三维地形辐射传输对青藏高原地区气温和降水模拟的影响

摘要：青藏高原近地面气温模拟偏低和高原南坡降水偏大当前气候模式普遍存在的误差。本文利用气候系统模式FGOALS-f模拟数据，结合降水和温度观测资料，研究了三维地形辐射传输参数化方案对青藏高原地区近地面温度和降水模拟的影响。

关键词：青藏高原；数值模拟；三维辐射传输；分辨率

1引言

青藏高原作为中国最大并且世界海拔最高的高原，对中国乃至全球气候都有一定影响，青藏高原高大地形对大气环流的动力强迫作用是当今气候形成的主要原因，对高原以及高原下游及周边地区均具有重要影响。因此，本研究对比分析气候系统模式FGOALS-f耦合三维地形辐射参数化方案之前和之后的模拟结果，并进一步讨论地形辐射参数化方案对青藏高原降水气温模拟的影响，不仅为三维地形辐射传输过程如何影响区域的气象要素提供理论依据，还有利于未来气候系统模式的研发和改进。

2三维地形辐射影响高原2m气温的机理分析

陆气模式提高陆面分辨率和耦合三维地形辐射参数化方案对不同季节2m气温的影响(图1)。春季陆面模式为低分辨率条件下(图1a)，高原南侧边缘和北侧边缘存在显著正偏差，特别是南侧边缘的偏差值达6K；但高原整体为负偏差，其中西部为负偏差最大，约为7K。提高陆面分辨率后，高原南北边缘的正偏差基本消除(图1e)，且高原的西部的负偏差幅度有所减小。可见，在保持大气分辨率不变的情况下，提高陆面分量模式的分辨率，可以显著改进模式对高原边缘2m温度的模拟性能。但同时高原北部的偏差增大，数值可达7K；陆面高分辨网格下耦合三维地形辐射传输方案后偏差值的正负号未发生转变，但与未耦合三维地形辐射传输方案相比，偏差值的数值减少了，南部偏差值从低分辨率的6K到目前的2K，北部偏差值从低分辨率的2K到接近为0，表明陆面高分辨网格下耦合三维地形辐射传输方案模拟的2m气温更接近观测值。夏季陆面低分辨率模式下，高原中部大片区域偏差为负，数值可达8K，高原北部少部分区域为正偏差，数值约为4K。提高陆面分辨率后，高原中部的偏差有所增大，从高分辨率的10K,增大到14K,但同时高原南部的偏差略有减小；陆面高分辨网格下耦合三维地形辐射传输方案后，偏差值的正负号未发生转变，但与未耦合三维地形辐射传输方案相比，改善了高原中部的偏差，但高原南部偏差值的数值从低分辨率的2K到接近为4K。秋季陆面低分辨率模式下，高原的南部和北部都呈现出正偏差，偏差数值达6K，高原西部为负偏差，高原东部偏差为正。提高陆面分辨率后，高原南部、北部和东部的偏差都有所增大，南部和北部偏差值从低分辨率的2K到高分辨率的4K，高原东部从低分辨率的4K到高分辨率的2K。耦合三维地形辐射传输方案与未耦合三维地形辐射传输方案相比高原南部和北部的偏差值有所减小，且偏差范围逐渐减小。冬季陆面低分辨率模式下，高原的南部和北部都呈现出正偏差，特别是高原北部偏差数值达5K，高原西部为负偏差。提高陆面分辨率后，改善了高原西北部的偏差，实现由4K到2K的转变。同时改善了高原南部的偏差，南部偏差值从低分辨率的4K到高分辨率的2K。耦合三维地形辐射传输方案与未耦合三维地形辐射传输方案相比高原整体偏差值变化不大，但高原西南部偏差值的数值有所减少，从低分辨率的4K到目前的2K。

图1 FGOALS-f对季节平均2m气温的模拟差异,单位(K)；(a)～(d)无三维地形辐射方案条件下陆面模式分辨率100km与观测值的2m气温模拟季节性差异；(e)～(h)无三维地形辐射方案条件下陆面模式分辨率25km与观测值的2m气温模拟季节性差异；(i)～(l)三维地形辐射方案条件下陆面模式分辨率25km与观测值的2m气温模拟季节性差异

3三维地形辐射影响高原气温和降水的机理分析

下面为研究三维地形辐射影响高原气温和降水的机理，以夏季为例展开一系列分析讨论。从图2得知夏季高原北部和东部的入射短波辐射相较低分辨而言有所增加，偏差值最大可达25W/m2，高原西部的入射短波辐射有所减少，偏差值最大可达15W/m2。模式提高陆面分辨率至25km后，再耦合三维地形辐射参数化方案后，高原中部大片区域和高原南部边缘呈现出正的偏差，偏差值最大可达20W/m2，高原西北部为负偏差，偏差值最大可达20W/m2，与图4结合分析可看出2m气温的变化有很好的相关关系，提高陆面分辨率后，高原北部和东部大部分地区入射短波辐射偏差为正值，对应的高原北部和西部大部分地区2m气温偏差为正，高原西部部分地区入射短波辐射偏差为负值，对应高原西部部分地区2m气温偏差为负；耦合三维地形辐射参数化方案后，高原南部和中部地区入射短波辐射偏差为正值，对应的高原南部和中部地区2m气温偏差为正，高原北部部分地区入射短波辐射偏差为负值，对应高原北部部分地区2m气温偏差为负。

图2 FGOALS-f对夏季平均入射短波辐射的模拟差异,单位(W/m2)；(a)夏季无三维地形辐射方案条件下陆面模式分辨率25km与100km的入射短波辐射模拟差异；(b)夏季陆面模式分辨率同为25km在有无三维地形辐射传输方案条件下的入射短波辐射模拟差异

5结论与讨论

陆气模式耦合三维地形辐射参数化方案很大程度上改善了青藏高原南部和北部边缘复杂地形上2m气温偏低的情况，且在考虑陆气相互作用后，改善幅度要远大于单独陆面模式模拟，耦合三维地形辐射参数化方案可使青藏高原南部和北部年平均2m气温提高3～4K。在提高陆面分辨率的同时耦合三维地形辐射传输方案，不但可以消除青藏高原边缘气温模拟的暖偏差，还可以将青藏高原平台区域年平均2m温度提高1～2K，对气候模式在青藏高原地区普遍存在的冷偏差有显著改善作用。

参考文献

[1]叶笃正,张捷迁.青藏高原加热作用对夏季东亚大气环流影响的初步模拟实验[J].中国科学,1974(3).

[2]WuGLiuY,HeB,etal.ThermalcontrolsontheAsiansummermonsoon[J].Scientificreports,2012,2:404.

作者简介：李玉君，（1997.11），女，汉族，湖南郴州，助理工程师，从事研究方向或职业：模式检验及评估。