青藏高原地区深厚而弱对流云可通过参数化提高模拟水平

青藏高原地区深厚而弱对流云可通过参数化提高模拟水平

  中尺度天气预报模式的降水预测方面存在着较大的偏差，一个主要问题是云参数方案的不确定。近20年来，模式中的中尺度对流过程的描述经历了从广泛适用于低分辨率（>10 km）的全球大气环流模式的传统对流参数化方案，逐渐向显式模拟的高分辨率（<1 km）的云解析模型Cloud-Resolving Models (CRMs) 转化；然而，二者之间的灰色尺度（gray zone; 1-4km）难以很好地处理湿对流过程，从而成为中尺度模拟发展和研究中的关键和热点问题。

流行的观点认为，对流相容模型（Convection-Permitting Model）可完全显式地处理深对流过程，因此，许多学者尝试采用完全显式地云微物理方案描述对流过程，在模式中关闭对流参数化方案，这忽视了次网格尺度的对流过程。近年来，随着高分辨率模式的发展，模拟结果能够完全解析对流过程，对流行的显式方案的假说也受到了一定程度的质疑。研究表明，次网格组织的垂直运动和对流凝结不能通过单独使用云微物理方案来描述；对流参数化方案的使用可有效抑制中尺度模型中格点尺度雷暴的产生。因此，使用对流参数化方案处理次网格尺度对流过程仍是目前中尺度模拟较为合理且必不可少的途径。

另一方面，随着计算技术水平的提高，模式网格分辨率不断增加，原有的对流参数化方案不再适用于高分辨率的数值计算，特别是对于既不能完全参数化也不能完全显式表示的深对流灰色区域的分辨需要另寻新路。一条可行的途径是，在高水平分辨率下对积云参数化方案进行适当松弛，使其适用于高分辨率数值模拟。

KFeta对流发展概念图

青藏高原独特的热、动力强迫作用，使该地区夏季的对流性降水具有特殊性。夏季，强地表非绝热加热频繁触发对流；同时，由于高原地区水汽含量偏低，对流有效位能相比中纬度其他地区偏低这些特征使得青藏高原地区深对流系统和大陆其他地区完全不同，表现为深厚的弱对流特征。由于高原地区水平空间上地形起伏较大，此类云显示处理效果不理想；而参数化处理在如分辨率较高时由于不满足准平衡理论参数化方法失效。因此，此类对流过程在模式中不能描述。使用原KFeta积云方案模拟的降水相比观测存在较大偏差，即使最新的Multi-Scale KFeta（MSKF）积云方案也只是在一定程度上改善了模拟效果，但仍然存在偏差。

针对上述问题，王澄海教授团队基于中尺度数值模式Weather Research and Forecasting (WRF)，基于Kain-Fritsch Eta（KFeta）积云参数化方案中Bullock et al. (2015)的对流调整时间，提出了一种新的对流调整时间修正方案（Bullock–Wang scheme—BW方案），即对流调整时间不再依赖于水平分辨率，而是考虑对流云内的垂直运动的新的闭合方案。该方案适用于高分辨率模式的模拟。初步的试验结果表明，新方案减少了该地区对流不稳定耗散所需的对流调整时间，更为合理地再现了对流云的强夹卷过程和累积降水，提高了青藏高原地区夏季对流云降水的模拟分布和强度特征。通过发生在青藏高原地区的3次对流降水个例的模拟，结果表明新方案在高原地区的降水模拟有显著改进。这为发展青藏高原地区的云参数化方案，深入理解该地区对流云和降水特征，提高云降水预报水平提供了新的视角。这一新研究成果日前发表在大气科学领域的专业期刊皇家气象学会季刊（Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society-QJRM）上。

团队近年来在模式发展方面取得了一系列进展，建立了一个水热完全耦合的陆面模式；发展了陆面模式中冻融参数化方案；提出了模式中同化进土壤湿度改进夏季降水的途径；针对高原地区降水模拟偏差提出了微物理方案中的改进；此次建立了高原积云对流参数化新方案。并在模式和寒区天气气候方面取得了一些列成果：