數值模式解析度的提高是天氣預報和氣候預測準確性增加的重要推力，而推動解析度增加的基本力量是超算。現有的計算能力大致允許全球業務天氣預報模式解析度在~9-15 km，全球氣候模式解析度在25-100 km。一些面向研究性用途的全球模擬可以達到所謂「雲解析度」解析度（一般指網格距不超過4 km），但尚只能間歇性地開展一些「挑戰性測試」，距頻繁廣泛的日常應用還有很大距離。有限區域模式可以相對更輕鬆地進行公裡尺度預報，但對邊界條件的天然依賴使其只能作為全球模式的降尺度工具。
全球模式解析度進入公裡尺度後，由於原格點基數已十分龐大，每一次加倍水平解析度都會伴隨巨大甚至難以承受的計算和存儲代價。同時，如何有效地開展此類模式的開發和調試也是大問題。全球模式必須保證地球上每一個點的計算穩定性，公裡級模式的研發難度可想而知。
對於公裡尺度模式，一些物理過程可以簡化甚至忽略；或大幅降低其計算頻次。這使模式動力部分的計算時間佔比將處於主導。因此，如何有效提升模式動力的計算效率是關鍵。然而，即便是目前運算效率最高的全球動力模式（歐洲中心IFS靜力版本），在約13萬核的並行度下，也只是剛剛達到其業務運行時間閾值的一半（圖1）。
圖1 參加美國NGGPS計劃的全球模式動力內核和歐洲中心IFS靜力版本的3 km計算時效估計測試；引自ECMWF技術報告
全球變解析度模擬是實現其公裡尺度應用的有效手段。其中，基於非結構網格的多解析度模擬是一種很有前景的方式。該方法保持了全球模式的整體結構，可實現基於靜態加密網格的局部高解析度模擬。在增加真實世界解析度的同時大大減少計算量。與傳統的拉伸網格相比，非結構網格的多解析度配置更為靈活，可以考慮多個不同子區域。與全球模式下採用雙向嵌套相比，其避免了嵌套邊界的剛性過渡，具有更好的「全局一致性」。
國內研究團隊近5年來致力於全球非結構網格大氣模式發展。在國家重點研發計劃和國家自然科學基金支持下，從模式關鍵技術開展持續研究攻關，建立了具有鮮明特色的非結構網格多尺度大氣動力模式，形成了全球至區域集成預測系統框架。模式可準確刻畫從非靜力雲分辨尺度到長期氣候模擬百公裡尺度的多尺度大氣現象。基於非結構數據形式，可靈活支持一種基於質心Voronoi結構的網格分布，從而有效實現全球多解析度模擬。
在確保模式各項基礎離散化的設計、實施，及內部分量耦合正確的前提下，研究團隊初步檢驗了該模式的全球變解析度模擬性能，包括採用多種類型的加密方式：單區域、逐級化、多中心和赤道渠等（圖2），顯示出滿意效果。其中，一個重要的研究問題是，模式在加密區能否達到與高解析度準均勻模式相同的模擬效果，並避免網格過渡區域造成的波形反射扭曲以及粗網格區產生的誤差及其傳播？
圖2 不同加密類型的變解析度網格：(a) 單區域加密；(b) 逐級加密；(c) 多中心加密；(d) 赤道加密
圖3給出了模式幹動力內核的斜壓波測試結果。模式在G8（~0.25度）解析度可以刻畫出G6（~1度）無法刻畫的渦旋細尺度絲縷結構。但是，G8網格格點數是G6的16倍。基於變解析度網格（G5B3X4），只需G8計算代價的~14%，即可準確再現高解析度下才具備的細尺度結構，過渡區域無任何計算噪音。區域動能譜分析顯示，變解析度模式的能譜曲線在尾部高波數域非常接近高解析度準均勻的結果，進一步驗證了模式對精細尺度流體結構的刻畫能力（圖略）。
圖3 單區域加密：幹大氣動力斜壓波測試，第10天850 hPa相對渦度場（單位：10–5 s–1）。(a) 低解析度準均勻模擬~120 km；(b) 高解析度準均勻模擬~30 km；(c) 變解析度模擬，等值線為網格解析度(km)
在具有更強動力-物理非線性反饋的溼大氣全物理過程情景，考察模式對一個理想熱帶氣旋發展演變的模擬。採用了兩種具有不同的網格加密收縮度的變解析度網格：G6B3X16L4和G6B3X16，前者的網格過渡更平緩些。在模擬第2天，氣旋在G6B3X16L4中處於更高解析度區，故表現出更強的眼牆區最大風強度（圖4）。隨時間推移，氣旋在兩個網格下逐漸進入了相當的解析度區。此時，二者最大風速強度趨近一致，模擬結果高度相似。乾濕大氣試驗都支持這一結論：加密區解析度是影響該區域應有精細尺度現象的主要因素，而解析度過渡區和粗區不會影響加密區效果。對於一個連續發展的系統，儘管其在進入加密區前或許有更粗糙的結構，但不影響加密區解析其後續發展過程中的精細結構。當然，實現這一效果的前提是模式的合理配置。以上結果是開發者精心調優模式內部的粘性設置，並給出最合理的參數輸入才得以實現。
圖4 溼動力模式耦合全物理過程：基於高加密比(a-c) 逐級加密網格G6B3X16L4與(d-f) 單區域加密網格G6B3X16模擬的熱帶氣旋第2天、第6天和第10天850 hPa水平風速(m s–1)。等值線表示網格解析度(km)
上述研究於2020年發表於歐洲地球物理學會刊物《Geoscientific Model Development》。論文第一作者為中科院大氣所博士生周逸輝，通信作者為中國氣象科學研究院張禕副研究員。合作者包括中國氣象科學研究院李建研究員、宇如聰研究員和國家超算無錫中心劉壯高工。研究採用了國內自主研發的非結構網格大氣模式。該模式是我國科學家和工程師研製的獨立的全球模式系統，具有完全自主可控的動力內核、基礎框架及一系列科學模型，奠定了模式全鏈條設計研發基礎。該模式發展相關內容可參考本文內引文。模式處於持續活躍研發應用狀態，未來將更多關注真實世界下的天氣和氣候應用。
https://doi.org/10.5194/gmd-13-6325-2020