Rethinking Surface-Layer Parameterization: A Turbulence-Based Framework Without Using Similarity Functions and Its Impacts on Surface–Atmosphere Coupling

我们呼吸的空气从未真正静止。即使在风平浪静的日子里，无形的涡流和旋涡也在不断地混合大气，在地面与天空之间输送热量、水分和污染物。五十多年来，科学家们一直依赖一套特定的规则来描述这种混合过程，特别是在我们生活的底层大气中。这些被称为“相似函数”的规则就像是一本翻译指南，帮助计算机模型将风和温度那复杂而剧烈的翻腾现实转化为可以计算的数字。它们通过将当前的大气状态与一个标准、理想化的状态进行比较，并根据空气是稳定还是不稳定来调整计算。虽然这些规则一直是天气预报和气候建模的支柱，但它们是基于几十年前特定实验得出的经验关系。随着模型变得越来越强大，科学家们开始怀疑，这些旧的翻译指南是否仍是描述瞬息万变的大气之舞的最佳方式，或者它们是否会引入误差，从而影响我们对风暴、热浪和空气质量的预测。

由美国国家大气研究中心（NCAR）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究人员领导的一项新研究提出了一种看待这一问题的新方法。该团队开发了一个框架，不再依赖那些既定的翻译指南，而是让湍流“自我发声”。他们创建了一种新方法，并将其应用在广泛使用的天气研究与预报（WRF）模型中，该方法直接根据地面附近旋涡的能量来计算空气是如何运动的。在这种方法中，大气的稳定性并不是通过一个单独的修正公式被强加到计算中的。相反，稳定性被内置于空气运动和混合的速度之中。研究人员通过在美国全境进行典型冬季和典型夏季的五天模拟实验，将这一新系统与标准方法进行了对比测试。他们发现，通过移除旧规则并让湍流驱动交换，模型产生了更真实的风速，尤其是在夜间，并且改变了热量和水分在地面与空气之间共享的方式，从而改变了夏季风暴的行为。

标准方法长期以来一直是天气模型的默认选择，因为它为处理昼夜转换提供了一种一致的方法——即大气从混合剧烈且具有湍流的状态转变为平静且稳定的状态。然而，选择哪种具体的规则会显著改变预测结果。不同的公式会导致对地面上升热量多少或地面附近风速快慢的不同预测。这些差异不仅仅是微小的调整；它们可以改变边界层的高度、与地面混合的气层厚度，甚至改变降雨强度。这项新研究表明，通过将计算锚定在湍流的实际速度而非预设公式上，模型可以更自然地适应这些变化的情况。

在模拟过程中，研究人员将这种被称为 ESTAR 的基于湍流的新方法与被称为 BASE 的标准方法进行了比较。在以寒冷、稳定空气和弱风为特征的冬季模拟中，新方法表现出了明显的优势。它将预测风速的误差减少了大约 0.5 到 1 米/秒。更重要的是，它平滑了误差的日循环。标准方法往往在夜间显著高估风速，而在白天低估风速，从而产生一种锯齿状的、不真实的模式。新方法则产生了一种更加平坦、更一致的偏差，这表明它比传统规则能更好地处理稳定、平静空气的棘手过渡期。这种改进至关重要，因为准确的风速预测对于航空安全以及理解污染物如何在空气中扩散都至关重要。

在夏季模拟中，结果虽有不同，但依然意义重大。当阳光加热地面时，空气变得不稳定并向上升起强大的气流，创造出深层的湍流层。在这些条件下，新方法改变了地表与大气之间的能量交换方式。它增加了白天从地面上升的感热（即你皮肤感受到的热量）约 50 到 150 瓦特/平方米。这种能量分配的转变意味着边界层长得更高，且近地面空气变得略微温暖。虽然标准方法和新方法在某些区域产生的温度和水分结果相似，但新方法从根本上改变了加热空气与蒸发水分之间的平衡。这种地表能量收支的变化直接影响了风暴的发展。

或许最令人震惊的发现是，底层大气的这些变化如何影响了上层天气。新方法在模拟中一致地降低了过度降雨的强度。在多个地区，新模型产生的降水量比倾向于过度预测风暴强度的标准模型每天少 20 到 40 毫米。新方法生成的降水在景观中分布得更为分散，而不是形成少数几次集中且剧烈的强降水。这表明，通过更好地表现地面热量和水分的混合，模型为风暴的形成创造了一个更真实的物理环境，防止了它们变得过于集中和猛烈。然而，研究也指出，虽然强度得到了改善，但风暴的位置并未变得更准确，这表明模型中仍有其他因素控制着降雨的位置。

研究人员还观察了这些变化在不同环境（如城市与农村地区）中的表现。他们发现，在炎热晴朗的日子里，新方法对城市与农村表面之间的差异非常敏感。在这些条件下，新模型放大了城市与乡村之间热交换的对比，反映了对流大气中浮力和湍流的强烈影响。这种敏感性表明，与经常采用“一刀切”方式处理这些相互作用的旧规则相比，新框架能更有效地捕捉不同表面与空气相互作用的物理现实。

尽管取得了这些成功，但该研究并未声称新方法是适用于所有情况的完美替代品。改进在受湍流交换直接控制的变量（如风速）上最为显著，而对温度和水分的影响则更具条件性，取决于季节和具体位置。大气的垂直结构（即地表之上的空气层）显示，两种方法之间的最大差异仍局限在最低的一公里内。这很合理，因为新方法旨在修复地表层，其影响随着向更高层大气移动而自然减弱，在高层大气中，其他力量会接管。

这项工作代表了向更具物理一致性的模式化大气迈出的重要一步。几十年来，该领域一直依赖于一套虽然有用但本质上是对复杂现实的一种近似的公式。通过将重点转向湍流本身，研究人员展示了建立一个不需要外部修正因子即可运行的模型是可能的。结果表明，当大气平静稳定，或者当大气因夏季酷热而剧烈翻腾时，让湍流驱动交换，可以描绘出地面与天空相互作用的更真实的图景。虽然新方法仍需在不同气候和模型配置下进行进一步测试，但它为减少长期困扰天气和气候预测的不确定性提供了一条充满希望的路径。研究结论指出，地表层交换确实可以在不需要传统相似函数的情况下进行表示，从而构建出一个既符合物理现实又能感知大气变化条件的系统。