近日，清华大学地球系统科学系王勇副教授课题组通过设计分辨率自适应对流参数化方案，研究其在全球气候模式（GCM）中对气溶胶模拟的影响，并进一步对影响机理进行了分析。

GCM水平网格间距（分辨率）一般约为数百公里，由于对流云空间尺度远小于此网格间距（即次网格过程），GCM无法在网格尺度上直接描述对流云特征和影响，这就需要将次网格积云对流过程和网格尺度的气象要素进行联系，间接表达其特征和对网格尺度气象要素的影响（即对流参数化）。因此，总降水在GCM中由两个部分组成，一种是网格尺度降水，另一种是由对流参数化方案形成的次网格降水，这二者都能对大气中的气溶胶进行湿清除。

随着计算能力的飞速发展，GCM的水平网格间距越来越精细，可以达到约10公里或更高。在该网格间距情况下，尺度较大的对流云可以被解析。因此，高分辨率下模拟的对流降水应相对低分辨率情况下减少，网格尺度降水则相应的增加，而总降水基本保持不变。但是，目前国内外传统对流方案均不能模拟出对流降水随着分辨率提高而减少的现象。因此，需发展自动识别分辨率变化进而模拟对流发生相应变化的对流参数化方案（即自适应对流参数化方案）。在这一方案下，降水发生如前所述变化时，气溶胶模拟将如何响应？是否能保持不变使得模式保持协调？

针对上述问题，研究组在美国国家大气研究中心通用地球系统模式（NCAR CESM）的Zhang-McFarlane对流方案中应用一个逻辑算子，通过控制对流触发频率，改进了对流方案对模式水平分辨率的自适应性。为了排除不同分辨率对气溶胶模拟的影响，研究组将该方案应用到同一模式分辨率上，设计了对流相对于参照试验（CTRL）分别减少20%、40%、60%、80%的4组敏感试验（R20P、R40P、R60P、R80P），模拟不同分辨率下对流逐渐减少的情况。结果表明，随着深对流减少，相比CTRL试验，敏感试验中模拟的气溶胶光学厚度几乎在全球范围内逐渐增加，在热带和亚热带地区（图1）尤为显著。

图1 CTRL和敏感试验在模拟年平均气溶胶光学厚度差异的全球分布（敏感性试验减去CTRL）。

结合课题组之前有关“小雨主导大气气溶胶长期湿沉降过程”（Wang, Xia et al., 2021; Wang, Xia, & Zhang, 2021）的研究，图2展示了敏感试验与CTRL试验中对流性小雨频率和网格尺度小雨频率的差异及其总和的全球分布。随着对流减少，热带和亚热带地区次网格对流性小雨频率逐渐减少。然而在热带地区，无论对流减少多少，网格尺度小雨频率相应的增加都很小。在50^oS和50^oN（风暴轴所在位置）附近纬度地区，随着对流性小雨减少，网格尺度小雨频率增加较为明显。但是，对流性小雨频率的减少幅度仍然大于网格尺度小雨频率的增加幅度。这说明次网格对流性小雨产生效率高于网格尺度小雨产生效率，对流减少使得气溶胶总湿清除量减少，进而导致气溶胶浓度上升。

图2 CTRL和敏感性试验在模拟对流性小雨频率和层状云小雨频率的差异及其总和的全球分布（敏感性试验减去CTRL）

该研究成果对未来全球气候模式发展具有重要指导意义。在研发分辨率自适应的对流参数化方案时，在模式不同水平分辨率下，除保持总降水量不变外，还需要保持小雨部分的降水量不变。这对于使用自适应对流参数化方案的模式在不同分辨率下保持模拟的气溶胶负荷不变至关重要。次网格对流性和网格尺度小雨的生成效率保持一致可能至少需要一个内在物理过程一致的降水参数化方案。

上述成果以“自适应对流方案背景下随着对流减弱气溶胶负荷的意外变化”（Unexpected Changes of Aerosol Burdens With Decreased Convection in the Context of Scale-Aware Convection Schemes）为题，于2022年5月27日在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）期刊在线发表。

清华大学地学系2018级博士生夏雯雯为论文第一作者，清华大学地学系王勇副教授为论文通讯作者。清华大学地学系博士生崔泽宇、清华大学地学系卓越访问教授、中国科学院大气物理研究所研究员王斌等为论文合作作者。该研究得到了科技部重点研发项目和国家自然科学基金的支持。

论文链接：

Xia, W., Wang, Y., Zhang, G. J., Cui, Z., Wang, B., He, Y., & Wang, X. (2022). Unexpected changes of aerosol burdens with decreased convection in the context of scale-aware convection schemes. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099008. 

https://doi.org/10.1029/2022GL099008

课题组相关研究论文：

Wang, Y., Xia, W., Liu, X., Xie, S., Lin, W., Tang, Q., et al. (2021). Disproportionate control on aerosol burden by light rain. Nature Geoscience, 14(2), 72–76. https://doi.org/10.1038/s41561-020-00675-z

Wang, Y., Xia, W., & Zhang, G. J. (2021). What rainfall rates are most important to wet removal of different aerosol types? Atmospheric Chemistry and Physics, 21(22), 16797–16816. https://doi.org/10.5194/acp-21-16797-2021

Wang, Y., Xia, W., Zhang, G. J., Wang, B., & Lin, G. (2022). Impacts of Suppressing Excessive Light Rain on Aerosol Radiative Effects and Health Risks. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127(9). https://doi.org/10.1029/2021jd036204

Cui, Z., Wang, Y., Zhang, G. J., Yang, M., Liu, J., & Wei, L. (2022). Effects of Improved Simulation of Precipitation on Evapotranspiration and Its Partitioning Over Land. Geophysical Research Letters, 49(5). https://doi.org/10.1029/2021gl097353

供稿：王勇 夏雯雯

编辑：王佳音

审核：张强