东亚季风区对流和层云降水模拟不确定性及其对季风环流模拟的影响研究

It has been a challenge to simulate the East Asian monsoon precipitation in climate models. The main objective of this proposal is to study the uncertainty in the modeling of convective and stratiform precipitation over East Asian monsoon region and its impact on the simulated monsoon circulation. A stochastic importance-sampling algorithm that can progressively converge to optimal parameter values is applied here to sample the parameters in convection and microphysics schemes. Based on abundance of simulation results, we will evaluate the model performance on the regional and seasonal variability of convective and stratiform precipitation against TRMM observation, analyze the sensitivity of convective and stratiform precipitation to different parameters, quantify the uncertainty for each parameter, and improve the precipitation simulation. Furthermore, we will investigate how the circulation responds to the simulated precipitation since convective and stratiform precipitation produce different latent heating profiles, so as to improve the simulation of monsoon circulation.

目前气候模式对东亚季风区对流和层云降水的模拟仍存在很大不足。本项申请以研究东亚季风区对流和层云降水模拟的不确定性为重点，应用有效收敛到最优参数的取样方法，改变微物理过程和对流过程关键参数进行数值模拟试验，对比东亚季风区对流和层云降水对不同参数的敏感性差异，确定影响降水的关键参数和关键物理过程，定量分析模式参数的不确定性，估计最优参数，检验最优参数在不同区域不同季节的普适性。在此基础上，分析模式对流和层云降水比率变化对凝结潜热释放的影响，研究大气环流对潜热释放变化的响应，改善模式对季风降水和环流的模拟。

气候模式对东亚季风区对流和层云降水的模拟存在很大不确定性。本项目应用高效取样方法扰动对流过程和微物理过程参数进行大量数值模拟试验，分析关键物理过程参数的不确定性，研究参数优化对季风降水和环流在不同时间尺度上变化特征的影响。通过对对流和层云降水模拟的不确定性分析，发现对流参数相比于云微物理参数对降水模拟影响更大，但对于不同季节、不同区域、不同性质、不同强度的降水，不同参数的作用存在差异性；使用优化后的对流和微物理过程参数不仅明显改善模式对季风降水总量的模拟，也改进模式对降水南北分布、不同等级降水的模拟，同时，降水所伴随的大气凝结潜热释放的改变使得模式对季风环流的模拟能力得到提升；通过改进气候平均降水的模拟亦可在一定程度上改善模式对东亚季风降水季节演变特征以及ENSO引起的降水年际变化特征的模拟能力，表明模式对气候平均降水和降水在一定时间尺度上变化特征的模拟具有一定相关性。通过本项目的研究，有效识别了气候模式中影响降水的关键物理过程，对理解降水物理特征及其对大气运动的反馈作用、优化模式参数以及减小模式结果不确定性有重要科学意义，同时为进一步开展相关物理过程的参数化方案改进工作和观测试验设计提供重要数据基础；气候平均降水的改进有利于模式对降水变化特征模拟能力的提升，这也为减小模式对降水时间变化特征模拟的不确定性提供了重要科学信息，在气候预测或未来气候预估研究中具有一定潜在应用价值。