■趙芊任　陳葆德　范廣洲

1成都信息工程大學(xué)高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　四川　成都　610225；2中國氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室　上?！?00030）

對(duì)流參數(shù)化方案觀測(cè)的離線比較

■趙芊任1，2陳葆德2范廣洲1

1成都信息工程大學(xué)高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610225；2中國氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室上海200030）

隨著計(jì)算機(jī)性能的迅速提高，全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的模式水平分辨率也大幅度的提高，而傳統(tǒng)對(duì)流參數(shù)化方案已經(jīng)不再適用。為了初步探尋關(guān)于灰色區(qū)域的問題，本文分別將GF、KF-ETA以及NSAS方案從三維WRF模式中提取出來，并根據(jù)選取的NCEP的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）中的一個(gè)熱帶濕潤環(huán)境系統(tǒng)下存在活躍對(duì)流過程的網(wǎng)格點(diǎn)資料的輸入輸出特點(diǎn)，通過逐步測(cè)試依次建立三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的離線試驗(yàn)平臺(tái)，利用Fortran95程序?yàn)樗麄兙帉應(yīng)毩?qiáng)迫資料接口。對(duì)不同分辨率下三個(gè)方案的特點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：（1）當(dāng)模式水平分辨率為30km時(shí)，GF方案和NSAS方案模擬出的降水結(jié)果最好，而KF-ETA方案的降水偏??；GF方案模擬出的云底較高，云厚度較小，KF-ETA方案和NSAS方案模擬出的云底高度相差不大，NSAS方案云頂高度最高為138mb。（2）10km時(shí)，GF方案模擬降水結(jié)果最好，KF-ETA方案降水結(jié)果仍舊偏小，而隨著分辨率的提高，兩方案的小時(shí)降水率都下降；GF方案模擬出的云的狀態(tài)和30km結(jié)果一致，而KF-ETA方案云頂高度變低了近160mb。（3）3km時(shí)，GF方案模擬結(jié)果已經(jīng)出現(xiàn)不足，降水偏少，而且云頂高度迅速下降至800mb高度左右。KF-ETA方案也由于對(duì)模式高分辨率的考慮不足沒有觸發(fā)方案中的深對(duì)流方案，沒有模擬出降水和云。（4）1km時(shí)，三個(gè)方案都沒有得到令人滿意的結(jié)果。

對(duì)流參數(shù)化灰色區(qū)域GF方案KF-ETA方案NSAS方案

1　引言

最初人們對(duì)熱帶氣旋的生成和發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)值模擬，而對(duì)流參數(shù)化就是從這個(gè)嘗試中逐漸被提出的。最初有很多可觀測(cè)的記錄能夠表明在大尺度的熱帶擾動(dòng)過程中積云對(duì)流發(fā)揮了很重要的作用[1-3]，后來早期的觀點(diǎn)一直嘗試去解開熱帶氣旋的尺度的大小以及它們的快速增長過程，但是最終沒有解釋成功[4]，更加說明需要對(duì)積云對(duì)流進(jìn)行參數(shù)化。由于當(dāng)時(shí)模式網(wǎng)格尺度比較大，而積云對(duì)流的尺度比較小，所以積云對(duì)流過程很難從模式網(wǎng)格尺度上得到解釋，所以只能把積云對(duì)流當(dāng)作次網(wǎng)格過程做參數(shù)化的處理。我們定義對(duì)流參數(shù)化為將次網(wǎng)格物理過程的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)應(yīng)用網(wǎng)格尺度的變量來表示[5]。這樣也加快了人們提出第二類條件不穩(wěn)定概念[6-7]，第二類條件不穩(wěn)定指的是積云對(duì)流為大尺度氣旋提供熱量供其維持大尺度運(yùn)動(dòng)，而大尺度氣旋則為積云對(duì)流過程提供水汽使它發(fā)展壯大。由于兩種尺度相差比較大，為了描述兩類尺度運(yùn)動(dòng)之間的作用，我們來看兩種解決方法：

（1）直接求解兩類尺度運(yùn)動(dòng)方程，這種方法分辨率很高很準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是方程很復(fù)雜，計(jì)算量非常大。

（2）用參數(shù)化方法考慮積云對(duì)流小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度氣旋運(yùn)動(dòng)的做出的總體影響，但不必模擬積云對(duì)流小尺度運(yùn)動(dòng)的具體形態(tài)。

由于近年來的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的水平格點(diǎn)距離普遍為1-10km[8-10]，在如此高分辨率的模式中數(shù)值模擬技術(shù)和物理參數(shù)化都需要進(jìn)一步細(xì)化[11]。模式物理過程中最重要的一個(gè)問題就是深濕對(duì)流的處理[12]。在高分辨率模式中應(yīng)用對(duì)流參數(shù)化可能會(huì)使傳統(tǒng)對(duì)流參數(shù)化的假定不成立[13-15]。一般來說模式的水平分辨率在1-10km之間稱為對(duì)流參數(shù)化的灰色區(qū)域。在灰色區(qū)域中，深對(duì)流是部分可解析，部分要次網(wǎng)格解決的[16]。另外，大多數(shù)對(duì)流參數(shù)化方案假定格點(diǎn)的大小足夠覆蓋一個(gè)可包括對(duì)流云整個(gè)不同生命階段的區(qū)域，因?yàn)閷?duì)流參數(shù)化無法描述積云的生命周期[15]。在一個(gè)高分辨率的網(wǎng)格中，一塊活躍的對(duì)流云在它的生命周期結(jié)束前可能會(huì)超出網(wǎng)格的范圍[16]。Aarakawa(2011)針對(duì)“灰色區(qū)域”問題提出高分辨下對(duì)流參數(shù)化方案的解決思路[17]，Grell(2014)利用這一思路，在G3方案[18]的基礎(chǔ)上，發(fā)展了可應(yīng)對(duì)不同分辨率的的GF對(duì)流參數(shù)化方案[19]。同為基于質(zhì)量通量假定的對(duì)流參數(shù)化方案KF-ETA方案[20]和NSAS方案[21]雖然對(duì)高分辨率的考慮不多，但也是目前數(shù)值預(yù)報(bào)模式中最為通用的對(duì)流參數(shù)化方案。

2　三種對(duì)流參數(shù)化方案簡介

2.1GF方案

首先看此方案的基礎(chǔ)SAS方案，該方案在A-S方案的基礎(chǔ)上，由Georg A.Grell進(jìn)行簡化，方案中提出了一個(gè)簡單的概念模型，云內(nèi)有兩支分別由上升和下傳氣流形成的穩(wěn)態(tài)環(huán)流，并只考慮對(duì)流最深的云來替代A-S方案原有的云譜。方案利用靜力控制過程、動(dòng)力控制過程及反饋?zhàn)饔眠^程完成參數(shù)化。動(dòng)力控制部分決定對(duì)流的大小和云功函數(shù)變化的規(guī)律，基于云功函數(shù)的準(zhǔn)平衡假定是本方案的關(guān)鍵；靜力控制部分確定了上升氣流和下傳氣流的屬性，其中包括夾卷過程，卷出過程和微物理過程；反饋?zhàn)饔貌糠挚紤]了以下幾部分對(duì)環(huán)境溫度濕度改變的效應(yīng)：

（1）積云引發(fā)的云外補(bǔ)償性下沉氣流造成的環(huán)境增暖變干效應(yīng)。

（2）積云中液態(tài)水卷出云外再蒸發(fā)造成的環(huán)境變冷變濕效應(yīng)。

（3）云頂周圍的水汽卷出造成的環(huán)境增暖變濕效應(yīng)。

2.2KF-ETA方案

KF-ETA方案是根據(jù)KF方案的進(jìn)一步改進(jìn)。在方案中依據(jù)觀測(cè)診斷中垂直溫度廓線的分布和積云對(duì)流的緊密關(guān)系以及積云夾卷的概念，假定當(dāng)任何夾卷混合的浮力數(shù)值為負(fù)時(shí)對(duì)流中的濕空氣從云中卷出，而當(dāng)夾卷混合的浮力數(shù)值為正時(shí)環(huán)境干空氣被卷入云中。所以，積云夾卷通過垂直方向上的湍流混合過程對(duì)環(huán)境和對(duì)流云相互之間的質(zhì)量交換有重新調(diào)整的作用，這個(gè)觀點(diǎn)在本方案中起到了很重要的作用。該方案的閉合假定為在一定時(shí)間尺度內(nèi)，網(wǎng)格中絕大部分對(duì)流有效位能（約90%）被耗散，方案中小尺度積云對(duì)流對(duì)大尺度網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的反饋?zhàn)饔糜梢粋€(gè)簡單的一維云模式來確定。修改如下：

（1）為了防止在不穩(wěn)定條件較弱和濕度不大的大氣產(chǎn)生對(duì)流，KF-ETA方案定義了一個(gè)卷入率的最小值。

（2）在不能觸發(fā)深對(duì)流的情況下，改用淺對(duì)流方案在不產(chǎn)生降雨的前提來計(jì)算上升氣流對(duì)大氣的加熱和增濕作用，但淺對(duì)流方案不產(chǎn)生降水。

（3）定義方案中的卷入率是一個(gè)低層的輻合函數(shù)。

（4）規(guī)定下傳氣流作用于云底上150～200mb的厚度，云底上升氣流質(zhì)量通量包含下傳氣流的質(zhì)量通量，下傳氣流質(zhì)量通量所占的比率由產(chǎn)生下傳氣流的層的相對(duì)濕度確定。

2.3NSAS方案

NSAS方案的基礎(chǔ)也是SAS方案。新方案中對(duì)比基礎(chǔ)方案中模式物理過程的更改說明：（1）NSAS方案把SAS方案中為常數(shù)的對(duì)流抑制能量定義成為云底垂直速度的函數(shù)。

圖1　單柱模式使用的熱帶廓線資料[23]

圖2　模式網(wǎng)格分辨率30km時(shí)氣柱的加熱速率及干燥速率

（2）SAS方案中上升氣流的卷出僅發(fā)生在云頂以上區(qū)域，下傳氣流的卷出僅發(fā)生在云底以下區(qū)域，卷入率定義為常數(shù)。而在NSAS方案中，卷出在云底到云頂之間的區(qū)域都有發(fā)生，卷入率為隨高度而減小，卷出率定義為常數(shù)。

（3）NSAS方案中將云底干空氣層對(duì)于對(duì)流觸發(fā)的抑制作用納入考慮范圍。

（4）NSAS方案中云底質(zhì)量通量需要滿足局地CFL判據(jù)。

（5）SAS方案中沒有考慮云水和雪的卷出，而NSAS方案中需考慮。

（6）SAS方案中云頂高度是在氣塊的浮力為0時(shí)隨機(jī)選取的，而NSAS方案中云頂高度就是氣塊浮力為0時(shí)的高度。

3　模式以及資料介紹

3.1單柱模式（SCM）簡介

單柱模式SCM為WRF模式中一個(gè)一維理想的模型，可近似的當(dāng)作其是從三維WRF模式中提取的一個(gè)一維垂直氣柱，而周圍氣柱對(duì)單柱模式的作用通過外界強(qiáng)迫場(chǎng)直接給定[22]。由于單柱模式中不必去考慮大尺度的非線性動(dòng)力反饋，所以它可以更直觀地確定出對(duì)流參數(shù)化方案中最根本的物理過程的優(yōu)劣，可以方便且直觀地觀察某種對(duì)流參數(shù)化方案的具體特征。如果想應(yīng)用WRF三維模式檢驗(yàn)到某個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的特點(diǎn)，就一定要從WRF三維模式中將比較復(fù)雜的非線性反饋?zhàn)饔玫牟糠址蛛x出來，但是這種做法的計(jì)算量是非常龐大的。所以，簡單的來說使用單柱模式的主要優(yōu)點(diǎn)大概可以總結(jié)為以下兩點(diǎn)：

（1）相比三維模式，單柱模式僅是代表一個(gè)氣柱，計(jì)算量大大減小。而周圍的強(qiáng)迫場(chǎng)根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接給定，所以不必考慮大氣強(qiáng)迫場(chǎng)之間的反饋?zhàn)饔谩?/p>

（2）單柱模式的強(qiáng)迫場(chǎng)由外場(chǎng)觀測(cè)提供數(shù)據(jù)，在理論上能夠由觀測(cè)和模擬結(jié)果的比較來找出不同對(duì)流參數(shù)化方案存在的缺陷。

3.2試驗(yàn)資料介紹

圖3　模式網(wǎng)格分辨率30km時(shí)氣柱的加熱速率及干燥速率

圖4　模式網(wǎng)格分辨率30km時(shí)氣柱的加熱速率及干燥速率

試驗(yàn)中三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案是在一維的單柱模式下進(jìn)行離線運(yùn)行，所以在這里我們選擇的資料是NCEP的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的一個(gè)熱帶濕潤環(huán)境系統(tǒng)下存在活躍對(duì)流過程的網(wǎng)格點(diǎn)[23]。

如圖1所示，左側(cè)這張為此熱帶廓線的溫度-對(duì)數(shù)壓力圖，右側(cè)則顯示了此熱帶廓線濕靜力能和飽和濕靜力能的垂直分布。左側(cè)熱帶廓線的溫度-對(duì)數(shù)壓力圖中黑色實(shí)線表示溫度，黑色虛線表示露點(diǎn)，紅色虛線表示氣塊的對(duì)流有效位)曲線以及左側(cè)圖中右側(cè)為垂直風(fēng)廓線。右側(cè)圖中黑色實(shí)線代表濕靜力能，藍(lán)色實(shí)線代表飽和濕靜力能。

資料中溫度、濕度、風(fēng)廓線以及大尺度強(qiáng)迫場(chǎng)都被寫入到一個(gè)文件中，然后這個(gè)文件會(huì)在三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的一維單柱程序中被使用。

3.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將GF方案、KF-ETA方案和NSAS方案三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案分別從WRF三維模式中提取出來，根據(jù)所用的資料分別比較三個(gè)方案的輸入、輸出的特點(diǎn)，通過逐步測(cè)試依次建立三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的離線試驗(yàn)平臺(tái)，利用F95程序?yàn)镚F方案、KF-ETA方案和NSAS方案編寫?yīng)毩?qiáng)迫資料接口。

利用給定的熱帶廓線資料分別對(duì)三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案進(jìn)行離線測(cè)試，首先對(duì)最基本的模擬結(jié)果（網(wǎng)格點(diǎn)格距30km）進(jìn)行比較，分析不同對(duì)流參數(shù)化方案在30km模式網(wǎng)格分辨率下各自的特點(diǎn)；然后縮小網(wǎng)格點(diǎn)格距（10km、3km、1km），檢驗(yàn)不同方案對(duì)于模式網(wǎng)格分辨率的敏感性，觀察各方案有哪些變化以及不同之處，并嘗試討論模式網(wǎng)格分辨率不斷提高的情況下哪一種對(duì)流參數(shù)化方案更加合理，以及三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)模式網(wǎng)格分辨率自適應(yīng)性的評(píng)估。在模式網(wǎng)格分辨率不斷提高的現(xiàn)狀下，為對(duì)流參數(shù)化方案的發(fā)展以及在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用來做初步的探討。

4　試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

圖5　不同模式網(wǎng)格分辨率下氣柱的加熱速率及干燥速率（黑色對(duì)應(yīng)模式網(wǎng)格格距離30km、藍(lán)色為10km、紅色為3km、紫色為1km）

4.1單柱模式中三個(gè)方案最基本的模擬結(jié)果

將資料中的溫度、濕度、風(fēng)廓線以及大尺度強(qiáng)迫場(chǎng)寫入一個(gè)文件中，在寫好的三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的簡單的一維模式中使用，當(dāng)模式分辨率為30km時(shí)，格點(diǎn)氣柱的加熱速率（heating rate）和干燥速率（drying rate）模擬結(jié)果分別如下。

4.1.1GF方案

當(dāng)模式分辨率為30km時(shí)，GF方案模擬得出的氣柱的加熱速率和干燥速率具體情況如圖2（左）所示。本方案模式中，選定的格點(diǎn)氣柱中氣塊受力抬升過程到達(dá)抬升凝結(jié)高度后伴隨凝結(jié)過程釋放出大量凝結(jié)潛熱，氣柱的加熱速率在800mb高度左右達(dá)到較高水平，隨著高度的提升，加熱速率越來越大，在400mb高度左右達(dá)到極大值約70（deg/day），之后隨著高度的繼續(xù)提升，加熱速率逐漸減小到云頂高度時(shí)降為0。格點(diǎn)氣柱在模擬過程中的干燥速率如圖2（右）所示，氣柱中氣塊被迫抬升達(dá)到抬升凝結(jié)高度后（約800mb）氣塊中的水汽大量凝結(jié)成為非氣態(tài)形態(tài)，氣柱中水汽開始大量減少，干燥速率開始隨高度的提升而增加，氣柱的干燥速率在800和600mb高度達(dá)到兩個(gè)極大值約70（deg/day）。與氣柱的加熱速率相對(duì)應(yīng)，約在400mb高度左右氣柱的干燥速率隨著高度的提升開始逐漸減小，到達(dá)云頂高度時(shí)降為0。GF方案的單柱程序在模式分辨率為30km時(shí)模擬出的每小時(shí)降水率為3.851毫米。觸發(fā)深對(duì)流形成的積云云底高度約為854mb，云頂高度約為219mb，云厚度約為635mb。

4.1.2KF-ETA方案

當(dāng)模式分辨率為30km時(shí)，KF-ETA方案模擬的具體情況如圖3（左）所示。本方案模式中，選定的格點(diǎn)氣柱中氣塊受力抬升過程到達(dá)抬升凝結(jié)高度后伴隨凝結(jié)過程釋放出大量凝結(jié)潛熱，與GF方案模擬結(jié)果類似氣柱的加熱速率在800mb高度左右達(dá)到較高水平，不同的是隨著高度的提升，加熱速率基本保持較高水平約30（deg/day）一直到400mb高度左右，400mb高度以上隨著高度的繼續(xù)提升，加熱速率逐漸減小到云頂高度時(shí)降為0。格點(diǎn)氣柱在模擬過程中的干燥速率如圖3（右）所示，氣柱中氣塊被迫抬升達(dá)到抬升凝結(jié)高度后氣塊中的水汽大量凝結(jié)成為非氣態(tài)形態(tài)，氣柱中水汽開始大量減少，干燥速率達(dá)到較高值，與KF-ETA方案相似本方案干燥速率極大值出現(xiàn)在云底高度和約800mb高度約40（deg/day）。從800mb高度開始?xì)庵母稍锼俾孰S著高度的提升開始逐漸減小，到達(dá)云頂高度時(shí)降為0。根據(jù)本試驗(yàn)資料的需要，KF-ETA方案接口編寫過程中第五層以上溫度訂正為(),所以相較于GF方案模擬出的降水量偏小。根據(jù)模式模擬結(jié)果，KF-ETA方案的單柱程序在模式分辨率為30km時(shí)模擬出的每小時(shí)降水率為2.782毫米。觸發(fā)深對(duì)流形成的積云云底高度約為915mb，云頂高度約為193mb，模擬出的積云厚度約為722mb比GF方案的模擬出的云厚度略大。

4.1.3NSAS方案

當(dāng)模式分辨率為30km時(shí)，NSAS方案模擬的具體情況如圖4（左）所示。本方案模式中，選定的格點(diǎn)氣柱中氣塊受力抬升過程到達(dá)抬升凝結(jié)高度后伴隨凝結(jié)過程釋放出大量凝結(jié)潛熱，氣柱的加熱速率自云底高度開始迅速增加，直到約560mb高度保持中等速率約40（deg/day），然后隨高度提升氣柱的加熱速率突然增大至約70（deg/day）并一直保持到約400mb高度，之后隨著高度的繼續(xù)提升，加熱速率逐漸減小到云頂高度時(shí)降為0。格點(diǎn)氣柱在模擬過程中的干燥速率如圖4（右）所示，氣柱中氣塊被迫抬升達(dá)到抬升凝結(jié)高度后氣塊中的水汽大量凝結(jié)成為非氣態(tài)形態(tài)，氣柱中水汽開始大量減少，干燥速率最大值出現(xiàn)在云底高度，與GF和KF-ETA方案不同的是本方案干燥速率自云底高度起始隨高度升高直到約500mb高度高低交錯(cuò)，兩個(gè)干燥速率的極大值分別出現(xiàn)在800mb和500mb高度。從500mb高度開始?xì)庵母稍锼俾孰S著高度的提升開始逐漸減小，到達(dá)云頂高度時(shí)降為0。NSAS方案的單柱程序在模式分辨率為30km時(shí)模擬出的每小時(shí)降水率為3.902毫米。觸發(fā)深對(duì)流形成的積云云底高度約為921mb，云頂高度約為138mb，模擬出的積云厚度約為783mb，比前兩個(gè)方案的模擬出的云厚度都大一些。

4.2單柱模式中三個(gè)方案對(duì)不同分辨率的敏感性

圖6　不同模式網(wǎng)格分辨率（30km，10km）時(shí)氣柱的加熱速率及干燥速率

隨著模式分辨率的不斷提高，我們分別取模式分辨率為10km、3km和1km，并利用三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的單柱模式進(jìn)行模擬，再加上模式分辨率為30km時(shí)的結(jié)果綜合起來，得出的結(jié)果如下面所示。

4.2.1GF方案

GF方案單柱程序在模式分辨率不斷提高的情況下（模式網(wǎng)格格距分別為30km、10km、3km、1km）模擬出的氣柱加熱速率和干燥速率的結(jié)果如圖5所示。在模式網(wǎng)格格距為30km和10km時(shí)，積云對(duì)流的水平尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模式的網(wǎng)格尺度。正如本文第二章第一部分介紹的情況（為對(duì)流過程在網(wǎng)格中的比率）時(shí)，模式分辨率30km和10km的情況下氣柱的加熱速率和干燥速率的變化趨勢(shì)基本相同，僅僅由于所占的比重不同，加熱速率和干燥速率值的大小有差異；當(dāng)模式網(wǎng)格格距為3km時(shí)，的情況下，氣柱的加熱速率和干燥速率的模擬結(jié)果也變得比較模糊，他們的數(shù)值進(jìn)一步變小，氣柱中的加熱過程和干燥過程與模式分辨率30km和10km的結(jié)果比較明顯減緩；當(dāng)模式網(wǎng)格格距為1km時(shí)，的情況下，氣柱的加熱速率和干燥速率與30km、10km、3km格距時(shí)完全不同，說明當(dāng)模式分辨率提高到一定程度的時(shí)候（網(wǎng)格格距約3km以下），模擬過程中的降水作用不僅僅由對(duì)流參數(shù)化方案決定，可能也要考慮到相應(yīng)微物理過程。

由單柱模式模擬的結(jié)果來看，模式分辨率較低的時(shí)候，的情況下，模擬出來的云型以及云厚度都相同，云頂高度的結(jié)果同為219.13mb，云底高度的結(jié)果同為854.31mb，云厚度同為635.18mb；模式分辨率提高，網(wǎng)格格距為3km時(shí)，的情況下，模擬出的云頂高度降低為270.56mb，云底高度同為854.31mb，云厚度為583.75mb；隨著模式分辨率的進(jìn)一步提高，模式網(wǎng)格格距為1km時(shí)，的情況下，模擬出的云厚度結(jié)果與其他格距有很大出入，云頂高度只有800mb左右，而云底高度與其他尺度模擬結(jié)果相同，為854.31mb，云厚度非常小。

下面來看單柱模式對(duì)降水的模擬結(jié)果，模式網(wǎng)格格距30km時(shí)，模擬出的每小時(shí)降水率為3.851毫米；模式網(wǎng)格格距10km時(shí)，每小時(shí)降水率為2.256毫米；模式網(wǎng)格格距為3km時(shí)，每小時(shí)降水率進(jìn)一步減小為0.354毫米；到了1km時(shí)，每小時(shí)降水率僅為0.246毫米。在這里可以很明顯的看出隨著模式分辨率的提高，模擬出的每小時(shí)降水率不斷減小。

4.2.2KF-ETA方案

模式網(wǎng)格分辨率為30km和10km時(shí)，模擬出的每小時(shí)降水率分別為2.782毫米和1.898毫米。根據(jù)格點(diǎn)資料可知KF-ETA方案中氣塊在抬升凝結(jié)高度上升氣流的速度，

隨著氣塊的上升，若上升氣流的垂直速度為0，則高度達(dá)到云頂并計(jì)算云的高度，若這時(shí)高度達(dá)到了深對(duì)流要求的高度，則啟動(dòng)本方案中的深對(duì)流方案可產(chǎn)生降水，若模式全部層的上升氣流的垂直速度為0的高度所計(jì)算出的云頂高度都沒有達(dá)到深對(duì)流高度的要求，則啟動(dòng)淺對(duì)流方案。所以當(dāng)模式網(wǎng)格分辨率提高到3km時(shí)，計(jì)算出的云高的高度不足以觸發(fā)深對(duì)流過程，啟動(dòng)本方案中的淺對(duì)流方案，由于KF-ETA方案中的淺對(duì)流方案不產(chǎn)生降水過程，所以模擬結(jié)果也就沒有降水現(xiàn)象發(fā)生，模式網(wǎng)格分辨率繼續(xù)提高至1km的情況下同理。

模式網(wǎng)格分辨率為30km時(shí)，模擬出的云頂高度約為187mb高度，云底高度約為915mb左右；10km時(shí)，云底高度不變，云頂高度降低到約379mb；隨著模式網(wǎng)格分辨率進(jìn)一步提高至3km后，云厚度不足以觸發(fā)深對(duì)流過程，模擬結(jié)果不形成對(duì)流云。

4.2.3NSAS方案

由于NSAS方案中沒有考慮高分辨率狀況下對(duì)流參數(shù)化方案的改進(jìn)，所以方案在模式網(wǎng)格分辨率分別為30km、10km、3km、1km時(shí)模擬出的結(jié)果是相同的。每小時(shí)降水率都是3.902毫米，云頂高度同為138mb高度，云底高度同為921mb高度。NSAS方案模擬出的云高較厚但降水量比較準(zhǔn)確。

4.3三個(gè)方案的合理性討論

對(duì)GF方案單柱程序進(jìn)行模擬結(jié)果很好，隨著模式分辨率的不斷提高，格點(diǎn)氣柱的加熱速率和干燥速率迅速減小。此外，當(dāng)模式分辨率提高到3km左右時(shí)，模擬出的云頂高度有輕微變低的傾向。而當(dāng)模式分辨率足夠高到網(wǎng)格內(nèi)被垂直上升氣流覆蓋的情況下，對(duì)流參數(shù)化方案關(guān)閉，不再發(fā)揮作用。在針對(duì)不同模式分辨率進(jìn)行模擬時(shí)網(wǎng)格中積云對(duì)流的水平尺度是一定的，而模式網(wǎng)格格點(diǎn)的變化就會(huì)改變積云對(duì)流占網(wǎng)格面積的比率，網(wǎng)格尺度比較大時(shí)如果要影響到整個(gè)格點(diǎn)的范圍那么需要模擬出的積云對(duì)流過程非常強(qiáng)烈，隨著模式分辨率不斷提高，模式網(wǎng)格格距越來越小時(shí)積云對(duì)流過程則不需要像原本那樣強(qiáng)烈，與前文的模擬結(jié)果基本一致。但當(dāng)模式分辨率提高到一定程度后（約3km），積云對(duì)流過程的水平尺度與模式網(wǎng)格尺度接近的情況下，Georg A.Grell根據(jù)Arakawa 2011方案中介紹的一個(gè)通過重新推導(dǎo)出垂直渦度通量得出的當(dāng)積云對(duì)流尺度與模式網(wǎng)格尺度接近的情況下的方法改進(jìn)了原有的方法，使得GF方案在高分辨率下也有比較不錯(cuò)的模擬水平。Arakawa2011[32]三維模式在模式高分辨率時(shí)包含下傳氣流向選定格點(diǎn)周圍的其他格點(diǎn)的擴(kuò)散作用使得模擬結(jié)果很精確，但GF方案單柱模式在模式較高分辨率（約3km）情況下的模擬結(jié)果和Arakawa2011的結(jié)果非常接近。

對(duì)KF-ETA方案單柱程序進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在模式水平分辨率不高的情況下（30km，10km），由于選取的格點(diǎn)數(shù)據(jù)需要將模式第五層開始的溫度進(jìn)行訂正，模擬出的降水結(jié)果普遍偏低。隨著模式分辨率的不斷提高（30km-10km），不同于GF方案，格點(diǎn)氣柱的加熱速率和干燥速率不規(guī)則的減小，減小的程度有限。當(dāng)模式分辨率從30km提高到10km時(shí)，模擬出的云頂高度明顯變低。從這里可以看出當(dāng)模式水平分辨率變化時(shí)，KF-ETA方案模擬出的對(duì)流云云高有明顯變化而云內(nèi)氣柱的加熱速率和干燥速率變化不大。而當(dāng)模式分辨率足夠高到網(wǎng)格尺度和云底的水平尺度相差不大的情況下，模式計(jì)算出的云高的高度不足以觸發(fā)深對(duì)流過程，則需啟動(dòng)本方案中的淺對(duì)流方案，而KF-ETA方案中的淺對(duì)流方案不產(chǎn)生降水過程，所以當(dāng)模式水平分辨率較高（3km）的情況下，KF-ETA方案不再發(fā)揮作用。

對(duì)NSAS方案單柱程序進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)本方案沒有對(duì)當(dāng)前模式高水平分辨率的現(xiàn)狀進(jìn)行改進(jìn)，不同分辨率下模擬出的每小時(shí)降水率、模式氣柱的加熱速率、干燥速率以及云底和云頂高度的結(jié)果是相同的。所以如何將本方案應(yīng)用于高水平分辨率模式之中還需要更多的改進(jìn)。

在模式水平分辨率為30km時(shí)，經(jīng)過對(duì)三個(gè)方案降水模擬結(jié)果的對(duì)比，GF方案和NSAS方案的模擬效果較好，而KF-ETA方案模擬出的小時(shí)降水率較低。當(dāng)模式水平分辨率提高到10km時(shí)，GF方案的降水模擬結(jié)果較好,KF-ETA方案的結(jié)果依舊偏低，而NSAS方案由于對(duì)模式水平高分辨率所面臨的問題考慮不多。如今數(shù)值模式發(fā)展迅速，當(dāng)前數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的水平格點(diǎn)距離已經(jīng)精確到1-10km，而在如此高的模式水平分辨率下，傳統(tǒng)的對(duì)流參數(shù)化假定通常不成立，所以在對(duì)流參數(shù)化的灰色區(qū)域中如何讓各對(duì)流參數(shù)化方案能夠應(yīng)用于模式預(yù)報(bào)是一個(gè)難題。而GRELL在Arakawa2011針對(duì)對(duì)流參數(shù)化的灰色區(qū)域提出的高分辨下對(duì)流參數(shù)化方案的解決思路啟發(fā)下，在G3方案的基礎(chǔ)上發(fā)展出了可面對(duì)不同分辨率的GF方案。所以在應(yīng)對(duì)較高模式水平分辨率（10km-3km）的問題時(shí)，GF方案是其中更好的選擇。

5　結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

隨著數(shù)值模式以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速發(fā)展，模式水平分辨率快速提高，全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的模式水平分辨率也大幅度的提高，而在如此高的模式分辨率下傳統(tǒng)對(duì)流參數(shù)化方案已經(jīng)不再適用。單柱模式不必去考慮大尺度的非線性動(dòng)力反饋，所以它可以更直觀地確定出對(duì)流參數(shù)化方案中最根本的物理過程的優(yōu)劣，可以方便且直觀地觀察某種對(duì)流參數(shù)化方案的具體特征。為了初步探尋關(guān)于對(duì)流參數(shù)化方案的灰色區(qū)域的問題，本文分別將GF、KF-ETA以及NSAS方案從三維WRF模式中提取出來，并根據(jù)選取的NCEP的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的一個(gè)熱帶濕潤環(huán)境系統(tǒng)下存在活躍對(duì)流過程的網(wǎng)格點(diǎn)資料的輸入輸出特點(diǎn)，通過逐步測(cè)試依次建立三個(gè)對(duì)流參數(shù)化方案的離線試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同分辨率下（30km、10km、3km、1km）三個(gè)方案的特點(diǎn)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)不同方案對(duì)于模式網(wǎng)格分辨率的敏感性，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)模式水平分辨率為30km時(shí)，GF方案和NSAS方案模擬的降水結(jié)果最好，而KF-ETA

方案的降水偏小；GF方案模擬出的云底較高為854mb，云厚度較小，KF-ETA方案和NSAS方案模擬出的云底高度相差不大，比GF方案的云底高度高約60mb，NSAS方案云頂高度最高為138mb。

（2）當(dāng)模式水平分辨率變高為10km時(shí)，GF方案模擬降水結(jié)果最好，KF-ETA方案降水結(jié)

果仍舊偏小，而隨著分辨率的提高，兩方案的小時(shí)降水率都下降；GF方案模擬出的云的狀態(tài)和30km結(jié)果一致，而KF方案云頂高度變低了近160mb。由于NSAS方案中沒有過多的考慮模式高分辨率的問題，各模擬結(jié)果同30km結(jié)果。

（3）當(dāng)模式水平分辨率進(jìn)一步提高為3km時(shí)，GF方案模擬結(jié)果已經(jīng)出現(xiàn)不足，降水偏少，

而且云頂高度迅速下降至800mb高度左右。KF-ETA方案也由于對(duì)模式高分辨率的考慮不足沒有觸發(fā)方案中的深對(duì)流方案，沒有模擬出降水和云。

（4）當(dāng)模式水平分辨率提高到1km時(shí)，本文中三個(gè)方案都沒有得到令人滿意的模擬結(jié)果。

（5）隨著對(duì)流參數(shù)化方案逐漸面臨到了灰色區(qū)域的問題，本文中所介紹的三個(gè)方案相比較

而言GF方案更加適合在模式水平分辨率越來越高的情況下使用。

5.2展望

本文在不同模式水平分辨率下利用GF方案、KF-ETA方案和NSAS方案的單柱模式對(duì)NCEP的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GFS）中的一個(gè)熱帶濕潤環(huán)境系統(tǒng)下存在活躍對(duì)流過程的網(wǎng)格點(diǎn)資料進(jìn)行模擬，對(duì)比了三個(gè)方案在不同模式水平分辨率下各自的特點(diǎn)。當(dāng)然本文也有很多不足之處。如今數(shù)值模式發(fā)展迅速，如何讓對(duì)流參數(shù)化方案在面臨灰色區(qū)域的問題下讓各對(duì)流參數(shù)化方案能夠應(yīng)用于模式預(yù)報(bào)是一個(gè)難題。在未來的工作中希望能對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行更深入的了解。

[1]Riehl,H.,and J.S.Malkus.On the heat balance in the equatorial trough zone.Geophysic, 1958,6,503-538.

[2]Yanai,M.A detailed analysis of typhoon formation.J.Meteor.Soc.,1961,39:187-214.

[3]Yanai,M.Dynamical aspects of typhoon formation.J.Meteor.Soc.,1961,39:283-309.

[4]Yanai,M.Formation of tropical cyclones.Rev.Geophys.,1964,2:367-414.

[5]鄧華,不同積云對(duì)流參數(shù)化方案模擬華南降水的研究,南京信息工程大學(xué).

[6]Charney,J.G.,and A.Eliassen On the growth of hurricane depression.J.Atmos.Sci., 1964,21:68-75

[7]Ooyama,K.A dynamical model for the study of tropical cyclone development.Geofis.Intern,1964,4:187-198.

[8]Saito,K.,Ishida,J.-I.,Aranami,K.,Hara,T.,Segawa,T.and co-authors.2007.Nonhydrostatic atmospheric models and operational development at JMA.J.Meteor.Soc.Jpn.85B,271 -304.

[9]Lean,H.W.,Clark,P.A.,Dixon,M.,Roberts,N.M.,Fitch,A.and co-authors.2008.Characteristics of high-resolution versions of the Met Office Unified Model for forecasting convection over the United Kingdom.Mon.Wea.Rev.136,3408-3424.

[10]Roberts,N.M.and Lean,H.W.2008.Scale-selective verification of rainfall accumulations from high-resolution forecasts of convective events.Mon.Wea.Rev.136,78-97.

[11]Steppeler,J.,Hess,R.,Schattler,U.and Bonaventura,L.2003.Review of numerical methods for nonhydrostatic weather prediction models.Meteorol.Atmos.Phys.82,287-301.

[12]Xing Yu and Tae-Young Lee.2010.Role of convective parameterization in simulations of a convection band at grey-zone resolutions.Volume 62,Issue 5,pages 617-632,October 2010.

[13]Arakawa,A.and Chen,J.M.1987.Closure assumptions in the cumulus parameterization problem.In:Short and Medium Range Numerical Weather Prediction(ed.T.Matsuno).Jpn Meteor.Soc.,107-131.

[14]Molinari,J.M.and Dudek,M.1992.Parameterization of convective precipitation in mesoscale numerical models:a critical review.Mon.Wea.Rev.120,326-344.

[15]Hammarstrand,U.1998.Questions involving the use of traditional convection Parameterization in NWP models with higher resolution.Tellus 50A,265-282.

[16]Gerard,L.2007.An integrated package for subgrid convection,clouds and precipitation compatible with meso-gamma scales.Quart.J.Roy.Meteor.Soc.133,711-730.

[17]Arakawa,A.,Jung,J.-H.,and Wu,C.-M.:Toward unification of the multiscale modeling of the atmosphere,Atmos.Chem.Phys.,11,3731-3742,doi:10.5194/acp-11-3731-2011,2011.

[18]Grell,G.A.and Devenyi,D.:A generalized approach to parameterizing convection combining ensemble and data assimilation techniques,Geoph.Res.Let.,29,38.1-38.

[19]Grell,G.A.And S.R.Freitas.:A scale and aerosol aware stochastic convective parameterization for weather and air quality modeling,Atmos.Chem.Phys.,14,5233-5250,2014.

[20]John S.Kain,2004:The Kain-Fritsch Convective Parameterization:An Update.J.Appl.Meteor.43,170-181.

[21]HAN JONGIL,PAN HUALU.Revision of convection and vertical diffusion schemes in the NCEP global forecast system[J].Mon Wea Rev,2011,26(4):520-533.

[22]梅海霞，沈新勇，王衛(wèi)國，等.雙參數(shù)微物理方案在WRF單柱模式中的模擬檢驗(yàn)和對(duì)比研究［J］.高原氣象，2015， 34（4）：890-909，doi：10.7522/j.issn.1000-0534.2014.00113.

[23]Grell,G.A.And S.R.Freitas.:A scale and aerosol aware stochastic convective parameterization for weather and air quality modeling,Atmos.Chem.Phys.,14,5233-5250,2014.

P185.16[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-365-7

趙芊任（1991～），男，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院大氣物理與大氣環(huán)境專業(yè)，碩士研究生。