“他鄉”或許不再是“異鄉”
——ECMWF“揭開灰色地帶的謎底”學術會評介

■ 賈朋群

近年來，在數值預報領域里，灰色地帶經常被用于表示那些還無法得到解析的問題，既可能是指該現象的尺度與模式格局不匹配，也可以指該現象的物理過程尚不清晰等。ECMWF組織的這次會議，直面“灰色地帶”這個數值模式發展遇到的難點問題。經過學者的不懈努力，目前模式中用灰色地帶代表的“他鄉”，或許在以后不再是“異鄉”，而這樣的謎底揭開之時，將是天氣氣候模式模擬技術真正實現換代的開始。

從物理學的角度看，氣象學者真正擁有了自己的“一畝三分地”的標志，是1950年數值天氣預報（NWP）試驗的成功，這標志著氣象學者真正有能力用物理和數學方法，解析大氣運動的規律，是現代氣象學開始成熟的重要標志。在此之前，雖然早在1904年，皮耶克尼斯等人就提出了天氣預報問題是一個物理初值問題，控制大氣運動的動力、熱力學方程組幾乎完美地被展現，但是這組準確的非線性方程組幾乎沒有可能得到數學解。1920年代，理查孫嘗試手工計算求解沒有成功，原因之一恰恰是計算過于精確，使得微弱的計算能力并沒有用于計算大氣主流或大尺度運動。而查尼等人借助人類第一臺電子計算機終于獲得NWP的成功，最關鍵的因素是敢于向大氣運動的“原始方程”下手，創立了正壓大氣等一系列理念，從而充分簡化了非線性方程組，將格點化的計算聚焦到最重要的大氣大尺度運動上。

20世紀下半葉，氣象學者快速擴展了自己的領地，這些研發工作大約是沿著兩條線進行的：一條線是借助計算能力的提升讓模式的分辨率更加精細化，從而讓解析計算和參數化更加準確和合理；另一條線則更為重要，即在查尼用“濾波鏡”看大氣運動后，開始用“放大鏡”觀察大氣運動的細節，讓最初被簡化的非線性方程組，逐步放棄簡化或降低被簡化的程度，于是模式運行得到的“模擬大氣”一步步接近真實。在這樣的模式改進進程中，一個重要的問題是無法繞開的：原始方程組中那些用參數化、格點化計算和非線性數學方式表達的大氣變量或變量間的關系等，到底能否用數值方法完美解析，從而當模式分辨率提高時擺脫各類簡化？為了回答這樣的問題，目前全球主要數值天氣預報機構——歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）在2017年末，召開了一次有些特別的學術會議，會議名稱就是“揭開灰色地帶的謎底”（Shedding light on the greyzone，也可譯為“照亮灰色地帶”）。

這次看似“無厘頭”的會議，實際上直指數值天氣預報在進入水平分辨率為1～10 km時，一些新的方法和技術手段可能帶來的模擬能力在本質上得到提升機會。歷時3天的會議，交流了30篇報告，報告人主要來自主要氣象中心的研發部門（21人，其中：ECMWF 5人、英國氣象局4人、德國氣象局3人、法國和韓國氣象局各2人）和歐美大學等機構。

1　認識數值模擬的灰色地帶

近年來，在數值預報領域里，灰色地帶經常被用于表示那些還無法得到解析的問題，既可能是指該現象的尺度與模式格距不匹配，也可以指該現象的物理過程尚不清晰等。會議開始，來自ECMWF的兩位專家在進行背景介紹時，分別從兩個方面介紹了對會議主題中“灰色地帶”的理解，并給出了他們的思考。Andy Brown用一張目前模擬進程中，變量X在經過動力、參數化和耦合過程的演化圖（圖1），描述了物理參數化過程中產生的灰色地帶涉及領域的例子：長波/短波輻射、對流、云與微物理、大氣成分、邊界層、湍流混合和重力波拖曳等。他在提出啟發參會者的多個問題之后，給出可能的解答是對不確定性來源給出全新表達的可能性的探索。他提出的問題包括：1）開展區域模擬10年多以來，針對灰色地帶的認識有哪些？是否存在一般性的方法，或者是否存在對過程、個例和模式都十分關鍵的要素？2）傳統的離散方法從傳統物理動力學視角審視，是否在處理灰色地帶時還行之有效，或者我們是否需要換個角度思考？3）km-量級地表異質性是基本可解析的問題嗎？從復雜地形區域模擬中我們可以得到什么，是否能幫助我們在全球尺度上規范參數化？4）北半球動力過程對全球灰色地帶天氣和氣候預報非常重要的證據是什么？5）在增加分辨率時需要怎樣的隨機參數化面對灰色地帶？已有的概念是否適合1～10 km范圍？6）含灰色地帶的全球模式并不便宜，當實現這樣的分辨率時，計算/可伸縮性的機會和限制是什么？7）如何獲得系統性的進步？是驗證個例嗎？

圖1　變量X經過動力、參數化和耦合過程的演化過程和在物理參數化過程中與灰色地帶相關的過程的例子

同樣來自ECMWF的Nils P. Wedi則從區域模擬角度，進一步闡述了灰色地帶。他認為，灰色地帶就是一種在分辨率邊緣的模擬（圖2），要照亮全球天氣和氣候模擬的灰色地帶，過去10余年的區域天氣預報或許可以借鑒從而將模擬和預報推進到全球尺度。他認為，LES（大尺度渦旋模擬，這里指空間分辨率達到慣性次尺度，但無法分辨運動的最小尺度的模擬活動，作者注）對于區域天氣預報，以及從區域向全球尺度的過度有一定的對比意義，更有很多信息和做法可以借鑒。

圖2　從LES（大尺度渦旋模擬）到區域天氣預報，再到全球天氣和氣候的模擬之間相互借鑒和啟發過程

兩位背景介紹專家的發言，大致為讀者描繪了一張較為清晰的灰色地帶的圖像，即這樣的地帶是指數值天氣預報和氣候模擬活動中，因確定性的動力過程無法完整解析帶來的對模擬對象沒有把握的表達，或在模擬手段上采用的過渡性和缺乏成熟理論依據的方式。這樣的灰色地帶，即是氣象模擬界面對未知挑戰的一種概括，更是一種“自省”和提示。這樣的地帶，不僅會隨著模擬活動的拓展而進一步發現，還會隨著新技術或方法的引進而被“收復失地”，即灰色地帶被照亮。而模式本身的分辨率，則更像是一把雙刃劍，其增加的與尺度相關的解析能力，能照亮一些灰色地帶的同時，還會因為新的更小尺度過程進入模擬過程，使得在模擬過程中意識到新的灰色地帶。而這樣的灰色地帶反復擴張和被照亮的過程，生動呈現了模式能力的進步。

2　認識對流

本次會議報告中，有超過10篇報告主要關注的是對流問題。對流是讓氣象學界愛恨交加的主題：成功揭示大氣大尺度對流活動即是數值模式價值的最好體現，又因為對流活動的多尺度性和復雜性，對這樣過程的全面描述還需要更多的努力。

英國氣象局的統一模式（UM）是業務預報模式分辨率提升的排頭兵之一，該模式的流體靜力學中尺度模擬在1990年代初，格距就達到17 km，1998年為12 km。2005年格距為4 km的英國區域模式業務運行。目前擴展版英國區域模式（UKV），從2017年9月開始進行每小時循環運算。UKV通過提高分辨率，更新了對流模式，降水預報能力得到提升。從針對2014年7月8日一次降水活動的對比模擬結果（圖3）可以看出，全球模式給出的降水在時間上是間歇的而且沒能給出任何地形造成強降水的結果。而4 km分辨率模式雖然在雨量分布上預報得更好，但也存在強降水偏多而弱降水偏少的問題。分辨率更高的1.5 km模式在雨量模擬方面表現更好，尤其是在強、弱降水之間平衡方面。更高分辨率模式的模擬結果（圖4）也在提示英國氣象局未來模式發展的方向。這類研究和預報實踐表明，盡管模式分辨率的提升并沒有理論上的極限，但是在利用和驗證這些結果的時候，需要考慮缺乏小尺度可預報性的知識。未來如何改進在km級模式中的對流表達，與會作者認為還是要依據觀測帶來的信息改進參數化方案，而未來模式進入100 m分辨率的湍流模式階段后，還需大量研究給予支撐，最初模式應該瞄準城市尺度模式和制定城市模擬戰略。

圖3　雷達和不同分辨率模式模擬的2014年7月8日降水過程（a-d）

圖4　3D可視化的雷達和不同分辨率模式模擬的2012年8月25日降水過程（a-d）

3　更加重視熱帶對流

世界上最激烈的對流無疑發生在熱帶，而且因為這里的對流經常在垂直方向上有深厚的伸展，可到達平流層低層而被稱為深對流。法國圖盧茲大學和日本氣象廳（JMA）的學者，分別用一張圖（圖5a和圖5b）說明了不同的模式分辨率進行深對流模擬的方法和不確定性的來源，以及所謂灰色區域在對流上的劃分。法國學者還重點介紹了云解析模式（CRM）和LES方法模擬熱帶深對流的進展和挑戰。研究表明，CRM在模擬MJO信號和日循環等方面表現較好，但因為缺乏云組織信息，導致模擬結果對湍流參數化非常敏感，而結合LES后收斂性可以更好。日本學者的研究，則更多從業務預報方面，介紹了JMA的2 km業務高分變率模式在預報強降水方面更加準確的優勢。但是模式的對流啟動延遲和對流活動持續時間偏長等問題困擾著研發人員。研究表明，對流啟動問題有時是因為一些無法解析的小尺度現象導致，因此這些現象應該在參數化中加入，而參數化面臨的主要挑戰，來自對卷吸/逸出（entrainment/detrainment）過程參數化效果，如當前2 km模式中積云高度過高可能來自缺少卷吸/逸出機制。

圖5　在湍流模擬中深對流的尺度和處理方法劃分（a）和對流模擬的灰色區域（b）

4　邊界層和次網格難題

邊界層問題的研究，尤其是涉及大氣湍流等問題，幾乎和氣象動力學問題研究具有同樣悠久的歷史，而次網格問題雖然隨著模式分辨率的提升而在被壓縮，卻因大氣運動一直可以追溯到氣體分子尺度，新的次網格問題或許無法窮盡。

法國氣象局學者在分析了湍流尺度、次網格尺度和天氣尺度與模式格距之間的關系（圖6）后，指出了該領域的灰色地帶，提出實現在灰色地帶湍流分布純次網格解析的目標。實現這一目標的方法也是多元和靈活的，一些邊界層個例可以參照LES方法處理，而LES粗顆粒場，向純解析場轉化。此外，還有計算解析和次網格湍流通量的結合以及基于理論的一般化處理等。

圖6　不同尺度的湍流參數化方法

圖7　在湍流模擬領域 LES粗顆粒場的診斷（a）和建立灰色地帶參考（b）示意圖

法國學者還進一步介紹了LES水平粗顆粒場如何診斷并得到參考尺度的過程（圖7），指出要素的細微結構當分辨率超過1 km達到中尺度時消失，即在1 km分辨率時可見的結構，可以視為湍流的灰色地帶。

與法國學者多元化的思路不同，來自加州理工的學者介紹了統一參數化的理念（圖8）。這一方法的思路，是將從小尺度的湍流到大尺度對流，實現統一的尺度調整參數化方案，即建立渦旋擴散/質量通量模型（Eddy-Diffusivity/Mass-Flux model，EDMF）。這一模型目前已經在ECMWF、NCEP和美國軍方得到應用，但面臨的挑戰體現在卷流模式、卷流間相互作用、預測卷流發生、與微物理過程的耦合和穩定邊界層處理等幾個方面。

圖8　邊界層、對流和宏/微物理的統一參數化

5　會議啟示

本次會議雖然局限于數值預報領域，內容復雜和前沿，但關系到氣象發展的未來方向。本文從會議報告中略拾一二并分類進行介紹，試圖讓讀者了解會議的框架信息。會上不僅很多報告還涉及了前述問題更多層面，一些主題報告，例如，針對地形、區域模式和不確定性問題，限于篇幅并未在文中介紹。

ECMWF組織的這次會議，類似會議名稱，有些灰色和低調，但是3天時間里數十位與會專家研討的問題，卻是數值模式（包括天氣和氣候模式）發展最核心的內容，也是氣象學科內部必須直接面對的難點問題。換句話說，氣象科學未來更大的突破，首先需要更多地照亮目前的灰色地帶。而主辦方的辦會目的也是十分明確的：為落實ECMWF未來十年戰略中研發5 km全球模式出謀劃策。ECMWF要保持全球數值預報排頭兵的地位，這樣的戰略設想固然十分關鍵，而面對制約模式發展的灰色地帶，即這些在數值模擬領域尚沒有有效手段進行解析的“他鄉”，如何轉變成學者們可以充分掌控的領地，需要從戰略、戰術和新理念、技術突破等多角度審視，從而找到一條可行之路。參會的學者各自詮釋了他們對灰色地帶的獨特理解，讓這一概念瞄準了更多的未知但關鍵的領域和模式改進細節。可以說，參會專家是未來天氣氣候模式重要改進的工匠中的代表，正是要靠這些工匠們的不懈努力，目前模式中用灰色地帶代表的“他鄉”，或許在以后不再是“異鄉”，而這樣的謎底揭開之時，將是天氣氣候模式模擬技術真正實現換代的開始。