云-辐射反馈过程对东亚-西北太平洋地区海气相互作用的影响及其气候模式模拟的不确定性

Cloud and its climatic effects remains the largest contributor to uncertainty in current climate model. In this project, we will focus on the East Asia-Northwestern Pacific ocean region to investigate the local cloud properties and the mechanisms for cloud radiations impacts on the underlying SST by using diverse datasets, including satellite data. Then the Coupled Model Inter-comparison Project - Phase 5 (CMIP5) and CFMIP (cloud feedback Model Intercomparison Project) results are studied to assess their performances in simulating cloud and inspect the relationship between cloud and SST. We have applied a Sensitivity Analysis (SA) framework to analyze the variation of cloud due to perturbations in tunable parameters in the Community Earth System Model version 1.2 and Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System Model that are developed by National Center of Atmospheric Research (NCAR) and Institute of Atmospheric Physics (IAP). The contributions of cloud feedback to local air-sea interaction are also studied and quantified.

云及其气候效应是造成气候模式结果不确定性的重要环节。本项目拟针对东亚-西北太平洋这一直接影响中国气候的特殊区域，使用包括卫星资料在内的多种观测资料，揭示该区域云的分布特征，讨论其辐射效应与东亚-西北太平洋SST的联系。以此为基础检验CMIP5 (Coupled Model Inter-comparison Project - Phase 5) 和CFMIP (cloud feedback Model Intercomparison Project)模式的云模拟偏差及其对SST的影响；使用美国大气研究中心的CESM和中国科学院大气物理研究所气候系统模式FGOALS，采用美国西北太平洋实验室(PNNL)发展的参数扰动及其敏感性分析SA方法，通过改变云参数进行敏感性测试，定量分析影响季风区的关键云参数和物理过程，优化模式改进模拟，并在此基础上研究季风区云反馈过程对局地海气相互作用的影响。

云及其辐射反馈过程是气候研究公认的难点，也是制约气候模拟和预估的最大不确定来源。如何深入理解云辐射反馈的机理、减少其不确定性是气候研究亟待解决的问题。本项目采用卫星资料资料和数值模式相结合，围绕着“东亚-西北太平洋季风区”（简称季风区）云辐射反馈的气候效应及其模拟的不确定性展开了系统研究，通过云三维结构的时空演变特征、云辐射反馈机制模型的提出和证明、定量分析云辐射反馈的不确定性和云参数/物理过程对其的敏感性等几个方面的分析，深入理解季风区云辐射反馈的机理。主要结果概述如下：.1）基于卫星资料等诊断分析，指出季风区云时空演变特征以冬季的层积云和由深对流云、卷云和高积云组成的夏季风云系交替为主；海表温度、大气环流演变和夏季风云系的推进是云三维结构时空演变的主要原因。2）提出、证实了由垂直速度方程和Sverdrup平衡为理论依据的云辐射反馈机制模型，指出该反馈过程在季风环流维持中起约30%的正贡献；通过关闭云辐射强迫的敏感性试验，证实了该机制。3）基于CMIP5模式，指出模式普遍对季风区低云的模拟不足、云顶高度偏高，导致云的局地辐射冷却效应偏弱；普遍高估了季风区大气环流和云、辐射对SST变化的响应，但在响应强度方面模式间存在较大的不一致性。4）基于FGOALS-s2的季节预测试验，探讨了季风区云辐射反馈在局地海气相互作用中的贡献，发现由于不能再现合理的边界层逆温结构、边界层高度过低，低云模拟偏少，海表入射短波辐射偏强，迫使局地SST模拟偏高。5）项目设计完成云辐射反馈云参数扰动试验，定量揭示了影响季风区云辐射反馈的不确定性范围、各个物理过程对云模拟和云辐射反馈的相对贡献，揭示了影响云辐射反馈的核心过程具有明显的云动力依赖性和区域性。.本项目的实施结合观测诊断到模拟分析，从物理过程的角度，加深了对季风区云气候反馈的理解，提出了一个云辐射反馈的机制模型，并首次定量化了云辐射反馈的不确定性以及各物理过程对云反馈的相对贡献。这为降低气候预估不确定性和提高模式性能提供了必要的理论依据。