优化次网格过程参数化

大气包含着各种不同尺度的大气运动，这些运动的空间尺度从几十米至上万米。在目前的数值天气模式中，气候模式的水平分辨率为百公里级，全球天气预报模式分辨率为50～100km，区域中尺度模式分辨率为10～50km，风暴模式分辨率为1～10km。垂直方向的分辨率一般在10～50坐标面之间，范围一般从地面至平流层。即使分辨率达到1km的级别，大气中仍然有很多重要的过程和运动尺度（如微观尺度的物理过程等）是模式无法解析的，这时需要把这些物理过程用模式格点的可知变量表示出来，这种方法叫做参数化处理。

一般将所有不能被模式网格显示分辨的过程称为次网格尺度过程。这些次网格尺度过程既依赖于大尺度背景，又极大地影响着数值模式能显式分辨的天气尺度大气过程，次网格物理过程及其相互作用如图4-3所示。这些次网格尺度过程是不可忽略的，它们影响着预报的准确率。大气边界层的湍流混合过程、导致水汽成云致雨的微物理过程、大气对辐射的传输和吸收过程，以及次网格尺度积云的生消过程等都需要尽可能精确的参数化描述。从应用角度看，尽管这些过程的尺度很小，但它们对大尺度的天气现象有着举足轻重的影响。

图4-3　次网格物理过程及其相互作用示意图

为了模拟网格和次网格过程的相互作用，解决次网格物理过程无法在模式中解析的问题，就要将这些过程对大气运动的影响通过参数化的方式进行计算，即将次网格过程用可分辨尺度场的值来表示。(www.xing528.com)

在WRF模式中，次网格物理过程的参数化分为六个类别，分别为微物理过程参数化、积云参数化、近地层参数化、地气相互作用参数化、边界层参数化以及辐射传输模型参数化。每一类物理过程都有多种参数化方案可供选择，例如WRF模式微物理过程有Kessler、PurdueLin、WSM3、Thompson、Goddard等参数化方案，不同的方案中变量个数有区别，对冰相过程、混合相过程的解析程度也有不同。表4-1列出了WRF各微物理过程参数化方案的比较。

表4-1　WRF模式微物理过程参数化方案比较

参数化的选取与模式的分辨率有关，应根据模式网格设计情况选取相适应的参数化方案。如在高分辨率情况下，对流已不再完全是次网格尺度现象，这时应考虑选择合理的纯显式云物理方案。对于格距间距较小的情况，一般建议不采用积云参数化方案。由于各种参数化方案在设计原理、复杂程度、计算时长和成熟程度等方面存在差异，研究者应根据研究目的和计算条件等情况来综合判断、对比选择。如对中尺度系统，积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流，显式云物理方案则需同时加入含有水相和冰相的预报方程，以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。同样在目前的中尺度模式中，都设置了多种参数方案可供选择。这意味着不同模式使用的积云参数化方案不同，同一模式使用不同的参数化方案对同一过程的模拟结果也不相同，所以在选取参数化方案时要根据实际情况加以选择。