阵风参数化对NCAR CESM海气耦合模式气候模拟的影响

The exchange of sea surface turbulent fluxes plays a key role in the air-sea interaction.It is very important to describe correctly the sea surface turbulent fluxes for understanding the air-sea interaction and improving the simulation capabilities of the climate models.Wind gustiness,which originates from fair weather convective motions in the boundary layer and deep convection,obviously increases the local sea surface turbulent fluxes by enhancing sea surface wind speed(namely the wind gustiness effect).Observational analysis shows that the magnitude of wind gustiness enhancement of monthly averaged sea surface fluxes can reach 30% during occasional periods with weak and variable winds over tropical ocean rainfall zones.However,the wind gustiness effect is not considered in coupled ocean-atmosphere models,which leads to the simulated sea surface turbulent fluxes existing uncertainties,and further depresses the climate simulation capabilities.Aiming at these problems above,this study will consider the wind gustiness parameterization in the NCAR(National Center for Atmospheric Research) CESM(Community Earth System Model),to improve the computation scheme of sea surface turbulent fluxes.On this basis,numerical simulations are run by NCAR CESM with or without the wind gustiness parameterization in the the computation scheme of sea surface turbulent fluxes.Furthmore,by the statistical diagnosis method,this study analyzes the influence of the wind gustiness parameterization on the simulations of sea surface fluxes,air-sea coupled system,air temperature and rainfall,in order to provide theoretical basis for improving physical process parameterization in coupled ocean-atmosphere models.

海表湍流通量交换是海气相互作用的关键，其准确计算对研究海气相互作用和改进气候模式至关重要。大气边界层中晴空自由对流运动和深对流运动会产生中尺度阵风，阵风通过增大海表风速使得局地湍流通量增加（即阵风效应）。观测表明，在热带海洋降水带上，当海表平均风速较弱且多变时，阵风效应可占海表湍流通量的30%。然而，目前海气耦合模式尚未考虑阵风效应，由此导致海表湍流通量计算存在不确定性，进而影响模式的气候模拟能力。针对上述问题，本项目拟在海气耦合模式NCAR CESM中引入阵风参数化，以改进模式的海表湍流通量计算方案；并进一步评估引入阵风参数化的影响。为此，利用引入阵风参数化的NCAR CESM模式进行数值模拟试验，与不包含阵风参数化的NCAR CESM模式结果和再分析资料比较分析，研究阵风参数化对海表通量、海气耦合系统及气温和降水模拟效果的影响，为改善海气耦合模式的物理过程参数化提供理论依据。

海表湍流通量交换是海气相互作用和气候模式的重要物理过程之一。洋面上空的自由对流运动和深对流运动产生阵风，加剧局地海表湍流交换过程，从而引起局地海表湍流通量的增加，这种增加作用称为阵风效应。在热带主要降水带上，当平均风速较弱且多变时，阵风效应尤为显著。当前气候模式的海表湍流通量方案中通常忽略阵风效应，使得海表湍流通量的计算产生较大的偏差，影响了气候模式的模拟性能。本项目通过参数化方法将自由对流运动和深对流运动产生的阵风，引入到NCAR CESM海气耦合模式的海表湍流通量计算中，建立了包含阵风参数化的海表湍流通量计算的新方案。采用NCAR CESM海气耦合模式进行有、无包含阵风参数化的数值试验，研究阵风参数化对NCAR CESM海气耦合模式气候模拟效果的影响。研究表明，引入阵风参数化后，模式对热带太平洋和印度洋海表温度的模拟结果得到明显的改善。相应地，热带海洋对大气的加热作用得到更好地模拟，模式对低纬度地区对流层中上层大气位势高度场的模拟性能得到了显著的改善。引入阵风参数化，在热带西太平洋和印度洋地区海表10m风速和蒸发量增加了10%左右，模式对热带中、西太平洋850hPa风场模拟得到了改善，从而改善了模式对热带中、西太平洋降水的模拟性能。此外，将阵风参数化引入到NCAR CESM大气环流模式CAM5中，利用观测海温驱动CAM5，研究阵风参数化对东亚夏季风环流和降水模拟效果的影响。结果表明，东亚夏季风环流以及降水气候平均态模拟效应得到了较好的改进。引入阵风参数化后，热带西太平洋海表对流活动增强、水分蒸发增加、降水增多，大气中水汽凝结释放潜热增多，导致对流层中上层平均温度升高，其结果使得中高层大气环流系统位势高度得到抬升，东亚夏季风环流重要成员南亚高压以及西北太平洋副热带高压强度模拟结果更接近观测。本项目的研究成果表明，在气候模式中引入阵风参数化，能够改善气候模式对海气湍流通量的计算，从而使得海气相互作用的物理过程得到更好地刻画，有助于提高模式的气候模拟性能。