GRAPES阴阳网格非静力模式的动力与物理过程长期积分特性研究

发布时间：2020-09-29 14:17

　　近年来,随着计算机能力的迅速提升,进一步提高水平分辨率成为全球模式的发展趋势之一。我国自主研发的GRAPES模式是基于球面经纬度网格的全可压、非静力、半隐式半拉格朗日(SISL)模式。由于经纬度网格存在极点问题,使GRAPES在进行高分辨率运算时存在很大的计算负担。本研究利用阴阳网格的准均匀性避免极点问题,发展和完善了具备高分辨率运算潜力的GRAPES-YY模式。在阴阳网格SISL干空气动力框架的基础上,进一步考虑质量守恒强迫、数值扩散方案等,并耦合了一系列物理参数化过程。通过Aqua-planet长期积分试验,以及对真实大气的5天数值模拟试验,均表明了该模式的设计合理性与计算稳定性。本研究的主要工作与结论总结如下:模式中耦合的物理参数化方案包括:RRTMG长、短波辐射传输方案,NSAS深、浅积云对流参数化方案,MRF边界层湍流参数化方案、双参数混合相云微物理方案,以及CoLM陆面模式。由于SISL动力框架不能保证守恒性,本文通过固定大气表层气压的全球总量来达到质量守恒的目的。针对数值积分中容易出现的数值噪音,评估比较了几种常用的显式扩散方案,测试结果表明,四阶散度阻尼方案最适合于GRAPES_YY昀1°×1°长期积分运算。GRAPES_YY 在 Aqua Planet 三种海温条件下(CONTROL、QOBS 和 FLAT)进行了分辨率为1°×1°的3.5年长期积分。模拟结果表明,热带降水对海温变化非常敏感,在CONTROL和QOBS试验中,热带降水(尤其是对流降水)非常集中于赤道,形成了单峰赤道辐合带,主要表现为雨带有组织东传,中间夹杂更小尺度的降水系统西传。随着热带地区海温梯度的减弱,在FLAT试验中热带降水主要分布于赤道两侧,形成双峰赤道辐合带,降水强度和雨带组织性都远小于CONTROL和QOBS,主要表现为离散分布的降水系统西传。模式大气对海温变化的响应还体现在大气环流上,Hadley环流、高空西风急流均随海温梯度减弱而出现向极区移动,其强度也随之减弱。和大部分静力模式相比,GRAPES阴阳网格模式在CONTROL和QOBS试验中出现了更强、更集中于赤道的热带对流降水和Hadley环流。一方面可能是NSAS积云对流方案的原因,该方案为了避免云微物理过程中造成格点尺度风暴,往往会形成更深的对流和更多的降水。另一方面,尽管目前模式分辨率较低,但在Aqua Planet的热带上空存在很强的对流上升运动,因此非静力动力作用也是不可忽略的。最后,本文利用GRAPES阴阳网格模式对真实大气进行了(1°×1°)5天数值模拟试验,模式降水和槽脊分布与再分析资料基本吻合。综上所述,Aqua Planet长期积分试验和对真实大气的模拟结果均表明,GRAPES阴阳网格模式已经初步发展完善,为GRAPES全球模式向更高分辨率发展提供了一个全新的模式版本和高分辨业务应用可能。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P456.7
【部分图文】：

网格,变量,非静力模式,长期积分

逦ＧＲＡＰＥＳ阴阳网格非静力模式的动力与物理过程长期积分特性研究布。每一时步，动力框架计算结束以后，将温度、水物质等变量从Ｃｈａｍｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ逡逑跳层插值到Ｌｏｒｅｎｚ跳层。物理参数化过程计算完成以后，再由Ｌｏｒｅｎｚ跳层反逡逑馈回Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ跳层来求解下一积分时次的动力过程。逡逑

全球,积分,质量守恒,总量

Ｅ邋ａＴ逦ｃｏｓ＾ｎ0／ｒｆ邋（Ａ，邋ｃｐ，邋１）逡逑９邋一邋＂＂２逡逑式（２．４３）中，Ａ：为模式层，下标／ｍＹ表示初始时次，ｏＷ表示本时次，为逡逑本时次经过守恒强迫以后。图２．２为前１００个积分时次中，地表层的７７全球总逡逑量。可以看出，添加质量守恒强迫以后，可以保证地表气压的全球总量随时间逡逑不变，也能从侧面反映模式积分保持全球质量守恒。逡逑２１逡逑

对称分布,纬向,平均分布,臭氧

也是呈纬向对称分布的。逡逑其次，臭氧分布不随时间变化。考虑到臭氧对辐射的吸收作用，该试验中的逡逑臭氧为对称于赤道的年平均气候态，如图４．１为臭氧的纬向平均分布，在纬向上逡逑保持相等，只存在经向梯度（该臭氧分布也在ＡＭ１Ｐ邋ＩＩ中使用，Ｗａｎｇ等．，１９９５；逡逑Ｌｉａｎｇ和Ｗａｎｇ，１９９６）。其他一些温室气体的含量：Ｃ0２为３４８邋ｐｐｍｖ，邋ＣＨ４为１６５０逡逑ｐｐｂｖ，Ｎ２Ｏ为２０６邋ｐｐｂｖ，烺烃化合物含量保持与真实大气相同，一般产生约０．２４Ｗ逡逑ｍ＿２邋的辐射驱动，其中ＣＦＣ－１１邋为０．２５１邋ｐｐｂｖ，ＣＦＣ－２２为０．１６９邋ｐｐｂｖ，ＣＣＬ４为０＿０９逡逑ｐｐｂｖ。除此之外，暂不考虑其他辐射气溶胶或等效Ｃ0２等。逡逑■逦０．０５逦０．０５逦逦逡逑１０００逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑－

【参考文献】