气候模式海洋低云模拟问题分析和改进

Global climate model is the powerful tool for the understanding of the past climate change and the projection of future climate change, but cloud feedback significantly influences the uncertainties of the future projections. Large biases of marine low cloud remain in the simulations of current climate models, which strongly impact the magnitudes and signs of the cloud feedbacks. Utilizing various observations from the VOCALS experiment conducted over the Southeast Pacific Ocean, via CAPT (short numerical simulation using climate models) approach, we propose to investigate the causes of poor simulation of marine low clouds in major climate models. Furthermore, a simple statistical cloud model, which relates the subgrid scale moisture variance to the boundary layer turbulence and shallow convection, is proposed to improve low cloud simulations. Finally, the scheme will be further tested and evaluated in climate models in China.

气候模式是我们理解过去气候变化和预估未来气候变化的有力工具，但云反馈严重影响气候模式对未来气候变化预估的不确定性。目前全球气候模式对海洋低云的模拟仍存在较大偏差，严重影响云反馈的强度。利用东南太平洋海洋低云外场试验得到的各种观测资料，借助云相关参数化试验平台，申请人计划对主流气候模式的海洋低云模拟问题进行深入的分析和归因。在此基础上，开发一个简单的、假定次网格水汽高斯分布、并把网格水汽变率和模式边界层和浅对流过程紧密联系起来的统计云量方案，改进海洋低云的模拟。最后通过和国内的模式中心研究人员合作，评估这一方案在我国气候模式中的效果。

气候模式是我们理解过去气候变化和预估未来气候变化的有力工具，但气候模式云和降水的模拟还存在较大的偏差，严重影响气候模式对未来气候变化预估的不确定性。目前大部分全球气候模式海洋低云的模拟仍存在较大偏差，这些偏差和模式云降水参数化有关。由于气候模式的分辨率较低，需要考虑次网格凝结和云量，也就是云宏物理参数化。考虑到当前大部分主流气候模式中的相对湿度云量方案不能很好的考虑次网格变率，项目开发了一个相对简单的统计云宏物理方案。该方案假定次网格水汽和温度的一个联合变量为高斯分布、并把其次网格变率和模式边界层和浅对流过程紧密联系起来。这一方案在热带大洋东部地区，低云云量和液态水路径均显著增加，缓解了原有方案偏少的偏差，模拟的全球云辐射强迫分布也有显著提升。进一步的海气耦合模拟发现副热带低云模拟的增加减少了到达地表的短波辐射，降低了热带东太平洋局地海温的暖偏差，增加了热带太平洋的经向温度梯度，增强了沃克环流的强度，增强的热带东风促进了东部海洋冷水的向西输送，进而减少了热带中部太平洋的海温暖偏差以及降水偏差，缓解了原有耦合模拟中长期存在的南支赤道辐合带降水高估的偏差。这一方案已应用到清华大学的联合地球系统模式中，效果良好，改进了热带海洋低云和热带降水的模拟。同时，该方案也在气象局下一代的天气气候一体化模式中进行了测试，有望为该模式所用。这个方案的开发也提高了我国在模式物理参数化方面的自主研发能力，有助于我国模式的长远发展。