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本论文利用跨尺度预报系统MPAS对中国进行了数值模拟试验，在网格设计中使用JIGSAW-GEO生成了中国区域加密Delaunay三角网格，而后再根据拓扑关系生成了MPAS所需的SCVT网格，在中国区域分辨率约为30km，其他区域约为120km。采用上述区域加密网格与全球120km分辨率的准均匀网格对比后发现，在进行局地加密后能够极大提高对天气系统细节的模拟能力。与采用嵌套网格的区域模式相比，MPAS不需要对嵌套区域进行重复计算，且考虑了全球气候系统的影响，而与采用全球准均匀网格来达到高分辨率相比，局地加密使得更多计算量被集中使用在了研究者所关心的区域，从而提升了计算效率。
MPAS模式具有多种物理过程参数化方案组合，为了得到对中国区域较为合适的方案组合，本研究基于120km准均匀网格和120-30km局地加密网格，对比了多种物理过程参数化的组合在2017年4月至2018年4月对中国区域降水、2米气温的模拟结果。在使用120km准均匀网格和120-30km局地加密网格进行模拟时，微物理过程采用Thompson，积云对流参数化采用Grell-Feritas能够得到与中国地区观测相符程度较高的模拟结果。行星边界层方案和近地层方案的选择则在很大程度上受到分辨率的影响，在使用120-30km的局地加密网格时，行星边界层和近地层方案采用MYNN，能够得到与实际观测较为符合的模拟结果，即在冬季该组合对于气温的模拟效果优于其他方案组合，而在夏季其对于降水的模拟效果更接近观测;而在120km分辨率的准均匀网格模拟中边界层方案采用YSU，贴地层方案采用Monin-Obukhov时，模拟得到的夏季降水较其他方案与实际观测符合度更高。对比两种不同网格的模拟结果发现，物理过程方案的选择需要根据网格来调整，在高分辨率网格上有良好表现的方案组合，在低分辨率情形下也可能得到偏差较大的模拟结果。
为了对MPAS模式进行进一步探索，有必要对其浅水动力框架TRiSK进行研究。在第一部分研究的基础上，本论文将平方守恒方案拓展到TRiSK框架中，首先利用IAP变换将风速预报量u替换为风速与重力外波波速的乘积U=√φu，这样就自然的统一了浅水方程组中预报量（另一预报量为重力位势φ）的单位，为构造空间反对称离散算子奠定了基础。进一步，利用简单的微分定理，将(e)U/(e)t（U的时间倾向）分解为(e)u/(e)t（风速u时间倾向）和(e)φ/(e)t（重力位势φ时间倾向）的非线性组合，从而可以直接利用TRiSK原有算子进行空间离散，既回避了在非结构网格中直接构造空间反对称离散算子的困难，又得到了平方守恒方案所必需的反对称空间离散算子。在采用具有平方守恒性质的时间积分方案后，新的动力算法能够在不影响收敛精度的前提下，严格保证质量、能量、绝对涡度（位涡）的全局守恒性。
在对平方守恒型动力框架进行三类标准浅水模式测试后发现，所有试验中总质量、总能量以及总绝对涡度始终保持严格守恒，而不会受到初值、波形等其他因素的影响。与此同时，在稳定地转流试验中，具有完全平方守恒性质的新框架较原始TRiSK具有更好的长期积分稳定性，其波形崩溃时间延后接近一个月。在Rossby-Haurwitz波试验和过山气流试验中，相较于原始TRiSK，新框架在数十天的积分过程中能够在一定程度上降低积分误差。印证了完全平方守恒方案较瞬时平方守恒方案，能够为模式提供更强的积分约束，在中短期模拟中亦能够使模式具有更好的模拟效果。
综上，本论文第一部分介绍了利用MPAS结合准均匀网格以及局地加密网格对中国区域的数值模拟，对比了不同网格、不同参数化组合对模拟效果的影响，并给出了较为适合于中国的参数化配置组合。第二部分通过对TRiSK中原始空间离散算子的非线性组合，构造出了具有反对称性质的空间离散算子，得到了具有平方守恒性质的新动力框架，该框架能够同时保证总质量、总能量、总绝对涡度严格守恒，且改善了积分稳定性、降低了模拟误差。
MPAS模式具有多种物理过程参数化方案组合，为了得到对中国区域较为合适的方案组合，本研究基于120km准均匀网格和120-30km局地加密网格，对比了多种物理过程参数化的组合在2017年4月至2018年4月对中国区域降水、2米气温的模拟结果。在使用120km准均匀网格和120-30km局地加密网格进行模拟时，微物理过程采用Thompson，积云对流参数化采用Grell-Feritas能够得到与中国地区观测相符程度较高的模拟结果。行星边界层方案和近地层方案的选择则在很大程度上受到分辨率的影响，在使用120-30km的局地加密网格时，行星边界层和近地层方案采用MYNN，能够得到与实际观测较为符合的模拟结果，即在冬季该组合对于气温的模拟效果优于其他方案组合，而在夏季其对于降水的模拟效果更接近观测;而在120km分辨率的准均匀网格模拟中边界层方案采用YSU，贴地层方案采用Monin-Obukhov时，模拟得到的夏季降水较其他方案与实际观测符合度更高。对比两种不同网格的模拟结果发现，物理过程方案的选择需要根据网格来调整，在高分辨率网格上有良好表现的方案组合，在低分辨率情形下也可能得到偏差较大的模拟结果。
为了对MPAS模式进行进一步探索，有必要对其浅水动力框架TRiSK进行研究。在第一部分研究的基础上，本论文将平方守恒方案拓展到TRiSK框架中，首先利用IAP变换将风速预报量u替换为风速与重力外波波速的乘积U=√φu，这样就自然的统一了浅水方程组中预报量（另一预报量为重力位势φ）的单位，为构造空间反对称离散算子奠定了基础。进一步，利用简单的微分定理，将(e)U/(e)t（U的时间倾向）分解为(e)u/(e)t（风速u时间倾向）和(e)φ/(e)t（重力位势φ时间倾向）的非线性组合，从而可以直接利用TRiSK原有算子进行空间离散，既回避了在非结构网格中直接构造空间反对称离散算子的困难，又得到了平方守恒方案所必需的反对称空间离散算子。在采用具有平方守恒性质的时间积分方案后，新的动力算法能够在不影响收敛精度的前提下，严格保证质量、能量、绝对涡度（位涡）的全局守恒性。
在对平方守恒型动力框架进行三类标准浅水模式测试后发现，所有试验中总质量、总能量以及总绝对涡度始终保持严格守恒，而不会受到初值、波形等其他因素的影响。与此同时，在稳定地转流试验中，具有完全平方守恒性质的新框架较原始TRiSK具有更好的长期积分稳定性，其波形崩溃时间延后接近一个月。在Rossby-Haurwitz波试验和过山气流试验中，相较于原始TRiSK，新框架在数十天的积分过程中能够在一定程度上降低积分误差。印证了完全平方守恒方案较瞬时平方守恒方案，能够为模式提供更强的积分约束，在中短期模拟中亦能够使模式具有更好的模拟效果。
综上，本论文第一部分介绍了利用MPAS结合准均匀网格以及局地加密网格对中国区域的数值模拟，对比了不同网格、不同参数化组合对模拟效果的影响，并给出了较为适合于中国的参数化配置组合。第二部分通过对TRiSK中原始空间离散算子的非线性组合，构造出了具有反对称性质的空间离散算子，得到了具有平方守恒性质的新动力框架，该框架能够同时保证总质量、总能量、总绝对涡度严格守恒，且改善了积分稳定性、降低了模拟误差。