云分辨模型中的对流过程研究综述外文翻译资料

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大气科学的进展，25卷,NO.2,2008,202-212

云分辨模型中的对流过程研究综述

Xiaoqing Wu 和 Xiaofan Li

地质与大气科学系，爱荷华州立大学，Ames，Iowa,美国

卫星数据同化联合中心和NOAA / NESDIS /中心

用于卫星应用和研究，Camp Springs，马里兰州，美国

（2007年4月2日收到; 2007年6月27日修订）

摘要

对流过程通过云辐射相互作用，云微物理过程和地表降雨过程影响大型环境。在过去的三十年，云分辨模式（CRMs）已经证明能够模拟强加大规模强迫的对流辐射反应。CRM产生的云和辐射属性已被用于研究对流相关过程及其对大规模环流的集合效应。本文综述了最近的进展，了解对流过程的CRM模拟的使用，包括降水过程的使用；云微物理和辐射过程；动力学过程；降水效率;热带海洋对流的日变化; 局部规模的大气 - 海洋耦合过程和热对流辐射平衡状态。本文讨论了CRM对总循环模型（GCM）的两种不同的正在进行的应用：替代对流和云计划，用于研究云系统和大规模循环之间的相互作用，以及改进气候模拟的方案的应用。

关键词：云分辨模式（CRM），对流过程，对流和云的模拟

DOI：10.1007 / s00376-008-0202-6

1.介绍

云系统在连接大气和水文过程中起着重要的作用，并对区域和全球气候产生深远的影响。对流和云的发展依赖于环境条件。一旦形成，它们会通过释放潜热和动量、热量和水分的传递来影响大尺度环流。由于云规模数据的缺乏，云分辨模型（CRM）已经发展到研究云的相互作用，积层交互、云辐射相互作用和大规模过程的对流反应（例如，Moncrieff和Tao，Tao，1999；2003）。CRM模拟云和辐射属性已经被用于评估和改进对流，云和云辐射相互作用的表示，用于一般循环模型（GCM）。随着计算能力的爆炸式增长，CRM已经被直接应用在GCM的每个网格框中以替代对流和云计划。本报告的目的是回顾利用CRM模拟理解对流相关过程的最新进展。CRM的框架将在第2节中简要描述。负责生产表面沉淀的物理过程在第3节进行了检查。在第4节中，介绍了辐射和云微物理过程对云系统仿真的影响。第5节讨论了负责热带云簇发展和运动的机制。第6节给出了涡流矢量分析及其与热带对流相关的趋势。第7节讨论了模拟云系统的降水效率。控制热带对流日变化的主要物理过程在第8节中用地表降雨方程进行定量确定。使用耦合的海洋大气检查海洋混合过程中表面沉淀的作用CRM在第9节。控制对流辐射平衡状态的物理过程在第10节中讨论。最后，第11节给出了总结和评论。

2.云分辨模型

与一般流通模式不同，CRMs涵盖了一个小领域，但具有精细的水平和垂直分辨率，可以解决对流和云。具有非弹性近似的非流体静力学控制方程包括五个云水化物质的潜在温度，比湿度，混合比的预测方程（例如，Tao和Simpson，1993）。该模型还包含太阳和热红外辐射参数化方案（例如，Chou等，1991; Chou和Suarez，1994; Chou等。，1998），云微物理参数化方案（例如，Rutledge和Hobbs，1983,1984; Lin等，1983; Tao 等。，1989; Krueger 等。，1995）和亚网格尺度湍流闭合（如Klemp和Wilhelmson，1978）。

环境对对流发展有重要影响。 对流又通过动量，热量和湿度运输和潜热释放来改变环境。环境和对流以非线性方式相互作用（例如，Chao，1961,1962）。 由于CRM中的小域（例如，二维框架中的768km），不能模拟大规模的循环。因此，观察到的大规模强制是从现场实验中获得的，并被施加在CRM中。在CRM的温度和湿度方程中有两种方法可以包含大规模的强制，可以施加水平均匀和垂直变化的垂直速度（例如，Tao和Simpson，1993），或者可以施加热和湿气的水平均匀（水平和垂直）平流（例如，Grabowski等，1996b; Wu等，1998）。李等人的比较研究 （1999）指出，模型中模拟的温度和湿度偏差与施加的垂直速度小于施加的热和湿气总平均值。

三维（3D）CRM模拟已经比二维（2D）模拟进行得更少。尽管2D框架在表现云规模循环和结构方面存在局限性（例如，Moncrieff和Miller，1976），但2D CRM能够模拟质量，显热和水分垂直运输的对流线（ 例如，Tao和Soong，1986; Tao等，1987; Grabowski等，1998）。

根据观察结果对几个实地实验期间云系统的CRM模拟进行了评估。对流和云的综合效应与表面降水，云和辐射特性方面的观测值相比较，全球大气研究计划大西洋热带实验（GATE）第三阶段期间的表面热通量（例如，Tao和Soong，1986; Lipps和Hemler，1986; Krueger，1988; Grabowski等，1996b; Xuand Randall，1996） 和热带海洋全球大气耦合海洋 - 大气反应实验（TOGA COARE）（例如Wang等，1996; Wu等。，1998; Das等，1999; Li等，1999; Johnson 等，2002），验证的CRM模拟可以深入分析负责对流和云层发展的物理过程。

3.沉淀过程

地表降雨率是气象水文学中最重要的参数之一，具有重大的经济和社会影响。然而，地表降雨率的准确预测是差异的，因为它是多尺度动态，热力学，云微物理和辐射过程及其相互作用的产物（例如，Li等人，2006）。虽然观测数据不能提供足够的信息来计算与降水过程相关的预算，但是CRM模拟可以提供云规模的性质来检查有助于表面降水的能源和水源。

平均潮湿可能势能与摄动动能之间相位差的分析表明，潜热和辐射过程是引起对流和云层发展的主要过程（Li et al。，2002b）。通过组合水汽和云水的方程得出的地表降水方程的检验,量化了水分，冷凝水和表面蒸发的作用（如Gao等，2005a; Zhou等。，2006; Cui和 Li，2006）。使用TOGA COARE云系统的CRM模拟，发现水分收敛和表面蒸发是确定地表降雨率的最大项。冷凝物的相变对地表降雨率有显着贡献（Gao等。，2005a）。由于水中的水分含量的消耗，大量降水出现在深层对流云中，而由于冰水化学物质的增加，陨石云中出现小的降水（Zhou等。，2006）。非降水地区发生大面积蒸发，但降水区蒸发量可忽略不计。水汽通过水平辐合项向非降水区输送到降水区（Cui和Li,2006）。

4.辐射和微物理过程

辐射过程影响对流和云层的发展。具有变化的单散射反照率和不对称因子的模拟通过对流层上层的冰云产生强烈的太阳辐射吸收（Li等，1999）。排除沉淀-辐射相互作用的实验显示了显著的冷却和干燥偏差。子网云分布的辐射效应对于将大面积顶部的域平均辐射预算与表面同时符合观测是至关重要的（Wu 和Moncrieff，2001a）。CRM实现了明确地表示包括其中尺度组织在内的积云对流，并且产生与GCM参数化云相比更加真实地与辐射相比的云冷凝物（冰和液态水）的垂直和水平分布。

微物理过程在云系统的模拟中起着重要的作用。短期（不到1天）的CRM模拟表明，冰相对于云系统尾部区域的层状云相关的光降水的发展至关重要（例如，Yoshizaki，1986; Nicholls，1987; Fovell and Ogura ，1988; Tao和Simp-son，1989a; McCumber等，1991; Tao等，1991; Wu和Moncrieff，1996）。云微观物理学对温度和湿度分布的影响在长期（超过1周）的CRM模拟中具有统计意义（例如，Grabowski等，1999）。可以通过根据飞机观测改变冰塌陷速度来提高云辐射特性的模拟（Wu等，1999）。在没有冰的微物理学的情况下模拟的云系统具有比具有冰微物理学模拟的云系统更少的广泛的层状云，快速的传播速度和更短的生命周期（Grabowski和Moncrieff，2001; Grabowski，2003）。在TOGA COARE云系统的10天模拟中，排除雪的沉积增长导致云层的异常增长，即分数云覆盖增加20％以上，云层冰混合比不切实际（Li等，2005）。与冰水凝实验相比，没有冰水凝的实验由于排除气相沉积过程而产生更大量的云水和更小的表面降雨率和由于较小的加热速率和较小的消耗而导致产生的较冷和潮湿的状态的蒸汽（Gao等，2006d）。

为了讨论冰和水云之间的相互作用，Sui和Li（2005年）将云比定义为冰水路径（LWP）与液态水路径（LWP）的比值。使用TOGA COARE云系统的CRM模拟，发现云比的趋势主要由云系统的成因和衰变阶段的蒸气冷凝和沉积相关的过程控制，而趋势是由水和冰云的转换决定的，通过在成熟期的沉淀冰导致的霰和云水吸积融化。在弱强迫期间，由云水的增加增强雨水通过融化导致了霰的增长，而与大对流层大对上运动相关的蒸汽沉积速率较大则导致云强度变化引起的雪的积雪增长，以及在强迫时期积雪增加的霰增加（Li，2006）。在下雨阶段，LWP和LWP具有相似的幅度。收集过程对雨水增长的贡献略高于融化过程，表面降雨率高于雨水相关微物理率（Cui et al。，2007）。在对流区域，LWP远小于LWP，收集过程占主导地位为雨水，地表雨水率低于雨水相关微物理速率。在不下雨的地层，IWP远远大于LWP，融化过程对于维持雨水的预算很重要。对流和层状区域的云微物理预算可能在不同的气候条件下有所不同，并取决于分区方法（Lang等，2003）。

5. 热带云集群

使用卫星测量的观测研究表明，向西移动的云簇嵌入东移动超云簇（例如，Nakazawa，1988; Lau等，1991; Sui and Lau，1992）。包括CRMs在内的数值模型已经被采用来研究控制云簇和超级云簇的形成，发展和传播的物理过程（例如Lau et al。，1989; Numaguti和Hayashi，1991; Chao和Lin，1994; Yano et al。，1995）。卫星图像中云团的向西运动反映了TOGA COARE内部季节内振荡对流活动期内由平均流动和新古老西部的新细胞的水平平流驱动。 （Wu和LeMone，1999）。新的云簇在传播的冷库的前沿生成。与构成云团相关联的冷凝加热引起了整体的对流层深层重力波。累积簇引起的波浪效应导致了新云集群的发展（Peng等，2001）。两个向东移动的云簇在垂直风切变的环境下融合为向西移动的云簇。合并云显示东部边缘的显著增长，表明合并过程增强对流（Ping等，2008）和地表降雨（Tao和Simpson，1984年，1989年bb）。Tao（2003）对云互动和兼并的研究以及模拟与观察之间以及不同CRM之间的对比进行了综述。

6.动态过程

潜在的涡度和旋度是研究天气系统发生和发展的最重要的动力和热力学变量（例如，Emanuel，1979; Cao和Cho，1995; Gao等，2002; Lilly，1986; Droegemeier 和Lazarus，1993 ）。

然而，它们不能使用2D CRM模拟来诊断。认识到这一局限性，对流（CVV），湿度（MVV）和动力（DVV）涡度矢量定义为绝对涡度矢量（Gao等，2004）与湿度温度梯度，比湿度梯度和 风矢量（Gao等，2005b）。这些涡度矢量用于分析2D和3D CRM模拟。2D和3D框架中CVV / MVV的垂直分量，代表水平涡度与水平湿度温度/特定湿度梯度之间的相互作用，与云水化物高度相关（Gao等，2007b）。然而，3D DVV的水平分量与云水化物相比高于垂直分量（Gao，2007），而2D DVV的垂直分量具有较高的相关性（Gao等，2005b）。不同之处是由于在2D框架中排除了3D DVV的水平分量中的主要项目。

7. 降水效率

降水效率是蒸汽和云预算中的重要物理参数（Sui等，2007a）。降水效率定义为表面降雨率与蒸汽收敛和表面蒸发速率之和的比值，被称为大规模降水效率（LSPE）（例如，Braham等，1952; Heymsfield 和Schotz，1985; Doswell等，1996）或表面降雨率与蒸气冷凝和沉积速率之和的比率称为云微物理学沉淀效率（CMPE）（例如，Lipps和Hemler，1986）。而CMPE仅受云微物理过程的影响，LSPE与蒸汽和云过程相关，LSPE和CMPE均具有统计学意义，因为总水分源（表面蒸发和垂直整合的水分收敛）通过蒸汽冷凝和沉积速率转化为水合物 （Sui等，2005）。包括与降雨过程相关的所有水分和水文气象的降水效率在0至100％之间（Sui等，2007b）。由于个体云在大型对流系统中可能有很大的差异，所以降水效率应该被理解为在降水生产天气系统的生命周期内的时间平均值。SLOPE的估计为44％，CMPE的平均值在30％-45％之间，在TOGA COARE，GATE，SYSMEX和ARM云系统的CRM模拟中有所不同（Li等，2002a; Tao等，2004）。降水效应对环境湿度不敏感，随着中层对流层风切力的增加而降低。冷凝物收敛（发散）增强（降低）降水效率。

8. 热带海洋对流的日变化

热带海洋对流的日变化是热带变率中最重要的组成部分之一，并且在调节水文和能量循环方面起关键作用（例如，Tao和Moncrieff,2003; Sui等，2007a）。在清晨发生的夜间降水高峰占昼夜信号的主导地位。早期的研究表明，夜间降雨的增

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