2026-04-21 湍流和对流“灰色区域”参数化方案的发展

上海台风研究所张旭研究员

背景

• 全球模式对流允许尺度：1~5 km
• 区域模式湍流允许尺度：100 m~1 km
• 灰区问题：物理过程部分解析
• 尺度分离假定：$\overline{w \phi} = \overline{w}\ \overline{\phi} + \overline{w'\phi'}_{convection} + \overline{w'\phi'}_{turbulence}$，动力框架 + 对流参数化 (10-100 km) + 边界层参数化 (~ 1km)

研发进展

• 湍流参数化：尺度自适应的三维湍流参数化方案 SMS-3DTKE
• 对流参数化：

湍流参数化

• 高分辨率模式边界层参数化问题：
  • 网格内湍流统计样本减少，集合平均假定不成立
  • 高分辨率下湍流水平输送重要，水平均一性假定失效，只考虑垂直方向混合的方案不适用
• 湍流参数化理论基础：Level 3 model (Mellor and Yamada, 1974) 涡黏模型
• 通过非局地通量的尺度分析，定义权重函数 (类似Sigmoid) 用于次网格通量，解3维 TKE 方程
• 应用
  • 捷克山脉焚风模拟 (Matejka et al., 2025)
  • 甲烷羽流 (Hu et al., 2025)

对流参数化

• Yanai et al., 1973 JAS 次网格通量 $Q_1$ $Q_2$ 廓线
• 台风大涡模拟得到支撑数据
• 对流参数化质量通量框架 (Arakawa and Schubert, 1974)：
• 次网格通量垂直分布不均匀，水平分布也不均匀
• 雷诺平均 (集合平均) 需要满足：1. 水平均一；2. 时间稳态
• 用空间滤波，无穷级数展开，得到尺度相似模型 (Leonard, 1974)，加入 SMS-3DTKE 方案，模拟结果和 LES 结果吻合

边界层与低云统一参数化方案

• 基于 EDMF 方案
• 3DTKE-EDMF