大气水循环是气候学研究的经典话题，但是如何提高大气水循环的模拟能力是气候模式研发领域的挑战性问题。这一问题在青藏高原地区尤为突出。青藏高原被誉为“亚洲水塔”，其降水对局地和下游的生态及环流皆有深远影响。然而，当前气候模式对青藏高原的降水模拟普遍存在显著湿偏差。
此前研究认为气候模式对青藏高原降水的高估主要由南边界水汽输送偏多引起，和模式分辨率、水汽平流方案等因素有关。例如，有研究指出，提高模式分辨率后，更精细的地形刻画可以阻挡从南坡流入高原的水汽，进而减小模式模拟青藏高原降水时的湿偏差。
近日，中国科学院大气物理研究所研究团队联合中国气象局气象科学研究院、英国气象局的相关学者，利用Met office Unified Model针对2009年夏季的青藏高原降水开展了两组高分辨率模拟试验，包括分辨率为13.2公里的对流参数化模拟（convection-parameterized model；LSM）和分辨率为4.4公里的对流解析模拟（convection-permitting model；CPM），发现CPM显著改善了LSM对青藏高原降水模拟的湿偏差现象（湿偏差从61%减小至14%），并从“过程导向”的大气水循环角度，揭示了CPM的模拟增值主要源于对降水过程的真实刻画及局地非绝热过程对大尺度水汽输送的“升尺度”作用，而非模式分辨率提升引起的南边界水汽输送减少。
通过显式解析深对流，CPM模拟中分别有61%的外部平流水汽和31%的局地蒸发水汽转化为降水，而由于对深对流参数化方案的依赖，LSM模拟中水汽转化为降水的比例偏高（81%的平流水汽和40%的蒸发水汽）、降水偏多；更多的降水导致更湿的地表和更强的蒸发，因而LSM中降水再循环率（27%）也高于CPM（21%），意味着LSM模拟的青藏高原水循环过程偏强。
CPM对降水的模拟增值亦可通过“升尺度”效应（upscale effect）作用于大尺度的水汽输送过程，进一步改善模式模拟的湿偏差。对应于湿偏差减弱的局地非绝热过程，和LSM相比，CPM中青藏高原上空对流层低层有反气旋式环流，该反气旋北侧的西风增强了西边界的水汽输入和东边界的水汽输出。因此，虽然CPM中经南边界输入的水汽减少（地形更精细），但由于经西边界输入的水汽更多（大尺度环流对非绝热过程的反馈），CPM中总的外部输入水汽（8.77×107 kg s-1）略多于LSM（8.58×107 kg s-1）；同时由于经东边界流出高原的水汽更多，CPM中外部水汽净通量低于LSM。CPM中更少的水汽辐合进一步改善了湿偏差。
该工作的亮点在于从大气水循环的角度揭示了CPM模拟青藏高原降水的增值，并指出相较于模式地形，局地非绝热过程的“升尺度”效应对模式模拟的青藏高原水汽输送过程有重要影响。
该研究工作受第二次青藏高原综合科学考察研究（批准号2019QZKK0102）、国家自然科学基金（批准号41988101、42005039、41875132）、王宽诚教育基金会和“气候科学支持服务伙伴关系中国项目”（CSSP-China）共同资助。
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Zhao Y, Zhou TJ, Li PX, Furtado K, Zou LW. (2021) Added value of a Convection Permitting Model in simulating Atmospheric Water cycle over the Asian Water Tower. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, doi: 10.1029/2021JD034788.
Zhao, Y., & Zhou, T. (2021). Interannual variability of precipitation recycle ratio over the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126, e2020JD033733. https://doi.org/10.1029/2020JD033733
图 LSM和CMP模拟的2009年夏季青藏高原大气水循环示意图，单位：107 kg s-1
