MM5

第五代中尺度模式

第五代中尺度模式是近年由美国大气研究中心（NCAR）和美国滨州大学（PSU）在mm4基础上联合研制发展起来的中尺度数值预报模式，已被广泛应用于各种中尺度现象的研究。MM5在以往模式基础上作了许多变化，主要有以下几点：1、复合区域嵌套功能，2、非静力部分扩展，3、四位数据同化功能以及较多的物理过程参数化，能够方便、广泛地应用于各种计算平台。在我国已建成的有限区域数值天气预报业务系统中，北京气象局和天津气象局等均采用该模式作为业务模式。MM5是基于天气运动变化的非线性变化偏微分方程组，处理大密度的数据、进行复杂的运算。

模式

中尺度大气数值模式在二十世纪80年代已有相当发展，进入90年代，一些中尺度模式和模拟系统已发展得相当先进并在世界范围内广为使用。如美国国家环境预报中心（NCEP）的业务预报中尺度模式Eta，科罗拉多州立大学（CSU）的区域大气模拟系统RAMS，海军舰队数值气象和海洋中心（FNMOC）的耦合海洋/大气中尺度预报系统COAMPS，英国气象局业务中尺度模式UKMO，加拿大中尺度可压缩共有模式MC2，法国中尺度非静力模式MESO-NH模式，日本区域谱模式JRSM等。国内外流传较广、发展的较完善、最具有代表性的中尺度气象模式为美国国家大气研究中心(NCAR)和美国宾州大学(PSU)在原有的流体静力模式MM4基础上发展的新一代中尺度非流体静力模式MM5。MM5（Mesoscale Model5）具有多重嵌套能力、非静力动力模式以及四维同化的能力，并能在计算机平台上运行，来模拟或预报中尺度和区域尺度的大气环流。特别是它的非流体静力模式，可以满足中-β（20～200km）和中-γ尺度（2～20km）强对流天气系统演变的模拟需要。本研究采用MM5的最新版本v3.7版。

模式框架结构

MM5模式结构可分为前处理模块（TERRAIN、REGRID、INTERPF、LITTLE-R）、主模块、后处理及绘图显示等辅助模块（包括RIP、GRAPH、GrADS、Vis5D）。在每一部分中又有其具体细致的内容，前处理中包括资料预处理、质量控制、客观分析及初始化，它为MM5模式运行准备输入资料；主模块部分是模式所研究气象过程的主控程序；后处理及绘图显示模块则对模式运行后的输出结果进行分析处理，包括诊断和图形输出、解释和检验等。各模块具体功能为：TERRAIN选取模拟区域，生成水平网格，将地形和土地利用资料插值到格点上。MM5支持三种地形投影方式：Lambert正形投影、极地平面投影和赤道平面Mercator投影，这三种投影方式分别适用于中纬度、高纬度和低纬度的模拟。TERRAIN的输入参数包括模拟区域的中心经、纬度，水平格距和网格数等。

REGRID。读取气压层上的气象分析资料，将大尺度经、纬度格点的气象、海温和雪盖资料从原有的格点和地图投影上插值到由TERRAIN定义的格点和地图投影上。REGRID处理等压面和地面分析资料，并在这些层上进行两维插值。输出结果可作为客观分析的第一猜值场，或作为分析场被直接插值到MM5的模式层上为MM5提供初始条件和边界条件。作为输入的大尺度气象数据有两种来源，一种是大尺度气象模式的实时预报场，另一种是用历史观测资料同化得到的再分析气象数据。

INTERPF。由于前面的分析都是在标准气压面上进行的，而MM5采用的是σ坐标，因此需要INTERPF模块处理分析场和中尺度模式之间的数据转换。它包括垂直插值、诊断分析并重新指定数据的格式。MM5的垂直格点在这一模块内进行定义，由输入参数提供。INTERPF将分析好的标准气压面上的数据插值到定义好的MM5的垂直格点上作为初始场，同时生成侧边界条件以及下边界条件。

LITTLE-R。目的是用测站观测值来加强各气压层上格点化的第一猜值场气象数据。接受以气压或高度值给出的相关垂直位置上的任何观测数据，包括风向风速，温度，露点，或是海平面气压。Litter_r程序能对regridder格式中的任何子区域进行客观分析。

MM5读入INTERPF生成的初始条件和边界条件，投入运行。

模式特征评述

MM5模式是具有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统，是较先进的中尺度数值预报模式，一经发布就以其优良的性能赢得世界各国相关学科众多业务和科研部门科学家的关注，被广泛应用于各种中尺度现象的研究中。MM5注册用户遍及全球数十个国家，我国是MM5的主要使用国家之一，在气象、环境、生态、水文等多个学科领域都得到广泛使用。

与其前身MM4相比，MM5在资料初始化和物理过程参数化上都作了较大的改进，同时还发展了非静力部分和区域嵌套的功能；在MM5中科氏力已经是一个3维的力，而在MM4中认为垂直方向的科氏力项与其它项相比是一个小量而略去；在数值计算方面由于MM5中含有声波的传播，所以模式方程组中的某些项必须采用短时步以保持数值计算的稳定。最大的改进之处还在于引入了非静力平衡效应，从而使得模式具备了描写较小空间尺度而发展强烈的天气系统能力，对于局地扰动的生成和发展的描述能力超过MM4,并相应减少了为简化处理而采用的约束条件。

1.2.1模式水平及垂直网格结构

MM5模式在水平方向上采用Arakawa B网格来分布其物理变量，即水平速度u、v分量定义在半格点（圆点●）上，其它变量如T、q、p、w等定义在整格点（×）。研究表明，这种水平网格系统对气压梯度力和水平散度的计算比较精确。

此例中有15层，虚线表示半sigma层，实线表示完整的sigma层。

1.2.2侧边界条件

运行任何区域数值天气预报模式都需要侧边界条件。在MM5中所有的四个边界都拥有水平风场、温度场、气压场和湿度场。如果可行的话，也能拥有微物理场（比如云）。

MM5的边界值可源自未来时次的分析数据，或是一个先前的粗网格模拟（单向嵌套），或来自于另一个模式的预报（实时预报）。对于实时的预报，侧边界最终依赖于全球的模式预报。模式通过把这些时间离散的分析数据线性插值到模式时次上来使用它们。这些分析数据完全反映了模式格点中边缘行列上的特征。边界处由外向内的四行四列上，模式逼近分析数据，这里也存在着一个平滑过程。逼近的强度随着远离边界而线性减小。为了使此种逼近同化得以应用，模式使用了一个边界文件。该文件包含了每个边界时次上离侧边界最近的五个点上的信息。一般不需要内部区域的分析数据，除非要进行格点四维同化。这样的话通过使边界文件仅包含每个变量场的边缘数据可以节省磁盘空间。双向嵌套的边界与前面的类似，只是每隔一个粗网格步长就要更新一次，而且没有松弛区域。指定的区域是两个格点宽而不是一个。

1.2.3嵌套功能

嵌套旨在不过多增加模式计算资源的情况下，加强模式对不同尺度特别是小尺度污染过程的模拟能力。其基本思想是在大范围的粗分辨率模拟的基础上，在关心区域嵌套一个高分辨率的有限细网格区域，利用大、小区域间的联系，实现不同尺度的模拟。

MM5具有最多同时运行9个相互作用区域的多重嵌套能力。图1.3为一种可能的设置情况，背景色显示了三种不同层次的嵌套。对于双向嵌套，其比率通常是3:1。“双向作用（嵌套）”表示粗网格可以作用于细网格的边界上，同时细网格对粗网格的反馈作用发生在细网格内部。

MM5中也使用单向嵌套。此时，模式第一次运行就可以使用任意比率的插值（不一定是3：1）产生一个输出。同时一旦单向嵌套区域的位置被指定了以后，一个边界文件也会被创建。通常边界文件是每小时间隔的（根据粗网格的输出频率），而且这些数据是经过时间插值提供给该嵌套的。因此，单向嵌套不同于双向嵌套的地方在于它不存在反馈和边界处较粗的时间精度。单向嵌套也可以使用高分辨的数据和地形来作初始化。

1.2.4非静力动力学

历史上，PennState/NCAR的中尺度气象模式如MM4等曾使用静力模式，这是因为中尺度模式中的典型水平格点尺度大于人们所关心的垂直厚度的特征值。因此可以使用静力假定而且气压完全可以由其上的空气柱决定。然而当模式中可分辨特征的尺度接近于1的纵横比时，或者当水平尺度变得比垂直尺度更短时，非静力效应就不能被忽略。这是因为垂直加速度也对垂直气压梯度力有贡献，故必须引入非静力的大气动力学框架。

在MM5非静力动力模式中添加的唯一一项是垂直加速度项。它将对垂直的气压梯度有影响从而使得静力平衡不再被准确地满足。相对于参考态的气压扰动和垂直动量一起成为了必须加以初始化的额外的3维预报变量。

2 模拟说明

多重嵌套网格

中心经纬度：（36°N，110°E）

投影方式：中纬度采用LAMCON投影

区域网格数：（70*70）、（139*112）

网格距：81 km，27 km

单双向嵌套：第一个区域：单向嵌套第二区域双向嵌套

区域的地形高度和陆地类型分辨率：10’，10’

植被数据集：选用24类的USGS数据集

模式输出

MM5每小时输出一次数据，用专用的程序读出MM5的模拟数据，转化为Aermod所需要的数据格式。