全球气候模式热带地区降水和 水汽模拟偏差的归因分析
(申请清华大学理学博士学位论文)
培养单位 ： 地球系统科学系 学
科 ： 生态学
研究生 ： 杨 梦 淼
指导教师 ： 张 广 俊 教 授
二○一九年六月
Dissecting Simulation Biases in Tropical Precipitation and Water Vapor
in Global Climate Models
Dissertation Submitted to
Tsinghua University
in partial fulfillment of the requirement
for the degree of Doctor of Philosophy
in Ecology by
Yang Mengmiao
Dissertation Supervisor : Professor Zhang Guangjun
June, 2019
摘 要
摘 要
降水与水汽模拟正确与否是反映全球气候模式模拟可靠性的重要指标，其偏差归因分析对改进模式性能有着重要意义。本研究重点关注热带地区的降水与水汽偏差，以及它们与大尺度环流和对流之间的联系。
通过与再分析资料和观测资料的对比，四个代表性的CMIP5模式的降水和水汽模拟情况得到了评估。结果表明所有模式都高估了热带地区降水量，而水汽的垂直分布则因模式而异，但所有模式都高估了对流层水汽年际变化受地表水汽变化的影响，特别是对流层中层。进一步研究发现中层-地表水汽变化相关性的高估主要来自ENSO事件，偏差与深对流活动和中、东太平洋水汽垂直输送的模式模拟偏差有关。研究结果揭示了降水、水汽和大尺度环流场之间的紧密联系。
因此基于大尺度环流场，研究进一步检验了模式的降水和水汽偏差。利用500 百帕大气上升速度??500进行强度级别分类，结果表明所有模式都高估了强上升运动发生的频率。对于给定的??500，模式产生的降水过多。而模式模拟的水汽偏差在不同模式和不同层次上都有所差异。此外，偏差来源因子分解揭示了降水和水汽模拟偏差的原因。对于降水，在强上升运动级别的降水偏差主要来自于高估的??500发生频率，而在弱上升运动级别，降水对于??500的响应偏差以及??500发生频率的偏差都对降水模拟偏差有贡献，两者的贡献通常相反。另一方面，垂直积分水汽的偏差主要来自于动力因子，即??500发生频率的偏差，热力因子对水汽偏差的贡献很小。这些结果表明??500发生频率的模拟偏差是导致模式降水和水汽偏差的主要原因。
为了进一步探究对流参数化方案对模拟偏差的影响，研究着眼于NCAR大气模式CAM5，借助超级参数化大气模式SPCAM的大尺度环境场驱动CAM5传统参数化方案，此方法巧妙区分了网格尺度运动与次网格过程的相互作用。研究结果表明，SPCAM的大尺度环境场能有效改进原始参数化方案中存在的双热带辐合带问题，并通过减少对流降水的发生频率降低了对流降水量，但大尺度降水仍然偏少。同时，对流参数化方案存在着不依赖于大尺度环境场的模拟缺陷，即模拟的对流事件过于频繁且强度不足，这可能与对流参数化方案中的闭合条件和触发机制有关。
气候模式中降水和水汽的模拟偏差很大程度上归因于大尺度动力场的模拟误差，对流参数化对大尺度动力场的响应在研究中得到了充分的讨论，研究结果进一步揭示了对流参数化方案的缺陷和改进方向。
关键词：全球气候模式；降水；水汽；大尺度环流；对流
I
全球气候模式热带地区降水和水汽模拟偏差的归因分析
