对流参数化方案（CPS）的分辨率敏感性是天气与气候模拟中的重要问题，主要体现在不同网格分辨率下对流过程对模拟结果的影响。随着模式分辨率逐步提升至“灰区”（1–10 km），部分对流可显式解析，部分仍需参数化。因此，基于传统CPS的模式模拟表现出较大不确定性。目前相关研究多将分辨率敏感性归因于CPS本身，然而针对模式内部动力与物理过程、特别是动力-物理之间的复杂相互作用对CPS分辨率敏感性的影响尚未被深入研究，这使得对CPS分辨率敏感性与模式偏差之间关系的科学认知受到明显限制。因此，如何分解并评估动力、物理以及相互作用对CPS分辨率敏感性的影响对于改进和发展模式参数化方案具有重要意义。
针对“动力-物理相互作用对灰区CPS分辨率敏感性的影响”，中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室李立娟研究员课题组博士生左铃等，基于分离动力与物理过程的SPADE试验框架，针对Kain-Fritsch（KF）对流方案设计了两组试验（图1）。1）传统试验（Tradition）：在相同分辨率下同步计算动力与物理过程；2）SPADE试验：将动力过程（D-grid）固定为1 km高分辨率，用粗化后的大尺度气候场驱动不同分辨率的对流方案进行离线诊断（P-grid），即物理过程不再反馈影响动力场，有效隔离了动力-物理相互作用随分辨率变化的影响。该研究系统评估了KF方案在灰区尺度下的分辨率敏感性；并通过对比两组试验结果，分析了动力-物理相互作用的影响，揭示了动力-物理相互作用对KF方案分辨率依赖性的作用机制。
研究指出，随着分辨率提高，KF方案模拟的对流降水逐渐减弱，这种分辨率敏感性在Tradition试验中表现突出；相比较而言，SPADE组中对流降水对分辨率变化的响应更为平滑，敏感性减弱（图2），表明动力-物理相互作用会增强CPS的分辨率敏感性，进而影响降水强度和空间分布。进一步研究发现，动力-物理相互作用通过调节大气背景场和对流调整时间尺度，增强了KF方案的分辨率依赖性。
该研究为评估CPS分辨率敏感性提供了一种“更干净”的方法，揭示了动力-物理相互作用在灰区模拟中的重要影响。研究成果不仅为参数化方案尺度敏感性评估拓展了新的研究方法和科学认识，更为未来高分辨率模拟中对流参数化方案的改进和“尺度自适应”参数化方案研究提供理论基础。
上述成果近期发表于《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》。中国科学院大气物理研究所博士生左铃为论文第一作者，李立娟研究员为论文通讯作者，来自中国科学院大气物理研究所、美国西北太平洋国家实验室、南京航空航天大学、华润电力技术研究院、安徽省气象台的多位专家学者参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金项目（42288101和42230606）等的资助以及国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”的支持。
图1 Tradition试验和SPADE试验模式积分示意图
图2 不同试验组模拟区域平均的对流降水时间演变
论文信息：
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
来源： http://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202505/t20250523_7790702.html
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发表于 2025-5-24 19:49:22
