“灰色区域”尺度下三维次网格混合的参数化研究

The resolution of numerical prediction model will continually increase with increasing computer power，in a few years the horizontal resolution may be increasing to around 1 km, and even sub-kilometer. At this scale, the model grid size and the energy-containing turbulence scale are of the same order, this numerical region can be called the turbulent gray zone. The sub-grid mixing scheme essentially depends on the model grid size. At gray zone resolution, the turbulent mixing parameterization is different from the planetary boundary layer (PBL) parameterization, as well as different from the turbulence mixing scheme used in the large eddy simulation (LES). Different from the conventional PBL parameterization, it is necessary to explore the problem of sub-grid mixing parameterization considering three-dimensional turbulence. Based on the strong convection weather systems which have palpable turbulence characteristics, the turbulent flux (including turbulent kinetic energy) will be analyzed in this study. We will improve the three dimensional turbulence scheme through modifying both the horizontal and vertical mixing length. The new scheme will adapt to the model grid size as it is varied through the turbulent gray zone. This study will provide theoretical and technical supports for the development of high-resolution numerical weather model and operational prediction.

随着计算机能力的日益增长，预计在未来几年内数值天气预报模式的水平分辨率可能达到1公里，甚至1公里以下，这时模式的网格距与含能湍流的长度尺度相当，该分辨率则位于湍流运动的“灰色区域”。次网格混合的参数化方案“本质上”应依赖于模式网格的尺度，“灰色区域”尺度下湍流参数化问题即不同于传统的大气边界层（PBL）参数化，也不同于大涡模拟（LES）的湍流参数化。与中尺度模式传统的一维PBL参数化方案不同，在“灰色区域”尺度下须从三维湍流的角度考虑数值模式的次网格混合参数化问题。本研究基于三维湍流特征较为明显的强对流天气系统，对湍流通量（包括湍流动能）进行分析，通过调整水平和垂直混合长度，改进三维湍流参数化方案，使其能够适应模式分辨率的变化，从而解决“灰色区域”尺度下的次网格混合参数化问题。该研究将为未来高分辨率数值预报模式的发展奠定技术和理论基础，为高分辨率数值天气预报的业务工作提供技术支撑。

随着计算机能力的日益增长，预计在未来几年内数值天气预报模式的水平分辨率可能达到1公里，甚至1公里以下，这时模式的网格距与含能湍流的长度尺度相当，该分辨率则位于湍流运动的“灰色区域”。“灰色区域”尺度下湍流参数化问题即不同于传统的大气边界层（PBL）参数化，也不同于大涡模拟（LES）的湍流参数化。针对上述问题，该项目发展了一个尺度自适应的三维湍流参数化方案。该方案将水平混合与垂直混合统一在一个框架下，突破了传统大气边界层方案只考虑垂直方向混合的缺陷，将模式的垂直混合统一于三维混合之中。同时，该方案能够适应模式分辨率的变化，不仅适用于大涡尺度的模拟，而且适用于中尺度天气模拟。理想试验和实际个例试验的结果显示，该方案具有取代传统大气边界层方案的可能性。该研究将为未来高分辨率数值预报模式的发展奠定技术和理论基础，为高分辨率数值天气预报的业务工作提供技术支撑。