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第五代中尺度模式是近年由美國大氣研究中心(NCAR)和美國濱州大學(PSU)在mm4基礎上聯合研製發展起來的中尺度數值預報模式,已被廣泛應用於各種中尺度現象的研究。MM5在以往模式基礎上作了許多變化,主要有以下幾點:1)複合區域嵌套功能,2)菲靜力部分擴展,3)四位數據同化功能以及較多的物理過程參數化,能夠方便、廣泛地應用於各種計算平台。在中國已建成的有限區域數值天氣預報業務系統中,北京氣象局和天津氣象局等均採用該模式作為業務模式。MM5是基於天氣運動變化的非線性變化偏微分方程組,處理大密度的數據、進行複雜的運算。

  
MM5

1 MM5 -1 模式簡介

  中尺度大氣數值模式在二十世紀80年代已有相當發展,進入90年代,一些中尺度模式和模擬系統已發展得相當先進並在世界範圍內廣為使用。如美國國家環境預報中心(NCEP)的業務預報中尺度模式Eta,科羅拉多州立大學(CSU)的區域大氣模擬系統RAMS,海軍艦隊數值氣象和海洋中心(FNMOC)的耦合海洋/大氣中尺度預報系統COAMPS,英國氣象局業務中尺度模式UKMO,加拿大中尺度可壓縮共有模式MC2,法國中尺度非靜力模式MESO-NH模式,日本區域譜模式JRSM等。目前,國內外流傳較廣、發展的較完善、最具有代表性的中尺度氣象模式為美國國家大氣研究中心(NCAR)和美國賓州大學(PSU)在原有的流體靜力模式MM4基礎上發展的新一代中尺度非流體靜力模式MM5。MM5(Mesoscale Model5)具有多重嵌套能力、非靜力動力模式以及四維同化的能力,並能在計算機平台上運行,來模擬或預報中尺度和區域尺度的大氣環流。特別是它的非流體靜力模式,可以滿足中-β(20~200km)和中-γ尺度(2~20km)強對流天氣系統演變的模擬需要。本研究採用MM5的最新版本v3.7版。

2 MM5 -1.1模式框架結構

  MM5模式結構可分為前處理模塊(terrain、REGRID、INTERPF、LITTLE-R)、主模塊、后處理及繪圖顯示等輔助模塊(包括RIP、GRAPH、GrADS、Vis5D)。在每一部分中又有其具體細緻的內容,前處理中包括資料預處理、質量控制、客觀分析及初始化,它為MM5模式運行準備輸入資料;主模塊部分是模式所研究氣象過程的主控程序;后處理及繪圖顯示模塊則對模式運行后的輸出結果進行分析處理,包括診斷和圖形輸出、解釋和檢驗等。各模塊具體功能為:TERRAIN選取模擬區域,生成水平網格,將地形和土地利用資料插值到格點上。MM5支持三種地形投影方式:Lambert正形投影、極地平面投影和赤道平面Mercator投影,這三種投影方式分別適用於中緯度、高緯度和低緯度的模擬。TERRAIN的輸入參數包括模擬區域的中心經、緯度,水平格距和網格數等。

  REGRID。讀取氣壓層上的氣象分析資料,將大尺度經、緯度格點的氣象、海溫和雪蓋資料從原有的格點和地圖投影上插值到由TERRAIN定義的格點和地圖投影上。REGRID處理等壓面和地面分析資料,並在這些層上進行兩維插值。輸出結果可作為客觀分析的第一猜值場,或作為分析場被直接插值到MM5的模式層上為MM5提供初始條件和邊界條件。作為輸入的大尺度氣象數據有兩種來源,一種是大尺度氣象模式的實時預報場,另一種是用歷史觀測資料同化得到的再分析氣象數據。

  INTERPF。由於前面的分析都是在標準氣壓面上進行的,而MM5採用的是σ坐標,因此需要INTERPF模塊處理分析場和中尺度模式之間的數據轉換。它包括垂直插值、診斷分析並重新指定數據的格式。MM5的垂直格點在這一模塊內進行定義,由輸入參數提供。INTERPF將分析好的標準氣壓面上的數據插值到定義好的MM5的垂直格點上作為初始場,同時生成側邊界條件以及下邊界條件。

  LITTLE-R。目的是用測站觀測值來加強各氣壓層上格點化的第一猜值場氣象數據。接受以氣壓或高度值給出的相關垂直位置上的任何觀測數據,包括風向風速,溫度,露點,或是海平面氣壓。Litter_r程序能對regridder格式中的任何子區域進行客觀分析。

  MM5讀入INTERPF生成的初始條件和邊界條件,投入運行。

3 MM5 -1.2 模式特徵評述

  MM5模式是具有數值天氣預報業務系統功能和天氣過程機理研究功能的綜合系統,是較先進的中尺度數值預報模式,一經發布就以其優良的性能贏得世界各國相關學科眾多業務和科研部門科學家的關注,被廣泛應用於各種中尺度現象的研究中。目前MM5註冊用戶遍及全球數十個國家,中國是MM5的主要使用國家之一,在氣象、環境、生態、水文等多個學科領域都得到廣泛使用。

  與其前身MM4相比,MM5在資料初始化和物理過程參數化上都作了較大的改進,同時還發展了非靜力部分和區域嵌套的功能;在MM5中科氏力已經是一個3維的力,而在MM4中認為垂直方向的科氏力項與其它項相比是一個小量而略去;在數值計算方面由於MM5中含有聲波的傳播,所以模式方程組中的某些項必須採用短時步以保持數值計算的穩定。最大的改進之處還在於引入了非靜力平衡效應,從而使得模式具備了描寫較小空間尺度而發展強烈的天氣系統能力,對於局地擾動的生成和發展的描述能力超過MM4,並相應減少了為簡化處理而採用的約束條件。

1.2.1模式水平及垂直網格結構

  MM5模式在水平方向上採用Arakawa B網格來分佈其物理變數,即水平速度u、v分量定義在半格點(圓點●)上,其它變數如T、q、p、w等定義在整格點(×),如圖2.1所示。研究表明,這種水平網格系統對氣壓梯度力和水平散度的計算比較精確。

  圖1.1 水平圓點 和交*點 示意圖。

  

MM5

圖1.2 模式的垂直結構示意圖。

  此例中有15層,虛線表示半sigma層,實線表示完整的sigma層。
1.2.2側邊界條件

  運行任何區域數值天氣預報模式都需要側邊界條件。在MM5中所有的四個邊界都擁有水平風場、溫度場、氣壓場和濕度場。如果可行的話,也能擁有微物理場(比如雲)。

  MM5的邊界值可源自未來時次的分析數據,或是一個先前的粗網格模擬(單向嵌套),或來自於另一個模式的預報(實時預報)。對於實時的預報,側邊界最終依賴於全球的模式預報。模式通過把這些時間離散的分析數據線性插值到模式時次上來使用它們。這些分析數據完全反映了模式格點中邊緣行列上的特徵。邊界處由外向內的四行四列上,模式逼近分析數據,這裡也存在著一個平滑過程。逼近的強度隨著遠離邊界而線性減小。為了使此種逼近同化得以應用,模式使用了一個邊界文件。該文件包含了每個邊界時次上離側邊界最近的五個點上的信息。一般不需要內部區域的分析數據,除非要進行格點四維同化。這樣的話通過使邊界文件僅包含每個變數場的邊緣數據可以節省磁碟空間。雙向嵌套的邊界與前面的類似,只是每隔一個粗網格步長就要更新一次,而且沒有鬆弛區域。指定的區域是兩個格點寬而不是一個。

1.2.3嵌套功能

  嵌套旨在不過多增加模式計算資源的情況下,加強模式對不同尺度特別是小尺度污染過程的模擬能力。其基本思想是在大範圍的粗解析度模擬的基礎上,在關心區域嵌套一個高解析度的有限細網格區域,利用大、小區域間的聯繫,實現不同尺度的模擬。

  MM5具有最多同時運行9個相互作用區域的多重嵌套能力。圖2.3為一種可能的設置情況,背景色顯示了三種不同層次的嵌套。對於雙向嵌套,其比率通常是3:1。「雙向作用(嵌套)」表示粗網格可以作用於細網格的邊界上,同時細網格對粗網格的反饋作用發生在細網格內部。

  MM5中也使用單向嵌套。此時,模式第一次運行就可以使用任意比率的插值(不一定是3:1)產生一個輸出。同時一旦單向嵌套區域的位置被指定了以後,一個邊界文件也會被創建。通常邊界文件是每小時間隔的(根據粗網格的輸出頻率),而且這些數據是經過時間插值提供給該嵌套的。因此,單向嵌套不同於雙向嵌套的地方在於它不存在反饋和邊界處較粗的時間精度。單向嵌套也可以使用高分辨的數據和地形來作初始化。

  

MM5

圖1.3MM5嵌套模擬示意圖
1.2.4非靜力動力學

  歷史上,PennState/NCAR的中尺度氣象模式如MM4等曾使用靜力模式,這是因為中尺度模式中的典型水平格點尺度大於人們所關心的垂直厚度的特徵值。因此可以使用靜力假定而且氣壓完全可以由其上的空氣柱決定。然而當模式中可分辨特徵的尺度接近於1的縱橫比時,或者當水平尺度變得比垂直尺度更短時,非靜力效應就不能被忽略。這是因為垂直加速度也對垂直氣壓梯度力有貢獻,故必須引入非靜力的大氣動力學框架。

  在MM5非靜力動力模式中添加的唯一一項是垂直加速度項。它將對垂直的氣壓梯度有影響從而使得靜力平衡不再被準確地滿足。相對於參考態的氣壓擾動和垂直動量一起成為了必須加以初始化的額外的3維預報變數。

  2 模擬說明

4 MM5 -2.1 多重嵌套網格

  中心經緯度:(36°N,110°E)

  投影方式:中緯度採用LAMCON投影

  區域網格數:(70*70)、(139*112)

  網格距:81 km,27 km

  單雙向嵌套:第一個區域:單向嵌套第二區域雙向嵌套

  區域的地形高度和陸地類型解析度:10』,10』

  植被數據集:選用24類的USGS數據集

  

MM5

圖2.1 MM5嵌套區域

5 MM5 -2.2模式輸出

  MM5每小時輸出一次數據,用專用的程序讀出MM5的模擬數據,轉化為Aermod所需要的數據格式。

6 MM5 -2.3 模擬數據和實測數據對比

  下面為模擬數據和實測數據(1月2號~1月10號)的早晨的溫廓線的一個例子,看以看出,MM5很好地模擬出了近地面的逆溫層結,溫廓線吻合度很高。(由於圖片數量限制,只能貼出2號到7號的了,請原諒 - -)

  

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