近年來,隨著計算機能力的迅速提升,進一步提高水平分辨率成為全球模式的發(fā)展趨勢之一。我國自主研發(fā)的GRAPES模式是基于球面經(jīng)緯度網(wǎng)格的全可壓、非靜力、半隱式半拉格朗日(SISL)模式。由于經(jīng)緯度網(wǎng)格存在極點問題,使GRAPES在進行高分辨率運算時存在很大的計算負擔。本研究利用陰陽網(wǎng)格的準均勻性避免極點問題,發(fā)展和完善了具備高分辨率運算潛力的GRAPES-YY模式。在陰陽網(wǎng)格SISL干空氣動力框架的基礎上,進一步考慮質量守恒強迫、數(shù)值擴散方案等,并耦合了一系列物理參數(shù)化過程。通過Aqua-planet長期積分試驗,以及對真實大氣的5天數(shù)值模擬試驗,均表明了該模式的設計合理性與計算穩(wěn)定性。本研究的主要工作與結論總結如下:模式中耦合的物理參數(shù)化方案包括:RRTMG長、短波輻射傳輸方案,NSAS深、淺積云對流參數(shù)化方案,MRF邊界層湍流參數(shù)化方案、雙參數(shù)混合相云微物理方案,以及CoLM陸面模式。由于SISL動力框架不能保證守恒性,本文通過固定大氣表層氣壓的全球總量來達到質量守恒的目的。針對數(shù)值積分中容易出現(xiàn)的數(shù)值噪音,評估比較了幾種常用的顯式擴散方案,測試結果表明,四階散度阻尼方案最適合于GRAPES_YY昀1°×1°長期積分運算。GRAPES_YY 在 Aqua Planet 三種海溫條件下(CONTROL、QOBS 和 FLAT)進行了分辨率為1°×1°的3.5年長期積分。模擬結果表明,熱帶降水對海溫變化非常敏感,在CONTROL和QOBS試驗中,熱帶降水(尤其是對流降水)非常集中于赤道,形成了單峰赤道輻合帶,主要表現(xiàn)為雨帶有組織東傳,中間夾雜更小尺度的降水系統(tǒng)西傳。隨著熱帶地區(qū)海溫梯度的減弱,在FLAT試驗中熱帶降水主要分布于赤道兩側,形成雙峰赤道輻合帶,降水強度和雨帶組織性都遠小于CONTROL和QOBS,主要表現(xiàn)為離散分布的降水系統(tǒng)西傳。模式大氣對海溫變化的響應還體現(xiàn)在大氣環(huán)流上,Hadley環(huán)流、高空西風急流均隨海溫梯度減弱而出現(xiàn)向極區(qū)移動,其強度也隨之減弱。和大部分靜力模式相比,GRAPES陰陽網(wǎng)格模式在CONTROL和QOBS試驗中出現(xiàn)了更強、更集中于赤道的熱帶對流降水和Hadley環(huán)流。一方面可能是NSAS積云對流方案的原因,該方案為了避免云微物理過程中造成格點尺度風暴,往往會形成更深的對流和更多的降水。另一方面,盡管目前模式分辨率較低,但在Aqua Planet的熱帶上空存在很強的對流上升運動,因此非靜力動力作用也是不可忽略的。最后,本文利用GRAPES陰陽網(wǎng)格模式對真實大氣進行了(1°×1°)5天數(shù)值模擬試驗,模式降水和槽脊分布與再分析資料基本吻合。綜上所述,Aqua Planet長期積分試驗和對真實大氣的模擬結果均表明,GRAPES陰陽網(wǎng)格模式已經(jīng)初步發(fā)展完善,為GRAPES全球模式向更高分辨率發(fā)展提供了一個全新的模式版本和高分辨業(yè)務應用可能。
【學位單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P456.7
【部分圖文】：

邐ＧＲＡＰＥＳ陰陽網(wǎng)格非靜力模式的動力與物理過程長期積分特性研究布。每一時步，動力框架計算結束以后，將溫度、水物質等變量從Ｃｈａｍｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ逡逑跳層插值到Ｌｏｒｅｎｚ跳層。物理參數(shù)化過程計算完成以后，再由Ｌｏｒｅｎｚ跳層反逡逑饋回Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ跳層來求解下一積分時次的動力過程。逡逑

Ｅ邋ａＴ邐ｃｏｓ＾ｎ0／ｒｆ邋（Ａ，邋ｃｐ，邋１）逡逑９邋一邋＂＂２逡逑式（２．４３）中，Ａ：為模式層，下標／ｍＹ表示初始時次，ｏＷ表示本時次，為逡逑本時次經(jīng)過守恒強迫以后。圖２．２為前１００個積分時次中，地表層的７７全球總逡逑量。可以看出，添加質量守恒強迫以后，可以保證地表氣壓的全球總量隨時間逡逑不變，也能從側面反映模式積分保持全球質量守恒。逡逑２１逡逑

也是呈緯向對稱分布的。逡逑其次，臭氧分布不隨時間變化。考慮到臭氧對輻射的吸收作用，該試驗中的逡逑臭氧為對稱于赤道的年平均氣候態(tài)，如圖４．１為臭氧的緯向平均分布，在緯向上逡逑保持相等，只存在經(jīng)向梯度（該臭氧分布也在ＡＭ１Ｐ邋ＩＩ中使用，Ｗａｎｇ等．，１９９５；逡逑Ｌｉａｎｇ和Ｗａｎｇ，１９９６）。其他一些溫室氣體的含量：Ｃ0２為３４８邋ｐｐｍｖ，邋ＣＨ４為１６５０逡逑ｐｐｂｖ，Ｎ２Ｏ為２０６邋ｐｐｂｖ，烺烴化合物含量保持與真實大氣相同，一般產(chǎn)生約０．２４Ｗ逡逑ｍ＿２邋的輻射驅動，其中ＣＦＣ－１１邋為０．２５１邋ｐｐｂｖ，ＣＦＣ－２２為０．１６９邋ｐｐｂｖ，ＣＣＬ４為０＿０９逡逑ｐｐｂｖ。除此之外，暫不考慮其他輻射氣溶膠或等效Ｃ0２等。逡逑■邐０．０５邐０．０５邐邐逡逑１０００邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ逡逑－

【參考文獻】

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本文編號：2829835