1、- 58 -中尺度模式（Mesoscale Model 5 v3）用户手册一、 概述1. mm5模式系统的结构 第五代中尺度模式mm5是近年来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在以往的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）菲静力部分扩展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。这些变化使得许多工作在这一模式系统下建立起来。图1.1是整个mm5模式系统的结构框图，它表现了模式的模块次序、数据流程以及各模块主要功能的简
2、短说明。TERRAIN和REGRID模块用来处理在麦卡托或兰博托或极射赤面投影下，地形数据和等压面气象数据从规则经纬网格点到高分辨可变中尺度区域的水平插值。由于插值不能提供全面的中尺度信息，因此插值数据必须加大，RAWINS/little_r就是用连续扫描Cressman客观分析方法和复合二次曲面技术来处理水平网格观测资料和无线电探空资料。INTERP模块处理MM5系统中气压坐标到sigma坐标的垂直插值，接近地面的sigma平面与地形相似，高水平sigma面与等压面近似。MM5模块是系统的核心部分，包含气象过程的主控程序，主要求解大气运动基本方程组。 INTERB模块与INTERP模块作用相
3、反，主要是把MM5模块计算结果从sigma坐标插值到气压坐标中。2Mm5模式的水平和垂直格点介绍模式的格点构造是非常有用的，模式系统通常是从等压面上获得、分析数据的，但是这些资料在进入模式之前不得不被插值到模式的垂直坐标中。垂直坐标是地形伴随的，也就是在底层水平网格伴随地形，而上层表面是平坦的。中间层是随着气压的减小趋向顶层气压逐渐变得平坦（如图1.2）。s用来定义模式水平层：p是气压，pt是顶层气压，ps是表面气压。从上图可以看出：在顶层s等于0，在底层s等于1，模式的每一水平层由s值来定义，模式的垂直分辨率由0到1之间的数目决定，通常边界层的分辨率高于顶层分辨率，水平层数尽管原则上没有限制
4、，但通常在10到40层之间变化。水平格点采用Arakawa-Lamb B型跳点网格，如图1.3，从图中可以看出T,q等量被定义在格点平面的中央，而向东风速u,向北风速v被配置到两边。模式中中央点被当作叉X，两边点被当作点，因而水平风速被定义在点上。所以上层变量被定义在模式垂直层的中央，作为半层由一条虚线表示出来（图1.3），垂直速度在格水平层上表示为实线，在定义sigma坐标时所有层都要被列出，包括0层和1层，因此模式层的数量比sigma层少一层。3. 区域嵌套 mm5具有区域嵌套的功能，最多可以同时运转9个区域的嵌套和相互作用。图1.4时其中的一种配置，对于双向交互作用的区域，它们的嵌套比率
5、为3：1，所谓的双向就是嵌套区域边界条件的输入来自于粗糙区域，而嵌套区域对粗糙区域又有反馈。从图1.4可以看出嵌套区域被给定一个嵌套级别（如区域2，3），而且嵌套区域之间也可以相互覆盖。区域4是第三级别，说明他的网格尺寸和时步相当于区域1的1/9。每一个次区域都有一个母区域，而且被完全嵌入，区域2，3的母区域是1，区域4的是3。在模拟试验中嵌套区域可能随时被转动或停止，也就是无论何时母区域被停止，所有他的派生嵌套区域就被停止。在模拟试验中移动一个区域也是有可能的，条件是没有母区域作用嵌套网格和没有粗糙网格。单向嵌套在模式中也是可能的，这是模式首先被运行产生一个输出，一旦单向嵌套区域位置被定下来
6、，边界条件文档也就生成了。典型的边界条件文档是一小时产生一次（依赖于粗糙区域输出的频率），这些数据被时间插值供给嵌套区域，因此单向嵌套不同于双向嵌套：1、没有反馈2、在边界处分辨率是粗糙临时的。单向嵌套区域也可能被初始化在增强数据分辨率和地形分辨率的条件下。4. 侧边界条件在运行任何区域数值天气预报模式中，都要求有侧边界条件，mm5模式中所有的四个边界条件被指定为水平风速、温度、压强和湿度场，如果需要可能指定一些微物理场（比如云）作为边界条件。因此在运行模式前，边介值必须被设定。边界值来源于对未来时刻的分析或是前粗糙区域的模拟值（单向嵌套），或是来源于其他母区域的实时预报值。对于实时预报侧边界
7、条件最终依赖于全球模式预报。当然通过观察分析侧边界条件可能被被增强，同样的方法用于初始条件。上层空气分析值，边界值只能12小时一次，而对于模式产生的边界值可能更高频率比如6小时一次甚至1小时一次。通过线性插值模式可以利用离散时间分析值，这些分析值能够全面地说明模式网格输出的行与列的状态。双向嵌套边界条件与单向是相似的，但每粗糙区域一个时步他就会更新，而且没有松弛区域。5. 四维数据同化拓展时间上的的数据可以输入到模式中，四维数据同化只是模式中的一个选项。本质上四维数据同化允许模式在强迫条件下执行，也就是张弛朝着观测场和分析场。这样做得好处是一段张弛逼近后，模式将某种程度上适合那一时间间隔内的所
8、有数据，而保留值接近动力平衡。这样做是优于一个简单天气分析初始化过程，因为一段时间内的附加数据将有效增加数据的分辨率。在一个位置上的观测数据通过模式将被带入下一阶段，从而可以填充下一时段数据的空缺。四维数据同化的两个主要应用是：1、动力初始化2、四维数据设置。动力初始化就是在实时预报中利用前面的预报值是初始条件最优化。结果表明相对于静态初始化附加数据对预报是有益的。第二个应用，四维数据设置是一种产生动态平衡分析的方法，在一个拓展是段张弛逼近数据同化过程中这种方法包含流程中的实际连续性和地转风与热量风的平衡。数据同化的两种方法依赖于数据是否是格点的还是单个观察的。考虑模式网格分析场的形成，在一个
9、给定时间间隔格点数据将用来张弛逼近模式点对点数据，对于一个大尺度信息这是非常有用的。对于小尺度信息，非天气图定时资料或特殊平台象机床、飞行器等不能被利用，但个观测资料能够被用来张弛逼近模式。这些观测资料被给定一个时间窗和影响半径。每个格点上的观测资料的权重依赖于他们在时间上和空间上到观测站的距离。6. 地表资料的分类关于地表分类模式有三个选项设置，这些设置在TERRAIN模块的存档资料中，它们是13、16、24种，（植被、沙漠、城市、水、冰）。模式每个格点单元被分派一种地表资料，从而决定了表面特性如反射率、粗糙长度、长波反射率、热容量和湿度等。此外如果积雪覆盖着一项被设置，表面特性相应的被改动
10、。列表中的值相应季节变化。7. 地图投影及地图比例因子模式系统有几种投影方式可供选择，兰博托投影适合中纬度，极射赤面投影适合高纬度，麦卡托投影适合低纬度，模式的x,y方向不对应东西或南北，麦卡托投影除外，因此观测到的风俗不得不被旋转到模式中。模式的u,v在于观测支队比前需要旋转。这些变换在模式的前处理中就被计算出。地图的比例因子m被定义为：m = (distance on grid) / (actual distance on earth)它的值通常接近于1，虽纬度变化，模式投影保持小区域的形状，以便每处dx=dy，但是网格长度是变化的，对应的区域在平面上表示为球面。无论那儿水平梯度被用到时，
11、地图比例因子都会在模式的方程中被计算出。8. 运行模式系统所需要的数据因为mm5模式系统首先是为实时资料研究设计的，因而它需要以下资料来运转：l 地形资料和地表分类资料l 网格大气资料至少有以下几种：海平面气压、风、温度、相对湿度、位势高度，气压分层：表面气压、1000、850、700、500、400、300、250、200、150、100mbl 观测资料模式中提供了一些基本的地形、地表分类和全球覆盖但分辨率可变的植被数据，关于怎样从NCAR上获得资料，请查阅网站: http:/www.scd.ucar.edu/dss/index.html二、 模式分模块介绍1、 TERRAIN模块1.1 用
12、途mm5模式系统中的第一个模块是TERRAIN，这个模块水平插值规则经纬度上的地形高度和植被（地表分类资料）到指定的中尺度区域上，如图4.1。如果地表模式LSM在MM5中应用时，附加资料如土壤类型、植被分布率、每年深层土壤温度将被产生。1.1.1 TERRAIN模块的任务TERRAIN模块主要完成两个任务：l 建立中尺度区域：粗糙区域和划分网格区域（移动嵌套区域除外）l 为所有的中尺度区域产生地形数据场，这将首先被REGRID模块用到，以后将被MM5和NESTDOWN模块使用。这一模块仍然计算一些模式需要的常数：经纬度、地图比例因子、柯里奥利参数。1.1.2 TERRAIN模块流程TERRAI
13、N模块包括四部分：如图4.2l 原始数据输入l 从规则经纬度的原始数据到中尺度网格的插值l 嵌套区域的调整和反馈l 地形高度、地表分类资料和其他地形数据以MM5格式的输出1.2 输入数据1.2.1 原始数据作为输入到TERRAIN模块的可利用数据包括地形高度、地表分类资料/植被，海陆分界线、土壤类型、植被分布率和深层土壤温度。所有这些数据由六种分辨率：1度、30，10，5，2分、30秒。下面是一个通常可用数据的列表：l 原始高度资料有六种分辨率：1度、30，10，5，2分、30秒，所有低分辨率（1度到2分）数据产生于30秒的USGS资料l 原始地表分类资料/植被有三种类型：i）13种类，全球覆
14、盖资料 1度、30，10分（3个文件夹）ii）17种类 北美覆盖资料 1度、30，10，5，2分、30秒（6个文件夹）iii）25种类 全球覆盖资料 1度、30，10，5，2分、30秒（6个文件夹）l 两种类型的海陆分界线文件定义水体i) 17种类 北美覆盖资料 1度、30，10，5，2分、30秒（6个文件夹）ii) 25种类 全球覆盖资料 1度、30，10，5，2分、30秒（6个文件夹）l 对于mm5中的LSM，土壤类型、植被分布率和深层土壤温度是必需的，其原 始数据为：i) 17种类 6个分辨率的全球土壤数据（6个文件夹）ii) 12个月，10分，全球植被分布（1个文件夹）iii) 1度
15、全球每年深层土壤温度（1个文件夹）1.2.2 数据格式既然原始数据有不同的来源那么他们就有不同的格式，这些数据要被转化成一种标准格式以适应TERRAIN模块的使用。数据排列和格式如下：l 纬度与纬度之间从北到南一度分割，数据点从西到东排列，通常开始经度为0度（或180度）l 我们用两个字符存储地形高度和深层土壤温度，（最大值215或32768）图4.3 一个字符存储其它数据（值100）图4.4，这将使得读数据更加方便。l 所有原始数据文件都是直接路径l 所有数据都被假定在格点中央上是有效的，因此有360*180个1度数据点，360*2*180*2个30分数据点，360*120*180*120个
16、30秒数据点。1.2.3 输入数据的来源和文件大小l 高度地形高度数据分辨率数据来源覆盖范围大小（bytes）1 deg. (111.0 km)USGSGlobal129,60030 min. (55.0 km)USGSGlobal518,40010 min. (18.5 km)USGSGlobal4,665,6005 min. (9.25 km)USGSGlobal18,662,4002 min. (3.70 km)USGSGlobal116,640,000Tiled 30 sec. (0.925 km)*GTOPO30 byU.S. Geological Surveys EROS Data
17、 Center in late 1996Global (33 tiles: 40o lon. x 50o lat. or 60o lon. x 30o lat.)57,600,000or51,840,000for each of tiles30 sec. (0.925 km)USGSGlobal*1,866,240,000l 植被和地表分类资料1) 来自于PSU/NCAR全球13种类数据PSU/NCAR Land-use Data分辨率数据来源覆盖范围大小（bytes1 deg. (111.0 km)PSU/NCARGlobal842,40030 min. (55.0 km)PSU/NCARG
18、lobal3,369,60010 min. (18.5 km)PSU/NCARGlobal30,326,4002）来自于USGS北美17种类数据17-category Vegetation Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes) 1 deg. (111.0 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o-180oW183,600 30 min. (55.0 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o-180oW734,400 10 min. (18.5 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o
19、-180oW6,609,600 5 min. (9.25 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o-180oW26,438,400 2 min. (3.70 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o-180oW165,240,000 30 sec. (0.925 km)Simple Biosphere model0o-90oN, 60o-180oW1553）来自于USGS全球25种类数据25-category USGS Vegetation Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)1 deg. (111.0 km)USG
20、SGlobal1,620,00030 min. (55.0 km)USGSGlobal6,480,00010 min. (18.5 km)USGSGlobal58,320,0005 min. (9.25 km)USGSGlobal233,280,0002 min. (3.70 km)USGSGlobal1,458,000,00030 sec. (0.925 km)USGSGlobal933,120,000l 海陆分界线1） 来自于SiB Vegetation 北美海陆分界线数据Land-Water Mask Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)1 deg. (111.0 km)SiB
21、 Vegetation0o-90oN, 60o-180oW10,80030 min. (55.0 km)SiB Vegetation0o-90oN, 60o-180oW43,20010 min. (18.5 km)SiB Vegetation0o-90oN, 60o-180oW388,8005 min. (9.25 km)SiB Vegetation0o-90oN, 60o-180oW1,555,2002 min. (3.70 km)SiB Vegetation0o-90oN, 60o-180oW9,720,00030 sec. (0.925 km)SiB Vegetation0o-90oN,
22、 60o-180oW155,520,0002） 来自于USGS全球海陆分界线数据USGS Land-Water Mask Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)1 deg. (111.0 km)USGS VegetationGlobal64,80030 min. (55.0 km)USGS VegetationGlobal259,20010 min. (18.5 km)USGS VegetationGlobal2,332,8005 min. (9.25 km)USGS VegetationGlobal9,331,2002 min. (3.70 km)USGS VegetationGlo
23、bal58,320,00030 sec. (0.925 km)USGS VegetationGlobal933,120,000l 土壤Global 17-category Soil Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)1 deg. (111.0 km)FAO+STATSGOGlobal1,101,60030 min. (55.0 km)FAO+STATSGOGlobal4,406,40010 min. (18.5 km)FAO+STATSGOGlobal39,657,6005 min. (9.25 km)FAO+STATSGOGlobal158,630,4002 min. (3.70
24、 km)FAO+STATSGOGlobal991,440,00030 sec. (0.925 km)FAO+STATSGOGlobal933,120,000l 地表分类指数Global Monthly Vegetation Fraction Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)10 min. (18.5 km)AVHRRGlobal27,993,600l 土壤温度 Global Annual Deep Soil Temperature Data分辨率数据来源覆盖面大小(bytes)1 deg. (111.0 km)ECMWF analysisGlobal129,6001.2.4 数据
25、信息如果一个用户哟不同的数据来源，那么这些数据必须被转化成标准格式和直接路径的文件，此外下面的信息必须提供给TERRAIN模块，通过一个数据声明在setup.F 或 in vs_data.incl, 和 paramesv.incl.l 数据的分类l 水分类的ID号l 数据分辨率l 初始经纬度l 文件的总计数量l 在一个纬度内的数据点数量l 连接到FORTRAN单元的文件名1.2.5 地表分类和土壤种类13种(PSU/NCAR)地表分类和物理参数LanduseIntegerIdentificationLanduseDescriptionAlbedo(%)MoistureAvail. (%)Emi
26、ssivity(% at 9 m m)RoughnessLength (cm)Thermal Inertia(cal cm-2 k-1 s-1/2)Sum WinSumWinSumWinSumWinSumWin1Urban land1818510888850500.030.032Agriculture1723306092921550.040.043Range-grassland19231530929212100.030.044Deciduous forest16173060939350500.040.055Coniferous forest12123060959550500.040.056Mi
27、xed forest and wet land14143570959540400.050.067Water881001009898.01.010.060.068Marsh or wet land14145075959520200.060.069Desert252525858510100.020.0210Tundra15705090929210100.050.0511Permanent ice557095959595550.050.0512Tropical or subtropical forest12125050959550500.050.0513Savannah202015159292151
28、50.030.0317种SIB植被分类和物理参数VegetationIntegerIdentificationVegetationDescriptionAlbedo(%)MoistureAvail. (%)Emissivity(% at 9 m m)RoughnessLength (cm)Thermal Inertia(cal cm-2 k-1 s-1/2)Sum WinSumWinSumWinSumWinSumWin1Evergrn. Broadlf.12125050959550500.050.052Broadlf, Decids.16173060939350500.040.053Decid
29、s. Evergrn.14143570959540400.050.064Evergrn. Needlf.12123060959550500.040.055Decids. Needlf.16173060939350500.040.056Grnd. Tree Shrb.20201515929215150.030.037Ground only192315309292.12.100.030.048Broadlf. Shrb.P.G.19231530929212100.030.049Broadlf. Shrb.B.S.19231530929212100.030.0410Grndcvr. DT. Shrb
30、15705090929210100.050.0511Bare Soil252525858510100.020.0212Agricltr. or C3 Grs1723306092921550.040.0413Perst. Wetland14145075959520200.060.0614Dry Coast Cmplx19231530929212100.030.0415Water881001009898.01.010.060.0616Ice cap & Glacier557095959595550.050.0517No data25种USGS植被分类和物理参数VegetationIntegerId
31、entificationVegetationDescriptionAlbedo(%)MoistureAvail. (%)Emissivity(% at 9 m m)RoughnessLength (cm)Thermal Inertia(cal cm-2 k-1 s-1/2)Sum WinSumWinSumWinSumWinSumWin1Urban18181010888850500.030.032Drylnd Crop. Past.1723306092921550.040.043Irrg. Crop. Past.1823505092921550.040.044Mix. Dry/Irrg.C.P.
32、1823255092921550.040.045Crop./Grs. Mosaic1823254092921450.040.046Crop./Wood Mosc16203560939320200.040.047Grassland192315309292.12.100.030.048Shrubland22251020888810100.030.049Mix Shrb./Grs.20241525909011100.030.0410Savanna20201515929215150.030.0311Decids. Broadlf.16173060939350500.040.0512Decids. Ne
33、edlf.14153060949350500.040.0513Evergrn. Braodlf.12125050959550500.050.0514Evergrn. Needlf.12123060959550500.040.0515Mixed Forest13143060949450500.040.0616Water Bodies881001009898.01.010.060.0617Herb. Wetland14146075959520200.060.0618Wooded wetland14143570959540400.050.0619Bar. Sparse Veg.25252585851
34、0100.020.0220Herb. Tundra15605090929210100.050.0521Wooden Tundra15505090939330300.050.0522Mixed Tundra15 555090929215150.050.0523Bare Grnd. Tundra25702958595.1050.020.0524Snow or Ice557095959595550.050.0525No data17土壤分类和物理参数SoilIntegerIdentificationSoil DescriptionMaxmoisturecontentReferencesoil moi
35、stureWiltingpoint soilmoistureAir drymoist contentlimitsSaturation soilpotentialSaturation Soil conducti-vity (10-6)BparameterSaturation soil diffusivity (10-6)Soil diffu./condu. coef.1Sand0.3390.2360.0100.0100.0691.072.790.608- 0.4722Loamy Sand0.4210.2830.0280.0280.03614.104.265.14- 1.0443Sandy Loa
36、m0.4340.3120.0470.0470.1415.234.748.05- 0.5694Silt Loam0.4760.3600.0840.0840.7592.815.3323.90.1625Silt0.4760.3600.0840.0840.7592.815.3323.90.1626Loam0.4390.3290.0660.0660.3553.385.2514.3- 0.3277Sandy Clay Loam0.4040.3140.0670.0670.1354.456.669.90- 1.4918Silty Clay Loam0.4640.3870.1200.1200.6172.048.
37、7223.7- 1.1189Clay Loam0.4650.3820.1030.1030.2632.458.1711.3- 1.29710Sandy Clay0.4060.3380.1000.1000.0987.2210.7318.7- 3.20911Silty Clay0.4680.4040.1260.1260.3241.3410.399.64- 1.91612Clay0.4680.4120.1380.1380.4680.97411.5511.2- 2.13813Organic Materials0.4390.3290.0660.0660.3553.385.2514.3- 0.32714Wa
38、ter1.00.00.00.00.00.00.00.00.015Bedrock0.2000.1080.0060.0060.069141.02.79136.0- 1.11116Other0.4210.2830.0280.0280.03614.104.265.14- 1.04417No data1.3 定义中尺度区域为了定义中尺度区域有一些关键参数必须被给定l 地图投影方式：三种类型可选-兰博托正形等角投影-极射赤面立体投影-莫卡托投影l 粗糙区域的参数-中心经纬度-扩展区域信息（用于客观分析）-区域大小-格点距离（公里）l 嵌套区域参数-在母区域中格点（1，1）的位置-母区域ID-区域大小-格点
39、距离（公里）中尺度网格经纬度范围是：在定义嵌套网格时有一些限制-嵌套区域开始结束点都在粗糙区域格点上，无论是单向还是双向嵌套。这就意味着对于双向嵌套，嵌套区域的格点数必须满足（嵌套区域的格点数-1）/3是整数。-嵌套区域必须里粗糙区域边界有5个格点，这是为了保证在嵌套区域调整时有足够的数据可用。-TERRAIN模块不能产生重叠嵌套区域，重叠嵌套区域和移动嵌套区域只有在MM5模块中能被处理。1.4 区域调整mm5用用于复合区域预报时，每一个嵌套区域从母区域或的侧边界条件，在双向嵌套应用中嵌套区域会反馈作用母区域。在地形高度、地表资料、和其他地形资料准备好后，接下来的工作就是使得这些资料与地形匹配
40、。1.4.1 重新设置嵌套区域边界值1、 插值母区域的地形高度到嵌套区域网格点，用单调插值（比率=3）用滑动抛物线插值（比率=3）2、 对于嵌套区域边界行与列1到3（双向）1到4（单向）地形高度值由母区域值代替3、 对于行与列4到6（双向）5到7（单向）嵌套区域地形高度值与母区域值混合1.4.2 反馈在双向嵌套应用中嵌套区域会反馈的地形、地表分类和其它地形场的内部值将重写到母区域上，这些地性值对于所有区域都是一致的，从高级别的嵌套区域到粗糙区域这一工作一直被作。1.5 原本变量ftpdata 是否想要ftp数据（T）或不（F）USERS 用户，NCAR内部用户设置为USERS=MMM，其他用户设置为USERS=OTHERS1.6 参数声明parame.incl 7 对任何区域指定最大尺度paramed.incl 与地形分辨率有关的最大尺度1.7 参数选项1.7.1 地图背景参数PHIC 粗糙区域中心纬度XLONG 粗糙区域中心经度IEXP 逻辑变量，
