氣候數(shù)值模擬-L08

1第8講模式物理過(guò)程參數(shù)化和氣候敏感性試驗(yàn)2

Three-dimensionhydrostaticprimitiveequationsonspherewithsigmacoordinateVorticityandDivergenceequationsMasscontinuityequationHydrostaticequationThermodynamicenergyequationMoistureconservationequationDynamicsofAtmosphereDynamicsThree-dimensionhydrostaticprimitiveequationsonspherewithsigmacoordinate3PhysicalProcessesofAGCMFrom(In-SikKang2004)PhysicsofAtmosphereandLandSurfaceCumulusConvectionLargeScaleCondensationRadiationLandSurfaceProcessPlanetaryBoundaryLayerGravityWaveDragCumulusconvectionShallowconvectionLarge-scalecondensationGravitywavedragPlanetaryboundarylayerRadiationLandsurfacePhysics4DifferentscalesinvolvedAtmosphericmotionshavedifferentscales.Climatemodelresolutions:

Regional:50kmGlobal:100~200kmSub-gridscaleprocesses:

Atmosphericprocesseswithscalescannotbeexplicitlyresolvedbymodels.Physicalparameterization:

Torepresenttheeffectofsub-gridprocessesbyusingresolvablescalefields.2007年10月5什么是參數(shù)化（Parameterization）？在數(shù)值模式中，不考慮過(guò)程的細(xì)節(jié)，而是用其它一些確定的變量所表示的簡(jiǎn)化函數(shù)表示這個(gè)過(guò)程，這個(gè)方法稱為“參數(shù)化”。6E1:Asimpleexampleforcomplexflowaroundavarietyofsurfacefeatures:高大的樹(shù)木，有較大的摩擦周圍建筑物或其他障礙物產(chǎn)生的湍流渦在開(kāi)放的領(lǐng)域,表面摩擦要少得多

在一個(gè)網(wǎng)格框，模型不可能解決任何局地的流，漩渦，或障礙的存在，該模型必須考慮這些表面上的低級(jí)別的流量與單數(shù)的摩擦力（F）的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)風(fēng)方程的聚合效應(yīng)。7E2:Convectiveprocesses:通過(guò)對(duì)流重要的熱量和水汽的垂直再分配，可以很容易地發(fā)生之間的尺度網(wǎng)格框。8E3:Microphysicalprocesses:即使在非常高分辨率的模式，由于微物理過(guò)程發(fā)生的規(guī)模太小，模式分辨不能，其在水平和垂直的重要變化。在這個(gè)例子中，云的微物理過(guò)程的凝結(jié)和液滴增長(zhǎng)1公里的模型網(wǎng)格內(nèi)發(fā)生的。9

小尺度的物理過(guò)程不能用模式準(zhǔn)確的描述，但是我們必須把模塊化、公式化，這就叫次網(wǎng)格的物理過(guò)程參數(shù)化10Physics:那些小于模式的分辨率物理過(guò)程，可以施加尺度的累積效應(yīng)

它包括大氣與外界的能量、水、勢(shì)等的交換。

云和微物理過(guò)程等Climatemodelscannotresolveweatherfeaturesand/orprocessesthatoccurwithinasinglemodelgridbox.ParameterizingPhysicalProcesses在我們還沒(méi)認(rèn)清物理過(guò)程的細(xì)節(jié)時(shí)候，參數(shù)化可以使我們認(rèn)清物理過(guò)程的影響

所以參數(shù)化可以被認(rèn)為是物理過(guò)程的影響，而不是模擬。Parameterizationisnecessaryforseveralreasons:電腦還沒(méi)有強(qiáng)大到足以把許多物理過(guò)程很明確，因?yàn)樗麄円刺。ㄈ缜八觯┗驈?fù)雜的，但是這些都必須要解決

許多其他的物理過(guò)程，不能被模式化，因?yàn)樗麄儧](méi)有充分理解為方程格式或有沒(méi)有合適的數(shù)據(jù)12

每一個(gè)重要的物理過(guò)程參數(shù)化方案都不能直接預(yù)測(cè)，只能基于合理的物理聯(lián)系（例如輻射）或統(tǒng)計(jì)（例如推斷相對(duì)濕度混濁）基礎(chǔ)之上來(lái)表示。該方案必須基于能獲得預(yù)測(cè)方程變量的一些過(guò)程信息，才能實(shí)現(xiàn)。封閉是指在參數(shù)的假設(shè)和預(yù)測(cè)變量之間的聯(lián)系。（關(guān)閉參數(shù)及預(yù)測(cè)方程之間的循環(huán)。）AccountingfortheEffectsofPhysicalProcesses13ParameterizedProcessesandParametersIncomingSolarRadiationAbsorptionbytheatmosphereReflection/AbsorptionatEarth’sSurfaceScatteringbyAerosolsEmissionfromCl;oudsEmissionfromEarth’sSurfaceReflection/AbsorptionbyClouds14Soilwaterandsnow-meltTurbulenceRain(Cooling)SensibleHeatDeepConvection(Warming)VegetationSoilPropertiesEvaporationSnow/Ice/WaterCoversnowCondensationSurfaceRoughnessTopography15IncomingSolarRadiationAbsorptionbytheatmosphereReflection/AbsorptionatEarth’sSurfaceSoilwaterandsnow-meltTurbulenceScatteringbyAerosolsRain(Cooling)SensibleHeatDeepConvection(Warming)VegetationSoilPropertiesEvaporationSnow/Ice/WaterCoversnowCondensationEmissionfromCl;oudsSurfaceRoughnessTopographyEmissionfromEarth’sSurfaceReflection/AbsorptionbyClouds16Whatshouldbeparameterized?Radiationtransfer.Surfaceprocesses.Verticalturbulentprocesses.Cloudsandlarge-scalecondensation.Cumulusconvection.Gravitywavedrag.16majorphysicalprocessesinclimatesystem.(from/nwp/pcu1/ic4/frameset.htm)ModelPhysicsinclude:Small-scalephysicalprocessescannotberepresentedexplicitlyincomputermodels.Theymustberepresentedbybulkformulae.Thisiscalledparameterizationofthesub-gridscalephysics.17CloudseffectsintheclimatesystemPhysicalprocessesandinteractions.(fromArakawa,2004)Cloudsradiationeffects:modifyingtheabsorption,scattering,emission.CloudsinfluencePBL:theverticaltransportofheat,moistureandmomentum.Cloudshydrologicaleffects:condensation,evaporationandprecipitation.18CumulusconvectiveParameterizationschemesManabemoistconvectiveadjustmentscheme.Arakawa–Schubertscheme.Betts–Millerscheme.Kuoscheme.積云發(fā)展的早期階段積云發(fā)展的成熟階段Thisstormhasreachedanupper-levelinversion,formingananvil-shapetothecloud.19FromMcGuffieandHenderson-Sellers(2007)AClimateModellingPrimer20Howdowedoparameterizationin

numericalmodels?忽略一些過(guò)程（簡(jiǎn)單模式）基于一些假設(shè)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的物理過(guò)程?；谟^測(cè)，用統(tǒng)計(jì)/經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。嵌套模式和超參數(shù)：嵌入到氣候模式的云模式。21DynamicalprocessesDynamicalprocessesCloudprocessesRadiationprocessesHydrologicalprocessesSurfaceprocessesBoundarylayerprocessesFirstphaseSecondphasePrecipitation天氣和氣候預(yù)測(cè)的參數(shù)化的重要性已眾所周知，很多工作已經(jīng)完成，以提高我們對(duì)物理過(guò)程參數(shù)化的認(rèn)識(shí)。But,parameterizationhasnotbeenamaturesubjecttillnow.22Parameterizationisamethodtorepresenttheeffectsofphysicalprocesseswhicharetoosmallortoocomplexorpoorlyunderstood.數(shù)值模式必須考慮一些影響大氣運(yùn)動(dòng)的重要物理過(guò)程，例如許多絕熱物理過(guò)程－－輻射傳輸、水汽凝結(jié)、湍流對(duì)熱量、動(dòng)量和水汽的輸送等等，除了大尺度凝結(jié)之外，這些過(guò)程都是次網(wǎng)格尺度(時(shí)間或空間)的過(guò)程。由于模式大氣一般都是離散化的，這些次網(wǎng)格過(guò)程在模式中很難用顯式表示出來(lái)。因此必須尋求描述這些物理過(guò)程的其他方法。通常把上述次網(wǎng)格的物理過(guò)程，通過(guò)大尺度的物理量來(lái)描述它們的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，并作為某些物理量的源或匯包含在大尺度運(yùn)動(dòng)方程組中，這種方總統(tǒng)稱為“參數(shù)化”的方法。物理過(guò)程參數(shù)化的基本概念23Group1:RadiationtransferGroup2:SurfaceexchangesprocessesGroup3:Soil-vegetation-atmosphereparameterizationsGroup4:Boundarylayerturbulentprocesses.Group5:Cloudsandlarge-scalecondensation.Group6:Cumulusconvectionparameterization.2007年10月24海洋模式中的主要參數(shù)化過(guò)程動(dòng)量方程中的水平和垂直粘性溫度和鹽度方程中的水平和垂直混合中尺度渦的混合和輸運(yùn)深對(duì)流過(guò)程短波輻射穿透海底邊界層。。。。。。25A.氣候敏感性試驗(yàn)：?jiǎn)栴}利用氣候數(shù)值模式，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的數(shù)值模擬或數(shù)值試驗(yàn)，來(lái)研究各種物理因子的異常變化影響氣候形成和演變的物理過(guò)程和物理機(jī)制，通常被稱為氣候的敏感性試驗(yàn)。通過(guò)氣候敏感性試驗(yàn)，可以揭示某些外部條件和內(nèi)部參數(shù)的變化所引起的氣候變化，加深人們對(duì)氣候形成和氣候變化的物理過(guò)程和物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，通過(guò)與模式過(guò)程、內(nèi)部參數(shù)有關(guān)的敏感性試驗(yàn)，則可以為模式的改進(jìn)提供很好的物理依據(jù)。氣候敏感性試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)氣候形成和演變規(guī)律最重要的手段之一。8.2氣候敏感性試驗(yàn)：?jiǎn)栴}和方法26B.氣候敏感性試驗(yàn)：方法試驗(yàn)一：控制試驗(yàn)（ControlExperiments）試驗(yàn)二：異常試驗(yàn)(PerturbedExperiments)（1）試驗(yàn)的設(shè)計(jì)：（2）結(jié)果的分析：異常試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果－控制試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果＝》異常氣候狀態(tài)

=>揭示不同因子異常產(chǎn)生的氣候效應(yīng)及其物理過(guò)程。27表1不同類型的氣候敏感性試驗(yàn)氣候變化的物理過(guò)程、物理機(jī)制研究估計(jì)外強(qiáng)迫的影響模式過(guò)程、內(nèi)部參數(shù)引起的氣候變化、模式改進(jìn)敏感性試驗(yàn)的目的

試

驗(yàn)輻射過(guò)程云對(duì)流陸面過(guò)程模式分辨率水平擴(kuò)散數(shù)值計(jì)算方案地形太陽(yáng)輻射地球旋轉(zhuǎn)大氣成分氣溶膠火山爆發(fā)海表溫度（SST）海冰積雪陸面性質(zhì)（土壤濕度、土壤溫度…）植被分布……288.3氣候敏感性試驗(yàn)的例子古氣候的研究中，主要考慮了太陽(yáng)輻射、地球軌道參數(shù)、冰雪覆蓋、海陸分布等因素對(duì)古氣候形成的影響。Example1:古氣候模擬29Example2:地形影響的敏感性試驗(yàn)30Example3:CO2影響的敏感性試驗(yàn)31Example4:SSTA影響的敏感性試驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎玫腟STA異常強(qiáng)迫(Shukla等1983)大氣