例如，400hPa湿度场、200hPa纬向风和500hPa位势高度，而200hPa温度、长波云辐射强迫和大气项向外长波辐射通量(OLR)的模拟误差变大，这些变量改进/变差的最大贡献均来自热带地区。对GAMIL2整体性能起到改进作用的主要是深对流云水雨水转换率C0_deep的增大。C0_deep增大使得深对流整体上减弱，大气低层向中高层输送的水汽减少，低层湿度增加，中高层湿度降低，模式低层的干偏差和中高层的湿偏差同时得到降低。参数联合作用使得KE对水汽的影响被放大，有利于湿度模拟的改进。大气湿度的改进进而优化了模式对云量的模拟。参数变化引起动力和热力过程改变，进一步改进位势高度和风场的模拟。另一方面，由于标准版本GAMIL2模拟的OLR本身偏高，EXP试验中热带地区中云和高云的减少在一定程度上增大了OLR的模拟误差。