GRAPES 全球模式云方案的診斷研究*

陳雪嬌 劉奇俊 馬占山

CHEN Xuejiao1 LIU Qijun2 MA Zhanshan2

1. 中國氣象科學(xué)研究院，北京，100081

2. 中國氣象局國家氣象中心，北京，100081

1. Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China

2. National Meteorological Centre， CMA，Beijing 100081，China

1 引 言

云內(nèi)微物理過程復(fù)雜，建立更好的云微物理參數(shù)化方案是提高數(shù)值模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性關(guān)鍵所在（胡志晉，1986； 譚超等，2013）。數(shù)值模式中處理濕物理過程的方案主要包括陸面過程、邊界層方案、積云對流參數(shù)化方案和云微物理方案（姜曉飛，2015）。目前天氣預(yù)報(bào)模式的微物理過程多使用顯式云方案（劉奇俊等，2003）描述。顯式云方案的關(guān)鍵問題之一是如何解決格點(diǎn)尺度水汽凝結(jié)問題。傳統(tǒng)的云微物理方案需要格點(diǎn)尺度水汽達(dá)到飽和情況下才啟動凝結(jié)、凝華等微物理過程的計(jì)算（Zhao，et al，1997）。但全球模式水平分辨率較低，特別是在熱帶對流活躍區(qū)域，其對流的尺度很可能小于格點(diǎn)尺度，因此若繼續(xù)沿用水汽達(dá)到飽和才啟動凝結(jié)等過程，就會使得低緯度對流活躍的區(qū)域用微物理過程描述的水汽凝結(jié)過程偏弱。針對這一問題，目前多數(shù)全球模式云方案中均已引入大尺度宏觀云方案，用以描述水汽的蒸發(fā)、凝結(jié)和凝華過程，并假定在格點(diǎn)相對濕度達(dá)到一定閾值的情況下便啟動水汽凝結(jié)和凝華等過程（Lin，et al，1983；Sundqvist，1988；Reisner，et al，1998，Thompson，et al，2004），同時(shí)利用云微物理方案描述水成物的碰并、凍結(jié)、融化、沉降等其他微物理過程（Thompson，et al，2008）。另外，對流過程對大尺度云降水過程有重要影響，如何合理考慮次格點(diǎn)對流過程對云微物理過程的影響，增強(qiáng)云方案與對流參數(shù)化間的聯(lián)系，也是全球模式云方案亟需解決的問題（Gettelman，et al，2008；Morrison，et al，2008）。

當(dāng)前比較有代表性的全球模式云方案是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）和美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的全球模式云方案以及GRAPES 全球模式云方案。3 種全球模式原理相似，均是利用大尺度宏觀云方案描述水汽的凝結(jié)、凝華等過程，之后根據(jù)溫度將水成物含量分成液水和冰水，用微物理方案描述碰并、凇附、自動轉(zhuǎn)化等其他微物理過程。不同的是，ECMWF 全球模式云方案和GRAPES全球模式云方案的云量采用的是云量顯式預(yù)報(bào)方案，即云量作為模式預(yù)報(bào)量直接給出。而NCEP 全球模式云方案的云量是診斷得到（Zhao，et al，1997），即根據(jù)格點(diǎn)平均水汽和格點(diǎn)預(yù)報(bào)的含水量擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式得到，該經(jīng)驗(yàn)公式一般受模式分辨率影響較大，且缺乏足夠的物理基礎(chǔ)，對云量的預(yù)報(bào)性能稍差。此外，ECMWF 全球模式云方案和GRAPES全球模式云方案均考慮了次格點(diǎn)對流卷出的影響，以期增加云方案與對流參數(shù)化的聯(lián)系，而NCEP 全球模式云方案并未考慮該影響。

GRAPES_GFS1.0 版的云方案是借鑒NCEP全球模式云方案以及WSM6 方案，2013 年雙參數(shù)云微物理方案（劉奇俊等，2003）加入到全球模式中，并且實(shí)現(xiàn)與大尺度宏觀云方案、云量顯式預(yù)報(bào)方案以及次格點(diǎn)對流卷出影響項(xiàng)的耦合（譚超等，2013），自此，GRAPES_GFS 擁有了自主研發(fā)的云方案。之后，由于模式對低緯度地區(qū)云預(yù)報(bào)性能稍差，在低云預(yù)報(bào)方面做了改進(jìn)（姜曉飛，2015），一定程度上改善了模式預(yù)報(bào)熱帶低層云水凝結(jié)量少的問題。

數(shù)值模式云方案改進(jìn)的基礎(chǔ)建立在對云方案的診斷評估上（吳偉，2011；馬嚴(yán)枝等，2016；聶皓浩，2016），ECMWF 曾經(jīng)對自己的全球模式進(jìn)行過診斷評估工作，并在此基礎(chǔ)上對云方案做了改進(jìn)優(yōu)化。目前專門針對GRAPES_GFS 云方案的診斷評估及改進(jìn)工作開展相對較少，且GRAPES_GFS 在云量預(yù)報(bào)及降水預(yù)報(bào)上仍有欠缺，熱帶地區(qū)格點(diǎn)降水量低，中低緯度地區(qū)云量預(yù)報(bào)量少等問題較為突出。因此，對GRAPES_GFS 云方案進(jìn)行診斷評估，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)是有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的。其中，云方案關(guān)于次格點(diǎn)對流卷出影響項(xiàng)的描述以及大尺度宏觀云方案中關(guān)于水汽凝結(jié)等過程的描述，是改進(jìn)中低緯度地區(qū)云量及降水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵所在（姜曉飛，2015）。

文中在對GRAPES_GFS2.3 版預(yù)報(bào)結(jié)果和ERA5 分析評估的基礎(chǔ)上，對GRAPES_GFS 云方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。研究重點(diǎn)包括云量、云含水量、柱含水量等云宏、微觀物理量以及降水、溫度、向外長波輻射（OLR）、物理過程對溫度和濕度的反饋傾向等物理量，通過與ERA5 相應(yīng)物理量對比分析，檢驗(yàn)云方案改進(jìn)是否合理。

2 GRAPES_GFS 云 微 物 理 參 數(shù) 化 方 案 的改進(jìn)

2.1 GRAPES_GFS 云方案簡介

GRAPES 全球模式云方案包括雙參數(shù)云微物理方案、大尺度宏觀云方案、云量顯式預(yù)報(bào)方案和次格點(diǎn)對流卷出的影響過程4 個(gè)主要部分，在此基礎(chǔ)上，水成物含水量、粒子數(shù)濃度、云量以及云物理過程對溫度影響的預(yù)報(bào)方程如下

式（1）為水成物含量（ q）的預(yù)報(bào)方程，其中 qx包括水汽（ qv） 以及云水（ qc） 、雨水（ qr） 、云冰（ qi）、雪（ qs）四種水成物的含水量，等式右邊各項(xiàng)分別表示平流過程、微物理過程、大尺度宏觀云過程、次格點(diǎn)深對流過程、次格點(diǎn)淺對流過程和擴(kuò)散過程引起的水成物含量變化。式（2）為水成物數(shù)濃度（ N）預(yù)報(bào)方程，其中 Nx包 括雨水（ Nr） 、云冰（ Ni） 、雪（ Ns）三種水成物的數(shù)濃度，等式右邊對應(yīng)的各項(xiàng)與式（1）相同。式（3）為云量（ a）的預(yù)報(bào)方程，等式右邊分別為平流引起云量變化項(xiàng)、層積云云量變化、次格點(diǎn)深對流過程、次格點(diǎn)淺對流過程和擴(kuò)散過程對云量的影響。式（4）為濕過程引起的溫度變化方程，等式右邊分別為平流過程、大尺度宏觀云過程、次格點(diǎn)深對流過程、次格點(diǎn)淺對流過程及擴(kuò)散過程對溫度影響。

2.2 GRAPES_GFS 云方案的優(yōu)化討論

在對GRAPES_GFS 云方案原理解讀、腳本分析以及預(yù)報(bào)結(jié)果診斷評估的基礎(chǔ)上，對GRAPES_GFS云方案做了以下優(yōu)化（表1）。

云方案具體改進(jìn)方案包括：

（1）GRAPES_GFS 原云方案中，計(jì)算水汽凝結(jié)、凝華時(shí)，需要用到權(quán)重飽和比濕（ qvs_weight），來計(jì)算云區(qū)內(nèi)云水和冰水凝結(jié)量。原方案中， qvs_weight計(jì)算公式為

考慮到模式計(jì)算云微物理項(xiàng)穩(wěn)定性不高，容易造成水汽凝結(jié)、凝華量計(jì)算誤差較大，故改用更穩(wěn)定的溫度作為約束條件，計(jì)算權(quán)重飽和比濕，公式為

式中， qvs為相對水面飽和比濕， qvsi為相對冰面飽和比濕， q=qi+qs+qc+qr，Tice=250.16 K

（2）GRAPES_GFS 原云方案中，在描述與水汽有關(guān)的相變（水汽凝結(jié)、凝華等）時(shí)，考慮云量影響。為保證云方案改進(jìn)前、后對云量影響的處理一致，在原方案的基礎(chǔ)上，增加了云量對自動轉(zhuǎn)化、碰并、融化等其他微物理過程的影響。

（3）云方案中，云量由大尺度云降水過程和對流過程決定，其中，格點(diǎn)尺度云量由水成物的含水量變率計(jì)算得到。

云方案中格點(diǎn)尺度云量計(jì)算，即在原云量計(jì)算公式（譚超等，2013）基礎(chǔ)上，調(diào)整系數(shù) β，經(jīng)多次敏感性試驗(yàn)后，確定 β合適值，使得云量模擬更合理。

具體如下

式中， astrat為云量生成項(xiàng)， qvs為格點(diǎn)尺度水汽飽和比濕， dq/dt 為水成物的含水量變率， k為模式層層數(shù)。

表1 云方案改進(jìn)前、后對比

此外，優(yōu)化了云量計(jì)算的部分約束條件，如原方案中，假定高、中、低云凝結(jié)生成量最高均不超過0.6，根據(jù)敏感性試驗(yàn)結(jié)果，新方案將其細(xì)化，分別為0.6、0.8、0.8。

（4）調(diào)整積云對流參數(shù)化對云方案的影響項(xiàng)計(jì)算公式（譚超等，2013）。

對流卷出對格點(diǎn)尺度云的影響分云量、液水和冰水3 項(xiàng)，反饋到云方案時(shí)，上述3 項(xiàng)又分為深對流項(xiàng)和淺對流項(xiàng)。計(jì)算公式為

式中， Dup為 積云上升氣流卷出率， Mup為上升氣流質(zhì)量通量， lup為 積云云水或云冰含水量， qx為格點(diǎn)平均含水量， δup=0.75×10?4m?1。

原方案中，并未將式（10）中的 Duplx項(xiàng)及式（11）中的 Dup項(xiàng)加入到次格點(diǎn)對流對云方案的影響項(xiàng)中，新方案考慮了這兩項(xiàng)的影響。

（5）優(yōu)化和改進(jìn)次格點(diǎn)總云水凝結(jié)率的計(jì)算。

原云方案中，宏觀云水汽、溫度及水成物控制方程（Zhao，et al，1997）為

式中，T 為溫度，q 為水汽混合比，Q 為云水/冰混合比。 qnon、Tnon、Qnon為非凝結(jié)項(xiàng)（平流和湍流項(xiàng)之和）， Cg、Cb為格點(diǎn)尺度和對流尺度的凝結(jié)率，Ec、Er是 格點(diǎn)平均總云水和總降水的蒸發(fā)率， Psm是融化層以下雪的融化率， P為來自云水（冰）混合比的降水生成率， cp為 定壓空氣比熱容， L是凝結(jié)和凝華的潛熱系數(shù)， Lf是凍結(jié)潛熱系數(shù)。

在格點(diǎn)尺度下，上述公式可簡化為

其中 Aq=qnon+Er?Cb（19）

凝結(jié)率 Cg計(jì)算公式為

式中，ft為相對濕度的時(shí)間變率， f0為凝結(jié)蒸發(fā)的相對濕度閾值， fs=1， ε= 0.622， qs=qvs_weight

新方案中，大尺度宏觀云計(jì)算凝結(jié)等過程時(shí)，M 計(jì)算公式簡化為

（6）考慮到云滴尺度小于雨滴，蒸發(fā)率遠(yuǎn)大于雨滴蒸發(fā)率，故新方案假定若格點(diǎn)內(nèi)云水和雨水同時(shí)存在，雨水不蒸發(fā)，只有在格點(diǎn)內(nèi)無云存在或者云水蒸發(fā)完后，雨水蒸發(fā)才啟動。

3 試驗(yàn)結(jié)果與資料分析

本研究使用GRAPES_GFS2.3 版，模式水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直共分60 層，積分步長取300 s，選取2009 年6 月1—5 日的一次天氣過程作為試驗(yàn)個(gè)例，預(yù)報(bào)時(shí)間共計(jì)5 d，起報(bào)時(shí)間為1 日00 時(shí)（世界時(shí)，下同），結(jié)束時(shí)間為6 日00 時(shí)，輸出時(shí)間間隔為6 h，共計(jì)20 個(gè)時(shí)次預(yù)報(bào)結(jié)果。同時(shí)選取2017 年7 月1—31 日資料，進(jìn)行為期1 個(gè)月的批量試驗(yàn)。在對試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果與ERA5 再分析資料對比分析基礎(chǔ)上，對云方案進(jìn)行改進(jìn)。

ERA5 是ECMWF 第5 代全球氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)集（張永林等，2020），水平分辨率為31 km，相較于ERA-Interim，ERA5 時(shí)間分辨率大幅度提高，并提供了特定天氣事件更為詳細(xì)的演變過程。本研究主要使用ERA5 的云量、降水及水成物含量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 原方案與新方案云水和云冰含水量預(yù)報(bào)對比分析

GRAPES_GFS 與云相關(guān)預(yù)報(bào)結(jié)果主要包括液相水成物和冰相水成物含水量。本研究通過對云方案改進(jìn)前、后各水成物柱含量、垂直分布進(jìn)行檢驗(yàn)分析，參照ERA5 結(jié)果，對云方案改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

圖1 分別給出了ERA5 以及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后液相和冰相水成物柱含量預(yù)報(bào)為2009 年6 月1—5 日20 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次的平均值。

對比圖1a、b，可以看到GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前，中高緯度地區(qū)液水含量明顯高于ERA5，低緯度地區(qū)大部分區(qū)域柱液水含量低于ERA5，ERA5柱液水含量在赤道太平洋洋面上有明顯的帶狀分布，GRAPES_GFS 柱液水含量在印度尼西亞地區(qū)明顯少于ERA5。根據(jù)圖1c，云方案改進(jìn)后GRAPES_GFS 赤道地區(qū)柱液水含量升高，特別是在赤道太平洋海域柱液水含量出現(xiàn)與ERA5 類似的帶狀分布，大洋洲北部和印度尼西亞地區(qū)液水含量也明顯增大，柱液水總體分布情況和ERA5 分布更接近。對比圖1d、e，可以看出云方案改進(jìn)前GRAPES_GFS絕大部分區(qū)域冰水含量明顯高于ERA5，只有赤道附近太平洋洋面上，ERA5 柱冰水含量相對集中且高于GRAPES_GFS。根據(jù)圖1f，云方案改進(jìn)后赤道附近柱冰水含量略有增加，中高緯度地區(qū)改進(jìn)不明顯，需對冰水進(jìn)一步優(yōu)化。

為分析含水量垂直分布情況，圖2 給出個(gè)例試驗(yàn)期間ERA5 以及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后水成物總量經(jīng)向平均后的垂直剖面。對比圖2a、b、c 可見，在緯度40°S—0°，高度900—700 hPa 范圍內(nèi)，云方案改進(jìn)前，總含水量明顯低于ERA5，改進(jìn)后該區(qū)域含水量增大，呈現(xiàn)連續(xù)分布。在中高緯度地區(qū)，尤其是南北緯60°附近，GRAPES_GFS 總含水量高于ERA5，但在北半球熱帶區(qū)域，ERA5 總含水量分布高度最高可達(dá)100 hPa，GRAPES_GFS水成物最高分布大概在130 hPa?？傮w來看，GRAPES_GFS 云方案的改進(jìn)提高了熱帶地區(qū)低層含水量預(yù)報(bào)性能，對低云預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的提高有幫助。

3.2 原方案與新方案云量預(yù)報(bào)對比分析

云量預(yù)報(bào)主要包括高、中、低云量和總云量。云量與周圍環(huán)境溫度、濕度、含水量以及空氣運(yùn)動等有密切關(guān)系。

圖3 是ERA5 及GRAPES-GFS 云方案改進(jìn)前、后個(gè)例試驗(yàn)期間總云量和低云量全球平均分布，對比圖3a、b、c，ERA5 和GRAPES_GFS 的總云量全球分布相似，但ERA5 總云量相對較大，北極極地和赤道附近更為明顯，ERA5 云量分布更為集中，小而散的云塊較少，這和含水量預(yù)報(bào)結(jié)果類似。GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)后，對低層含水量影響較大，熱帶地區(qū)極為明顯，而低云量可以較好反映低層含水量變化。從圖3d、e、f 可以看出，低云量分布與總云量分布相似，ERA5 熱帶地區(qū)云區(qū)成片分布，特別是太平洋上空，但云量較小，多數(shù)區(qū)域小于0.3。GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前，熱帶低云量少于0.1 的區(qū)域多于ERA5，云量總體來看小于ERA5，云方案改進(jìn)后，熱帶低云量略有增加，與低云含水量增加一致。

圖2 ERA5 （a） 及 GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前（b）、改進(jìn)后 （c） 總含水量 （單位：g/kg） 的經(jīng)向平均剖面Fig. 2 Latitude-height cross sections of total water content（unit：g/kg） meridional averages for ERA5 （a）and GRAPES_GFS forecasts with the original scheme （b）and the improved scheme （c） for 1—5 June 2009

圖3 ERA5 （a、d） 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前 （b、e）、改進(jìn)后 （c、f） 總云量 （a—c） 和低云量 （d—f） 預(yù)報(bào)結(jié)果Fig. 3 Total cloud cover （a—c） and low cloud cover （d—f） for ERA5 （a，d） and GRAPES_GFS forecasts with the initial scheme （b，e） and the improved scheme （c，f） for 1—5 June 2009

GRAPES_GFS 預(yù)報(bào)低云時(shí)，在南極洲出現(xiàn)空白區(qū)域，該區(qū)域海拔較高，推測該現(xiàn)象可能是地形因素造成的?？傮w來看，調(diào)整淺對流卷入對云方案影響過程，增加云量對微物理過程的影響，對低云影響較大。這是由于次格點(diǎn)淺對流卷入在低層貢獻(xiàn)較大，水成物含量變化集中在低層，使得對流活動旺盛的熱帶地區(qū)液水含量增大，對流卷出的云水蒸發(fā)導(dǎo)致格點(diǎn)濕度升高，對云量預(yù)報(bào)結(jié)果改善產(chǎn)生正效果。

3.3 原方案與新方案降水預(yù)報(bào)對比分析

GRAPES_GFS 降水預(yù)報(bào)包括次格點(diǎn)尺度降水和格點(diǎn)尺度降水兩部分。圖4 給出個(gè)例試驗(yàn)期間ERA5 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后總降水量日平均分布及云方案改進(jìn)前、后的差值，分析圖4a、b、c，GRAPES_GFS 和ERA5 日降水區(qū)域分布相差不大，ERA5 總降水量高于GRAPES_GFS，熱帶地區(qū)尤為明顯，特別是靠近赤道地區(qū)沿緯向分布的降水帶，在中緯度地區(qū)，ERA5 日降水量略高于GRAPES_GFS。結(jié)合圖4d 總降水差值結(jié)果得到，云方案改進(jìn)后，總降水量略有增大，熱帶地區(qū)增加明顯，尤其是南美洲北部地區(qū)以及赤道緯向降水帶區(qū)域，低緯度地區(qū)降水量增加1—4 mm。

圖4 ERA5 （a） 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前 （b）、改進(jìn)后 （c） 總降水量及云方案改進(jìn)前后總降水差值 （d） 分布 （單位：mm）Fig. 4 Total precipitation for ERA5 （a） and GRAPES_GFS forecasts with the original scheme （b） and the improved scheme （c），and their differences （d） for 1—5 June 2009 （unit：mm）

圖5 是ERA5 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后次格點(diǎn)尺度降水和格點(diǎn)尺度降水的日平均預(yù)報(bào)。對比圖5a、b、c 可見，ERA5 次格點(diǎn)尺度降水明顯高于GRAPES_GFS 次格點(diǎn)尺度降水，特別是印度尼西亞地區(qū)以及中緯度區(qū)域尤為明顯，云方案改進(jìn)后，熱帶次格點(diǎn)尺度降水明顯增大，中緯度降水量也稍有增加。根據(jù)圖5d、e、f，GRAPES_GFS格點(diǎn)尺度降水集中在中緯度地區(qū)，熱帶很少，ERA5在熱帶地區(qū)格點(diǎn)尺度降水明顯高于GRAPES_GFS格點(diǎn)尺度降水。云方案改進(jìn)后，熱帶地區(qū)格點(diǎn)尺度降水有所增加?？傮w來看，GRAPES_GFS 無論次格點(diǎn)尺度降水還是格點(diǎn)尺度降水都仍小于ERA5。

3.4 GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后輻射預(yù)報(bào)對比分析

輻射和云量密切相關(guān)，云預(yù)報(bào)結(jié)果好壞直接影響輻射預(yù)報(bào)質(zhì)量。圖6 給出個(gè)例試驗(yàn)期間20 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次向外長波輻射和高云量小時(shí)平均預(yù)報(bào)全球分布，對比圖6a、b、c 可知，ERA5 的向外長波輻射值明顯高于GRAPRS_GFS，尤其是北半球高緯度地區(qū)和熱帶地區(qū)，約高15 W/m2，但總體分布相似。云方案改進(jìn)后，熱帶地區(qū)云量增加，向外長波輻射減小，在赤道太平洋洋面及印度尼西亞地區(qū)表現(xiàn)較為明顯。從圖6d、e、f 可以看出，ERA5 在印度尼西亞區(qū)域高云云量較大，極區(qū)高云量稍小，向外長波輻射則在赤道附近小于GRAPRS_GFS?？傮w來看，云方案的改進(jìn)，對于向外長波輻射的改進(jìn)效果并不明顯，僅在熱帶部分地區(qū)（印度尼西亞等地）略有效果。

圖5 ERA5 （a、d） 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前 （b、e）、改進(jìn)后 （c、f） 次格點(diǎn)尺度降水量 （a—c） 和格點(diǎn)尺度降水 （d—f） 預(yù)報(bào) （單位：mm）Fig. 5 Convective precipitation （a—c） and large-scale precipitation （d—f） for ERA5 （a，d） and GRAPES_GFS forecasts with the original scheme （b，e） and the improved scheme （c，f） for 1—5 June 2009 （unit：mm）

3.5 GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前后溫度、含水量傾向項(xiàng)分析

輻射過程、對流過程及微物理過程等都對溫度或水汽含水量有重要反饋?zhàn)饔?，在模式中，診斷GRAPES_GFS 中輻射過程、對流參數(shù)化過程以及云微物理過程對溫度和水汽的反饋傾向項(xiàng)，分析模式溫度場、濕度場對這些物理過程的反饋結(jié)果，是優(yōu)化和改進(jìn)模式物理方案的重要手段。

圖6 ERA5 （a、d） 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前 （b、e）、改進(jìn)后 （c、f）向外長波輻射 （a—c，單位：W/m2） 和高云量 （d—f） 的預(yù)報(bào)Fig. 6 OLR （a—c，unit：W/m2） and high cloud cover （d—f） for ERA5 （a，d） and GRAPES_GFS forecasts with the original scheme （b，e） and the improved scheme （c，f） for 1—5 June 2009

圖7a 為GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前熱帶輻射過程、淺對流過程、深對流過程及云微物理過程溫度傾向項(xiàng)的預(yù)報(bào)。對流過程對周圍環(huán)境的影響主要是升溫降濕，根據(jù)圖7a，深、淺對流過程溫度傾向項(xiàng)均為正值，深對流深厚，在100 hPa 高度以下，對溫度都有影響，在700—300 hPa 高度最為明顯；淺對流淺薄，對溫度影響主要集中在1000—700 hPa。云微物理過程在700 hPa 高度以下的低層，使溫度降低，這和低層云滴、雨滴等的蒸發(fā)吸熱有關(guān)，高層溫度傾向項(xiàng)為正值，這和水汽凝結(jié)或凝華，云滴、雨滴凍結(jié)等物理過程放熱有關(guān)?？梢?，溫度場對對流和微物理過程都產(chǎn)生合理反饋。圖7b、c 表示深對流、淺對流過程的水成物含水量傾向項(xiàng)和云微物理過程的水汽、液水、冰水含量傾向項(xiàng)的經(jīng)向平均預(yù)報(bào)結(jié)果?？梢钥闯?，對流過程對濕度場的影響主要表現(xiàn)為減濕效果。深對流使水汽減少，尤其是低層，淺對流在900 hPa 高度以下其水汽含量傾向項(xiàng)為負(fù)值，900—700 hPa 區(qū)域?yàn)檎?，但很小，其上受淺對流尺度限制，淺對流的水汽含量傾向項(xiàng)趨近于0。從云微物理過程含水量傾向項(xiàng)變化可以看出，當(dāng)液水傾向項(xiàng)、冰水傾向項(xiàng)為正值時(shí)，水汽傾向項(xiàng)為負(fù)值，表征水汽與液（冰）水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。水汽傾向項(xiàng)多為正值，峰值約出現(xiàn)在850 hPa 和400 hPa高度，達(dá)8×10?4g/（kg·d）。液水在高層碰并成冰，傾向項(xiàng)為負(fù)值，低層積聚成雨滴下落，傾向項(xiàng)為正值，冰水傾向項(xiàng)正值主要集中在150—500 hPa 高度，這與成冰過程主要集中在高層有關(guān)。從GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后含水量傾向項(xiàng)差值（圖7d）可以看出，云方案改進(jìn)使深對流水汽含量傾向項(xiàng)增大，加大了模式的去濕過程。淺對流含水量傾向項(xiàng)差值變化較小。而云方案水汽傾向項(xiàng)略有減小，液水傾向項(xiàng)變化不大，冰水傾向項(xiàng)增大。

圖7 GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后熱帶 （23.5°N—23.5°S） 溫度和水汽傾向項(xiàng)的經(jīng)向平均預(yù)報(bào)結(jié)果 （a. 溫度傾向項(xiàng)（單位：K/d），b. 對流過程引起的水成物水汽含量 （單位：10?3 g/（kg·d）），c. 云微物理過程引起的水汽、液水、冰水含量傾向項(xiàng) （單位：10?3 g/（kg·d）），d. 云方案改進(jìn)前后含水量傾向項(xiàng)的差值 （改進(jìn)后?改進(jìn)前，單位：10?3g/（kg·d））；rad：輻射過程，sh、shconv：淺對流過程，dp、dpconv：深對流過程，cloud：云物理過程，ori：原云方案，final：改進(jìn)的云方案，下標(biāo)L∶液水，下標(biāo)I∶冰水）Fig. 7 Meridional averages of temperature and water vapor tendencies in tropical region （23.5°N—23.5°S）of GRAPES_GFS forecasts with the original scheme and the improved scheme for 1—5 June 2009 （a. the tropical temperature tendency，b. the water vapor content tendency of deep convection and shallow convection，c. the water vapor，liquid water，and ice water content tendencies of cloud microphysical processes，d. the difference in moisture tendency between forecasts with the original scheme and the improved scheme；rad：radiative process，sh/shconv：shallow convective process，dp/dpconv：deep convection process，cloud：cloud microphysical processes，QL：liquid water tendency，QI：ice water tendency，ori：the original scheme，final：the improved scheme）

3.6 GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后批量試驗(yàn)預(yù)報(bào)

在個(gè)例試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行2017 年7 月1—31 日為期1 個(gè)月的批量試驗(yàn)。分析批量試驗(yàn)期間云方案改進(jìn)前、后柱液水含量和柱冰水含量差值（圖8）得出，云方案改進(jìn)后，中低緯度柱液水含量略有增加，增值30—50 g/m2，柱冰水含量在低緯度和高緯度地區(qū)增加較為明顯，中緯度地區(qū)有增有減。總體來看，云方案改進(jìn)后，柱液水含量的改變較符合預(yù)期，柱冰水含量的改進(jìn)效果不明顯。

批量試驗(yàn)期間ERA5 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、改進(jìn)后次格點(diǎn)尺度降水量、格點(diǎn)尺度降水量、總降水量日平均分布結(jié)果（圖9）顯示，GRAPES_GFS 和ERA5 降水區(qū)域分布差別不大，對比圖9a、b、c 可以看到，GRAPES_GFS 日平均次格點(diǎn)尺度降水量略低于ERA5，特別是在赤道附近區(qū)域，次格點(diǎn)尺度降水低于ERA5，但ERA5 日平均次格點(diǎn)尺度降水量0.1—1 mm 的小降水量級區(qū)域分布多于GRAPES_GFS，這與GRAPES_GFS次格點(diǎn)尺度降水不考濾淺對流過程形成的降水有直接關(guān)系。GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)后熱帶區(qū)域次格點(diǎn)尺度降水略有增加，特別是印度尼西亞附近增加更明顯。GRAPES_GFS 格點(diǎn)尺度降水低于ERA5，在熱帶地區(qū)表現(xiàn)更為明顯，云方案改進(jìn)后，格點(diǎn)尺度降水增加，中、低緯度區(qū)域都有明顯改進(jìn)?？偨邓款A(yù)報(bào)結(jié)果顯示，云方案改進(jìn)前，GRAPES_GFS 降水量低于ERA5，格點(diǎn)尺度降水在熱帶區(qū)域偏小。云方案改進(jìn)后，GRAPES_GFS 總降水量增加，與EAR5總降水量分布更接近，特別是在熱帶區(qū)域格點(diǎn)尺度降水的預(yù)報(bào)，改進(jìn)效果明顯。

4 總結(jié)與討論

基于GRAPES_GFS2.3 版，對云方案中對流卷入影響過程、宏觀云過程進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)增加云量對碰并、融化等微物理過程的影響，通過個(gè)例分析，對云方案改進(jìn)前、后各水成物含水量、云量、降水、向外長波輻射等預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析，以ERA5 資料結(jié)果作為參照，得到以下結(jié)論：

（1）將云方案中計(jì)算水汽凝結(jié)時(shí)用到的權(quán)重飽和比濕改為由溫度確定后，GRAPES_GFS 液相水成物在熱帶含量增多較為明顯，且低云預(yù)報(bào)性能有明顯改進(jìn)。

（2）增加云量對云微物理過程的影響，云量、含水量及降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度均有提高，特別是在熱帶地區(qū)，改進(jìn)效果更明顯。具體改進(jìn)效果主要表現(xiàn)為云方案改進(jìn)后，熱帶區(qū)域柱水含量出現(xiàn)“帶狀”分布。

（3）優(yōu)化格點(diǎn)云量計(jì)算過程，調(diào)整高云、中云、低云生成過程中部分約束條件之后，GRAPES_GFS云量明顯增多，特別是中、低緯度地區(qū)，云量預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度明顯提高。

圖8 2017 年7 月GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前、后柱液水含量 （a） 和柱冰水含量 （b）的 差（單位：g/m2）Fig. 8 Differences （unit：g/m2） for intergrated liquid water （a） and ice water （b） content between GRAPES_GFS forecasts with the original scheme and the improved scheme for July 2017

圖9 2017 年7 月ERA5 （a、b、c） 及GRAPES_GFS 云方案改進(jìn)前 （d、e、f）、后 （g、h、i） 次格點(diǎn)尺度降水量 （a、d、g）、格點(diǎn)尺度降水量 （b、e、h）、總降水量 （c、f、i） 日平均分布 （單位：mm）Fig. 9 Distributions of daily average convective precipitation （a，d，g），large-scal_GFS precipitation （b，e，h） and total precipitation （c，f，i） for ERA5 （a，b，c） and GRAPES_GFS forecasts with the original scheme （d，e，f） and the improved scheme （g，h，i） for July 2017 （unit：mm）

（4）調(diào)整宏觀云方案中次格點(diǎn)總云水凝結(jié)率和雨水蒸發(fā)，在一定程度上增加了水成物含量預(yù)報(bào)量，使得GRAPES_GFS 含水量預(yù)報(bào)結(jié)果與ERA5 相近，含水量垂直分布特征與ERA5 含水量垂直分布相似，特別是低層含水量的垂直分布，同時(shí)，緩解了GRAPES_GFS 熱帶地區(qū)格點(diǎn)尺度降水過少現(xiàn)象。

（5）GRAPES_GFS 雙參數(shù)云微物理方案改進(jìn)之后，含水量、云量、降水預(yù)報(bào)都有明顯改進(jìn)，這也有助于提高模式中其他與云有關(guān)過程預(yù)報(bào)質(zhì)量，如向外長波輻射的預(yù)報(bào)。

本研究雖然對云方案做了一些改進(jìn)，但是GRAPES_GFS 冰水含量預(yù)報(bào)偏高，中緯度區(qū)域降水偏少等問題仍存在，未來需要進(jìn)一步研究完善。且全球范圍的云微物理觀測資料相對缺乏，后期可增加GRAPES 預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測資料的比較。