气候模型中准确列 moist static energy 预算。第一部分：守恒方程形式、方法论及主要结果以GIST ModelE3为例
大气与海洋物理
2025-11-27 v2
摘要
列集成湿热能（MSE）预算支撑着热带对流和循环的理论，但在再分析和气候模型中，该预算很少闭合；残差通常匹配主要项，从而掩盖了物理洞察。本研究推导了一个严格与GIST ModelE3一致的MSE守恒定律，阐明了为何常规诊断会失败。多个交织因素——离散化时乘积规则的失效、质量过滤效应、通量和对流形式不匹配、诊断垂直速度的数值噪声、异步模型输出时序以及后处理包括垂直插值和时间平均——即使在使用原始30分钟模型输出时，也在年均值和日变率中留下显著残差，尤其在陆地和沿海地区的残差更大。为克服这一障碍，本研究实施了“过程增量方法”，通过在应用动力学方案前后计算列集成的内部能、势能和潜热的变化，准确计算列MSE通量散度。此外，将计算得到的列通量散度分解为水平和垂直对流分量。最关键的发现是，垂直插值到压力坐标后，可能引入足以反转温暖盆地区域垂直MSE对流符号的误差。在ModelE3中，本土网格值显示通过垂直循环实现MSE输入，而插值到压力坐标后的值则显示为输出。这一差异可能促使重新评估垂直对流作为输出机制的作用，强调了精确MSE预算计算的重要性。
关键词
引用
@article{arxiv.2407.13855,
title = {Accurate Column Moist Static Energy Budget in Climate Models. Part 1: Conservation Equation Formulation, Methodology, and Primary Results Demonstrated Using GISS ModelE3},
author = {Kuniaki Inoue and Maxwell Kelley and Ann M. Fridlind and Michela Biasutti and Gregory S. Elsaesser},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.13855},
year = {2025}
}
备注
Submitted to JAMES. Revision submitted to JAMES