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1、乐旭，王会军2009CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用4.大气科学,33(1):16-28.YueXulWangHuiun.209.TheaplicationoftheCCMS/NCARradiationschemeinIAP-AGCMJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese)/33(1):16-28.CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用乐X王XX1中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心，北京1000292中国科学院研究生院，北京100o49摘要利用NCAR的CCM3(TheCommU
2、nityClimateMOdeIVerSion3)辐射模块，对IAP9L-AGCM的辐射计算方案进行了替换，并对改进的结果做了细致的评估,分析表明，新版本的模式在大多数辐射场的空间平均和分布型的模拟上有了较为明显的改进，特别是较好地克服了原模式中陆面净辐射场的偏差。在此基础上，新版本计算的大气温度普遍升高。伴随这种变化,模式中的海平面气压、地表温度、位势高度、风场、降水、比湿等物理量都有了调整，但是变化并不明显，从而对模式的进一步发展和完善提出了新的要求.关键词IAP9L-AGCM辐射方案气候态文章编号1006-9895(2009)01-0016-13中图分类号P435文献标识码ATheApp
3、IicationoftheCCM3/NCARRadiationSchemeinIAP-AGCMYUEXu1,2adWANGHuiun11Nansen-ZhuIntemationaIResearchCentre/InstituteofAtmosphericPhysics/ChineseAcademyofSciences/Beijing1000292GraduateunioersityofchineseAcademyofSciences/Beijing100049AbstractTheoldradiationschemeinIAPOL-AGCMIsreplacedbyanewonefromtheC
4、CMS/NCARcodes.Andtheefectsofsuchmodificationareevaluatedindetail.ItshowsthattherearemanyimprovementsinthesimulatedradiationfieldsfromthenewversionoflAP9L-AGCM,especialySomenetradiationfieldsatthesurface.Asaresult.thereisaprevalentenhancementoftheatmospherictemperatureinthenewversion.OtherfieIdS/such
5、asSealevelpresure.surfaceairtemperature,geopotentialheight,windfieldprecipitation,Specifichumidityandsoon,ShowsomecorespondingchangeS/thoughthemagnitudesarenotlarge.TheevaluationresultsputfonvardthereauirementofafurtherimprovementofthelAP9L-AGCM.KeywordsIAP9L-AGCM,radiationscheme,climatology.三I=球格点模
6、式(ZhangetaI.,1989；Zhang,1990；口Liang,1996)该模式水平分辨率为4“x5”,垂直中国科学院大气物理研究所的IAP9L-AGCM方向采用了G-p地形坐标，共分9层，模式顶为是一个由Zengetal.(1989)建立并发展起来的全IohPa.毕训强(1993)改进和优化了模式代码，收稿日期2007-07-05,2007-10-29收修定稿资助项目国家重大基础研究规划项目P317025400,国家自然科学基金资助项目40631005,国家重点基础研究发展规划项目2006CB403705作者简介乐旭，男，1981年出生,博士生，主要从事气候数值模拟研究E-mail：
7、yuexu使得模式模拟性能进一步提高，运算速度更快。在此基础上，该模式被广泛应用于短期气候预测(郎咸梅等，2004a,2004b)、年际年代际气候变化研究(穆明权等，1999；李崇银等，2000)、气候系统相互作用机制分析(屈述军等，203；左瑞亭等,204；晏红明等，207)以及古气候模拟(Wang,1999；Jiangetal.,205)研究中，取得了丰富的成果。IAP9L-AGCM自20世纪90年代初推出以来，经历了多个版本的改进和发展。Zhangetal.(2001)将模式并行化，极大缩短了积分时间，提高了计算效率。在动力框架方面，刘洪涛等(2002)比较了三种常用的水汽方程差分方案,
8、从而为IAP9L-AGCM选择了较好的一种。薛洪斌等(2004)考察了垂直分辨率的提高对降水模拟的影响，指出增加垂直分辨率改善了积云对流参数化，从而能够更好地模拟对流性降水，但同时对于大尺度降水的模拟能力降低。张凤等(2004)讨论了水平分辨率的增加对于模式性能的影响，指出较高的水平分辨率在改善模式气压场、降水场模拟能力的同时，容易造成南极地区计算紊乱。在物理过程方面，张凤(2005)和张凤等(2005)引入FU-LiOU短波辐射方案，并细化了相关的物理过程，从而改进了模式对于短波辐射和季风降水的模拟。尽管IAP9L-AGCM有了许多改进和发展，与国外同类模式相比，其更新的速度还是相对较慢的。
9、例如，美国NCAR的CAM3(TheCommunityAtmosphereModeIversionS)模式(Colinsetal.,2006；HUreletaI2006),十几年中经历了CCM0、CCM1、CCM2、CCM3、CAM2等版本的演化，如今其物理过程参数化日臻完善，并成为当前世界范围内比较通用的几个模式之一。因此,系统地发展IAP9L-AGCM成为迫切的需要。本文将从该模式的辐射部分入手，对相应部分做了较为全面而有益的改进。大气模式中的辐射部分是相当重要的从物理过程来讲，太阳辐射能量是大气运动的根源，辐射过程描述的准确性，在很大程度上决定着气候模式的模拟效果;从模式发展来讲，辐射部
10、分的代码是最为繁琐和细致的，它涉及到了大量的积分和参数化计算，如云量、气体吸收发射率、地表反照率等，因此不确定性较大;从模式计算的效率来讲，辐射部分的运算比较耗时，有的甚至可以达到整个模式计算时间的约三分之二(王脆飞等，2006)IAP9L-AGCM的辐射计算方案主要来源于NCAR的CCMI伴训强，1993),目前需要进一步改善。因此，我们使用CCM3的辐射方案替换了原来的辐射计算部分,作为模式改进的第一步。之所以选择CCM3,一方面是因为它对于CCMl有较好的继承性，不至于造成整个模式各个部分之间的不协调;另一方面则是由于它的代码采用了与IAP9L-AGCM一致的Fortran77语言，不同
11、于CAM系列的FOrtran90,从而更加便于移植和替换。2模式与资料CCM3相对于CCMl在辐射计算方面有了较大的改进。短波辐射计算波段由2个增加为18个,因此对于气体的辐射吸收描述更准确o长波辐射计算中,CCMlR考虑了H2O.。3和CO2在05OcmL50-80cm18010cm1101200cm1和1200-2200cm1五个波段的吸收作用，而CCM3则考虑了更多的温室气体，并且在气体的重叠吸收区细化了长波积分波段范围，例如在5001500cm细分了8个子波段，并根据各子波段内不同的吸收气体来计算大气透射率O除此以外，CCM3中还包括了初步的气溶胶辐射反馈，虽然只是采用背景气溶胶光学厚
12、度(0.14)的方式，但仍然是一个有益的改进，这有利于后期工作中更多地考虑其他气溶胶的影响，以评估气溶胶的气候效应。CCM3和CCMl在云量的计算上都采用Slingo(1987)的方案，但是前者在云的辐射特性计算上有了很大的改进:CCM3不仅考虑云水的光学性质，还加入了云冰以及固液混相粒子的计算方案。除此之外，CCM3区分了海洋和大陆的云滴有效半径的计算方法(Kiehletal.,1994).在此基础上,利用-Eddington近似计算每一层的反射率和透射率，这些对云的辐射特性参数化方案的改进使得新的辐射模块能更好地模拟大气的辐射能量。表1给出了CCMl与CCM3在辐射计算方案上的主要异同点，
13、具体细节可以参照这两个模式的技术说明(Wiliamsonetal.,1987；Kiehletal.,1996)另外，由于地表反照率与下垫面的海陆分布、植被类型、土壤颜色、土壤种类以及土壤含水量等参数密切相关，而且不同的陆面模式采用的参数化18大气科学ChinesejournalofAtmosphericSciences33卷Vol33表I TablCCMl与CCM3辐射计算方案比较el ComparisonsofradiationschemesinCCMIandCCMSCCMlCCM3CCMlCCM3短波吸收气体。3、。2、H2。、C02。2、H2。、C02辐射传输方 程计算方案累加法-Edd
14、ington 近似短波波段间隔2个.紫外可见光波段0.00.9 Clm红外波段0.94.0 以m18个.。3 吸收 0200.35 以m（7个）：Ch和02吸收 035- 0.70以m （1 个）：。2 和WO吸收0.70-5.0以m （7个）：CCh 吸收 2.70- 4.30以01 （3个）痕量温室气 体无CH4、N20、 CFCll.CFCl 2云量参数化SIingO方案SIingO方案气溶胶辐射反馈无背景（硫化物）气溶胶云的辐射特性只考虑云水考虑云水、云冰以及固液混 合态粒子地表反照率直接（散射）短波反射率 与IAP94陆面模式相关直接（散射）短波反射率 与LSM陆面模式相关方案有一定
15、差异，因此，在嵌套CCM3的辐射计算方案时，理论上来说还需要对陆面过程做相应调整。但是CCM3中的LSM（TheLandSurfaceModel）陆面模式涉及到了次网格参数化过程，因此直接替换IAP94陆面模式还存在一定难度，所以对于地表反照率，新的IAP9L-AGCM仍然使用了原有的计算方案，只是在此基础上利用CCM3提供的方案对海洋和海冰的反照率做了调整，从而保证了全球大部分区域表面反照率与新辐射方案匹配。在此基础上，我们将IAP9L-AGCM的新旧两个版本分别积分25年，取后20年平均得到模式基本气候态，并与观测场进行比较，从而判别模式改进效果。所选用的观测资料为19792003年的NCEP/NCAR的再分析资料（Kalnayetal.,1996）,自1979年加入卫星观测以来，该资料的可信度大幅度提高，而且其包含的物理场种类较全，适合于做一些诊断分析和模式评估工作NCEP/NCAR的再分析资料水平分辨率为2.5-2.5-,垂直方向分为17层，从100OhPa延伸到10hPa（,在模式资料与观测资料比较之前，我们先将NCEP/NCAR资料插值到模式对应的网格上，这样有利于定量评估模式气候态模拟效果的空间分布型以及平均态差异大小o另外，为了便于说明，我们在后文中统一把观测资料称为ncep,而把原来的IAP9L-AGCM称为iap9lcmL新的模式版本称为iap9lc
