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陆面和大气之间的热量(主要包括感热和潜热)交换是地表、大气和深层土壤之间能量分配的显著影响因素,也进而影响了大气的热力和动力过程。由于地表覆盖类型错综复杂,导致陆气之间热量交换的复杂性增加。此外,由于感热和潜热通量在热量交换过程中影响不同,地表接收的太阳辐射在感热和潜热之间的分配调控着与之相关的大气过程。但是,目前所有全球气候模式只使用网格平均(约100-200公里分辨率)的地表热量通量来驱动大气过程,因而忽略了更细尺度上(即次网格尺度)的热量通量变化和配置,这可能会导致模拟出现偏差。

针对上述问题,清华大学地学系王勇副教授课题组在全球气候模式中参数化了陆面次网格热量通量,并评估了其对气候模拟的改进效果。新方案降低了当前气候模式在模拟青藏高原东部和南部边缘夏季降水严重高估的偏差,揭示了次网格尺度地表热通量的变化和配置对青藏高原水循环和能量循环模拟的重要作用。相关成果以“在CESM1.2中参数化次网格地表热通量变化和配置带来的气候效应”(Climate impacts of parameterizing subgrid variation and partitioning of land surface heat fluxes to the atmosphere with the NCAR CESM1.2)为题,于2023年1月4日在《地球科学模式发展》(Geoscientific Model Development)期刊在线发表。

在前期研究中,为了引入地表热量通量在次网格尺度的变化,课题组提出利用陆面模式诊断得到次网格热量通量的统计分布,从分布中随机抽样,并在线驱动多组独立的边界层和对流过程(Sun et al., 2021)。这一方案能够大幅改进我国东部夏季降水的模拟,但在青藏高原周边并没有明显改进。

课题组原方案没有考虑次网格感热和潜热通量之间的潜在联系,即次网格尺度上地表热量通量的配置。针对这一问题,课题组提出了一个新颖的改进方案,即引入次网格感热和潜热通量的相关系数,根据相关系数配置随机抽取的感热和潜热通量,再用来驱动边界层和对流过程,并将所得结果集合平均后传入其他物理过程。新方案模拟结果保持了原方案对我国东部夏季降水的改进效果,并且显著减小了当前全球气候模式在青藏高原东部和南部边缘夏季降水模拟过多的偏差(图1)。

图1. (a)观测的夏季降水空间分布;(b)参照试验(CTL)与观测结果的差异;(c)原方案(EXP)与CTL的差异;(d) EXP与观测结果的差异;(e)新方案(EXP_COR)与CTL的差异;(f) EXP_COR与观测结果的差异。

研究进一步分析发现,青藏高原东部边缘降水量模拟的改进主要来自对流参数化方案产生的对流性降水的减少,而青藏高原南部边缘则是由于减少了网格尺度可解析的大尺度降水。其中影响机制为:考虑次网格地表热量通量的变化和配置后,我国北方至青藏高原东部边缘边界层加热率减少,低层大气趋于稳定,局地对流受到抑制,对流性降水减少;而在青藏高原南部边缘,来自孟加拉湾的水汽输送受到异常东风气流的阻断,大尺度降水减少(图2)。

图2. (a) EXP与CTL模拟的夏季平均边界层加热率之差;(b) EXP_COR与CTL模拟的夏季平均边界层加热率之差;(c)夏季平均的MERRA2海平面气压(填色)和水汽输送(矢量)分布;(d) CTL与MERRA2之差;(e) EXP与CTL之差;(f) EXP与MERRA2之差;(g) EXP_COR与CTL之差;(h) EXP_COR与MERRA2之差。

除降水外,本研究还全面评估了引入新方案后全球地表热通量、云、2米气温等变量的模拟性能。结果表明,新方案在关键变量的模拟上表现稳定。新方案不依赖于具体的边界层和对流参数化方案,因此可被灵活地应用于其他的全球气候模式中。

清华大学地学系2021级博士生殷明为论文第一作者,清华大学地学系王勇副教授为论文通讯作者。清华大学地学系博士后韩轶伦,清华大学地学系卓越访问教授、中国科学院大气物理研究所研究员王斌等为论文合作者。该研究得到了国家自然科学基金和科技部重点研发项目的支持。

论文链接:

Yin, M., Han, Y., Wang, Y., Sun, W., Deng, J., Wei, D., Kong, Y., and Wang, B.: Climate impacts of parameterizing subgrid variation and partitioning of land surface heat fluxes to the atmosphere with the NCAR CESM1.2, Geosci. Model Dev., 16, 135–156, https://doi.org/10.5194/gmd-16-135-2023, 2023.

相关研究论文:

Sun, W., Wang, B., Wang, Y., Zhang, G. J., Han, Y., Wang, X., and Yang, M.: Parameterizing Subgrid Variations of Land Surface Heat Fluxes to the Atmosphere Improves Boreal Summer Land Precipitation Simulation with the NCAR CESM1.2, Geophys. Res. Lett., 48, e2020GL090715, https://doi.org/10.1029/2020gl090715, 2021.

供稿:王勇

编辑:王佳音

审核:张强

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