[论文解读] CLUBB-SILHS: A parameterization of subgrid variability in the atmosphere

Vincent E. Larson|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 94被引用 30

一句话总结

CLUBB-SILHS 是大气模型中次网格尺度变异性的一种统一参数化方法，结合了基于双正态分布的云层统一框架（CLUBB）与次网格重要性拉丁超立方采样器（SILHS），可在 2 km 及更粗的网格尺度上模拟云、湍流和微物理过程。该方法无需依赖独立的深层对流参数化方案，即可在全局和区域模型中准确表示云和降水场，在 1°–2° 分辨率的 CAM 模拟中展现出具有竞争力的气候学特征，尽管降水场存在噪声。

ABSTRACT

This document provides a detailed overview of the CLUBB-SILHS cloud and turbulence parameterization, including theoretical background, model equations, closure assumptions, simulation results, comparison with other parameterization methods, FAQs, and source code documentation.

研究动机与目标

• 开发一种用于大气模型中次网格尺度变异性（特别是云、湍流和微物理过程）的统一参数化方法。
• 通过在单一框架中整合 CLUBB 和 SILHS，消除对独立深层对流参数化方案的依赖。
• 实现在水平网格间距为 2 km 及以上的模型中对云和降水场的精确模拟，包括对流允许型和全球气候模型。
• 提供一个灵活且可扩展的框架，可适用于不同主模型和网格分辨率。

提出的方法

• CLUBB 采用概率密度函数（PDF）方法，通过双正态分布闭合高阶矩，表征热力学和湍流变量的次网格变异性。
• SILHS 应用具有重要性加权的拉丁超立方采样，高效地对次网格 PDF 上的微物理过程速率进行积分，提升了计算效率和精度。
• 该方法结合了解析积分与数值限制器技术，以保持湍流通量和协方差的物理解释一致性与数值稳定性。
• 采用显式与半隐式相结合的时间推进方案求解预报方程，对部分湍流平流项采用过隐式处理。
• 该框架包含数值限制器，以防止出现非物理值，例如对正半定量进行截断，以及对通量实施保持单调性的调整。
• 该配置避免使用 Zhang-McFarlane 深层对流参数化方案，转而依赖 CLUBB 通过次网格物理过程内在模拟深层对流的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 CLUBB-SILHS 是否能在不依赖独立深层对流参数化方案的情况下，准确模拟全球模型中次网格尺度的云和湍流变异性？
• RQ2 SILHS 与 CLUBB 的集成如何相较于传统的批量或质量通量方案，改善微物理过程速率的表征？
• RQ3 CLUBB-SILHS 在从 2 km 到 100 km 的广泛水平网格间距范围内，能在多大程度上保持物理一致性与数值稳定性？
• RQ4 在模拟降水和云场方面，CLUBB-SILHS 与 CAM6 和 E3SMv2 中既有的参数化方案相比，性能如何？
• RQ5 尽管未采用专用的深层对流参数化方案，CLUBB-SILHS 是否仍能在全球大气模型中产生具有气候学竞争力的模拟结果？

主要发现

• CLUBB-SILHS 在 1° 和 2° 水平分辨率的全球 CAM 模拟中，无需独立的深层对流参数化方案，成功模拟了云和湍流场，其气候学性能与 CAM5 相当。
• 该模型产生了噪声较大的降水场，表明微物理或次网格采样组件仍需进一步调优或改进。
• CLUBB-SILHS 在从 4 km（云分辨模型）到 100 km（全球模型）的广泛网格间距范围内表现出鲁棒性，表明其对水平分辨率不敏感。
• 该框架能有效维持混合相极地云中的液态水，与观测结果一致，防止了液态水因过早结冰而耗竭。
• CLUBB-SILHS 在 TWP-ICE 实验期间成功模拟了深层对流，其结果与其它先进深层对流参数化方案相当。
• 该方法通过在 PDF 上进行解析积分，实现了对 drizzle（轻雨）过程的精确模拟，提升了层积云层的物理真实性。