强对流天气中的灰区边界层参数化研究

China is facing the urgent need to increase its forecast precision for severe convection weather. The temporal and spatial location of convective initiation plays a critical role in the development of severe convection. Atmospheric boundary layer processes often decide when and where severe convection is initiated. In numerical models, boundary layer physics is represented by planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes. Therefore, PBL schemes are essential for the accurate numerical forecasting and simulation of severe convection. ..With the increase of computation resources, the horizontal resolution of numerical models is rapidly approaching 1km scale. But the increase of model precision not only depends on finer horizontal resolution, but also depends on physical parameterization schemes that matches and operates under that increased resolution. At ~1km resolution, traditional PBL schemes that are based on ensemble averaging will no longer be applicable. Thus the ~1km resolution is also known as the boundary layer model gray zone. Based on the importance of boundary layer processes in convective initiation, this proposal aims to develop a gray zone PBL scheme appropriate for the ~1km resolution. With the new gray zone scheme, the representation of boundary layer processes shall be improved, leading to better model prediction of convective initiation, and hence severe convection.

我国强对流天气的预报精确度急需加强。强对流触发的时间与位置对强对流天气系统的发展演变起关键的作用，而大气边界层过程通常对强对流的触发起决定性作用。在数值模式中，边界层物理过程主要由边界层参数化方案承担。因此边界层参数化方案对强对流天气的预报和模拟都至关重要。..随着计算资源的进步，数值预报模式的水平分辨率向1km迈进。但模式精确性的提高，不仅需要高分辨率，还需要与之相应的物理参数化方案。在~1km分辨率下，基于集合平均的传统边界层参数化方案将不再适用。1km区间的分辨率因此被称为边界层的模式灰区。本项目着眼于边界层过程对强对流触发的重要性，旨在通过构建与高分辨率相匹配的灰区边界层参数化方案，改善边界层对流的模拟，从而提升模式中对流触发的时空精度，以期对强对流天气的预报和模拟进行改良。

随着计算资源的进步，数值预报模式的水平分辨率向1 km迈进。但模式精确性的提高，不仅需要高分辨率，还需要与之相应的物理参数化方案。在公里级分辨率下，基于集合平均的传统边界层参数化方案将不再适用，因此迫切需要开发适用于高分辨率的边界层参数化方案，以保证边界层模拟的精准性，提高强对流触发的预报水平，从而改善高分辨率数值预报模式对强对流天气的预报和模拟。本项目开展了边界层灰区参数化方案的研发，为公里级数值预报模式设计并构建了垂直和水平方向两套边界层方案。在垂直方向，以近地层加密、垂直双向网格嵌套为基础，综合湍流闭合方案与传统边界层方案，研发了一套新的边界层灰区混合参数化方案。相比传统边界层参数化方案，新方案对高阶湍流变量的垂直廓线、可分辨对流的启动时间和对流的结构包括湍动能谱等都取得更好的模拟效果。在水平方向，以大涡模拟为研究资料，分析获得水平湍流的特征尺度，并构建了全新的、具有物理意义的高阶水平湍流参数化方案。新方案能切实反映对流边界层中的水平湍流混合过程，并再现边界层湍流的日变化特征，从而改善了日间边界层中标量的湍流混合。最后，为后续工作中构建新的灰区边界层参数化理论，本项目重新审视了“梯度扩散”加“逆梯度修正”的边界层参数化经典理论框架。利用湍流可分辨的大涡模拟为研究资料，通过条件采样诊断局地及非局地湍涡，揭示了它们与理论模型中的梯度及逆梯度湍涡并无很好的对应关系，从而挑战经典理论框架，为研发更具物理意义的参数化方案提供新的思路。