大气环流模型
尽管radiative-convective模型是非常有用的工具为研究大气成分如何影响辐射场,进而辐射场的作用在大气光化学,他们只有一个空间维度(高度)带来了一些基本限制。真正的地球是一个三维分布的大气和表面属性与大气动力学和海洋环流的准确
表11.7气候改变的影响全球云量,从一组现值为0.50。甲烷、一氧化碳和氢气在ppmv水平。水气列Wh2o g cm-2。平流层峰值水气混合比水ppmv圣。行星反照率是一个。
表11.7气候变化的全球云量的影响,从一组现值为0.50。甲烷、一氧化碳和氢气在ppmv水平。水气列Wh2o g cm-2。平流层峰值水气混合比水ppmv圣。行星反照率是一个。
参数 |
0.44 |
0.46 |
0.48 |
0.50 |
0.52 |
0.54 |
0.56 |
甲烷 |
1.24 |
1.38 |
1.54 |
1.71 |
1.92 |
2.15 |
2.42 |
有限公司 |
0.083 |
0.089 |
0.095 |
0.101 |
0.109 |
0.117 |
0.126 |
H2 |
0.450 |
0.481 |
0.510 |
0.539 |
0.571 |
0.601 |
0.630 |
T |
290.00 |
289.32 |
288.72 |
288.15 |
287.45 |
286.88 |
286.31 |
WH2 o |
2.46 |
2.32 |
2.21 |
2.09 |
1.99 |
1.89 |
1.80 |
水圣 |
5.33 |
5.44 |
5.57 |
5.75 |
6.00 |
6.30 |
6.67 |
一个 |
0.302 |
0.312 |
0.322 |
0.332 |
0.342 |
0.352 |
0.363 |
表示需要包含三个维度,这已经成为众所周知的大气环流模式(GCM)。因为大气和海洋的物理有很大的不同,我们通常生产单独的大气和海洋全球大气环流模型,并将它们链接在一起,形成一个耦合环流模式(CGCM)。
为了使三维环流模型充分治疗大气的动力,他们必须有高分辨率的空间和时间,这带来一个巨大的计算负担。补偿,他们可以只包括有限数量的化学物种和反应,通过宽带辐射预算被参数化,这是他们只使用有限数量的光谱间隔执行辐射传输计算。仍有范围,因此,对于radiative-convective模型,因为它们允许快速辐射传输的影响的敏感性分析和化学全球平均温度垂直结构。RC模型可以与光化学模型详细检查垂直光化学的光谱辐射效应和温度结构,在某种程度上超出了现在的这个模型的范围。需要两种类型的模型,因此,尽管我们可能期望在时间这两个合并。目前,RC模型研究辐射或化学过程时,虽然大多数动力学研究和全球大气环流模型是必不可少的,至关重要的是,长期气候预测。raybet雷竞技最新
理查森(1922)最早的报告试图模拟大气运动数学知道,然而,全球大气模型的复杂性需要巨大的计算能力。早期的计算机先驱,冯·诺依曼(见Aspray 1990年,恰尼et al . 1950年),发挥了关键作用在数值天气预报的发展。瑞典皇家空军服务是第一个开始实时数值天气预报1954年12月,使用模型由斯德哥尔摩大学研究所的气象。到了1960年代,可用的计算能力
首字母缩写 |
类型 |
细节 |
AGCM |
大气GCM |
陆地和冰冻圈耦合、 |
用于大气过程的研究 |
||
OGCM |
海洋 |
海洋环流和海冰 |
AOGCM |
硕士 |
耦合atmospheric-oceanic循环 |
RCM |
Atmosphere-land |
区域气候AOGCMraybet雷竞技最新s边界 |
CCYM |
碳循环 |
陆地从AOGCM周期, |
海洋循环OGCM |
||
STOCHEM |
大气化学 |
大气成分的变化 |
足够的第一次尝试全球环流模型。到1960年代中期到末期,地球物理流体动力学实验室普林斯顿大学成立SmagorinskyManabe,和他们的合作者(Manabe et al . 1965年)实现nine-level,半球本原方程GCM和用它来执行二氧化碳加倍实验(例如Manabe和布莱恩,1969)。980年代中期看到第一个严重的气候模拟的尝试,涉及耦合大气和海洋环流模型。raybet雷竞技最新
模型和世界各地的研究小组数量激增,团体之间的联系和比较他们的产品变得更加重要,也更加困难。在1990年,世界气候研究raybet雷竞技最新计划建立了大气模型相互比较项目,列出现有AGCMs和全球中心的细节执行气候模拟实验,和建立一个共同的协议相互比对,帮助在这个努力。raybet雷竞技最新政府间气候变化专门委员会(IPCC)成立于1988年由两个联合raybet雷竞技最新国组织,世界气象组织(WMO)和联合国环境规划署(UNEP)评估人类活动导致的气候变化的风险。raybet雷竞技最新报告被广泛引用的任何争论有关气候变化和一般被视为权威,尽管显然相当大的分歧依然存在,尤其是关于进化的全球气候等复杂的系统。raybet雷竞技最新
11.4.1类型的气候模型raybet雷竞技最新
一个例子使用的各种型号表11.8中给出了一个领先的气候模型研究所列出那些在英国气象局哈德利中心使用。raybet雷竞技最新Roeckner et al .(2003)的报告ECHAM5模型马克斯-普朗克研究所的气象也给全部细节GCM模拟的复杂性及相关方程。
由于辐射传输的复杂性,大量的假设和简化在所有模型。一般来说,这些包括
1。平行平面假设,即大气和海洋的列,在一项决议的元素,没有弯曲。
2。气体成分均匀混合,即没有成分(包括云属性)或温度变化对比在每个细胞。
3所示。气体成分在当地热力学平衡(LTE)在对流层和低平流层通常是正确的但不是上级。
4所示。的光谱分辨率短波和长波辐射传输宽带,而不是详细的单色。
5。执行效率原因的辐射传输计算模型经常低于动力学和其他参数化。
6。短波散射/吸收参数化通常是通过实施delta-Eddington近似(§3.5.6和§6.7),或二束近似(§3.5.7),而长波吸收/发射参数化吸收率公式(§4.5)。同时,红外和近红外分层乐队correlated-fc近似(§6.2.2)用于转换非线性光学深度依赖吸收器线性相关。
下面,我们考虑一些具体的例子的治疗采用一些世界领先的气候模型组。raybet雷竞技最新这些也说明了共性和方法和假设模型的多样性。
11.4.2太阳辐射传输模型
11.4.2.1 HadAMS计划这是HadCM3耦合GCM的大气成分,广泛使用了IPCC的评估全球气候预测,如下我们讨论。raybet雷竞技最新HadAM3,短波通量二束方法,计算了在光谱分为6波段波长范围:0.20 - -0.32;0.32 - -0.69(2圈);0.69 - -1.19;1.19 - -2.38;-5.00和2.38¡m。在每一个乐队,数据被使用correlated-textitk近似方法使用气体吸收HITRAN和LOWTRAN数据库的数据。
瑞利散射由气体明确表示但云和气溶胶散射将更加困难。背景气溶胶的数量在任何给定的时间或位置是未知的,所以计算一个固定数量的气候背景气溶胶是合并作为一个临时的方法。单独Cloud-radiative交互参数化水和冰的水含量和有效半径的函数。冰粒子被视为固定半径的球体著名30米。层状云被视为重叠层和对流云团作为垂直塔;混合相位云是由冰和横向相邻地区水的云。
11.4.2.2 NCAR凸轮3.0计划,这是一个最先进的模型国家大气研究中心在美国。在这方面,短波散射/吸收由delta-Eddington近似参数化应用于19日离散谱间隔;7对O3, 1可见,7为水,似乎红外二氧化碳3,1。由O3辐射方案允许气体吸收二氧化碳,O2和H2O。分子散射和散射/吸收云滴和气溶胶。该模型大气是由一组离散的垂直的水平均匀层内指定的辐射加热率。
其中每一层被认为是一个均匀的组合几个辐射有效成分。五个气溶胶的化学物种被认为是包括海盐、土壤尘、黑色和有机碳质气溶胶,硫酸,火山硫酸。直接和半直接效应的对流层气溶胶短波通量和加热率。3.0凸轮区分云的云滴有效半径诊断在海上和大陆政权和原始表面(海冰,白雪覆盖的土地)。云参数化可以将随机、最大或任意组合的云之间的重叠。
11.4.2.3 ECHAM5计划的第五代ECHAM环流模式产生的马克斯普朗克研究所的气象在汉堡,德国。其计划内的太阳能辐射传输计算大气使用Eddington近似为集成在天顶和方位角度和delta-Eddington近似为一层的反射率。该计划包括瑞利散射、吸收水蒸气和臭氧,都在空间和时间不同,和二氧化碳,一氧化二氮,CO、CH4和O2均匀混合气体。通过气溶胶和云粒子有效吸收和散射。之间的相互作用对散射过程和吸收水蒸气和均匀混合气体,但不是为臭氧,因为气体吸收而不是散射是平流层的主宰。
透射率和反射率垂直列的计算分为两个独立的晴空和多云的天空部分的计算。该计划有4个光谱波段;1的紫外可见著名(0.20 - -0.69米)和3似乎红外(0.69 - -1.19、1.19 - -2.38、2.38 - -4.0项)。似乎红外范围解决3乐队占的波长依赖云粒子或气溶胶的光学特性。散射过程的交互和气体吸收包括似乎红外波段,却忽视了在可见的乐队。单一云的散射特性使用米氏计算理想化的云滴和冰晶的大小分布。每个4的光谱区间多项式适合推导为了表达各自的单散射特性作为有效半径的函数,参数化的液体和冰水的内容。
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