论文总字数：15355字

目 录

1 引言 5

2 模式介绍和试验设计 5

2.1 模式介绍 5

2.2 积云对流参数化方案简介 5

2.3 试验方案设计 6

3 模式检验 7

3.1 850hPa气温和环流检验 7

3.2 500hPa位势高度和风场 10

3.4 夏季平均降水 11

4 不同试验间偏差的分析 12

4.1 850hPa气温和风场 12

4.2 夏季降水 13

5 结论与讨论 16

参考文献 17

致谢 18

不同积云对流参数化方案对模式空间分辨率的敏感性研究

肖雨佳

摘要：对区域气候模式RegCM4.6对2000～2009年的平均模式气候场进行了较为系统的检验, 比较了模式气候场中各主要物理量的模拟偏差，结果表明该模式基本上对东亚地区季风环流、平均温度、夏季平均降水的基本气候特征以及东亚地区气候系统的季节性变化特征能够较好地模拟，但仍存在系统性的误差，模式中地形的作用及云-辐射参数化方案等的处理可能是模拟误差的主要来源，仍需要进一步改进。同时还比较了在60km和40km的空间分辨率Grell、Emanuel、Tiedtkeh 、Kain-Fritsch参数化方案试验对低层流场、温度场以及夏季降水的模拟情况，讨论了不同积云对流参数化方案对温度场和流场以及夏季总降水量模拟的稳定程度，和对模式空间分辨率的敏感性研究。

关键词：区域气候模式；积云对流参数化；模式分辨率

Abstract : This paper systematically examines the average mode climatic field of the regional climate model RegCM4.6 from 2000 to 2009, and compares the simulation deviations of major physical quantities in the model climatic field. The results show that a monsoon circulation in East Asia and the basic climate characteristics of the average temperature, average summer precipitation, and seasonal variations of the climate system in East Asia can be well simulated, but there are still some systematic errors. The role of terrain in the model, and the treatment of cloud-radiation parametric schemes may be the main source of simulation errors and the regional climate model RegCM4.6 still needs further improvement. At the same time, the simulations of the low-level flow field, temperature field, and summer precipitation simulated by the Grell, Emanuel, Tiedtkeh, and Kain-Fritsch parametric schemes with spatial resolutions of 60km and 40km were compared. The stability of the simulation of temperature field, flow fields and summer total precipitation and the sensitivity of the model to spatial resolution were discussed.

1 引言

由于人类活动的影响，全球出现了许多极端天气和气候事件的变化，同时气候的变化反过来也影响了人类的生产生活，因此气候变化研究成为了世界热点问题之一，在全球气候变化大环境下区域气候的波动也受到了越来越多的重视。在20世纪80年代末，Giorigi等人首次提出了区域模式的概念^[1]，随后区域气候模式开始在多个国家和机构提出并得到发展，逐渐推广到科学领域的研究和业务单位的应用。和全球环流模式相比，区域气候模式有着更高的分辨率，从而更能体现大尺度和中小尺度运动的相互作用，更好的考虑了区域性强迫作用，以及可以更合理的模拟包含降水、辐射等更详细的物理过程和部分大气化学过程，更适用于较小范围的气候变化^[2]。在气候变化研究中，区域气候模式可以看成是全球气候模式的补充和精细化，计算量相比较而言有所减少，更为省时。

经研究表明，区域气候模式的模拟效果与诸多要素有关，如模式分辨率的大小^[3]、初、边值条件^[4]和侧边界的处理^[5]等。在各物理量中，降水模拟是检验模式模拟效果综合性较强的指标之一，而大气中的对流性降水主要是由小尺度积云对流产生，它是模式中重要的非绝热加热物理过程之一。积云对流在一定大尺度环境流场中产生，并且反过来会影响大尺度运动的变化，通过感热、潜热和动量输送影响着大气温度、湿度场的垂直结构，因而气温、环流场的模拟也是反映气候区域模式模拟结果的有效指标。直接求解描述积云对流和大尺度运动的耦合方程来研究积云对流和大尺度运动的相互作用，通常要求高模式分辨率，使得计算量巨大，因此在区域气候模式中常采用积云对流参数化方案，用大尺度变量来描述次网格积云对流的总体效果，忽略小尺度运动的细微结构。显然，积云对流参数化方案的选择对区域气候模式的模拟结果也有重要影响。并且，在进行数值运算过程中，不论是大尺度运动上升还是积云对流，这两种凝结过程的效果难免是相互交融的，两者之间的关系与模式的水平分辨率密切相关，分辨率越高，原本次网格的运动过程将被模式可识别网格尺度运动包含，次网格积云对流释放的凝结潜热效果也就相应变小，因此，模式水平分辨率对积云对流参数化效果也有着重要影响，对于特定模拟区域和气候状况，即使有同样的参数设置，不同分辨率得到模拟结果也不一定相同，同时，积云对流参数化方案对区域气候模式的模拟结果也有重要影响，在其他条件相同的状况下，选取不同参数化方案，模式对气温和降水的模拟结果也会有较大差别^[6]-[7]。所以模式水平分辨率和积云对流参数化方案的选取都会对预报质量产生影响，研究不同积云对流参数化方案对模式水平分辨率的依赖性是有必要的。

2 模式介绍和试验设计

2.1 模式介绍

RegCM模式是目前使用较多、发展较为成熟的一个区域气候模式，如今RegCM模式已经发展到了第四版，并在向第五版推进中。本课题使用的模式为2017年6月发行的RegCM4.6,它是RegCM相对较新的版本,其动力过程基础为中小尺度MM5模式，包含了静力学和非流体静力学模式，提供了隐式的参数化方案和显示的计算方案这两种降水处理方案，垂直方向采用σ地形坐标。，与之前的版本相比，RegCM4在代码编译和物理模拟上都有了更新和调整：模式代码全面升级，提高了操作性性和可移植性，比如在编程使用更具灵活性的Fortran95语言、内存配置实现了动态化并更新了后处理程序等；同时在降水处理方案中，改进了积云对流参数化方案，增加了Tiedtke对流参数化以及考虑了陆地和海面不同影响的混合对流参数化方案；升级了陆面过程方案，耦合了CLM3.5模式；改进了气溶胶辐射方案，考虑了长波辐射对气溶胶的作用等。

2.2 积云对流参数化方案简介

Grell^[8]方案：提出一个简化的单云模型，云内有两个由上升和下沉气流引起的稳定状态环流系统，除了环流的顶部和底部，云内外空气间没有直接混合。假设在饱和情况下，云内水汽收支可以近似表示为

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