對流參數(shù)化方案(CPS)的分辨率敏感性是天氣與氣候模擬中的重要問題,主要體現(xiàn)在不同網(wǎng)格分辨率下對流過程對模擬結(jié)果的影響。隨著模式分辨率逐步提升至“灰區(qū)”(1–10 km),部分對流可顯式解析,部分仍需參數(shù)化。因此,基于傳統(tǒng)CPS的模式模擬表現(xiàn)出較大不確定性。目前相關(guān)研究多將分辨率敏感性歸因于CPS本身,然而針對模式內(nèi)部動力與物理過程、特別是動力-物理之間的復(fù)雜相互作用對CPS分辨率敏感性的影響尚未被深入研究,這使得對CPS分辨率敏感性與模式偏差之間關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知受到明顯限制。因此,如何分解并評估動力、物理以及相互作用對CPS分辨率敏感性的影響對于改進(jìn)和發(fā)展模式參數(shù)化方案具有重要意義。
針對“動力-物理相互作用對灰區(qū)CPS分辨率敏感性的影響”,中國科學(xué)院大氣物理研究所地球系統(tǒng)數(shù)值模擬與應(yīng)用全國重點實驗室李立娟研究員課題組博士生左鈴等,基于分離動力與物理過程的SPADE試驗框架,針對Kain-Fritsch(KF)對流方案設(shè)計了兩組試驗(圖1)。1)傳統(tǒng)試驗(Tradition):在相同分辨率下同步計算動力與物理過程;2)SPADE試驗:將動力過程(D-grid)固定為1 km高分辨率,用粗化后的大尺度氣候場驅(qū)動不同分辨率的對流方案進(jìn)行離線診斷(P-grid),即物理過程不再反饋影響動力場,有效隔離了動力-物理相互作用隨分辨率變化的影響。該研究系統(tǒng)評估了KF方案在灰區(qū)尺度下的分辨率敏感性;并通過對比兩組試驗結(jié)果,分析了動力-物理相互作用的影響,揭示了動力-物理相互作用對KF方案分辨率依賴性的作用機(jī)制。
研究指出,隨著分辨率提高,KF方案模擬的對流降水逐漸減弱,這種分辨率敏感性在Tradition試驗中表現(xiàn)突出;相比較而言,SPADE組中對流降水對分辨率變化的響應(yīng)更為平滑,敏感性減弱(圖2),表明動力-物理相互作用會增強(qiáng)CPS的分辨率敏感性,進(jìn)而影響降水強(qiáng)度和空間分布。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),動力-物理相互作用通過調(diào)節(jié)大氣背景場和對流調(diào)整時間尺度,增強(qiáng)了KF方案的分辨率依賴性。
該研究為評估CPS分辨率敏感性提供了一種“更干凈”的方法,揭示了動力-物理相互作用在灰區(qū)模擬中的重要影響。研究成果不僅為參數(shù)化方案尺度敏感性評估拓展了新的研究方法和科學(xué)認(rèn)識,更為未來高分辨率模擬中對流參數(shù)化方案的改進(jìn)和“尺度自適應(yīng)”參數(shù)化方案研究提供理論基礎(chǔ)。
上述成果近期發(fā)表于《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》。中國科學(xué)院大氣物理研究所博士生左鈴為論文第一作者,李立娟研究員為論文通訊作者,來自中國科學(xué)院大氣物理研究所、美國西北太平洋國家實驗室、南京航空航天大學(xué)、華潤電力技術(shù)研究院、安徽省氣象臺的多位專家學(xué)者參與了該研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目(42288101和42230606)等的資助以及國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的支持。

圖1 Tradition試驗和SPADE試驗?zāi)J椒e分示意圖

圖2 不同試驗組模擬區(qū)域平均的對流降水時間演變
論文信息:
Zuo,L.,Li,L.,Gustafson,W. I.,Jr.,Luo,L.,Liu,Y.,Wang,B.,et al. (2025). Quantifying the resolution sensitivity of the Kain–Fritsch Scheme across the gray zone by isolating interactions: A TWP‐ICE case study. Journal of Advances in Modeling Earth Systems,17,e2024MS004604.?https://doi.org/10.1029/2024MS004604