科研动态

博士生秦怡等在Wiley旗下期刊《JAMES》发文

2018-09-28

      清华大学地球系统科学系博士生秦怡为第一作者,导师林岩銮教授作为通讯作者在Wiley旗下期刊《JAMES》发表题为“A Diagnostic PDF Cloud Scheme to Improve Subtropical Low Clouds in NCAR Community Atmosphere Model (CAM5)”的文章。

       气候模式已经成为预估未来气候变化的主要手段,但气候模式长期存在的系统偏差,如海洋低云偏少和双赤道辐合带问题,严重影响了我们对未来气候变化预估的可靠性。一系列研究表明,在气候模式中能否准确模拟海洋低云和热带降水的分布对预估未来全球变暖幅度以及极端天气的发生频率等具有至关重要的影响。美国国家大气研究中心(NCAR)的气候模式CESM1.0,是当前国际上最先进的气候模式之一,被广泛应用于气候研究和气候预估。然而,该气候模式在海洋低云和热带降水分布方面,依然存在较大偏差。
       在CESM1.0中,云量的计算只依赖于格点的相对湿度以及一个可调节的固定低云形成阈值(Park-RH方案)。这不能反映模式网格内小尺度温度和湿度的分布,即次网格变率,对云形成和变化的影响。可以看到自然界中云的空间分布变化是非常大的(图1),必需充分考虑次网格变率的影响。

图1. MODIS卫星观测格拉西奥萨岛(红圈位置)附近500km的云分布(左图:2009年11月22日海洋层积云;右图:2010年8月30日浅积云)(图片来自:Re′ Millard et al.,2012)
      日前,清华大学地球系统科学系的研究人员开发了一个新的统计云量方案。该方案(Gauss-PDF)把模式中的次网格变率和模拟的边界层湍流和浅对流过程直接联系在一起,从而能描述不同区域随时间变化的次网格变率。该方案不仅改进了热带海洋低云的模拟(图2),还有效缓解了原有CESM1.0 模式中双赤道辐合带偏差(图3)。

      地球系统科学系徐世明副教授,美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室研究员Shaocheng Xie和Hsi-Yen Ma为该论文的合作者。

图2. 全球年平均低云云量(%):(a) ISCCP观测,(b) Park-RH模拟,(c) Park-RH与ISCCP之差,(d) Gauss-PDF与Park-RH之差(图片来自:Qin et al., 2018)

        9月2日,清华大学地球系统科学系博士生秦怡为第一作者,导师林岩銮教授作为通讯作者在Wiley旗下期刊《JAMES》发表题为“Alleviated double ITCZ problem in NCAR CESM1: a new cloud scheme and the working mechanisms”的文章。基于统计云方案得出的新方案Gauss-PDF,它可以缓解太平洋双赤道辐合带偏差的主要机理是:增加的低云减小了到达地表的短波辐射,使太平洋东部的海温降低,从而增加了东西方向的海温梯度,增强了热带大气的纬向沃克环流和赤道以南的东南信风。增强的信风进一步加强了海洋混合层内自东向西的冷平流,造成赤道中太平洋的海温降低,从而缓解了热带的双赤道辐合带的模拟偏差(图4)。介绍这些成果的两篇文章陆续发表在Wiley期刊Journal of Advanced Modeling Earth Systems。

图3. 全球年平均降水(mm/day):(a) GPCP观测,(b) Park-RH模拟,(c) Park-RH与GPCP之差,(d) Gauss-PDF与Park-RH之差(图片来自:Qin and Lin, 2018)

图4. 新统计云方案(Gauss-PDF)缓解双赤道辐合带偏差的主要机制(图片来自:Qin and Lin, 2018)
      近几十年在气象科学家们的共同努力下,气候模式的系统偏差正在得到逐步的改善,也为气候模式准确预估未来的气候变化提供了更好的基础。本研究为改进热带海洋低云的模拟提供了一个实践依据,同时为改进双赤道辐合带偏差提供了新的解释机制。该方案目前已经被清华大学牵头发展的公共地球系统模式采用,推进了中国气候模式的发展。
      林岩銮课题组主要关注气候模式以及天气模式中云过程相关的物理参数化方案的开发与改进。秦怡是地学系直博五年级学生,研究方向是气候模式中云参数化方案的开发与改进。



A Diagnostic PDF Cloud Scheme to Improve Subtropical Low Clouds in NCAR Community Atmosphere Model (CAM5)

Yi Qin1, Yanluan Lin1, Shiming Xu1, His-Yen Ma2 and Shaocheng Xie2

1Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Department of Earth System Science, and, Joint Center for Global Change Studies, Tsinghua University, Beijing, China

2Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, USA

https://doi.org/10.1002/2017MS001095

 

Alleviated double ITCZ problem in NCAR CESM1: a new cloud scheme and the working mechanisms

Yi Qin1 and Yanluan Lin1

1Ministry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling, Department of Earth System Science, and Joint Central for Global Change Studies (JCGCS), Tsinghua University, Beijing 100084, China.

https://doi.org/10.1029/2018MS001343