对流及云辐射加热对全球气候模式季节内振荡模拟的影响
(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 ： 曹 谷 雨
指导教师 ： 张 广 俊 教 授
二○一九年六月
Impacts of convective and associated cloud radiative heating on Intraseasonal
Oscillation Simulation in a Global
Climate Model
Dissertation Submitted to
Tsinghua University
in partial fulfillment of the requirement
for the degree of Doctor of Philosophy
in Ecology
by Cao Guyu
Thesis Supervisor : Professor Zhang Guangjun
June, 2019
摘 要
摘 要
季节内振荡（Madden Julian Oscillation，MJO）作为热带气候系统极为重要的组成部分，以其特别的时间尺度桥接了天气和气候变化，因而MJO现象的准确模拟和预测尤为重要。观测研究表明非绝热加热的垂直结构对MJO发展至关重要，特别是加热廓线中缺少高层峰值加热被认为是MJO模拟较差的关键因素。本文通过修正对流加热垂直廓线形状，使其包括高层峰值加热及低层冷却的中尺度对流系统中层云加热结构，探究模式中对流加热过程对NCAR CAM5.3模拟MJO的影响。结果表明，引入中尺度层云加热可以显著提升MJO的模拟效果，使得观测的MJO特征被完整重现：清晰的东传，动力热力场向西倾斜的垂直结构，20到80天能量波谱信号等等。研究证实出现在MJO深对流主体前侧丰沛浅对流的重要意义：其为低空环境预先加湿，有效铺垫随后发展的深对流。进一步分析发现对流层低层冷却过程在MJO模拟提升中更为关键。以上MJO特征都无法在标准参照试验中体现，表明中尺度层云加热结构对MJO的准确模拟十分关键。
水汽变化在前人的观测和模式研究中被认为在MJO生命周期变化中起主导作用。本文基于MJO大幅改进试验细致分析不同发展阶段引起水汽变化的各项贡献。湿静力能的垂直平流促进深对流发展，而辐射加热和表面热通量则消耗对流能量，其纬向水平平流主导水平结构，通过超前低空加湿促进MJO向东传播。结合水汽和热力收支平衡方程的进一步分析准确地展示出气柱内逐层物理过程对水汽的影响。研究发现，MJO初期与浅对流紧密联系的低层加湿过程是由于浅云内潜热释放引起的大尺度抬升运动导致的，而不是由浅对流垂直输送卷出效应直接带来的。此外，辐射在完整MJO生命周期都至关重要，其加热抬升效应在旺盛相位为气柱补充水汽，而在发展初期和消亡阶段成为水汽的汇。标准参照试验无法刻画以上特征，表明准确的水汽变化机制是MJO模拟提升的先决条件。
针对MJO尺度辐射过程，本文设计试验直观有效证明辐射不仅在对流旺盛发展时补充能量，且云辐射反馈作用对MJO深对流的有效触发至关重要。MJO发展前期低空存在大量浅对流云系，其云顶具有较强向外长波辐射冷却作用，引起云顶辐合下沉-近地面辐散的逆梯度次级环流，控制浅对流的发展强度。该次级环流消耗能量促进边界层能量聚集，该正反馈效应有效触发后续深对流旺盛发展。本文揭示MJO前期的浅对流铺垫加湿机制及其云顶辐射冷却反馈效应均不可或缺。 关键词：季节内振荡；对流参数化；中尺度加热；水汽变化；云辐射反馈
I
对流及云辐射加热对全球气候模式季节内振荡模拟的影响
