研究成功构建全球变网格大气物理化学耦合模拟框架

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近日，中国科学技术大学赵纯教授带领的大气科学先进计算实验室（LACAR）成功构建了全球变网格大气物理化学耦合模拟框架，并以大气沙尘为例开展了相关研究。研究成果以“Simulating Atmospheric Dust With a Global Variable‐Resolution Model: Model Description and Impacts of Mesh Refinement”为题发表于地球系统模式发展领域国际顶刊《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》。

大气沙尘气溶胶在地球气候系统中扮演着重要的作用。然而，由于水平分辨率的限制，对沙尘气溶胶的数值模拟目前仍存在较大的不确定性。以往的研究通常采用降尺度的方法进行区域高分辨率模拟，但是这样需要引入边界条件，从而导致一些边界问题，并会限制区域大气沙尘与大尺度环流之间的相互作用，例如沙尘辐射效应与大气环流之间的相互作用。使用具有区域加密能力的全球变网格大气模式模拟沙尘气溶胶是一种可行的方案，这种方式能够避免使用边界条件，又比全球高分辨率模式具有更高的计算效率。

本研究基于全球变网格大气模式MPAS的动力核，构建了分段式精细化气溶胶及其反馈效应模拟框架。与观测和以往的研究相比，该模式可以模拟出更合理的沙尘空间分布（图1）。同时，本研究还首次实现了全球框架下区域加密至对流解析尺度（4km）的沙尘模拟，结果表明对流解析尺度模拟通过解析对流降水过程增强了沙尘的湿清除效率，减小了沙尘质量浓度（图2）。

本研究为我们揭示气溶胶对区域及全球天气和气候系统的影响机制提供一种新的模式框架，并支撑了一系列模式发展工作的开展，包括已发表在《Science Bulletin》上的全球高分辨率大气物理化学耦合模式的发展工作以及最近入选高性能计算戈登贝尔气候建模奖候选成果的工作。基于该模式框架，未来将继续开展物理和化学参数化发展，基于AI的模式性能优化，机制研究等工作。

图1 模式模拟沙尘气溶胶的近地面质量浓度与观测数据的对比

图2 区域加密对大气沙尘质量浓度模拟的影响

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学技术大学双一流研究资金、以及中国科学院战略性先导科技专项的支持，使用了中国科学技术大学高性能计算中心提供的计算资源。赵纯教授为论文通讯作者，博士研究生冯家望为第一作者。

参考文献：

Feng, J., Zhao, C., Du, Q., Xu, M., Gu, J., Hu, Z., & Chen, Y. (2023). Simulating atmospheric dust with a global variable-resolution model: Model description and impacts of mesh refinement. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 15, e2023MS003636.

论文链接：https://doi.org/10.1029/2023MS003636