（气象学专业论文）中尺度模式mm5本地化应用研究.pdf

摘要 高分辨率的中尺度数值预报模式是精细化预报的基础，目前，删5 中尺度数 值模式在我国获得了广泛应用。该模式适用于不同的初值场并提供了许多供选择 的物理过程和处理方案。但其默认设置主要是根据美国的情况进行的，不一定完 全适用于我国。国内外大量的模拟试验说明，删5 模式物理过程和处理方案的选 择在不同地区或不同季节间存在比较大的差异。因而，为了提高模式的使用效果， 需要根据试验选择各地适用的初值场、过程和方案，将m m 5 模式本地化。 本研究中首先选择了1 4 个发生在2 0 0 3 年到2 0 0 5 年问大范围的中雨以上降 水个例，利用删5 模式进行了模拟，以分析a i ( 、g r e l l 、k f 、蹦等4 种对流参数 化方案对模式模拟结果的影响。其次选择了发生在2 0 0 3 年到2 0 0 4 年问的3 个黄 淮气旋个例，通过m b l 5 模式模拟，来分析t 2 1 3 和n c e p 两种不同初值场资料对模 式模拟结果的影响。最后了利用神经元网络对两种初始场下m m 5 模拟的气旋中心 位置和强度进行集成，探讨了模式输出产品在m i c a p s 系统下的集成方法以及利 用模式输出制作空气质量预报的卡尔曼滤波方法。 对1 4 个降水个例的数值模拟表明：4 个对流参数化方案均能较好地模拟出降 水过程，但以a i ( 方案最为适合；不同方案可对模拟结果的中小尺度系统动力， 热力场结构特征产生重要影响。两种初值场资料的模拟对比表明：两种初值场都 可以较好地模拟黄淮气旋过程：但两种资料本身存在明显差别而且这种差别会对 h i m 5 模拟结果产生影响；一般情况下，使用n c e p 资料模拟的降水场要优于使用 t 2 1 3 资料模拟的结果，而两种资料对气旋中心移动路径的模拟效果相当；当模 拟区域内有明显的副热带高压时，使用t 2 1 3 资料模拟的气旋中心路径和降水场 优于使用n c e p 资料模拟的结果。神经元网可以综合两种初值场的优点，明显改 善预报结果；当存在多个预报量时，单一网络结构比多个独立网络具有更大的优 势。通过分析m m 5 显示模块对输出预报场资料的处理及m i c a p s 的数据格式，可 以将删5 模式的输出结果集成到i d i c a p s 2 0 系统下显示。卡尔曼滤波可以较好地 利用姗5 模式丰富的输出产品制作空气质量预报。 本研究中涉及删5 模式初值场选择、对流参数化方案的选择、输出结果的解 释应用以及嘲5 模式输出在常用预报业务平台下的集成等本地化工作的多个环 节，可以为各地利用中尺度模式开展精细化预报工作提供比较全面的参考。 a b s t r 惦t h i g hr e s o l u t i o nm e s o s c a l en u m e r i c a lm o d ei st h ef o u n d a t i o no ft h e r e f i n e m e n tw e a t h e rf o r c a s t f o rt h em o m e n t ，姗5m e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e l o b t a i n se x t e n s i v eu s ei no u rc o u n t r y t h i sm o d eh a sm a n ya l t e r n a t i v e p h y s i c a lp r o c e s sa n d s c h e m e s i tc a nb ea p p ll e dt om a n yd i f f e r e n ti n i t i a l v a l u ef i e l d s b u tt h ed e f a u l ts e t t i n g so fm m 5i sp r i m a r i l yf o ra m e r i c a a n dm a yn o tr e a s o n a b l ef o ro t h e rp l a c e b o t hh e r ea n da b r o a ds u b s t a n t i v e s i m u l a t i o n ss h o w ，t h e r em a yb em a n yd i f f e r e n c ei nt h es e l e c t i o no ft h e p h y s i c a lp r o c e s s e sa n dp r o c e s s i n gs c h e m e si nd i f f e r e n ta r e a so rd i f f e r s e a s o n t h u s ，i no r d e rt og e tt h eb e s t r e s u l to ft h em o d e 。m a n ys i m u l a t i o n s n e e dt ob ed o n e t h el o c a li z a t i o no ft h em e s o - s c a l em o d e l 删5i n c l u d et h e s e l e c t i o no ft h ei n i t i a ld a t aa n dc o n v e c t i o np a r a m e t e r i z e ds c h e m e s ，t h e a p p l i c a t i o n so ft h eo u t p u to fm m 5m o d e t h ea p p l i c a t i o no f 删5m o d e s o u t p u tu n d e rm ic j 妒ss y s t e 札 t h es i m u l a t i o n so f 姗5t o1 4c a s e sw i t hd i f f e r e n tc u m u l u sc o n v e c t i o n p a r a m e t e r i z e ds c h e m e ss h o wt h a t ，n o n ei sa l w a y sb e t t e rt h a nt h eo t h e r s t h el a r g e s c a l ec i r c u l a t i o nf e a t u r e ss i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tc u m u l u s c o n v e c t i o np a r a m e t e r i z e ds c h e m e st e n dt oh a v et h es a m er e s u l t ，b u ti t o f t e nc a u s ed i f f e r e n td y n a m i ca n dt h e r m a ls t r u c t u r eo ft h em e s o s c a l ea n d m i c r o s c a l es y s t e m s t h es i m u l a t i o n st oh u a n g h e h u a i h ec y s l o n e ss h o wt h a t n c e pa n dt 2 1 3d a t aa l m o s th a v ee q u a la b i l i t yt os i m u l a t et h ep a t ho f h u a n g h e - h u a i h ec y s l o n e s g e n e r a l l y ，t h es i m u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nf i e l d b yu s i n gn c e pd a t ai sb e t t e rt h a nt h a tb yu s i n gt 2 1 3d a t a h o w e v e r ，w h e n t h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g ho c c u r so b v i o u s l yi nt h e m o d e l i n ga r e a ，t h es i m u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nf i e l da n d t h ep a t ho f h u a n g h e - h u a i h ec y s l o n e sw i t ht 2 1 3d a t ai sb e t t e rt h a nn c e pd a t a w i t ht h e c y c l o n e sp o s i t i o n sa n di n t e n s i t i e ss i m u l a t e db ym m 5a si n p u t s ，al i n e r n e u r a ln e t w o r k h a db e e nc o n s t r u c t e d i tc a nb ef o u n dt h a tt h eli n e rn e u r a l n e t w o r kc o u l di m p r o v e 删5 ss t i m u l a n tr e s u l t s b ys t u d yt h ed a t af o r m a t o fm m 5a n dm i c a p s ，t h eo u t p u to fm m 5c a nb ei n t e g r a t e di n t om i c a p ss y s t e 札 b a s e do nt h eo u t p u td a t ao fm m 5 ，t h es t e p w i s e r e g r e s sa n dt h ek a l m a n f “t e r i n gm e t h o da r eu s e dt of o r e c a s td i u r n a la i rq u a l i t y i tc a nb ef o u n d t h a tt h ek a l m a n f i l t e r i n g m e t h o dc a n g i v eb e t t e rr e s u l t st h a n s t e p w i s e r e g r e s s t h i st h e s e sc o n t a i n st h es e l e c t i o no fm m 5m o d e si n i t i a lv a l u e f i e l d ，t h es e l e c t i o no fp h y s i c a lp r o c e s sa n ds c h e m e s ，t h ei n t e r p r e t a p p l i c a t i o no f 栅5m o d e so u t p u t t h ea p p l i c a t i o no fw 5 o u t p u tu n d e r m i c a p ss y s t e ma n do t h e ra s p e c t s i tc o u l do f f e ro v e r a l lr e f e r e n c et o o t h e rp l a c e sw h e nt h e yu n f o l dr e f i n e m e n tw e a t h e rf o r c a s ew i t ht h e m e s o s c a l em o d e k e y w o r dl o c a la p p l i c a t i o n m e s o s c a l em o d em m 5 m 原创性声明 本人郑霞声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：型z 豳 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盥导师签名：立丝 日期： 第一章绪论 1 1 中尺度模式m j l 5 本地化模拟试验及应用研究的必要性 以计算机技术、大气物理理论、大气探测技术以及相关试验技术的发展和进 步为基础，自1 9 5 0 年c h a r n e y 的第一张数值预报天气图开始，数值预报理论和 技术取得了长足的进步，各种数值预报模式在天气气候领域正在发挥着越来越大 的作用“1 。在我国天气预报业务技术体制改革中，中国气象局明确提出了：我国 天气预报业务要以数值预报产品为基础，综合利用各种气象信息，努力提高预报 准确率的指导思想”1 。为了适应经济发展和社会进步对天气预报工作提出的越来 越高的要求，更好地为我国全面建设小康社会提供更加优质的气象保障，在2 0 0 6 年的气象业务技术体制改革中，中国气象局在大力推进加密自动气象站建设的同 时，又不失时机地提出了开展“精细化”预报的目标，这些都对我们常规的天气 预报业务提出了更高的要求。高分辨率的中尺度数值预报模式是精细化预报的基 础，因而合适的中尺度预报模式在基层台站的预报业务中将有广泛的应用前景。 近年来，大气探测技术和大规模并行多处理机( 胛p ) 的迅速发展，不仅为中尺 度模式提供了更多的可用资料，诸如，多普勒雷达资料、卫星遥感资料、全球定 位系统气象( g p s 姬t ) 探空资料、以及高分辨的地面观测网资料等，也为运用和 处理这些资料以及发展更复杂物理过程的中尺度模式提供了前提条件。因此，中 尺度模式今后将会更加适用于区域业务预报和实时中尺度预报及研究。 中尺度数值模式一般都提供了多种边界条件、丰富的对流参数化方案和其它 物理过程供使用者根据各地的实际情况进行选择设置，这些设置在不同地区间可 能存在较大差异，即使在同一地区的不同季节问模式设置参数的选择也可能有所 不同。 因此，在将中尺度模式应用于各地精细化预报业务的实践中，应当进行大量 的模拟试验，为选择符合各地实际情况的模式初值场、资料同化处理方法、对流 参数化方案以及其它物理过程提供依据，以便有针对性地对模式进行设置，充分 发挥中尺度数值预报模式的性能，提高模式的使用效果。 在目前情况下，中尺度数值模式的输出还不能直接作为实际的精细化预报业 务产品，往往需要进一步的解释应用工作，来充分挖掘产品中的有用信息，以改 善模式的使用效果，提高预报精度。另外，考虑到预报业务的实际，如何将中尺 度模式输出比较方便地集成到常用预报业务平台下显示，也是将中尺度模式应用 于各地精细化预报业务实践中必须解决的问题。 本研究中，以目前国际上公认的可业务化的中尺度模式姗5 为基础，探讨了 将删5 模式应用于本地精细化预报业务过程中，所涉及的初值场选择、对流参数 化方案选择、模式输出产品的解释应用方法、模式输出在m i c a p s 系统下的集成 显示以及利用模式输出制作空气质量预报等问题，可以为各地利用中尺度模式开 展精细化预报工作提供比较全面参考。 1 2 国内外中尺度数值预报模式m 惦研究与应用概况 姗5 中尺度数值模式自研制成功以来，不断进行更新，迄今为止已有v l 、v 2 、 v 3 等多种版本。气象工作者利用该模式对世界各地很多大气现象都做过比较成 功的模拟研究。该模式在我国也有着广泛的应用，国内气象工作者利用该模式比 较成功地模拟了暴雨、洪涝、西南涡、飑线、台风( 包括台风的螺旋云带) 等中 小尺度天气现象，许多地方己将凇5 中尺度数值模式试用于业务预报之中。国内 外有关姗5 模式的研究和应用情况主要可以概括为以下几个方面： 1 2 1w 5 模式的介绍、使用方法及适用性研究 程麟生综述了中尺度大气数值模式发展现状和应用前景，高坤5 1 介绍了中尺 度数值预报模式的进展和应用，李耀辉，王劲松，张华“- ”等则对w 5 模式进行了 比较详细的介绍。胡志晋、包绍武“等从理论研究和应用的角度，对静力模式和 以枞5 为代表的非静力模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作了比较细致的 分析研究，给出了静力模式的局限和使用条件，同时肯定了m m 5 等非静力模式的 优点。程麟生、彭新东、丑纪范“”等利用姗4 研究了不同地形和下垫面对冬季地 中海气旋发展的影响。马艳、张庆华n 3 1 等对中尺度数值模式删5 v 2 进行了评介。 董海萍、魏绍远“”等利用w 5 对北京地区的一次强降水过程进行了控制实验和敏 感性试验，结果表明：无论是降水位置还是降水强度，埘5 模式预报结果都与实 况比较接近，雨量变化也与实况相符；g r e l l 对流参数化方案比郭晓岚和改进的 a r a k a w a - s c h u b e r t 对流参数化方案效果好；水平网格距越小，m m 5 越能真实地模 拟出暴雨的降水强度和中尺度特征。王雨，闰之辉“”针对2 0 0 4 年汛期( 5 9 月) 中央气象台预报员及t 2 1 3 、h l a f s 2 5 、m m 5 、g r a p e s 、日本及德国等国内外数值 预报模式短期时效的降水预报做了比较详细的统计学检验；王雨“”对目前在国家 2 气象中心应用的3 个业务运行模式t 2 1 3 l 3 1 ，h l a f s o 2 5 ，华北中尺度模式删5 和 德国模式及日本模式的降水预报产品进行了季节空问分布、区域时问序列演交及 统计检验，试图从空间、时间及统计方面对降水预报产品的预报性能进行综合评 估；罢r 丰色、陈尚“”进行了中尺度模式删5 极地版本的试验；刘宁微，王奉安“耵 对新一代中尺度预报模式曾瓯( w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t ) 和己被广泛应用的 m m 5 模式进行了模拟试验对比；何光碧，陈静等呻1 将应用于西南地区的m m 5 、 g r a e p s , a r e m 和成都区域业务运行数值模式等4 个区域模式对2 0 0 4 年6 月2 9 3 0 日成都邻近地区和9 月2 6 日四川盆地东北部的暴雨降水过程进行了模拟对 比分析。 1 2 2 不同对流参数化方案及陆面过程的选择与比较 顾建峰啪2 1 3 用m m 5 中尺度模式与国家气象中心全球谱模式相嵌套，对华东地 区2 7 个测站两个月( 1 9 9 7 年3 月和7 月) 的降水预报，进行了3 类深对流参数化 方案和三种侧边界处理方案的比较试验，发现不同深对流参数化方案对降水预报 质量的影响存在一定的差异，而且这种差异在7 月份要比3 月份明显。其中，对于 有无降雨的预报，2 4 小时和4 8 小时预报效果都是b e t t s 方案较好：对于中雨、 大雨和暴雨的预报，2 4 小时的预报效果也是b e t t s 方案较好，但4 8 小时的预报效 果是a n t h e s - k u o 方案最好；而且不同侧边界条件对内域预报质量的影响也存在 一定的差异。晏红明，任菊章等乜2 1 利用非静力中尺度蛐5 数值模式，选择 a n t h e s - k u o 、g r e l l 、k a i n - f r i t s c h 和b e t t s - m i l l e r4 种积云对流参数化方案， 对2 0 0 3 年7 月2 5 2 6 日台风登陆减弱为中尺度低压系统后影响云南产生的强降 水过程进行模拟试验，重点分析了4 种参数化方案模拟的降水分布、降水强度和 中尺度低压的流场特征。结果表明：4 种积云参数化方案对这次强降水过程均有 一定的模拟能力，能够很好地模拟过程强降水中心的位置，但g r e l l 、 k a i n - f r i t s c h 和b e t t s - m i l l e r3 种方案模拟的大雨范围比实况大雨范围明显偏 小，b e t t s - m i l l e r 方案模拟的降水强度比实况偏大，r n t h e s - k u o 方案的模拟结果 与实况比较接近，它不仅能够很好地模拟强降水过程的降水区范围、降水强度和 降水中心位置，还能很好地再现低压环流系统的一些中尺度特征；王洪利，张曼 等。利用有限区域非静力m m 5 模式，分析了显式降水方案对于2 0 0 3 年7 月4 5 日南京暴雨数值模拟的不确定性影响。潘晓滨、魏绍远8 ”等通过对比试验分析了 m m 4 模式中总体边界层参数化方案的有效性。肖庆农、郭卫东。5 1 等利用删5 模拟 了1 9 9 4 年7 月的一次大雨过程，探讨了不同边界层参数和不同的水汽方案对模 拟结果的影响。潘晓滨、魏绍远o ”还进行了在细网格模式中引人总体边界层参数 化方案的数值试验。 1 2 3 m m 5 对各种尺度天气系统的数值模拟研究 隆霄，程麟生。”等利用非静力中尺度数值模式m m 5 对1 9 9 5 年1 月1 7 1 8 日 ( “9 5 1 ”) 高原暴雪过程进行了数值模拟，数值模拟结果和客观分析结果的比较 表明，非静力中尺度数值模式m m 5 有能力再现地面以上大、中尺度环流系统和热 力场：同时m m 5 能够成功地模拟出复杂大地形条件下“9 5 1 ”高原暴雪中尺度低 涡的发生、发展及结构演变。程麟生、冯五虎汹1 利用非静力中尺度数值模式咖5 的二重网格双向嵌套对“9 8 7 ”突发性大暴雨进行了全物理过程的数值模拟，揭 示了中b 尺度对流系统的生成和强烈发展与突发性大暴雨的密切关系。陆汉城、 钟科、张大林圳等利用非静力中尺度数值模式m m 5 对1 9 9 2 年a n d r e w j 飓风模拟 的高分辨率输出资料，分析了a n d r e w j 飓风的中尺度特征，研究了飓风眼区、 壁区和螺旋雨带区不同的动力结构和热力结构。王鹏云、刘春涛o ”用非静力平衡 的中尺度模式m m 5 模拟研究了从1 9 9 6 年7 月3 1 日0 8 时至8 月1 日2 0 时3 6 小 时内9 6 0 8 号台风的移动路径、中尺度热力动力学结构及云和降水物理结构及其 变化。陈敏、王洪庆、郑永光口1 1 等用非静力平衡的中尺度模式m m 5 对1 9 9 8 年7 月2 0 日湖北大暴雨过程进行了数值试验，较好地再现了中b 尺度暴雨系统的发 展过程。z h a n 6o i n g h o n g 。”等利用中尺度模式删5 成功模拟了梅雨锋上的中尺度 对流系统。朱洪岩、陈联寿、徐祥德1 利用m m 5 模式分别模拟了台风、中纬度西 风槽对台风远距离槽前降水的影响。国内外在m m 5 对各种尺度天气系统的数值模 拟研究方面的工作进行的比较充分，基本涵盖了各种天气系统的数值模拟与分 析、地形对天气系统的影响等诸多方面m 4 1 。 1 2 4 埘5 应用于气候系统和中低纬环流相互影响的数值模拟研究 朱洪岩、陈联寿、徐祥德8 3 1 等利用m m 5 模式分别模拟了台风、中纬度西风槽 对台风远距离槽前降水的影响。罗丕瑜、王安宇、吴池胜。”等利用i n 5 区域气候 模式对1 9 9 4 年6 月东亚季风进行了数值模拟，模式模拟的月平均环流和降水与 实况相接近。吴池胜、王安宇冯瑞权肺1 等利用m m 5 成功地模拟了1 9 9 4 年5 月 4 初的南海夏季风环流的建立，并通过敏感性试验，讨论了南海夏季风的建立机制。 赵平，孙健等”利用“南海季风试验”提供的同化资料，分析了1 9 9 8 年春、夏 季发生在南海上空低空急流形成机制，其中重点分析了1 9 9 8 年6 月8 l o 日 珠江三角洲暴雨过程中的低空急流过程，并用脚5 中尺度模式进行了成功的数 值模拟。 1 2 5 g p s 、卫星、多普勒雷达、加密观测等资料在m m 5 模式中的同化与应用 翁永辉、徐祥德旧3 等首次在测站稀少的高原地区引入经变分技术处理的t o v s 资料，使用1 4 1 4 5 数值模式对高原地区降水数值预报进行了研究，探讨了解决高原 地区测站少、数值预报模式初值场信息误差大的关键技术问题，提出了采用t o v s 资料在高原地区增加初值场信息的构思。江敦春、党人庆啪1 等探讨了在中尺度数 值预报模式中使用卫星资料改进模式性能的问题。高山红，吴增茂等嘲1 研究了一 种将g m s 5 卫星导出的风矢量应用于w 5 的方法。高文华，赵凤生等呻1 把经过订正 的a i r s 地面气温以及温、湿度廓线产品分析同化到中尺度模式删5 中，用于华北 降雪天气过程的对比模拟试验，分析a i r s 反演产品对模式模拟降雪量、水汽场、 垂直速度场、散度场以及云物理过程等结果的影响。徐枝芳，龚建东等叭1 通过对 比分析当前两种地面观测资料同化方案( r u g g i e r o 方案和郭永润方案) ，对其优 缺点进行初步分析研究。黄兵，刘健文等旧1 利用a t o v s 资料和常规观测资料，采 用g r a p e s 3 d v a r 同化系统和中尺度数值模式1 4 m 5 设计了仅同化常规观测资料的 n o a t o v s 试验和同化常规观测资料及a t o v s 辐射率资料的a t o v s 试验，发现同化 a t o v s 资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。李佳英，俞小鼎等 利用北京加密探空资料检验北京市气象局3 蛔分辨率的1 1 1 4 5 模拟结果。对强对 流天气的背景参数包括温湿风垂直廓线、对流有效位能c a p e 和垂赢风切变进行 了模式分析和预报与探空对比检验。李红莉，沈桐立等m 1 通过模拟试验表明：1 4 1 4 5 使用云导风资料修正初值场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好。 1 2 6 利用m m 5 模式对沙尘暴、臭氧，持续高温天气等方面进行的研究 李令军、高庆生嘀1 利用中尺度数值模式1 4 1 4 5 资料输出对我国2 0 0 0 年4 月3 9 日连续的3 次东北气旋过程形成的沙尘暴天气进行了研究。姜学恭，赵琳娜呻1 将脚5 的输出应用于沙尘数值预报模式对一次典型的蒙古气旋沙尘暴过程进行 了成功的数值模拟试验。孙建华、陈红瞰1 等利用m 1 4 5 中尺度模式对1 9 9 9 年6 、7 月华北的两段高温过程进行了模拟研究，并利用模拟输出量对高温形成的机理进 行了一些探讨。杨昕、李兴生等利用中尺度数值预报模式( s s s ) 及区域化学模 式( r a d m ) 对中国地区近地面0 。变化化学反应机理进行r 数值模拟研究。王喜红， 李兴生旧3 等利用三维中尺度非静力模式m m 5 和化学模式对1 9 9 4 年8 月1 6 1 8 日，1 9 9 5 年1 月7 9 日冬夏两个不同时期中国大陆大气对流层臭氧及其前体物 质的分布进行了数值模拟；同时深入地分析了青藏高原地区夏季对流层臭氧的分 布特征。 1 磊7 利用m m 5 模式构建中尺度预报业务系统试验研究 l 崔波、王建捷、郭肖容m 1 等利用国家气象中心c i m y - c 9 2 计算机建成了一个 可与实时资料连接的删5 中尺度预报试验系统，探讨了在目前国家气象中心计算 机资源和可获取的实时资料条件下，进行实时预报服务的可行性及可能达到的精 度，实验及检验结果表明：m i l 5 模式在强降水预报方面比业务模式h i f s 有较明 显的改进，能预报出某些中尺度降水的细化特征，对暴雨和大暴雨落区预报有较 好的参考价值；该模式可以作为城市预报的补充工具。顾建峰、殷鹤宝、徐一鸣 “”等探讨了m m 5 在上海区域气象中心数值预报中的改进和应用，指出，冬半年对 流参数化方案采用b e t t s - m i l l e r 方案，夏半年采用a n t h e s - k u o 方案为宜。国家 气象中心与北京市气象局m 以m m 5 非静力中尺度模式为基础，联合开发建成“北 京地区中尺度数值天气预报业务系统”。结果表明，系统有较强的稳定性和实用 性，对降水时空分布的预报效果较好。 1 2 8 m m 5 模式在人工影响天气及云物理分析方面的应用研究 洪延超，周非非哺利用中尺度m m 5 数值模式模拟的层状云系，研究与人工增 雨潜力有关的要素，从理论上研究了不同要素与降水的关系。在分析云体的垂直 结构、降水机制、水汽厚度、冰面过饱和水汽量、云水厚度、过冷水含量、冰晶 浓度、降水效率( 凝结水降水效率和凝华水降水效率) 等潜力要素基础上，获得了 新的潜力要素，例如“催化供给”云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量，并提出 了定性综合判断云系提高人工增雨潜力的思路。龚佃利，王俊等”利用m m 5 v 3 5 中尺度数值模式和现有基本气象业务资料，对主要影响山东的2 0 0 3 年4 月1 7 日 春季暴雨和2 0 0 2 年l o 月2 4 2 5 日秋季冷锋降水过程进行数值模拟，并分析了降 水云层可进行人工催化的条件。 6 1 2 9m m 5 模式在海洋预报、水利、地质等方面的应用研究 李燕”以m m 5 对风场的模拟作为s w n 模式中的风场资料，对大连沿海及黄渤 海域( 3 6 4 1 。n ，1 1 7 5 1 2 5 5 。e ) 的浪高进行成功预报。陈仁升等m “将中尺 度模式m m 5 应用于一个内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型中来模拟流域 日平均流量取得了满意的结果。 1 2 1 0m m 5 模式在局地气候研究中的应用 文莉娟，吕世华等m 1 利用中尺度数值模式删5 对模拟的金塔绿洲效应偏离进 行了敏感性试验研究，发现环境场对造成绿洲冷岛、高湿中心的偏离起着非常重 要的作用，而绿洲的存在则对于冷岛、高湿中心起决定作用。宋金暖，王振会等 利用中尺度模式删5 ，分别耦合传统的边界层参数化方案和城市冠层参数化 方案，模拟了2 0 0 1 年冬季北京冠层大气的动力、热力特征，并和观测资料进行 了对比分析。分析结果表明，城市冠层参数化方案更能细致描述建筑群对城市冠 层大气的动力、热力作用。 1 2 1 1 m l l 5 模式输出产品的解释应用研究 数值预报产品解释应用技术方法可以归结为两大类：一类是以入的经验为主 的定性方法，如天气学方法及诊断方法；另一类是客观定量方法，如统计学方法、 动力释用方法等。最近日本采用神经元网络方法来对数值预报产品进行解释应 用，但有关的工作国内尚无人论及。冯汉中，陈静等。“基于p s u n c a r 的高分辨 率m m 5 模式，采用多物理方案构建长江上游中尺度集合预报系统，于2 0 0 4 年8 月 1 6 9 月3 0 日进行了预报试验。降水集合预报检验表明，在2 5 r m n 以上级别的降 水预报中，集合预报能改进单一模式的预报能力。周兵，赵翠光等魄基于国家气 象中心天气预报业务平台，对德国、日本、欧洲中心数值预报模式和我国t 2 1 3 模式的夏季预报产品进行检验，在此基础上，通过不同模式对目标区域预报能力 的分析，分别应用神经元网络预报技术和基于t s 评分的客观多模式权重系数法 ( 娅) ，建立了4 个模式的集合预报方法，并应用于2 0 0 5 年汛期业务运行，取得了 比较好的效果。 综上所述，删5 不仅已经普遍应用于天气数值分析研究及一些台站预报业务 实践中，而且还广泛应用于气候、地质、水利，局地气候以及人工影响天气等许 多方面，国内许多气象工作者就该模式的模拟能力进行了大量的试验和研究。可 7 以看出删5 模式在某一地区的业务应用应当涉及边界条件、对流参数化方案、行 星边界层、第一猜测场等许多方面的分析选择，但目前国内外对删5 模式的应用 研究基本仅涉及这些问题的一两个方面，综合性的研究尚不多见。就国内外目前 情况看，有关m m 5 模式输出结果的解释应用方法以及m m 5 模式输出结果在 i l i c p s 系统下集成的研究进行的较少。特别是关于不同初值场之间差别的比较 以及这种差别对m m 5 模拟效果影响的分析基本上还处于空白。 1 3 中尺度数值模式i q t 5 本地化模拟试验及应用研究中的一些主 要内容和创新 本课题围绕m m 5 模式的本地化，针对模式初值场的选择、不同对流参数化方 案的选择、m m 5 模式输出结果的解释应用以及m m 5 模式输出结果在m i c a p s 2 0 系 统下的集成等几个方面，选择了一些对本地有代表性的历史天气过程个例，对中 尺度数值模式m m 5 进行了大量的数值模拟实验和对比分析工作。 初值场的选择是数值预报模式运行的基础，就目前情况看，中尺度数值模式 删5 的初值场可以有多种选择，但国内外关于姗5 模式的研究应用，基本上都是 以一种初值场为基础进行的，缺乏不同初值场对m m 5 模式模拟结果影响的对比分 析研究。作为一个创新点，研究中选择了目前常用的两种初值场资料，即国家气 象中心谱模式t 2 1 3 和美国n c e p 系统逐日客观分析资料，分别以这些资料作为中 尺度数值模式m m 5 的第一猜测场，对一些典型的天气系统个例进行了数值模拟， 分析了这两种初值场资料本身的差别及这种差别对删5 模式模拟结果影响。 姗5 为处理降水物理过程提供了很多可供选择的对流参数化方案，关于各种 对流参数化方案的模拟试验和比较，国内外的气象学者进行了大量数值实验工 作，但这些工作大都侧重于分析不同对流参数化方案对降水预报的影响，难以见 到对模拟结果的动力、热力场结构方面的系统分析。已有的研究结果表明，没有 哪一种对流参数化方案具有绝对的优势，不同的对流参数化方案可能分别适用于 不同地区或不同的季节。一个地区应用比较好的对流参数化方案，在其他地区未 必一定有好的效果，特别是当地域差别明显时更是如此。因而，为了提高中尺度 模式m m 5 的使用效果，有必要对各种对流参数化方案进行数值模拟实验。在m m 5 模式本地化模拟试验研究中，采用不同积云对流参数化方案对1 4 个中雨以上降 水个例进行了数值模拟，分析了不同积云对流参数化方案对w 5 模式模拟的降水 8 场所产生的差异，并比较深入地分析了不同积云对流参数化方案对m m 5 模式模拟 的天气个例中小尺度动力、热力场结构产生的影响，为m m 5 模式本地化业务运行 有针对性地选择不同的积云对流参数化方案奠定了基础。 由于中尺度数值预报产品的预报误差特征极其复杂，产品种类繁多，在目前 情况下，m m 5 中尺度数值模式的输出还不能直接作为实际的精细化预报业务产 品，往往需要进一步的解释应用工作，来充分挖掘产品中的有用信息，以改善模 式输出结果的使用效果，提高预报精度。国内外常用的解释应用技术方法可以归 结为两大类：一类是以人的经验为主的定性方法，如天气学方法及诊断方法；另 一类是客观定量方法，统计学方法、动力释用方法等。最近日本采用神经元网络 方法来对数值预报产品进行解释应用，有关的工作国内尚无人论及。论文研究中， 尝试使用人工智能神经元网络集成m m 5 中尺度数值模式的输出结果，并通过对不 同结构人工智能神经元网络集成结果的比较，探讨了在m m 5 中尺度数值模式输出 产品解释应用中，人工智能神经元网络比较有效的构造方法。该部分内容也是本 研究的一个重要创新点。 在国内外对中尺度数值模式m m 5 研究应用中，模式的输出结果基本都采用 g r a d s 或者n c a r 软件来显示，而我国日常的预报工作平台是m i c a p s 2 0 ，这就使 预报员不得不经常在两种系统间进行切换，给预报业务带来不便，而且也不便于 m m 5 中尺度预报结果和其他预报资料的综合对比分析。目前，有关将m m 5 模式输 出产品集成到m i c a p s 2 0 平台下显示处理的研究进行很少。论文研究中，通过分 析m m 5 显示模块对输出预报场的处理及其数据格式，利用m i c a p s 2 0 版增强的分 析直角坐标网格数据功能，探讨了将脚5 模式输出产品集成到m i c a p s 2 0 平台下 显示处理的一种方法。该方法为将m m 5 模式更好地应用于精细化预报业务提供了 便利。 作为m m 5 模式输出结果在预报业务中的应用，本研究探讨了使用卡尔曼滤波 方法来综合利用模式的丰富输出产品制作空气质量预报的问题。 9 第二章删5 模式运行环境、资料及方法 2 1 国内外中尺度数值预报模式概况及m m 5 模式简单介绍 目前，国内外比较成熟的中尺度数值预报模式主要有：美国的m m 5 、r a m s 、 r p s 和w r f 模式；英国的u 酬o 模式；日本的中尺度谱模式；澳大利亚的中尺度 模式；我国自行研制的g r a p e 模式等0 1 。在这些中尺度数值预报模式中，美国的 w r f 中尺度数值预报模式和我国的g r a p e 模式出现的时间较晚，目前正处于研究 推广阶段，在中尺度数值模拟和预报方面的应用还不十分普遍。而美国的m m 5 中尺度数值预报模式已经普遍应用于天气数值分析研究及一些台站预报业务实 践中，是目前国际上公认的可业务化的中尺度模式。 m m 5 ( t h ef i f t h - g e n e r a t i o nn c a r p e n ns t a t em e s o s c a l em o d e l ) 是由美 国宾州大学和国家大气研究中心( p e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y n a t i o n a l c e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 联合开发的用于气象预报模拟的中小尺度 非静力动力气象模式，它是目前气象领域中使用最为广泛的中尺度预报模式。在 我国己经建成的有限区域数值天气预报业务系统中，绝大部分都采用该模式作为 业务模式。 美国宾州大学( p e n ns t a t eu n i v e r s i t y ) 和国家大气研究中心( n c a r ) ，从七 十年代中期起研制p e n ns t a t e n c a r 中尺度数值模式删4 ( 早期为m m 2 ) ，经过二 十多年的不断改进和应用，先后形成了8 个版本，这些版本已经被美国大学和科 研单位广泛应用于对热带风暴、中纬度气旋锋面系统、暴雨、中尺度对流系统等 重要天气过程的中尺度数值模拟以及对环境科学的研究。到了9 0 年代初，在i $ 1 4 的基础上，迸一步研制出了m m 5 ，最新的第五代中尺度模型。 表2 1 已有的删5 各个版本 时间版本号 1 9 9 9 焦 v e r s i o n 2 - 1 2 2 0 0 0 笠v e r s i o n 3 2 0 0 1 年v e r s i o n 3 5 2 0 0 2 生v e r s i o n 3 - 6 m m 5 模式是在m m 4 模式的基础上研制成功的，它吸收了m m 4 模式和其他些模 式的众多成功经验，兼有静力平衡和非静力平衡两种动力框架，具有单、双向套网 格和四维同化技术( f d d a ) ，考虑了非常详细的物理过程。 1 0 中尺度数值模式m m 5 具有5 种侧边界条件可供选择，即：固定、松弛、时变、 松弛入流出流( 非静力) 或时变入流出流( 静力) 、以及海绵( 仅静力) 等。 对于顶部边界条件，在非静力模式中，选择顶部辐射边界条件；在静力模式中， 选择刚体上边界。 在中尺度数值模式m m 5 静力和非静力框架中，对水物质的处理主要采用以下 方程：水汽预报方程，云水预报方程、雨水预报方程、云冰预报方程，雪预报方 程、软雹预报方程、云冰数浓度预报方程以及软雹数浓度预报方程等，因而利用 删5 处理降水物理过程可以有很多选择。这些物理过程通常分为显式和隐式两组 方案，分别用于处理可分辨和不可分辨的降水物理过程。 在中尺度数值模式m m 5 静力和非静力框架中，行星边界层( p b l ) 参数化方 案主要有：无p b l 通量、总体p b l 、高分辨b l a c k a d a rp b l 、b u r k - t h o m p s o np b l 以及m r hp b l 等方案。该模式的大气辐射参数化方案有：无大气辐射影响、简单 大气辐射冷却、云长波和短波辐射以及c c m 2 长波和短波辐射方案等。 中尺度数值模式m m 5 的作业流程以中尺度数值积分( 删5 ) 为核心，还包括 地形处理( t e r l l a i n ) 、资料前处理、资料后处理等部分。其中前处理部分包括 d a t a g r i d ，其功能是将大尺度粗网格格点资料插值到中尺度网格点上，形成第一 猜值场。r a w i n s 对探空和地面观测资料进行处理，并对第一猜值场进行订正。 i n t e r p 对p 坐标格点资料进行o 坐标插值。资料后处理部分主要是o u t i n t e r p 对。坐标中尺度格点资料进行p 坐标插值“1 。 2 2 中尺度数值模式h 5 运行环境 2 1 1 硬件环境 为了加强精细化预报工作，临沂市气象局于2 0 0 4 年底建成了多处理器并行 机伽，p ) ，该机由1 6 个c p u 组成，设计为2 4 个节点，目前有1 2 个节点可以工作。 1 2 部微机可以作为节点登录多处理器并行机，独立地运行m m 5 中尺度数值模式。 2 1 2 软件环境 多处理器并行机运行l i n u x 操作系统，删5 中尺度数值模式选用m m s