RegCM4：模式说明和基于多种COREDX区域的初级测试外文翻译资料

 2022-12-10 03:12

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RegCM4：模式说明和基于多种COREDX区域的初级测试

摘要：RegCM4作为近年来区域气候耦合模式的新版本，有了很大的发展并被广泛使用。与以前的版本相比，RegCM4包括新的陆面过程，行星边界层和海气通量计划，混合对流和热带配置，修改预先存在的辐射传输和边界层方案，以及模型代码的全面升级，提高灵活性和用户友好性。该模型可以交互耦合到1D湖泊模型，简化的气溶胶方案（包括有机碳，黑碳，SO4，灰尘和海洋喷雾）和气相化学模块（CBM-Z）。 在模型的一般描述之后，在CORDEX框架（非洲，南美洲，东亚和欧洲）规定的4个领域提出了一系列测试实验，以提供不同气候条件下的模型行为和敏感性的说明性例子。 这些实验说明，RegCM4模式相比于之前的版本性能有了明显的进步；同时，用户团体的测试对于更全面地探索它的敏感性和应用范围也是十分必要的。

关键词：RegCM4、区域气候模式、CORDEX、模式实用性

1、简介

过去二十年来，对区域气候模式的兴趣一直在不断增加。 因此，已经开发了一些区域气候模式（RCM），具有广泛的模型用户基础。 而RegCM模式就是区域气候模式中的一种，它从20世纪80年代后期开发的第一个版本（RegCM1; Dickinson等人，1989，Giorgi 1990）演变到20世纪90年代初的更新版本（RegCM2; Giorgi等人，1993a，b） （RegCM2.5; Giorgi＆Mearns 1999）和2000年代（RegCM3; Pal等人，2007）。 RegCM是长期区域气候模拟开发的第一个有限区域模型，已被广泛应用于各种区域性模式比对项目，并已被大型社区应用于广泛的区域气候研究，从气候过程研究（ 钱谦等，2010）到对未来气候预测（Giorgi＆Mearns 1999，Giorgi等，2006）都有涉及。

RegCM系统是一个社区模式，特别是由工业化国家和发展中国家科学家组成的各种社区设计使用（Pal et al。2007）。因此，它被设计成面向公众，有着开放的资源，友好的用户体验和灵活的代码可以应用于世界上的任何一个区域。它通过区域气候研究网络或RegCNET得到支持，该网络是由国际理论物理中心（ICTP; Giorgi et al。2006; http：//users.ictp）的地球系统物理部门协调， 该网络的科学家（目前gt; 750名参与者）可以通过电子邮件列表和定期的科学研讨会进行沟通，这对模型的评估和顺序改进至关重要。

根据Pal等人的描述，自从2007年RegCM3发表以来，在软件代码和物理代表性方面发生了巨大的进步，这导致了第四版模型RegCM4的发展，该模型由ICTP于2010年6月作为原型发布 版本（RegCM4.0）和2011年4月作为第一个完整版本（RegCM4.1）。 本研究的目的是为RegCM4提供基本参考，包括模型改进的描述和对不同气候条件下模型行为和敏感性的有限的说明性分析。 有关该主题部分的其他文章将使用RegCM4以及使用早期版本的模型的应用程序进行更广泛和详细的研究。

在第2部分中，我们首先描述主要的模型开发以及所有不同的可用模型选项的总结。然后，第3节介绍一组旨在说明模型性能和敏感性的实验的基本分析。这些实验是通过新开发的国际协调区域气候降标实验（CORDEX）项目推荐的标准域的子集进行的（Giorgi等人2009; http：// w crp.i psl.j ussieu.fr /SF_RCD_CORDEX.h tml）使用观察的再分析来驱动模型在横向边界进行多年度模拟周期。只有基本的一套简单的绩效指标被用于模型的评估，更多的综合指标和分析被留给了这个特殊问题的其他贡献。最后，第四部分讨论了模型的发展和应用的未来计划。

2、RegCM4的相关说明

RegCM4模式是2007年有意大利物理理论研究中心发布的对于其前一版RegCM3的升级。在这一板块中，我们将概述RegCM4模式的主要特征，强调RegCM4区别于RegCM3的性能。表1列出了模型中可用的选项，可用作以下部分的参考。

模式方向

可用选择

动力学过程

Hydrostatic,sigma;-vertical coordinate(Giorgi et al.1990)

辐射传输

Modified CCM3 (Kiehl et al.1996)

行星边界层

·Modified Holtslag

(Holtslag et al.1990)

·UW-PBL(Bretherton et al.2004)

积云对流

·Simplified Kuo

(Anthes et al.1987)

·Grell(Grell 1993)

·MIT(Emanuelamp;Zivkovic-Rothman1999)

·Tiedtke(Tiedtke 1989)

降水尺度

·SUBEX(pal et al.2000)

地表

·BAST(Dickinson et al.1993)

·Sub-grid BAST

(Giorgi et al.2003)

·CLM(Steiner et al.2009)

海洋通量

·BAST(Dickinson et al.1993)

·Zeng(Zeng et al.1998)

·Diurnal sea surface temperature

(Zengamp;Beljaars 2005)

气溶胶

·Organic and black carbon,SO4

(Solmon et al.2006)

·Dust(Zakey et al.2006)

·Sea salt(Zakey et al.2008)

湖泊类型

1D diffusion/convection

(Hostetler et al.1993)

热带配置

Copppla et al.(2012,this Special)

耦合海洋

MIT(Artale et al.2010)

ROMS(Ratnam et al.2009)

表1：在RegCM4中的模式选择

PBL：行星边界层

2.1动力学

RegCM4的动力学过程保留了与RegCM3动态模式一致的部分，同时也是先前RegCM2的关键部分。RegCM4因此也是静力平衡的，可压缩的，应用sigma-p垂直坐标,在风场和热力学参量水平交错的Arakawa B-grid上运行；使用时间分离显式集成方案，其中2个最快的重力模式首先从模型解中分离，然后与较小的时间步长集成。这种方案允许使用较长的时间步长对于模型的其余部分。基本上，模式的动力学过程与流体静力的MM5（Grell et al。1994）相同，因为在RegCM4中，这一部分没有改变，这里不在进一步讨论（见Giorgi等人1993a和Grell等人1994年更多细节）。

2.2 模型物理过程

2.2.1 辐射传输方案

RegCM4中的辐射传输计算是由Giorgi等人实施的全局模型CCM3（Kiehl等人，1996）的辐射传输方案进行（1999）。 这包括对频谱的短波和红外部分的计算，包括大气和气溶胶。该计划包括所有主要温室气体（即H2O，CO2，O3，CH4，N2O和CFC）的贡献，并且使用Delta;-Eddington配方处理太阳辐射过程（Briegleb 1992）。 基于气溶胶光学性质（吸收系数和单散射反照率），还包括气溶胶对太阳辐射的散射和吸收。

关于云辐射计算，太阳光谱光学性质基于云液体水路径，又基于由模型（参见第2.2.4节）预测计算的云含水量，云计算的分数覆盖，诊断上作为相对湿度和有效云滴半径的函数，其参数化用于液态水的温度和陆地海面的函数以及作为冰相的高度的函数。此外，该方案在诊断上计算作为温度的函数的云冰的分数。在红外光谱中，云辐射发射率作为云液体/冰水路径和云红外吸收截面的函数来计算，这取决于液相和冰相的有效半径。

该公式中的问题之一是该方案使用云分数覆盖来产生网格框平均云属性，然后将其视为整个网格框被有效较薄的云层覆盖。然而，由于辐射传输的非线性性质，该方法倾向于产生“grayer”平均网格框，而不是计算单独的混浊和晴天分数通量。但是通过利用该方案还可计算用于诊断目的的晴空天空通量的，在RegCM4中，我们首先通过计算给定网格点处的总云覆盖，然后分别计算多云和无云的表面通量来修改该辐射云表示 天空部分的网格框。模型网格框中的总云量由在使用随机重叠假设（其使云覆盖最大化）获得的中间值和由在覆盖网格盒的列的任何单个层中发现的最大云覆盖给出（这意味着完全重叠，估计总云量）。因此，这种修改考虑了在给定网格框处分数晴空的出现，使得在分数混浊条件下得到更真实的网格箱平均表面辐射通量。

RegCM4与RegCM3相比的另一个主要发展涉及气溶胶辐射传递计算。 在RegCM3中，气溶胶辐射强迫是基于气溶胶模型产生的三维场（见下文），仅包括在短波谱中的散射和吸收（参见Giorgi等人，2002）。 在RegCM4中，我们添加了Solmon等人的红外光谱的贡献（2008）。 这对于相对较大的灰尘和海盐颗粒特别重要，并且通过引入根据气溶胶路径计算的气溶胶红外发射率和由气溶胶粒度分布和长波折射率估计的吸收截面来计算，而长波扩散可能与较大的尘埃颗粒相关，因此不作为该方案的一部分。

2.2.2行星边界层

RegCM4中关于行星边界层（PBL）过程的描述出现了两个主要发展。首先，对RegCM系统中目前可用的方案（Holtslag et al。 1990）进行了各种修改，第二个新的PBL方案由华盛顿大学PBL（Grenier＆Bretherton 2001，Bretherton等人2004），在模型中实施。

在Holtslag方案中，PBL高度首先基于使用批量重要的理查森数公式的迭代程序进行诊断计算。然后，从表面到PBL高度规定了用于热量，湿度和动量的涡流扩散性的非局部垂直轮廓，并且为温度和湿度添加了逆梯度运输项。 涡流扩散性取决于摩擦速度，高度，Monin-Obhukov长度和PBL高度。

与其他方案相比，这种方法倾向于以产生相对强的，并且通常是过度的湍流垂直传递。例如，在广泛的测试之后，我们发现模型中水分的过度垂直转移导致表面附近的低水分量和PBL顶部的过量水分。因此，为了改善这个问题，在RegCM4中去除了水蒸气的逆梯度项。Holtslag方案（至少在我们的实施中）的另一个问题是在非常稳定的条件下，例如在北半球高纬度地区的冬天期间，热量，水汽质量和动量的过度垂直传输。例如，我们发现在这样的条件下，方案不能模拟近表面温度反演。这反过来导致在诸如北西伯利亚和北加拿大的区域的大的温暖的冬季偏差（gt; 10℃）。 作为解决这个问题的特别解决方案，在RegCM4中，我们对该方案实施了以下修改。我们首先定义Holtslag参数化中的“非常稳定”条件作为其中从表面到莫宁-奥布霍夫长度的比率低于0.1的选项。当发现这些条件时，我们将所有变量的涡度扩散率和相关梯度项设置为0，初步测试表明，这种修改减少了在高纬度冬季条件下的温偏差，并使模型更好地捕获表面反演。因此，这些修改作为RegCM4代码中的默认内容。

在RegCM3中确定的缺陷之一是缺乏低水平层云的模拟，这个问题明显地与Holtslag PBL方案中过度的垂直传输有关（T.A.OBrien等人，unpubl）。为了解决这个问题，T.A.OBrien et al。耦合Grenier＆Bretherton（2001）和Bretherton等人的一般湍流闭合参数化（2004）到RegCM4，我们称之为UW-PBL。这是1.5阶局部，向下梯度扩散参数化，其中速度标度基于湍流动能（TKE）。TKE又从浮力产生、破坏，剪切产生，损耗垂直传输，以及水平扩散和平流的平衡进行预测。该方案还通过将混浊空气蒸发到特定的空气中来参数化夹带过程和其增强。UW-PBL迄今为止在RegCM4框架内测试，主要在中纬度域，例如美国大陆（其中它显著改进了低层层云的模拟）和欧洲 ，并且其性能的示例在第3节中报告。

2.2.3积云对流

目前，RegCM4包括3个用于表示积云对流的选项。第一种是Anthes的Kuo型方案的简化版本（1977），如Anthes等人 （1987）。该方案自最早版本RegCM1以来就存在，并且当柱湿气收敛超过阈值时激活对流。该方案虽然仍然可用，但仅仅非常偶然地使用，并且通常提供比其它可用参数化更差的降水模拟。

第二个，迄今为止最常用的方案是的Grell（1993）在Giorgi et al（1993b）。这是一种质量通量深对流参数化，其中云被认为是2个稳态循环，包括上升气流和穿透下沉气流。当

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