近日，中國科學技術大學趙純教授帶領的大氣科學先進計算實驗室（LACAR）成功構建了全球變網格大氣物理化學耦合模擬框架，并以大氣沙塵為例開展了相關研究。研究成果以“Simulating Atmospheric Dust With a Global Variable‐Resolution Model: Model Description and Impacts of Mesh Refinement”為題發表于地球系統模式發展領域國際頂刊《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》。
大氣沙塵氣溶膠在地球氣候系統中扮演著重要的作用。然而，由于水平分辨率的限制，對沙塵氣溶膠的數值模擬目前仍存在較大的不確定性。以往的研究通常采用降尺度的方法進行區域高分辨率模擬，但是這樣需要引入邊界條件，從而導致一些邊界問題，并會限制區域大氣沙塵與大尺度環流之間的相互作用，例如沙塵輻射效應與大氣環流之間的相互作用。使用具有區域加密能力的全球變網格大氣模式模擬沙塵氣溶膠是一種可行的方案，這種方式能夠避免使用邊界條件，又比全球高分辨率模式具有更高的計算效率。
本研究基于全球變網格大氣模式MPAS的動力核，構建了分段式精細化氣溶膠及其反饋效應模擬框架。與觀測和以往的研究相比，該模式可以模擬出更合理的沙塵空間分布（圖1）。同時，本研究還首次實現了全球框架下區域加密至對流解析尺度（4km）的沙塵模擬，結果表明對流解析尺度模擬通過解析對流降水過程增強了沙塵的濕清除效率，減小了沙塵質量濃度（圖2）。
本研究為我們揭示氣溶膠對區域及全球天氣和氣候系統的影響機制提供一種新的模式框架，并支撐了一系列模式發展工作的開展，包括已發表在《Science Bulletin》上的全球高分辨率大氣物理化學耦合模式的發展工作以及最近入選高性能計算戈登貝爾氣候建模獎候選成果的工作。基于該模式框架，未來將繼續開展物理和化學參數化發展，基于AI的模式性能優化，機制研究等工作。
圖1 模式模擬沙塵氣溶膠的近地面質量濃度與觀測數據的對比
圖2 區域加密對大氣沙塵質量濃度模擬的影響
本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學技術大學雙一流研究資金、以及中國科學院戰略性先導科技專項的支持，使用了中國科學技術大學高性能計算中心提供的計算資源。趙純教授為論文通訊作者，博士研究生馮家望為第一作者。