数值模式的参数化过程首要是明确参数化的对象。粗分辨率全球模式的网格足够大，传统对流参数化的对象是网格内所有类型对流云的集合平均效应。半个世纪前，Yanai等(1973)通过无线电探空仪资料的诊断分析，估计了对流云集合平均的总体特征，给出了传统总体(bulk)对流参数化方案的基准参数化廓线，为对流参数化之后几十年的发展奠定了重要基础。近些年来，随着模式分辨率的提高，越来越多的工作旨在发展尺度自适应的积云对流参数化方案，这些方案大多是基于传统方案进行尺度依赖的调整(对流时间尺度或云底质量通量调整)(Arakawa等，2011;Grell & Freitas，2014;Kwon & Hong，2017;Bechtold等，2008;Zheng等，2016)。这些尺度自适应的实践工作共同指向了一个问题，即缺乏描述对流允许尺度次网格云统计特征的基准数据(benchmark)。正是由于方案发展所使用的基准各不相同，导致了各个方案对于次网格对流的参数化表征存在巨大的不确定性。

本论文针对上述对流允许尺度的对流参数化问题，建立了台风对流系统的大涡模拟基准数据，以分析对流允许尺度下次网格云的统计特征。该研究特别关注了次网格云质量通量的垂直(图1)和水平空间分布(图2)，这种分布恰恰是对流允许尺度模式需要参数化的。结果表明，在台风对流系统的不同部分，次网格云的特征具有很大差异。次网格云主要位于对流层下部，垂直厚度小于4公里。同时，为了表征局地次网格云的质量通量，根据最大质量通量所在的高度将次网格云分为6种不同的云形态。各形态次网格云所对应的质量通量廓线与集合平均廓线截然不同(图1)，说明简单的对集合平均廓线做尺度自适应的调整并不合适，这种做法并不能保证在对流允许尺度参数化正确的廓线形状。结果进一步表明，传统基于烟羽模型的积云模型可能不适用于对流允许尺度分辨率的参数化设计。

图1 根据每一类次网格云合成的次网格质量通量的垂直廓线。绿色线为全部对流单柱的次网格质量通量的集合平均廓线。左图为台风快速增强阶段，右图为台风成熟阶段。

目前该研究成果已在《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》发表。研究工作受到国家重点研发计划“台风变分辨率预报模式的关键物理过程研究与示范应用”(2021YFC3000803)资助。上海台风研究所张旭研究员为论文第一作者兼通讯作者。

论文信息:

Zhang, X., Bao, J.-W., Huang, W., & Yu, H. (2023). Statistics of the subgrid cloud of an idealized tropical cyclone at convection-permitting resolution. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 15, e2022MS003534.

原文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022MS003534