【好文共享】对流允许尺度区域气候模拟和未来预估的最新进展

科技   2024-07-17 11:50   甘肃  








熊雅婷,董广涛

(1. 中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室;2. 上海市气候中心)


在全球气候变暖的大背景下,极端气候事件频发,对人类社会构成了严峻挑战。为了更精确地预测和应对气候变化,科学家们一直在探索更高分辨率的区域气候模拟技术。本文将带您深入了解对流允许尺度区域气候模拟(Convection-Permitting Models,CPMs)的最新研究进展,以及它对未来气候预估的重要意义。
近年来,随着高性能计算资源的飞速发展,区域气候模式的模拟精度得到了显著提升。对流允许尺度区域气候模拟技术,以其4km及以上的高分辨率,已成为气候模拟领域的新宠。与传统的区域气候模式相比,CPMs无需借助对流参数化方案,就能显式地表示深对流过程,这在模拟复杂地形和地表强迫方面展现出了明显的优势。
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CPMs的四大建模方法
CPMs的建模方法主要包括4种:区域嵌套、全球对流允许尺度气候模拟、超参数化和拉伸网格。这些方法各有特点,能够根据不同的研究需求和计算资源进行选择。

可视化对流允许尺度气候模拟的4 种建模方法

(a)区域嵌套;(b)全球对流允许尺度气候模拟;(c)超参数化;(d)拉伸网格

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CPMs的模拟增值能力

CPMs在模拟降水特征、积雪特征、中尺度对流系统、热带气旋特征以及城市热岛形态等方面具有显著的增值能力。它能够更准确地模拟降水的日变化、持续时间、次日尺度降水强度和短时强降水强度,为极端天气事件的预测提供了更为可靠的数据支持。

表1总结对比了CPMs 相对较粗分辨率RCMs 在降水、气温、积雪、中尺度对流系统、热带气旋和城市气候模拟方面的增值能力及不足之处。

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CPMs在气候预估中的应用

随着全球气候变暖,极端天气气候事件愈发频繁,给社会经济和人类生活造成了巨大的影响。目前极端天气气候事件的未来预估已成为前沿科学问题,CPMs在这方面发挥了重要的作用。例如,相较于RCMs,CPMs能更好地预估未来热带气旋发生频率、强度和路径的变化;CPMs还能预估未来降水尤其是极端降水的变化,为防洪减灾提供重要的决策依据。

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CPMs面临的挑战与未来展望



(1)开展CPMs 集合模拟研究。未来可将大批量CPMs 集合模拟,分析不同模式之间云微物理过程和边界层参数化方案等的差异,同时可减少模式间的不确定性。

(2)结合陆气耦合、海气耦合、城市冠层等模型发展CPMs。目前CPMs 主要为大气模式,并未考虑陆气相互作用和海气耦合等过程,导致地表径流和海洋等方面的模拟存在一定偏差。未来可将区域陆气耦合模式、区域海气耦合模式、湖泊模型以及城市冠层模型等结合到CPMs 中开展区域气候模拟工作。

(3)基于高分辨率数据集发展CPMs。目前缺乏高分辨率和高质量的观测数据集,未来需要更高分辨率的地面观测站、雷达和卫星观测的数据集来进一步评估和发展CPMs。

(4)推出CPMs 的比较计划。目前国际上已经有全球耦合模式比较计划和区域气候降尺度实验。但至今还未在全球范围开展CPMs 比较计划。未来可参考CORDEX 推出CPMs 的比较计划来对比CPMs 对同一区域同一时间段的模拟能力。

(5)加强人工智能技术在区域气候领域应用研究开展CPMs 模拟需要巨大的高性能计算资源,昂贵的计算成本使得CPMs 模拟难以长时间运行。目前,瑞士国家超级计算中心、慧与和英伟达正在打造世界上性能最强的人工智能超级计算机。未来可结合人工智能,以更低的计算成本开展更大区域更长时间段对流允许尺度区域气候模拟。
对流允许尺度区域气候模拟技术的发展,为我们更深入地理解气候变化、更准确地预测极端天气事件提供了强有力的工具。随着技术的不断进步和应用的不断深入,CPMs将在未来的气候研究和气候服务中发挥更加重要的作用。


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