有限区域模式因能够实现更高的时空分辨率，被视作在全球模式难以承担高分辨率建模任务时的一种局部替代方案。随着计算性能的提升，近年来全球与区域模式的应用边界日益模糊并趋于交叉。有限区域模式是否仍然保有不可替代的独特应用价值？相较于在相同配置下运行的区域模式，全球模式又展现出哪些更具优势的应用特点？理解侧边界对区域模拟的影响，是回答这些问题的关键。
随着“天气—气候一体化”建模策略的快速发展，全球与区域模式正加速融合，逐步实现底层代码的共享。这一趋势不仅为系统性探讨区域模式侧边界流场对降尺度模拟结果的影响提供了新契机，也为在相同配置下开展全球与区域模式的对比研究创造了条件。
中心研究团队聚焦青藏高原陡峭地形区域，围绕对流可分辨尺度模拟，开展了基于自主创新的GRIST全球-区域一体化模式的区域降尺度研究。GRIST区域模式是基于其全球模式，依托一套完全相同的模式代码发展而来。在模式发展过程中，区域模式经过严格的“Acid test”检验，实现了全球与区域模拟的一致性对比，为模式应用奠定坚实基础。同时，依托其所支持的变分辨率配置，区域降尺度可实现从外部粗分辨率区向内部高分辨率区的平滑过渡（图1），避免传统逐级嵌套方案带来的区域内“有缝”干扰。
图1. GRIST区域模式（彩色填色）和全球模式局地加密网格水平分辨率示意图
研究内容围绕三方面：（1）评估GRIST区域模式在青藏高原陡峭地形区域进行对流可分辨(3.5km)降尺度模拟的性能；（2）比较基于完全相同代码和配置的全球与区域模拟结果；（3）探讨不同侧边界背景环流对区域对流可分辨降尺度模拟的影响，并将其导致的敏感性与来自模式内部配置的敏感性（如采用显式对流）进行对比，以量化不确定性。
针对（1），结果表明区域模式在降尺度模拟中表现总体合理。采用两套再分析数据（ERA5、MERRA2）驱动时，环流和降水偏差相近，但ERA5背景场的模拟质量略优（图2）。
图2. 不同敏感性试验模拟的500 hPa位势高度较ERA5的偏差。
针对（2），全球与区域模式总体行为一致，体现了“一体化”设计特点。区域模式受益于侧边界环流松弛强迫，减少了大尺度环流偏差，但在印度洋和高原陡峭地形附近出现更大的降水正偏差。全球和区域模式均存在类似的系统性误差，如过高的弱降水频率和日变化位相偏差。采用显式对流设置可部分缓解。
针对（3），不同背景环流强迫重点影响了小尺度强降水和地形降水（图3）。动力不一致的侧边界流场更容易带来边界附近的风速极值和不连续区出现。使用来自全球模式产生的侧边界条件进一步证实，边界环流特征差异对区域模拟具有显著的控制作用。采用动力更一致的环流可减少边界极值和虚假波动。
图3 时间-纬度图：逐日降水量在高原南坡陡峭地形区域的时间演变
研究运用GRIST全球-区域一体化数值模式提供的新研究方法，揭示了在强侧边界流条件下千米级降尺度模拟的不确定性，并量化了全球和区域模拟的各自优势。研究还分析了显式对流模拟相较参数化对流模拟在面向灰色区域应用时的差异。
研究在全球与区域建模的理论方法层面亦具参考意义。全球建模在多尺度相互作用的刻画上更具整体一致性，但在开展实际气候降尺度时，往往难以仅依靠最低限度的松弛强迫（nudging）达到与区域模式相当的效果。区域模式是全球模式的空间截断，其运行依赖于在截断边界施加外部给定的数值条件以实现单向驱动。区域模拟通过高质量的侧边界条件进行降尺度，可利用全球模式/同化系统提供的环流场作为背景约束。这种外部强迫也会破坏模式内部动力—物理过程间的自然协调，降水模拟是一个典型体现。尽管侧边界有一定不利影响，但其作用总体可控。区域模式依然有其独特的应用属性。
研究论文发表于美国地球物理学会JGR-A和英国皇家气象学会QJRMS。
参考文献：
Chen, T., Y. Zhang*, Y. Wang, and W. Yuan, 2025: Impact of Lateral Boundary Flows on Regional Convection-Permitting Simulations Over the Tibetan Plateau: A Global-Regional Integrated Modeling Study. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130(15), e2024JD042952.
Zhang, Y.*, Z. Liu, Y. Wang, and S. Chen, 2024: Establishing a limited-area model based on a global model: A consistency study. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 150(764), 4049-4065.