考虑尺度影响的气溶胶激活过程及云滴凝结过程表示方法，以提高不同模型分辨率下的微观物理一致性

《Advances in Space Research》：Scale-Aware Representation of Aerosol Activation and Cloud Droplet Condensation Processes to Improve Microphysical Consistency Across Model Resolutions

针对复杂地形区气候变化与资源利用中微物理过程对不同水平分辨率的敏感性，基于WRF模型开展理想化超级单体雷暴模拟，发现气溶胶激活与云滴凝结过程差异显著，应用归一化分布函数可有效降低3km和1km分辨率下的模拟偏差。

　　

杨青琴|赵鹏国|肖辉|赵传峰|周云军

四川省复杂地形地区气候变化与资源利用重点实验室，四川省成都平原城市气象与环境观测研究站，四川省气象灾害预测与预警工程技术研究中心，成都信息科技大学大气科学学院，中国成都610225

摘要

针对不同水平分辨率下微物理方案模拟性能的不确定性，本研究采用WRF模型进行了理想化的超级单体雷暴实验。我们分析了Morrison微物理方案中关键微物理过程在不同水平分辨率（3公里、1公里、0.5公里）下的敏感性，并探讨了具有水平尺度意识的气溶胶激活和云滴凝结方法。结果表明，多个微物理过程对水平分辨率具有很强的敏感性，尤其是气溶胶激活和云滴凝结，这些过程对液态云的形成至关重要。为了提高微物理方案在不同水平分辨率下的一致性，基于高分辨率模拟结果，对垂直速度等变量应用了正态分布函数，从而明确描述了网格内变量的非均匀分布。与高分辨率（0.5公里）模拟结果相比，将分箱后的垂直速度正态分布函数纳入气溶胶激活过程后，1公里分辨率下的平均云滴数浓度差异减少了72.73%（0.16×10⁶ kg^-1），3公里分辨率下减少了90.63%（0.58×10⁶ kg^-1）。同样，将分箱后的饱和度正态分布函数纳入云滴凝结过程后，1公里分辨率下的平均云滴凝结转化率差异减少了18.18%（0.04×10^-6 kg kg^-1 min^-1），3公里分辨率下减少了29.31%（0.34×10^-6 kg kg^-1 min^-1）。结果表明，在微物理方案中考虑垂直速度和饱和度的子网格分布可以有效减少跨分辨率模拟差异，并提高微物理方案对不同水平分辨率的动态适应能力。

引言

随着数值模拟的快速发展，对精细化的数值天气预报和气候建模的需求日益增加，特别是对于变网格数值模型而言。作为一种先进技术，变网格分辨率技术能够在关键区域提供更高的空间分辨率，同时在非关键区域保持较低的分辨率，从而优化计算资源并提高模拟效率（McGregor, 2015）。这项技术已广泛应用于全球气候模型（GCMs）和区域天气预报模型（Bauer等人，2015；Skamarock等人，2012）。此外，大多数全球变网格模型（如CESM、MPAS等）已被用于研究区域天气和气候特征（Cavazos等人，2009；Chen等人，2013；Chen等人，2014；Huang等人，2022；Huang等人，2013；Zarzycki和Jablonowski，2014；Zhao等人，2010；Feng等人，2023）。

传统的对流、云微物理过程、辐射和边界层参数化方案已不再适用于变网格分辨率的新要求。为了解决这个问题，一些学者提出了几种具有尺度意识的参数化方案。Wang（2022）在传统对流参数化方案的基础上，提出了一种具有尺度意识的Tiedtke方案，显著提高了高分辨率模拟中对流区域的降水预报效果。该方法调整了Tiedtke方案中的时间尺度缩放项，使其能够适应高分辨率，从而在模拟对流过程的细节和降水强度方面表现出色。Zhou等人（2021）提出了一种针对100米至1公里水平分辨率范围的干对流边界层湍流的新尺度意识模型。该模型通过将行星边界层方案与大涡模拟（LES）闭合方案结合来实现尺度意识，具体采用后向平均方法确定平均系数，从而考虑了湍流长度尺度的垂直变化并适应灰区的分辨率范围。然而，关于云微物理过程的尺度意识参数化的研究仍然相对有限。

作为天气和气候系统的关键组成部分，云微物理过程在降水形成、辐射平衡和大气反馈机制中起着关键作用（Bélair和Mailhot，2001；Morrison和Gettelman，2008）。云微物理过程主要涉及水蒸气凝结、冰晶形成、滴碰撞-聚合和相变等复杂机制（Chen等人，2025）。这些过程的准确模拟直接影响模型预测云量、降水和气候敏感性的能力（Khairoutdinov和Randall，2003；Stevens和Bony，2013）。此外，作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）的气溶胶会影响云微物理过程，改变云内的热力学和动力学结构，进而影响降水效率和云寿命，这被称为气溶胶微物理效应（Fan等人，2018；Fan等人，2016；He等人，2025；Lin等人，2018；Rosenfeld等人，2008；Tao等人，2012；Zhao等人，2023）。在全局变网格分辨率模型和数值模拟中，云微物理过程对水平分辨率的响应是非线性的。长期以来，子网格尺度上微物理量的变异性一直被认为是限制微物理参数化准确性的核心问题之一。大量研究表明，云水含量、雨水含量和粒子数浓度等微物理变量在单个模型网格内表现出空间异质性（Pincus和Klein，2000；Lebsock等人，2013）。由于许多微物理过程（如自动转化和碰撞-聚合生长）具有高度非线性，忽略这种子网格变异性通常会导致系统偏差（Cheng和Xu，2009；Cahalan等人，1994；Larson等人，2001）。Fowler等人（1996）和Fowler和Randall（1996）发现，与高分辨率的中尺度系统模型相比，粗分辨率的全球环流模型倾向于显著低估自动转化过程。先前的研究表明，如云水蒸发等微物理过程对分辨率变化非常敏感。Bryan和Morrison（2012）以及Jeevanjee和Zhou（2022）指出，随着水平分辨率的提高，云水蒸发的强度显著增强，不同分辨率下这一过程的表示存在显著差异。此外，使用云系统解析模型，Lee等人（2018）发现高分辨率模拟中的凝结和沉积过程比粗分辨率情况有显著增强。然而，现有的微物理参数化方案缺乏尺度意识机制，导致微物理过程模拟对网格分辨率的敏感性较高。

以往的研究主要集中在不同水平网格分辨率对对流风暴发展和结构的影响上（Adlerman和Droegemeier，2002；Petch等人，2002；Gentry和Lackmann，2010），而关于分辨率如何影响微物理过程的研究相对较少。Fierro等人（2009）在不同分辨率下模拟了风暴结构，发现更高分辨率可以更细致地解析小尺度上升气流和雨滴、冰雹等水成物的分布，从而产生更陡的径向梯度和更准确的雷达反射率。在较粗的分辨率下，模拟出的眼壁变宽，导致更大的质量通量和上升气流体积，进而产生更多的凝结物和冰相水成物。相比之下，高分辨率模拟有助于更准确地描述风暴结构和云微物理特性。Potvin和Flora（2015）发现，随着水平分辨率的提高，模型可以更清晰地捕捉超级单体的详细结构和微物理过程。目前，越来越多的研究关注网格分辨率如何影响云微物理过程的模拟。粗分辨率模型（网格间距大于10公里）通常依赖于对流参数化方案，这简化了云微物理过程，从而导致模拟降水强度和云分布的显著偏差（Wang等人，2021；Weisman等人，1997）。Strandberg和Lind（2021）发现，将网格间距从50公里减小到12.5公里后，模型预测积云降水的能力显著提高，但仍无法完全解析云内的微物理过程。进一步的研究表明，当分辨率提高到允许对流的尺度（网格间距小于4公里）时，显式微物理方案可以捕捉到滴凝结、冰晶沉积和水蒸气沉积等细节，从而改善降水分布和云辐射效应的模拟（Bryan等人，2003）。此外，不同的微物理参数化方案对模型分辨率的响应不同。Xu等人（2023）使用Purdue-Lin单矩方案和NSSL双矩微物理方案在不同水平分辨率下模拟了台风Fitow引发的大雨事件。结果表明，随着分辨率的提高，平均地表降水量减少。然而，在Purdue-Lin方案中，降水量减少与净凝结减少有关，而在NSSL方案中，则是由于局部水成物汇聚的变化所致。同样，Morrison等人（2015）使用Morrison、Thompson和WSM6微物理方案在不同CAPE环境下研究了不同分辨率的影响。他们发现，在高CAPE环境和高分辨率模拟中，Morrison方案产生的凝结量最高，而WSM6方案产生的凝结量最低。因此，本研究探讨了水平分辨率对云微物理过程的影响。

以往的研究尚未充分探索不同分辨率影响云微物理过程的机制，关于云微物理过程尺度意识的研究也存在不足。基于WRF模型中的三维理想化超级单体案例，本研究分析了Morrison双矩微物理方案中微物理过程对水平分辨率的敏感性，并进一步探讨了具有尺度意识的气溶胶激活和云滴凝结方法。

方法

本研究使用的是Advanced Research Weather Research and Forecasting模型（WRF-ARW；Skamarock等人，2019）第4.3.3版的三维超级单体雷暴作为研究对象。作为典型的高强度对流天气系统，超级单体具有复杂的动力-热力学耦合和多尺度相互作用。其最显著的结构特征是持续存在的、由中尺度旋风驱动的旋转上升气流，通常伴随着

关键微物理过程对水平分辨率的敏感性

图4显示了不同分辨率下的微物理过程敏感性和转化率差异。本研究中讨论的转化率差异是瞬时差异。相应的转化率是通过每隔1分钟采样模型输出获得的。图S3显示了所有微物理过程的平均转化率差异。附录A是正文中使用的主要缩写和定义。

结论

为了解决不同水平分辨率下微物理方案性能的不确定性，我们使用WRF模型进行了理想化的超级单体雷暴实验。分析了Morrison微物理方案中关键微物理过程（如气溶胶激活和DC）对不同水平分辨率（3公里、1公里和0.5公里）的敏感性。结果表明，多个微物理过程对水平分辨率具有很强的敏感性。

未引用的参考文献

Abdul-Razzak和Ghan，2000；IPCC，2013；Khairoutdinov和Kogan，2000；Pruppacher和Klett，1997；Pruppacher和Klett，2010。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢中国国家重点研发计划（2023YFC3705702）、国家自然科学基金（42475104）、四川省科技计划（2025YFN0006）、云南省西南联合研究生院科技专项（202302AP370003）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515510018）以及中国气象局热带气象关键创新团队的支持。