可变分辨率网格和尺度感知对流参数化对朝鲜半岛降水预报的影响

《Atmospheric Research》：Impacts of variable-resolution grids and scale-aware cumulus parameterization on precipitation forecasts over the Korean Peninsula

　　• 采用可变分辨率可以在网格点数固定的前提下改善区域预报性能。• 增大拉伸因子并不总能持续改善对韩国的预报技巧。• 关闭尺度感知的KSAS会恶化灰色区间分辨率下的强降水预报技巧。**引言**韩国综合模式（Korean Integrated Model，KIM）是一款基于立方球体网格上非静力谱元动力核心构建的全球数值天气预报模式。自2020年4月起，该模式已在韩国气象厅业务运行。在其当前业务配置中，模式采用准均匀网格（图1a），水平分辨率约为8公里（NE576NP3）。已有研究表明，提高水平分辨率可以改进中尺度过程的表征并提高预报技巧，例如当KIM的分辨率从12公里细化到8公里时性能得到了显著提升。然而，以全球均匀方式进一步提升分辨率会带来显著更高的计算成本，因为网格点数量会急剧增加，同时允许的时间步长也会相应缩短。为应对这一限制，研究者基于Schmidt变换（Schmidt, 1977）开发了一种网格拉伸技术构建的可变分辨率配置，该技术使网格间距在球面上呈现连续的非均匀变化，从而在不增加总网格点数量的前提下将高分辨率集中到目标区域（Choi and Nam, 2025；图1b–e）。以往研究表明，可变分辨率全球模型的性能受到可变分辨率网格设计的影响，包括细化策略以及细分辨率与粗分辨率之间的过渡方式（例如 Krammer et al., 2020；Zhou et al., 2020）。除网格配置之外，在不同水平分辨率间正确表征物理过程也是影响可变分辨率模型性能的重要因素（例如 Lui et al., 2020）。可变分辨率配置在单次模拟中天然包含较宽范围的水平分辨率，因此需要具备适应不同网格间距的物理参数化方案。特别是，可变分辨率配置中被细化的区域通常落在对流灰色区间分辨率范围（数公里尺度）内，在该范围内部分子网格尺度对流得以显式分辨，这就需要使用尺度感知的对流参数化方案。以往基于可变分辨率全球建模框架（尤其是采用网格细化方法如跨尺度预报模式（Model for Prediction Across Scales，MPAS）的研究）的研究，考察了尺度感知对流参数化在空间变化分辨率条件下的表现（例如 Fowler et al., 2020；Lui et al., 2020），这表明有必要改进尺度感知参数化方案，以更恰当地表征灰色区间分辨率下的子网格尺度对流过程。在KIM中，对流参数化方案（KSAS）已经过开发以适应分辨率依赖性（例如 Kwon and Hong, 2017；Han and Hong, 2018；Han et al., 2020；Han, 2025）。KSAS采用尺度感知公式，其中对流触发和对流强度随着水平分辨率的提高而逐步减弱。尽管KSAS的尺度感知参数化被用于全球模式KIM，但其尺度感知参数化主要是在区域模式框架下开发和评估的（例如 Kwon and Hong, 2017；Han and Hong, 2018；Han, 2025）。这主要是因为接近允许对流解析尺度的高分辨率全球模拟存在巨大的计算成本和数据存储需求，限制了在全球模式框架下对其进行系统评估（Bauer et al., 2015；Neumann et al., 2019）。随着KIM可变分辨率配置的发展，尺度感知KSAS方案的分辨率依赖性如今可以在全球模式框架内对多种水平分辨率范围进行系统考察。在此基础上，本研究利用KIM考察可变分辨率网格配置和尺度感知KSAS方案对朝鲜半岛降水预报的影响。研究重点关注伸展式网格配置所实现的局部分辨率提升以及尺度感知KSAS在灰色区间分辨率范围内对降水预报的影响。为达成此目标，本研究开展了采用不同拉伸因子的准均匀和可变分辨率实验，并在立方球体网格高分辨率面板上关闭尺度感知KSAS的敏感性实验。本文结构安排如下：第2节介绍模式配置和实验设计；第3节给出结果与讨论，包括大尺度大气场的统计评估、降水预报的评估，以及尺度感知对流参数化在灰色区间分辨率范围内的影响；第4节总结主要发现并给出结论。**各节要点****模式描述**本研究的模拟使用KIM进行，KIM是一款基于立方球体网格上非静力谱元动力核心构建的全球数值天气预报模式。该模式根据模式设置支持准均匀和可变分辨率两种网格配置。模式使用91个垂直层，模式顶位于0.01 hPa（约80公里）。准均匀和可变分辨率配置采用相同的物理参数化方案集合，**大尺度场的统计评估**使用第2节所述方法，对大尺度大气场的预报技巧——包括2米和850 hPa温度、10米和850 hPa风以及500 hPa位势高度——在基于NE180NP3、采用不同拉伸因子的可变分辨率配置（NE180NP3、NE180NP3_S3、NE180NP3_S4、NE180NP3_S6和NE180NP3_S8）之间进行了比较。与NE180NP3准均匀配置相比，可变分辨率配置倾向于同时减小偏差和**总结与结论**本研究利用KIM考察可变分辨率网格配置和尺度感知对流参数化对朝鲜半岛降水预报的影响。研究开展了一系列采用不同拉伸因子的准均匀和可变分辨率实验，并在立方球体网格高分辨率面板上开展了对流参数化关闭的敏感性实验。结果表明，与准均匀**作者贡献声明（CRediT）****Han Ji-Young：** 写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。**Hahm Jae-Hee：** 调查研究。**Noh Ilseok：** 可视化、软件。**未被引用的参考文献**Han et al., 2016**利益冲突声明**作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢三位匿名审稿人的建设性意见，他们的意见有助于改进本文稿。本工作通过韩国气象预报系统研究所（KIAPS）的"新一代数值天气预报模式开发"研发项目开展，由**韩国气象厅**资助（编号 KMA2020-02212）。