PDF《“他乡”或许不再是“异乡”》

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2018 在提示英国气象局未来模式发展的方向.这类研究和 预报实践表明,尽管模式分辨率的提升并没有理论上 的极限,但是在利用和验证这些结果的时候,需要考 虑缺乏小尺度可预报性的知识.未来如何改进在km级 模式中的对流表达,与会作者认为还是要依据观测带 来的信息改进参数化方案,而未来模式进入100 m分 辨率的湍流模式阶段后,还需大量研究给予支撑,最 初模式应该瞄准城市尺度模式和制定城市模拟战略.

3 更加重视热带对流 世界上最激烈的对流无疑发生在热带,而且因 为这里的对流经常在垂直方向上有深厚的伸展,可到 达平流层低层而被称为深对流.法国图卢兹大学和日 本气象厅(JMA)的学者,分别用一张图(图5a和图 5b)说明了不同的模式分辨率进行深对流模拟的方法 和不确定性的来源,以及所谓灰色区域在对流上的划 分.法国学者还重点介绍了云解析模式(CRM)和LES方法模拟热带深对流的进展和挑战.研究表明, CRM在模拟MJO信号和日循环等方面表现较好,但因 为缺乏云组织信息,导致模拟结果对湍流参数化非常 敏感,而结合LES后收敛性可以更好.日本学者的研 究,则更多从业务预报方面,介绍了JMA的2 km业务 高分变率模式在预报强降水方面更加准确的优势.但 是模式的对流启动延迟和对流活动持续时间偏长等问 题困扰着研发人员.研究表明,对流启动问题有时是 图3 雷达和不同分辨率模式模拟的2014年7月8日降水过程 (a-d) 图4 3D可视化的雷达和不同分辨率模式模拟的2012年8月25日降水过程(a-d) 图5 在湍流模拟中深对流的尺度和处理方法划分(a)和对 流模拟的灰色区域(b) (a) (b) 气象科技 进展

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2018 因为一些无法解析的小尺度现象导致,因此这些现象 应该在参数化中加入,而参数化面临的主要挑战,来 自对卷吸/逸出(entrainment/detrainment)过程参数化 效果,如当前2 km模式中积云高度过高可能来自缺少 卷吸/逸出机制.

4 边界层和次网格难题 边界层问题的研究,尤其是涉及大气湍流等问 题,几乎和气象动力学问题研究具有同样悠久的历 史,而次网格问题虽然随着模式分辨率的提升而在被 压缩,却因大气运动一直可以追溯到气体分子尺度, 新的次网格问题或许无法穷尽. 法国气象局学者在分析了湍流尺度、次网格尺度 和天气尺度与模式格距之间的关系(图6)后,指出 了该领域的灰色地带,提出实现在灰色地带湍流分布 纯次网格解析的目标.实现这一目标的方法也是多元 和灵活的,一些边界层个例可以参照LES方法处理, 而LES粗颗粒场,向纯解析场转化.此外,还有计算 解析和次网格湍流通量的结合以及基于理论的一般化 处理等. 图6 不同尺度的湍流参数化方法 法国学者还进一步介绍了LES水平粗颗粒场如何 诊断并得到参考尺度的过程(图7),指出要素的细 微结构当分辨率超过1 km达到中尺度时消失,即在1 km分辨率时可见的结构,可以视为湍流的灰色地带. 与法国学者多元化的思路不同,来自加州理工的 学者介绍了统一参数化的理念(图8).这一方法的 思路,是将从小尺度的湍流到大尺度对流,实现统一 的尺度调整参数化方案,即建立涡旋扩散/质量通量 模型(Eddy-Diffusivity/Mass-Flux model,EDMF). 这一模型目前已经在ECMWF、NCEP和美国军方得到 应用,但面临的挑战体现在卷流模式、卷流间相互作 用、预测卷流发生、与微物理过程的耦合和稳定边界 层处理等几个方面. 图7 在湍流模拟领域 LES粗颗粒场的诊断(a)和建立灰色 地带参考(b)示意图 图8 边界层、对流和宏/微物理的统一参数化 (下转304页) (a) (b) 气象科技 进展