适用于中小尺度的MM5模式

MM5模式是基于MM4 模式改进并发展的一类中小尺度模式。MM4 是由PSU 和NCAR 联合研制的一个适用于有限区域的中尺度数值天气预报模式，它是The Fourth-Generation Mesoscale Model的缩写，由于采用了静力平衡关系，因此水平格距不能太小。该模式包括了地形资料的整理、地面资料整理、探空资料整理、客观分析、初始化、形式预报和后处理等模块，是一个比较完整的数值天气预报系统。此外，它的网格中心位置、水平格距、水平格点数、垂直分层、客观分析方案及边界条件等方案都可灵活选择，使用起来比较方便。例如，若该模式选取25×31格点，垂直取10层，利用当前主流微机系统，采用FORTRAN 语言编译，做24h预报的计算时间仅需数分钟，有很好的时效性，且它对降水预报有较好的参考价值，受到普遍的欢迎。图2-2为MM4模式系统流程图。

在MM4的基础上，PSU／NCAR 改进并发展出了MM5模式。此模式使用追随地势坐标，容许多重的巢状网格 （Nested Domains） 仿真，并具有四维数据融入（Four Dimensional Data Assimilations，FDDA）的功能，运用在不同尺度间的交互作用可以得到较好的解析。对于复杂的中尺度系统而言，MM5的仿真可弥补观测数据上时、空分辨率的不足，区域预报能力较好。

MM5模式结构可分为前处理模块 （TERRAIN、REGRID、INTERPF、LITTLER）、主模块、 后处理及绘图显示模块等辅助模块 （包括RIP、GRAPH、GrADS、Vis5D）。在每一部分中又有相应具体的内容，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。各模块具体功能如下：

（1）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。

（2）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，并在这些层上进行二维插值。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。

图2-2　MM4模式系统流程图

（3）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。

（4）LITTLE-R：其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。(www.xing528.com)

MM5的水平网格与MM4一致，如图2-3所示。在水平面上是采用荒川-B （Arakawa B）交错网格方式，此种网格设计将质量场与速度场交错分布，除可节省定差法在计算上的时间外，还可减少因计算所产生的误差；而垂直速度的计算则不论是水平面上或垂直方向上，均与水平速度场错开来计算。

垂直方向采用追随地势坐标，并可采用不一致的网隔间距，将非线性的变量场依适当的权重带入计算，如图2-4所示。

图2-3　MM5模式水平网格方案

注：1.网格区大小为 （Imax，Jmax）。2.圆点和叉点交错分布。3.圆点表示风速矢量，u、v为风速的横向或纵向矢量。4.叉点表示其他需要预报的标量，如T 为温度，p 为气压，q为水分比例，ω 为垂直速度。

图2-4　MM5模式的垂直结构

MM5 模式的一个重大进展是研制出了非流体静力学模式的选项，即模式使用者可以根据需求选取静力学或非静力学模式。如果采用非静力学模式，可以满足中小尺度β （20～200km） 和中小尺度γ （2～20km） 强对流天气系统演变的模拟需要，这对深入细致地研究中小尺度系统，可以说是一个非常得力的工具。MM5 中降水物理模式也有许多方式可供使用者选择，包括简单的云水过程（不包含冰相变化）到复杂的冰晶转换模式，均以显性方式计算，模式允许用户依不同的目的而加以指定降水物理计算方法。这对于研究或预报尺度较小的强降水过程无疑是非常有益的。在积云参数化方法上，MM5也提供了以下模式，其中包括有Anthes and Kuo、Grell及直接计算的积云参数化法等。Anthes and Kuo的方法应用在网格分辨率较低、范围较大的模拟网格上，此法以大尺度水汽的辐合辐散量作为积云计算的标准，因此对于尺度较大的对流系统而言，此法可表现出水汽的集中与对流的发展，但对于尺度较小、影响原因复杂的对流系统而言，其趋近的准确性便降低许多。Grell的积云参数化法利用简单的单一云胞（Single-Cloud）作为参数化的基础，在此云胞中只允许上升气流、下降气流与补偿运动存在，并由这些运动来决定大气加热与增湿的垂直剖面。云胞与周围的大气并无直接的混合，云顶与云底的上升与下降运动才有与环境大气相互混合的现象。而当网格间距小于对流系统的尺度时，积云发展的过程可被直接解析出来，因此可采用直接计算水汽的方式来仿真，并可节省模式计算的时间。

在下边界边界层的模拟上，MM5亦提供数种参数化法供使用者选择，包括较简易适用的、垂直网格分辨率较低的单层参数法，高分辨率的Blackadar行星边界层法，以及利用乱流动能来计算的Burk-Thompson PBL 方法等模式。其中Blackadar的行星边界层模式被用来预报水平风场的垂直混合、温度、水汽（混合比）、云水及冰的变化是非常有效的方式。Blackadar方法将边界层情况分为两类：夜间 （Nocturnal Regime）与自由对流（Free Convection），并将对流发生的可能性分为稳定对流、乱流机械式运送、不稳定强迫对流和不稳定自由对流。其中夜间边界层发生对流的可能性只包含稳定、乱流机械运送及强迫对流。MM5模式中所选用的大气辐射参数方法亦包含多种选项，有简易的大气辐射冷却过程的模拟，也有复杂的多层频率长短波辐射平衡的计算。此外，在行星边界层物理过程参数化、大气辐射参数化等方面，MM5模式也均有进展和改善。

MM5是当前较先进的中小尺度数值预报模式，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。目前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。