全球气候模式是研究气候和气候变化的重要工具。然而，目前全球气候模式都是在大约100-200公里的网格尺度进行陆-气耦合，无法显式表征网格内（即次网格）各地表单元（例如：植被、城市、湖泊、农田等）陆-气耦合的异质性。以城市为例，其覆盖面积所占模式网格比例很小，但相比于周围农村具有显著的城乡温度和降水差异。采用传统的网格尺度陆-气耦合方案无法表征次网格各地表单元之间降水等气象要素的差异，而且网格面积加权平均方法会过滤掉面积占比小但陆-气通量大的地表单元（例如：城市）的信号（图1a）。

针对以上问题，清华大学地学系王勇副教授课题组在此前研发的次网格单向陆-气耦合方案（Sun et al., 2021; Yin et al., 2023）基础上，将其扩展为次网格双向陆-气耦合方案（图1b），并应用于全球城乡降水差异研究，揭示全球城市区域相比周围农村有更多的大雨和更少的小雨（图2）。

图1. 全球气候模式中（a）传统网格尺度陆–气耦合方案和（b）新提出的次网格双向陆–气耦合方案。

新方案模拟的城乡降水差异与中国区域站点观测高度吻合（图2），显著降低了传统方案对中国区域城市热岛模拟的高估（图3）。结果表明，与中国气象站点观测的“城市热岛”强度相比，传统方案模拟的“城市热岛”明显偏强，平均偏差大约为+0.13℃。“城市热岛”模拟的正偏差主要来源于降水日，可达+0.65℃，而在非降水日时偏差减小，约为–0.24℃。采用新方案后，“城市热岛”强度模拟的平均偏差减小至+0.03℃，偏差相较传统方案减少约75%。新方案使得全球气候模式具备了研究全球多尺度陆-气相互作用的能力。基于新方案的全球气候模式可用于研究全球城市、农田、湖泊等地表类型的陆-气相互作用。

图2. 观测中（OBS）与次网格双向陆–气耦合方案试验（EXP）模拟的城市与农村分降水频率谱分布的差异（a和d），强降水事件发生频率的差异（b和e）弱降水事件发生频率的差异（c和f），（g, h和i）为全球结果。

相关研究成果以“More Heavy Precipitation in World Urban Regions Captured Through a Two‐Way Subgrid Land‐Atmosphere Coupling Framework in the NCAR CESM2”（NCAR CESM2 次网格双向陆气耦合框架捕捉全球城市更多强降水）为题，于7月2日在《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）在线发表。

清华大学地学系2019级博士生刘姝（现为香港大学博士后）、博士后韩轶伦为论文共同第一作者，王勇副教授为论文通讯作者。论文合作者还包括清华大学地学系2024级博士生王鹏，中国科学院大气物理研究所王斌研究员。该研究得到了科技部重点研发项目和国家自然科学基金委等项目支持。

图3. （a和d）传统网格尺度陆–气耦合方案试验（CTL）在（a）降水日和（d）非降水日时对城市热岛强度模拟的偏差（CTL–OBS，K）。（b&e）与（a和d）但来自次网格双向陆–气耦合方案试验。（c&f）次网格陆–气耦合方案试验与传统陆–气耦合方案试验在（c）降水日和（f）非降水日时模拟的城市热岛强度的差异（EXP–CTL，K）。

论文连接：

Liu, S., Han, Y., Wang, P., Zhang, G. J., Wang, B., & Wang, Y.^* (2024). More heavy precipitation in World urban regions captured through a two-way subgrid land-atmosphere coupling framework in the NCAR CESM2. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL108747. https://doi.org/10.1029/2024GL108747

相关研究文章：

Sun, W., Wang, B., Wang, Y.^*, Zhang, G. J., Han, Y., Wang, X., and Yang, M.: Parameterizing Subgrid Variations of Land Surface Heat Fluxes to the Atmosphere Improves Boreal Summer Land Precipitation Simulation with the NCAR CESM1.2, Geophys. Res. Lett., 48, e2020GL090715, https://doi.org/10.1029/2020gl090715, 2021.

Yin, M., Han, Y., Wang, Y.^*, Sun, W., Deng, J., Wei, D., Kong, Y., and Wang, B.: Climate impacts of parameterizing subgrid variation and partitioning of land surface heat fluxes to the atmosphere with the NCAR CESM1.2, Geosci. Model Dev., 16, 135–156, https://doi.org/10.5194/gmd-16-135-2023, 2023.

供稿：韩轶伦

编辑：王佳音

审核：张强