雲微物理對氣候模式中對流雲的模擬重要嗎?

引用授權聯絡人: 許乾忠 / cjshiu@rcec.sinica.edu.tw / (02) 2787-5936

關鍵字: 雲微物理、積雲參數法、氣膠–雲–降水交互作用、Madden-Julian Oscillation、全球環流模式。

圖(一)模式模擬層狀降水佔總降水百分率之比較,模式分別是(a) 積雲參數法有加雲微物理過程(經大氣層頂能量平衡tuning)、(b)積雲參數法有加雲微物理過程、以及 (c) TaiESM模式原始的積雲參數法。兩組衛星反演觀測所得的層狀降水百分率也同時呈現,分別是 (d) GPM 以及 (e) TRMM,用來跟模擬結果做比對。

全球氣候模式的對流雲模擬一般都忽略雲微物理過程,或是採用粗略的做法,例如假設固定大小之常數來做雲水轉雨水的估算,我們嘗試將一雙矩量暖雲雲微物理參數法新增到台灣地球系統模式(Taiwan Earth System Model, TaiESM)的積雲參數法中,來模擬對流雲的暖雲與暖雨等物理過程。結果顯示,此參數法的修改能改進許多跟雲與降水有關參數的模擬情形,有考慮暖雲雲微物理的積雲參數法能使熱帶至副熱帶地區的對流降水比率降低,更貼近衛星反演估算的結果,同時進一步使這些區域的層狀雲水、雲冰與層狀降水增加。雲水厚度的空間分佈模擬在定性上也更接近AMSR-E衛星觀測的結果,而經由與CloudSat衛星觀測的比對後,也可發現此修改的參數法,對雲冰(也包括雪)的空間與垂直分佈模擬結果也獲得相當程度之改善,由此模擬結果的改善也顯示,在現今的氣候模式的積雲參數法採用更具物理基礎的方式,來做雲水轉與雨水計算的重要性。造成上述模擬改變的原因是因為採用實際雲微物理過程做雲水物模擬後,對流降水變少,而使得對流雲水逸出到層狀雲的雲水增加,進而使雲水、雲冰與層狀降水增加,此修改的參數法能用來研究全球氣候模式對流雲裡的氣膠-雲-降水交互作用。

我們也發現,在TaiESM模式的積雲參數法增加雲微物理過程亦能改善模式模擬Madden-Julian Oscillation(MJO)東傳的特徵,經過詳盡個別濕物理過程的趨勢項診斷分析,可以推論與所謂的“moisture-stratiform instability”機制有關,而且主要是肇因於修改後的參數法能夠增加MJO對流發生時的層狀降水憯熱釋放。

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  • Shiu, C.-J., Y.-H. Chen, J.-P. Chen, I-C. Tsai, W.-T. Chen, and H.-H. Hsu: Implementation of a two-moment warm-cloud and rain microphysics parameterization for convective clouds in a global climate model: Methodology and simulation results. ( JGR-Atmosphere: in revision)
  • Shiu, C.-J., H.-H. Hsu, W.-L. Tseng, Y.-H. Chen, I-C. Tsai, and J.-P. Chen: Does cumulus parameterization with convective microphysics matter in simulating Madden-Julian Oscillation? ( Climate Dynamics: to be submitted)

圖(二)經過20至100天濾波之總降水(shading)與850百帕緯向風(contour)的lag correlation比較圖(平均20oN-20oS,上列圖是冬半季:NDJFMA,下列圖是夏半季:MJJASO的結果)。圖由左至右分別是觀測GPCP降水(與ERA_Interim風)、TaiESM模式原始的積雲參數法、積雲參數法有加雲微物理過程、以及積雲參數法有加雲微物理過程(經大氣層頂能量平衡tuning)模擬的降水與風。

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