■ 賈朋群

近年來，在數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域里，灰色地帶經(jīng)常被用于表示那些還無法得到解析的問題，既可能是指該現(xiàn)象的尺度與模式格局不匹配，也可以指該現(xiàn)象的物理過程尚不清晰等。ECMWF組織的這次會議，直面“灰色地帶”這個數(shù)值模式發(fā)展遇到的難點問題。經(jīng)過學(xué)者的不懈努力，目前模式中用灰色地帶代表的“他鄉(xiāng)”，或許在以后不再是“異鄉(xiāng)”，而這樣的謎底揭開之時，將是天氣氣候模式模擬技術(shù)真正實現(xiàn)換代的開始。

從物理學(xué)的角度看，氣象學(xué)者真正擁有了自己的“一畝三分地”的標(biāo)志，是1950年數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）試驗的成功，這標(biāo)志著氣象學(xué)者真正有能力用物理和數(shù)學(xué)方法，解析大氣運(yùn)動的規(guī)律，是現(xiàn)代氣象學(xué)開始成熟的重要標(biāo)志。在此之前，雖然早在1904年，皮耶克尼斯等人就提出了天氣預(yù)報問題是一個物理初值問題，控制大氣運(yùn)動的動力、熱力學(xué)方程組幾乎完美地被展現(xiàn)，但是這組準(zhǔn)確的非線性方程組幾乎沒有可能得到數(shù)學(xué)解。1920年代，理查孫嘗試手工計算求解沒有成功，原因之一恰恰是計算過于精確，使得微弱的計算能力并沒有用于計算大氣主流或大尺度運(yùn)動。而查尼等人借助人類第一臺電子計算機(jī)終于獲得NWP的成功，最關(guān)鍵的因素是敢于向大氣運(yùn)動的“原始方程”下手，創(chuàng)立了正壓大氣等一系列理念，從而充分簡化了非線性方程組，將格點化的計算聚焦到最重要的大氣大尺度運(yùn)動上。

20世紀(jì)下半葉，氣象學(xué)者快速擴(kuò)展了自己的領(lǐng)地，這些研發(fā)工作大約是沿著兩條線進(jìn)行的：一條線是借助計算能力的提升讓模式的分辨率更加精細(xì)化，從而讓解析計算和參數(shù)化更加準(zhǔn)確和合理；另一條線則更為重要，即在查尼用“濾波鏡”看大氣運(yùn)動后，開始用“放大鏡”觀察大氣運(yùn)動的細(xì)節(jié)，讓最初被簡化的非線性方程組，逐步放棄簡化或降低被簡化的程度，于是模式運(yùn)行得到的“模擬大氣”一步步接近真實。在這樣的模式改進(jìn)進(jìn)程中，一個重要的問題是無法繞開的：原始方程組中那些用參數(shù)化、格點化計算和非線性數(shù)學(xué)方式表達(dá)的大氣變量或變量間的關(guān)系等，到底能否用數(shù)值方法完美解析，從而當(dāng)模式分辨率提高時擺脫各類簡化？為了回答這樣的問題，目前全球主要數(shù)值天氣預(yù)報機(jī)構(gòu)——?dú)W洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）在2017年末，召開了一次有些特別的學(xué)術(shù)會議，會議名稱就是“揭開灰色地帶的謎底”（Shedding light on the greyzone，也可譯為“照亮灰色地帶”）。

這次看似“無厘頭”的會議，實際上直指數(shù)值天氣預(yù)報在進(jìn)入水平分辨率為1～10 km時，一些新的方法和技術(shù)手段可能帶來的模擬能力在本質(zhì)上得到提升機(jī)會。歷時3天的會議，交流了30篇報告，報告人主要來自主要?dú)庀笾行牡难邪l(fā)部門（21人，其中：ECMWF 5人、英國氣象局4人、德國氣象局3人、法國和韓國氣象局各2人）和歐美大學(xué)等機(jī)構(gòu)。

1　認(rèn)識數(shù)值模擬的灰色地帶

近年來，在數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域里，灰色地帶經(jīng)常被用于表示那些還無法得到解析的問題，既可能是指該現(xiàn)象的尺度與模式格距不匹配，也可以指該現(xiàn)象的物理過程尚不清晰等。會議開始，來自ECMWF的兩位專家在進(jìn)行背景介紹時，分別從兩個方面介紹了對會議主題中“灰色地帶”的理解，并給出了他們的思考。Andy Brown用一張目前模擬進(jìn)程中，變量X在經(jīng)過動力、參數(shù)化和耦合過程的演化圖（圖1），描述了物理參數(shù)化過程中產(chǎn)生的灰色地帶涉及領(lǐng)域的例子：長波/短波輻射、對流、云與微物理、大氣成分、邊界層、湍流混合和重力波拖曳等。他在提出啟發(fā)參會者的多個問題之后，給出可能的解答是對不確定性來源給出全新表達(dá)的可能性的探索。他提出的問題包括：1）開展區(qū)域模擬10年多以來，針對灰色地帶的認(rèn)識有哪些？是否存在一般性的方法，或者是否存在對過程、個例和模式都十分關(guān)鍵的要素？2）傳統(tǒng)的離散方法從傳統(tǒng)物理動力學(xué)視角審視，是否在處理灰色地帶時還行之有效，或者我們是否需要換個角度思考？3）km-量級地表異質(zhì)性是基本可解析的問題嗎？從復(fù)雜地形區(qū)域模擬中我們可以得到什么，是否能幫助我們在全球尺度上規(guī)范參數(shù)化？4）北半球動力過程對全球灰色地帶天氣和氣候預(yù)報非常重要的證據(jù)是什么？5）在增加分辨率時需要怎樣的隨機(jī)參數(shù)化面對灰色地帶？已有的概念是否適合1～10 km范圍？6）含灰色地帶的全球模式并不便宜，當(dāng)實現(xiàn)這樣的分辨率時，計算/可伸縮性的機(jī)會和限制是什么？7）如何獲得系統(tǒng)性的進(jìn)步？是驗證個例嗎？

圖1　變量X經(jīng)過動力、參數(shù)化和耦合過程的演化過程和在物理參數(shù)化過程中與灰色地帶相關(guān)的過程的例子

同樣來自ECMWF的Nils P. Wedi則從區(qū)域模擬角度，進(jìn)一步闡述了灰色地帶。他認(rèn)為，灰色地帶就是一種在分辨率邊緣的模擬（圖2），要照亮全球天氣和氣候模擬的灰色地帶，過去10余年的區(qū)域天氣預(yù)報或許可以借鑒從而將模擬和預(yù)報推進(jìn)到全球尺度。他認(rèn)為，LES（大尺度渦旋模擬，這里指空間分辨率達(dá)到慣性次尺度，但無法分辨運(yùn)動的最小尺度的模擬活動，作者注）對于區(qū)域天氣預(yù)報，以及從區(qū)域向全球尺度的過度有一定的對比意義，更有很多信息和做法可以借鑒。

圖2　從LES（大尺度渦旋模擬）到區(qū)域天氣預(yù)報，再到全球天氣和氣候的模擬之間相互借鑒和啟發(fā)過程

兩位背景介紹專家的發(fā)言，大致為讀者描繪了一張較為清晰的灰色地帶的圖像，即這樣的地帶是指數(shù)值天氣預(yù)報和氣候模擬活動中，因確定性的動力過程無法完整解析帶來的對模擬對象沒有把握的表達(dá)，或在模擬手段上采用的過渡性和缺乏成熟理論依據(jù)的方式。這樣的灰色地帶，即是氣象模擬界面對未知挑戰(zhàn)的一種概括，更是一種“自省”和提示。這樣的地帶，不僅會隨著模擬活動的拓展而進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，還會隨著新技術(shù)或方法的引進(jìn)而被“收復(fù)失地”，即灰色地帶被照亮。而模式本身的分辨率，則更像是一把雙刃劍，其增加的與尺度相關(guān)的解析能力，能照亮一些灰色地帶的同時，還會因為新的更小尺度過程進(jìn)入模擬過程，使得在模擬過程中意識到新的灰色地帶。而這樣的灰色地帶反復(fù)擴(kuò)張和被照亮的過程，生動呈現(xiàn)了模式能力的進(jìn)步。

2　認(rèn)識對流

本次會議報告中，有超過10篇報告主要關(guān)注的是對流問題。對流是讓氣象學(xué)界愛恨交加的主題：成功揭示大氣大尺度對流活動即是數(shù)值模式價值的最好體現(xiàn)，又因為對流活動的多尺度性和復(fù)雜性，對這樣過程的全面描述還需要更多的努力。

英國氣象局的統(tǒng)一模式（UM）是業(yè)務(wù)預(yù)報模式分辨率提升的排頭兵之一，該模式的流體靜力學(xué)中尺度模擬在1990年代初，格距就達(dá)到17 km，1998年為12 km。2005年格距為4 km的英國區(qū)域模式業(yè)務(wù)運(yùn)行。目前擴(kuò)展版英國區(qū)域模式（UKV），從2017年9月開始進(jìn)行每小時循環(huán)運(yùn)算。UKV通過提高分辨率，更新了對流模式，降水預(yù)報能力得到提升。從針對2014年7月8日一次降水活動的對比模擬結(jié)果（圖3）可以看出，全球模式給出的降水在時間上是間歇的而且沒能給出任何地形造成強(qiáng)降水的結(jié)果。而4 km分辨率模式雖然在雨量分布上預(yù)報得更好，但也存在強(qiáng)降水偏多而弱降水偏少的問題。分辨率更高的1.5 km模式在雨量模擬方面表現(xiàn)更好，尤其是在強(qiáng)、弱降水之間平衡方面。更高分辨率模式的模擬結(jié)果（圖4）也在提示英國氣象局未來模式發(fā)展的方向。這類研究和預(yù)報實踐表明，盡管模式分辨率的提升并沒有理論上的極限，但是在利用和驗證這些結(jié)果的時候，需要考慮缺乏小尺度可預(yù)報性的知識。未來如何改進(jìn)在km級模式中的對流表達(dá)，與會作者認(rèn)為還是要依據(jù)觀測帶來的信息改進(jìn)參數(shù)化方案，而未來模式進(jìn)入100 m分辨率的湍流模式階段后，還需大量研究給予支撐，最初模式應(yīng)該瞄準(zhǔn)城市尺度模式和制定城市模擬戰(zhàn)略。

圖3　雷達(dá)和不同分辨率模式模擬的2014年7月8日降水過程（a-d）

圖4　3D可視化的雷達(dá)和不同分辨率模式模擬的2012年8月25日降水過程（a-d）

3　更加重視熱帶對流

世界上最激烈的對流無疑發(fā)生在熱帶，而且因為這里的對流經(jīng)常在垂直方向上有深厚的伸展，可到達(dá)平流層低層而被稱為深對流。法國圖盧茲大學(xué)和日本氣象廳（JMA）的學(xué)者，分別用一張圖（圖5a和圖5b）說明了不同的模式分辨率進(jìn)行深對流模擬的方法和不確定性的來源，以及所謂灰色區(qū)域在對流上的劃分。法國學(xué)者還重點介紹了云解析模式（CRM）和LES方法模擬熱帶深對流的進(jìn)展和挑戰(zhàn)。研究表明，CRM在模擬MJO信號和日循環(huán)等方面表現(xiàn)較好，但因為缺乏云組織信息，導(dǎo)致模擬結(jié)果對湍流參數(shù)化非常敏感，而結(jié)合LES后收斂性可以更好。日本學(xué)者的研究，則更多從業(yè)務(wù)預(yù)報方面，介紹了JMA的2 km業(yè)務(wù)高分變率模式在預(yù)報強(qiáng)降水方面更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢。但是模式的對流啟動延遲和對流活動持續(xù)時間偏長等問題困擾著研發(fā)人員。研究表明，對流啟動問題有時是因為一些無法解析的小尺度現(xiàn)象導(dǎo)致，因此這些現(xiàn)象應(yīng)該在參數(shù)化中加入，而參數(shù)化面臨的主要挑戰(zhàn)，來自對卷吸/逸出（entrainment/detrainment）過程參數(shù)化效果，如當(dāng)前2 km模式中積云高度過高可能來自缺少卷吸/逸出機(jī)制。

圖5　在湍流模擬中深對流的尺度和處理方法劃分（a）和對流模擬的灰色區(qū)域（b）

4　邊界層和次網(wǎng)格難題

邊界層問題的研究，尤其是涉及大氣湍流等問題，幾乎和氣象動力學(xué)問題研究具有同樣悠久的歷史，而次網(wǎng)格問題雖然隨著模式分辨率的提升而在被壓縮，卻因大氣運(yùn)動一直可以追溯到氣體分子尺度，新的次網(wǎng)格問題或許無法窮盡。

法國氣象局學(xué)者在分析了湍流尺度、次網(wǎng)格尺度和天氣尺度與模式格距之間的關(guān)系（圖6）后，指出了該領(lǐng)域的灰色地帶，提出實現(xiàn)在灰色地帶湍流分布純次網(wǎng)格解析的目標(biāo)。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法也是多元和靈活的，一些邊界層個例可以參照LES方法處理，而LES粗顆粒場，向純解析場轉(zhuǎn)化。此外，還有計算解析和次網(wǎng)格湍流通量的結(jié)合以及基于理論的一般化處理等。

圖6　不同尺度的湍流參數(shù)化方法

圖7　在湍流模擬領(lǐng)域 LES粗顆粒場的診斷（a）和建立灰色地帶參考（b）示意圖

法國學(xué)者還進(jìn)一步介紹了LES水平粗顆粒場如何診斷并得到參考尺度的過程（圖7），指出要素的細(xì)微結(jié)構(gòu)當(dāng)分辨率超過1 km達(dá)到中尺度時消失，即在1 km分辨率時可見的結(jié)構(gòu)，可以視為湍流的灰色地帶。

與法國學(xué)者多元化的思路不同，來自加州理工的學(xué)者介紹了統(tǒng)一參數(shù)化的理念（圖8）。這一方法的思路，是將從小尺度的湍流到大尺度對流，實現(xiàn)統(tǒng)一的尺度調(diào)整參數(shù)化方案，即建立渦旋擴(kuò)散/質(zhì)量通量模型（Eddy-Diffusivity/Mass-Flux model，EDMF）。這一模型目前已經(jīng)在ECMWF、NCEP和美國軍方得到應(yīng)用，但面臨的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在卷流模式、卷流間相互作用、預(yù)測卷流發(fā)生、與微物理過程的耦合和穩(wěn)定邊界層處理等幾個方面。

圖8　邊界層、對流和宏/微物理的統(tǒng)一參數(shù)化

5　會議啟示

本次會議雖然局限于數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域，內(nèi)容復(fù)雜和前沿，但關(guān)系到氣象發(fā)展的未來方向。本文從會議報告中略拾一二并分類進(jìn)行介紹，試圖讓讀者了解會議的框架信息。會上不僅很多報告還涉及了前述問題更多層面，一些主題報告，例如，針對地形、區(qū)域模式和不確定性問題，限于篇幅并未在文中介紹。

ECMWF組織的這次會議，類似會議名稱，有些灰色和低調(diào)，但是3天時間里數(shù)十位與會專家研討的問題，卻是數(shù)值模式（包括天氣和氣候模式）發(fā)展最核心的內(nèi)容，也是氣象學(xué)科內(nèi)部必須直接面對的難點問題。換句話說，氣象科學(xué)未來更大的突破，首先需要更多地照亮目前的灰色地帶。而主辦方的辦會目的也是十分明確的：為落實ECMWF未來十年戰(zhàn)略中研發(fā)5 km全球模式出謀劃策。ECMWF要保持全球數(shù)值預(yù)報排頭兵的地位，這樣的戰(zhàn)略設(shè)想固然十分關(guān)鍵，而面對制約模式發(fā)展的灰色地帶，即這些在數(shù)值模擬領(lǐng)域尚沒有有效手段進(jìn)行解析的“他鄉(xiāng)”，如何轉(zhuǎn)變成學(xué)者們可以充分掌控的領(lǐng)地，需要從戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和新理念、技術(shù)突破等多角度審視，從而找到一條可行之路。參會的學(xué)者各自詮釋了他們對灰色地帶的獨(dú)特理解，讓這一概念瞄準(zhǔn)了更多的未知但關(guān)鍵的領(lǐng)域和模式改進(jìn)細(xì)節(jié)?？梢哉f，參會專家是未來天氣氣候模式重要改進(jìn)的工匠中的代表，正是要靠這些工匠們的不懈努力，目前模式中用灰色地帶代表的“他鄉(xiāng)”，或許在以后不再是“異鄉(xiāng)”，而這樣的謎底揭開之時，將是天氣氣候模式模擬技術(shù)真正實現(xiàn)換代的開始。