气候模式不同对流参数化方案结构性差异研究

Convective parameterization schemes in climate models act to use multiple governing equations and parameters to represent the relationships between sub-grid convective processes and gird-scale fields. Given too many complex processes associated with convection, different convection schemes are structurally different because of differences in their governing equations, which leads to large uncertainty in precipitation simulations. Therefore, it is important to study how structure difference in convection schemes can affect climate modeling. In this study, we will use multiple mass-flux convection schemes each with a perturbed-parameter ensemble. Our purposes are 1) to investigate the impacts of key parameters on the simulated precipitation-environment relationship (PER), 2) examine the structural features of the PER within each perturbed-parameter ensemble, and 3) explore the reasons for the differences in PER among different ensembles by analyzing process-level variables such as sub-cloud mass flux, detrainment, and cloud-rain conversion. The results can provide useful insights on the improvement of convection scheme and precipitation simulations in climate models

气候模式对流参数化可看作是通过有限数量的控制方程和参数来建立次网格对流活动统计效应与模式格点已知变量的关系。由于对流参数化需要很多物理假设，不同方案因控制方程形式上的不同而存在结构性差异，使得不同方案中降水对环境背景的响应特征存在差别，进而导致不同方案模拟的降水在空间或时间上表现出不同的结构性特征。因此，研究不同对流参数化方案结构性差异对降水模拟的影响对完善对流参数化方案及减小模式对降水模拟不确定性具有重要科学意义。本项目针对基于质量通量原理的不同对流参数化方案，分析不同物理过程参数对降水与环境背景关系的影响，研究各方案参数扰动试验集合中降水与环境背景关系的统计规律及降水在空间或时间上的结构性特征，分析对流触发、云底质量通量、夹卷、云水转换等关键中间过程，揭示不同方案降水结构性特征差异产生的物理原因，为改进对流参数化方案提供科学依据。

气候模式中对流参数化等物理方案往往具有很大不确定性，是气候模拟存在不确定性的重要原因之一。物理参数化方案一般存在结构性缺陷（即模型误差），并包含大量未得到有效约束的物理参数，这两类误差因高度耦合而难以区分，增加了量化模式不确定性来源的难度。本项目通过利用不同方案的参数扰动试验集合，结合过程尺度物理变量的诊断分析，发展了可区分参数不确定性和结构性不确定性的方法，为诊断模式结构性缺陷提供了有效途径，并运用发展的方法甄别出模式误差的物理来源，进而有针对性地发展了具有物理意义的对流闭合方案。具体成果为：1）定量分析了不同对流闭合方案中边界层过程、平流过程、辐射过程对降水日变化模拟的相对贡献，揭示了不同方案降水模拟差异的物理原因；研究了对流方案和层云微物理方案联合效应对云和降水模拟的影响，揭示了对流过程和层云过程间协同与竞争作用对降水的影响机制；2）利用不同方案的参数扰动试验集合，量化参数敏感性和方案结构性敏感性对模式结果的影响，通过剔除参数不确定性的贡献甄别出方案结构性差异的作用，提出了诊断方案结构性缺陷的有效途径；进一步运用发展的方法分析了美国能源部E3SM地球系统模式中与结构性缺陷相关的误差分量，并研究了多模式集合和参数扰动试验集合中降水模拟不确定性的差异；3）发展新的对流闭合方案改进深对流与浅对流的耦合，使深对流与浅对流协调一致地消耗对流有效位能；进一步发展了基于浅对流至深对流夹卷连续分布函数的新闭合，从而改进闭合与对流云模块间的物理一致性，并在新闭合框架下引入对流记忆效应对夹卷分布和新生对流触发的影响，发现新方案可很大程度上改进模式对降水多尺度变率的模拟。受本项目资助共发表SCI论文8篇。