数值模式是认识气候系统和开展天气气候预测的核心工具，提高模式的水平分辨率能更准确捕获中小尺度对流和复杂地形区的环流特征，有助于提高对极端降水的模拟和预测。面向下一届CMIP7模式比较计划，开云登录入口手机版 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）最新研发了CAS FGOALS-f3气候系统模式的大气分量模式FAMIL 12.5km高分辨率版本，并完成了1979~2021年近40多年的大气模式比较计划（AMIP）标准试验。此外，在CMIP6的高分辨率子计划HighResMIP中，日本国立海洋研究开发机构等联合研制的非静力二十面体大气模式NICAM16是分辨率最高的全球模式，其9S版本的水平分辨率约14km。为了理解模式分辨率提高对极端降水模拟的影响，本文选取了中国FGOALS-f3和日本NICAM16这两个分辨率最高的模式，对两模式从低分辨率（约100km）加密到高分辨率（约10km）的几组AMIP试验的模拟结果进行比较和分析，为理解高分辨率模式对极端降水的模拟偏差与技巧提升提供科学依据。
研究显示，西太平洋暖池区的降水模拟对分辨率的提高最为敏感，分辨率提高总体上缓解了对该区域降水模拟偏多的情况，但两模式存在差异：FGOALS-f3模式在分辨率提高到12.5 km后对区域的降水正偏差明显减小，而NICAM16模式分辨率提高到14 km后，该区域的主降水雨带被明显削弱，几乎消失。对于亚印太季风区，FGOALS-f3系列的100km版本模式（FGOALS-f3-L）严重低估了200 mm d−1以上的降水频次（图1），而分辨率提高到25 km（FGOALS-f3-H）和12.5 km（FGOALS-f3-HH）后对极端降水的概率分布有明显改进，主要表现在200~500 mm d−1强度的极端降水与观测的概率分布更为接近。而NICAM16系列模式对200 mm d−1以上的降水频次都有所高估，其分辨率提高到14 km后（NICAM16-9S），反而是降低了极端降水的模拟频次，减少了模拟偏差。
图1 不同分辨率模式模拟的亚印太季风区（6~8月，20°S~30°N,60°E~180°E）降水发生概率分布图。
对于中国地区的极端降水，从降水的持续时间（CWD）、总降水强度（TPA）和平均日降水强度（DPI）这三个维度来评估模式的模拟能力。图2给出了观测和FGOALS模式不同分辨率模拟的结果。当分辨率分别提高到25 km和12.5 km后，模式对CWD的空间分布模拟提升（图2(g), (j)），但伴随对极端降水的持续时间会更加高估。在TPA方面（图2(h), (k)），东南沿海局部地区的总降水强度模拟得到改善。模式对DPI的总体模拟能力优于对TPA的模拟，其中FGOALS-f3-HH能够较好展现DPI（图3(l)）的空间范围和强度特征。这表明提高水平分辨率是提高模式对中国地区极端降水的长期模拟和预估准确率的有效途径。我们同样评估了NICAM16系列模式对三个极端降水指数的模拟结果，总体来看，两模式在CWD和TPA的空间分布上较为一致，而对于DPI的模拟具有一定的差异，主要体现在FGOALS-f3-HH模拟的DPI大值区主要位于中国东部，相比观测偏弱，而NICAM16-9S模拟的DPI大值区主要位于我国华南以及华北地区，相比观测偏强。
图2 观测和FGOALS模式不同分辨率模拟的中国地区极端降水指数。（a） 观测的CWD; (b) 观测的TPA; （c）观测的DPI。（d, e, f）分别与（a, b, c）相同,但为FGOALS-f3-L的模拟结果。（g, h, i）分别与（a, b, c）相同, 但为FGOALS-f3-H的模拟结果。（j, k, l）分别与（a, b, c）相同, 但为FGOALS-f3-HH的模拟结果。r为空间相关系数，σ为均方根误差。
为分析两模式对极端降水模拟产生差异的原因，我们在图3中比较了两模式10 km左右高分辨率版本模拟的热动力条件空间分布。结果表明，NICAM16-9S模拟的垂直速度（图3(b)）在中国地区明显强于FGOALS-f3-HH的模拟结果（图3(a)）。在低层水汽分布上，NICAM16-9S模拟的水汽大值区集中于中国东部（图3(d)），而FGOALS-f3-HH（图3(c)）在中国东部的水汽明显少于NICAM16-9S，这些差异与DPI的空间分布特征较为一致。因此，水汽条件和垂直运动差异是两个模式模拟极端降水强度差异的直接原因。此外，NICAM16高分辨率模式模拟的极端降水强度偏强，而FGOALS-f偏弱，说明进一步研发与分辨率相适应的物理过程是提高模式模拟能力的关键。这为理解高分辨率模式的偏差来源及改进路径提供了科学依据。
图3 极端降水事件合成的500 hPa垂直速度（Pa s−1）以及850 hPa比湿（kg kg−1）的模拟结果。(a) FGOALS-f3-HH模拟的垂直速度; (b) NICAM16-9S模拟的垂直速度; (c) FGOALS-f3-HH模拟的比湿; (d) NICAM16-9S模拟的比湿。
该成果于近期在线发表于《科学通报》。论文的第一作者和通讯作者为开云登录入口手机版 何编研究员，其他作者为刘潇喻博士生，包庆研究员，刘屹岷研究员，吴国雄院士。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF0802003）和国家自然科学基金的资助（42288101和42475020），本研究的计算得到了国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟设施”（https://cstr.cn/31134.02.EL）的支持。
参考文献：
何编, 等. 2025: 全球模式FGOALS-f和NICAM16大气分量模式水平分辨率提高对亚洲季风区极端降水模拟的影响. 科学通报, https://doi.org/10.1360/TB-2024-1123
