近日，中国科学技术大学大气科学先进计算实验室(LACAR)利用基于国产神威海洋之光超算自主研发的全球对流解析模式，开展了为期一个月的次季节尺度数值预报试验，成功预测了2020年日本及周边地区的大范围梅雨事件。进一步结合国际耦合模式比较计划，通过与全球变网格和传统低分辨率试验进行比较，深入探讨了西太平洋赤道降雨过程对中高纬度地区环流及降雨的影响。研究成果以“Global convection-permitting model improves subseasonal forecast of plum rain around Japan”为题，近日发表于国际知名期刊 《Environmental Research Letters》。
梅雨是东亚地区夏季经常出现的一种长时间大范围降雨现象，主要分布在长江中下游地区、朝鲜半岛以及日本九州岛等地所在的纬度带上。2020年，破纪录的“暴力梅”不仅给我国江淮地区带来了沉重的防汛压力和严重破坏，同时也使日本九州岛地区遭受了较为严重的梅雨灾害，严重影响了当地居民的生活和生产活动。此类降雨事件的次季节预报一直是学术研究和业务预报中的难点，难以满足居民和应急管理部门对中期天气预报精度的需求。
研究团队前期在国产神威海洋之光超算上构建了全球对流解析模式（iAMAS），并根据其硬件特征进行了算法优化，加速了计算速度和突破了海量数据读写瓶颈，使得全球对流解析尺度(3公里分辨率)的月度预报成为可能。本研究通过开展多组不同分辨率的月度预报试验，探讨了2020年夏季梅雨的可预报性。研究发现，当使用全球低分辨（60 公里）预报时，梅雨带出现显著北移偏差，区域加密至对流解析尺度也不能解决问题。进一步分析表明，在较粗分辨率下，西北太平洋副热带高压扩张，导致降雨带北移并减弱（图1）。
图1.(a)(b) 分别展示CMORPH和IMERG观测数据的月平均降水量（2020年6月10日至7月10日）。(c)、(d) 和 (e) 分别展示来自 U60KM、V4KM 和 U3KM 预报的月平均降水量。图中的蓝色实线表示 ERA5(a, b)、U60KM (c)、V4KM (d) 和 U3KM (e) 中的 500 hPa 高度上的 588位势什米线。（d）中橙色虚线椭圆曲线定义了 V4KM 网格中加密区域与过渡区之间的边界。 (f)纬向平均（122°E 至 154°E）的月平均降水量的纬度分布。
更进一步的研究发现，全球对流解析模式能够有效捕捉到赤道地区的深对流, 并合理模拟出与观测数据接近的西太平洋赤道地区的降雨过程及其环流形势。这种合理的赤道降雨过程和环流场再现了副热带高压的强度和位置，进而影响到中纬度地区的环流，包括其下沉和上升位置，从而成功地预测了此次梅雨事件的强度和位置（图2）。
图 2.日本附近梅雨与热带降雨遥相关示意图
本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、安徽省自然科学基金以及中国科学技术大学双一流研究资金等项目的共同资助。同时中国科学技术大学高性能计算中心、青岛超算中心提供了高性能计算支持。赵纯教授和计算机科学学院安虹教授为共同通讯作者，博士研究生顾俊为第一作者。
论文信息：
Gu, Jun, Chun Zhao, Mingyue Xu, Jiawang Feng, Gudongze Li, Yongxuan Zhao, Xiaoyu Hao, Junshi Chen, and Hong An. 2024. “Global Convection-Permitting Model Improves Subseasonal Forecast of Plum Rain around Japan.” Environmental Research Letters 19 (10): 104021. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ad71e2.
论文链接：
（地球和空间科学学院、科研部）