（交通信息工程及控制专业论文）舟山海域海面风的数值预报.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 群岛散布、水道纵横交错的舟山海域地处中纬度地带，具有复杂的地理 环境和大气海洋现象，大风灾害天气频繁。舟山港具有作为国内及亚太地区 国际航运枢纽港必需的辐射扇形地理条件。目前，舟山港已经成为石油中转 储运大港，往来船只的增多，加大了舟山海域海面溢油风险：舟山海域也是 各种鱼虾繁殖和栖息的良好场所，是我国海洋生产力最高的海域。而海面风 是影响溢油油团漂移轨迹和养殖业的重要因素，因此，对舟山海域的海面风 进行研究，建立适合此区域的数值预报模式，可为研究该区域海面风作用过 程提供数值预报工具，使我们对近海区域海面风场作用中物理因子的影响程 度有更定量的认识，并对物理过程和影响机制有更深刻地了解。 本文选择了当今最为先进的中尺度数值模式m m 5 v 3 作为数值预报模 式，采用三层固定网格嵌套，选用其最新提供的3 0 s 高精度资料作为内层重 点考察小区的地形资料。在高分辨率边界p b l 参数化方案下设计5 组试验方 案，对几个个例风场进行模拟检验：控制试验、无感热试验、无潜热试验、 无感热无潜热试验、无地形试验。通过模拟试验对比，以检验地形，感热， 潜热对海面风风速、风向的强迫作用。最后选用t 2 1 3 资料，通过实时数值 预报模式系统将个例b 预报出来。 本文第一章绪论简单介绍了以舟山海域作为研究范围，以海面风作为研 究对象的研究意义、现状及技术路线。因此第二章针对本论文的主要研究手 段：中尺度大气数值模式m m 5 v 3 进行了评述，对本文所采用的模式系统， 控制方程组进行了介绍，并重点穿插介绍为适合舟山海域海面风的研究，各 模块所作的改进，为今后的具体应用提供研究基础。为分析方便第三章首先 分析了海面风的物理机制，然后针对几个海面风个例进行了5 组模拟试验， 并对其结果进行了对比分析。在第三章分析结果的基础上，第四章采用由国 家气象中心提供的t 2 1 3 资料，考虑所有因素进行数值预报，并对个例b 的 预报结果做了详细分析。第五章是本文的结语部分，总结全文，并对今后的 工作提出展望。 模拟结果充分表明： ( 1 ) 感热和潜热的海气交换和动量交换( 摩擦作用) 对于海面风的发 展和维持起着重要作用，潜热加热是海面风中最主要的能源，感热通量在一 武汉理工大学硕士学位论文 定区域对海面风风场有负面影响。 ( 2 ) 风的增幅主要是由海面潜热通量所导致，感热通量的作用很小。 ( 3 ) 地形作用相当于增加了地面粗糙度，地形压力梯度项与摩擦项地 叠加，相当于使摩擦阻尼作用增大，地形强迫作用使下边界层从上至下风速 减小，风向向左偏转。 通过数值模拟对比试验，分析了舟山海域海面风的结构和微观特征，以 及海面风与动力作用( 复杂地形) 和热力作用( 海陆热力差异) 之间的密切 关系。进一步利用国家气象中心提供的t 2 1 3 高分辨率预报场检验海面风风 场的数值预报效果，最后将其结果与实际观测作比较。为将该模式投入环境 ( 海流，海浪，风暴潮等) 动力预报奠定基础。 关键词：舟山海域，中尺度，数值预报，海面风 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t z h o u s h a n m a r i t i m e s p a c eo f a r c h i p e l a g os c a t t e r i n ga n dg u l l e ti n t e r v e i n l i e si nm e d i a n l a t i t u d e ，w h i c hh a sc o m p l e x t e r r a i ng e o g r a p h i cm a da t m o s p h e r e - s e ae l e c t r o p h o r e s i sa n dh a s f r e q u c yg a l e d o u l ) n e s sw e a t h e r z h a u s h a nh a r b o rh a sr a d i a t es e c t o r g e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n s w h i c hi si n d i s p e n s a b l et ob e 眦i n t e r n a t i o n a ls h i ph i n g eh m b o ri no u rc o u n t r y , i n t e m a t i o na n da s i aa n dp a e i 矗c n o w , z h o u s h a nh a sb e e nb 2 l r b o ro ft r a n s i t i n ga n d s t o r a g i n go n w i t hi n e r e a s i l l go f c o m i n g - a n d - g o i n gs h i p , i t sv e n t u l o f o v e r t l o w i n g 0 i li 1 1t 1 1 e o m n g i si n c r e a s i r l g ，z h o u s h a na r e ai st h eb e s tp l a c ef o ra l lk i n d so f 丘出曲r i r l l pb r e e d i n g a n di n h a b i t i n g z h o u s h a ni ss e aa r e aw h i c hf c r d i t yi st i p t o pi no u rc o u n l r y s e as u r f a c e w i n di si m p o r t a n tf a c t o ro f i n f l u e n c i n gc o n t r a i lo f e x c u r s i o no i la n dc u l t u r i s ts oi n v e s t i g a t i n g s e as u r f a c ew i n do f z h o u s h a na n d s e t t i n gu p n u m e r i c a lf o r e c a s tm o d e lw h i c hf i t st h i ss a r e a c a n o f f e r t o o l f o r s t u d y s e a w i n d i n t h i s a r e a a n d l c t t l s h a s a m e n s t r a b l e a c q u a i n t a n c es h i p o f e f f e c td e g r e eo f p h y s i c sf a c t o r sw h i c h e f f e c ts e as u r f a c ew i n di n 刁疆0 17 s h a ns e aa r e aa n d a c q u a i n to n e s e l f w i t hp h y s i cp r o c e s s n 硷t a s ks e l e c t st h eu pt ot h em i n u t em c s o s c a l en u m e r i c a lm o d e la so u rf o r e c a s t i n g m o d e la n du s et h r i c ef i x e dn e s t i n ga n dt e r r a i nd a t u mo f d o w nt od a t e ( h i g h e s t p r e c i s i o n d a t ao f 3 0 s ) a so u rt e r r a i nd a t u mi n t h ee n d o t h e c i u m w nh i g h e s tr e s p e c t i v e b o u n d a r yp b l p a r a m e t e rs c h e m e ，w ed e v i s ef i v et e s tp r o j e c t s ：c o n t r o le x p e r i m e n t a n ds e n s i t i v ee x p e r i m e n t s w i t h o u ts e m i b l eh e a tf l u x , w i t h o u tl a t e n th e a tf l u x , w i t h o u ts e n s i b l ea n dl a t e n th e a tf l u x ， w i t h o u t t e r r a i n b yc o n l l a s 衄t h e s es i m u l a t i v er e s u l t s , t h ee x p e r i m e n t s c h e c k u p t h ef o r c i n g o fh e a tf l u xa n dc o m p l e xt e r r a i nt os 龆s u r f a c ew i n d a tl a s t , c a s eas e l e c t st 1 0 6d a t u mt o f o r e c a s tb y u s i n gk z s y r e a l6 m e n t m a e r i e a l 删 1 1 1 e f i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e s i g n i f i c a t i o n o f w o r k i n g o v e r z h o u s h a n s e a a r e a 、s e a s u l - f a c w i n d 、a n ds t a 把i n - ma n dt e c h n i c a lr o u t s t h es e c o n dd l 卸蛐e fe x p l a i n st h em e s o s c a l e a t m o s p h e r em o d e l - m m 5 v 3 ，r e m a r kt h e m o d es y s t e ma n dc o n t r o l l i n ge q u a t i o n sa n d e m p h a s e si l i l l o d u c et h eu p s w i n g o fe v e r ym o d u l ei no r d e rt of i tz h o u s h a ns e aa r e a 1 1 l e t h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e p h y s i c a lm e c h a n i s m o f s e as t r f a c ew i n d f i r s t l y , t h e ns i m u l a t ef i v e c a s e sa n dc o n t r a s ta l lr e s u l t s b a s e do nt h et h i r dc h a p t e r , t h ef o u r t hc h a p t e rf o r e c a s tc a s ea w i _ m t 2 1 3 d a t u m a n d k z s y t e s t a n d a n a l y s e s t h e r e s u l t i n d e t a i l n 硷矗f m c h a p t e r b u m u p t h e a r t i c l ea n dv i e w t h ew o r l c 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 i h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e ： ( 1 ) e x c h a n g i n g o fs e a - a i ra n df o r c eo f d y r a m 砌a n dt h e r m o d y n a m j cp r o c e s s e si s v e r y i m p o r t a n t t o b r i n g a n d m a i n t a i n s e a s u r f a c e w i n d s h f i s m o s t l y e n e r g ys o u r c e s a n d l h f i sn e g a t v ge f f e c ti ns o m ea r e a ( 2 ) b 哝鄢i 1 1 9 0 f 、v i i 】d i s m a j i 母h l e d b y s h f a n d a f f e c t i n g o f i , h f i s v e r r l i t t l e ( 3 ) e f f e c to ft e r r a i ni n c w a s e sg r o u n dr o u g ha n dt o n s u r eo ft e r r a i np r e s sa n df i c t i o n c o r r e s p o n de n h a n c e f r i c t i o n a ld m u pe f f e c t n l et e r r a i ne f f e c tf o r c ew i n d ss p e e d r e d u c i n ga n d w i n d s d i r e c d o n t u r n i n g t o l e f t w i 也c o n t r a s t i n gt h ee x p e r i m e n t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h et e x ta n a l y s e s t h es t r u c t u r ea n dm i c r o c o s m i cc h a r a c t e ro fs e aw i n di nz h o u s h a nm a r i t i m e s p a c ea n dc o n s a n g u i n e o u sc o n n e c t i o nb e t w e e ns e aw i n da n da c t i o no fd y n a m i c a l a n dt h e r m o d y n a m i c t h et a s kg e t st h er e s u l to fc a s ea b yu s i n gt 2 13d a t u mo f w e a t h e rc e n t e ra n dc o n t r a s t si tw i t ht h ea c t u a ls e aw i n d t h et a s ke s t a b l i s ha f o u n d a t i o ni no r d e rt ou s et h i sm o d ei nt h ee n v i r o n m e n t a lf o r e c a s t i n g k e y w o r d s ：z h o u s h a n s e aa r e a m e s o s c a l e ，n u m e r i c a lf o r e c a s t ， s e as u r f a c ew i n d i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 舟山地处中纬度地带，整个群岛由1 3 9 0 个大小岛屿组成，终年既受西 风带冷空气，低气压等系统的影响，又受热带系统如台风的影响，因此，舟 山的大风灾害天气频繁。当冷空气西路影响时，舟山沿海则表现为西北大风； 当冷空气东路影响时，舟山沿海则表现为东北大风。舟山港地处我国东南 沿海中部，位于我国南北海运、江海联运主航道交汇中心，而且与俄罗斯、 日本、朝鲜、东南亚诸国沿海大港形成等距离海运网络，具有作为国内及亚 太地区国际航运枢纽港必需的辐射扇形中心的地理条件。 舟山港港口、航道资源丰富，随着改革开放的不断发展，舟山港现已有 大小码头6 1 2 座，其中油码头8 4 座，万吨级以上油码头6 座，最大油码头达 2 5 万吨级。目前，舟山港已经成为我国石油中转、储运大港，随着来往船 舶增多，海面溢油风险必然增大。而海面风又是影响溢油油团漂移轨迹的重 要因素之一，为了准确地模拟溢油油团的漂移轨迹，必须提供适时精确的局 地海面风风场作为输入因子“1 。再者，舟山群岛既是我国著名的风景旅游区， 又是重要的深水港口区，由于其特定的地理条件，各岛屿之间以及海岛与大 陆之间的人流、物流完全依赖于海上交通船只地运输。据统计，舟山目前共 有岛际航线8 4 条，海上客运船只1 7 2 艘，总客位3 1 7 3 5 个，年客流量1 6 0 0 万人次，舟山群岛被交通部列为全国水运安全工作三个重点区域之一。舟山 海域的海上大风是危害海上交通的重要灾害性天气，长期以来，各航运部门 以舟山市气象台发布的舟山沿海海面风力预报作为各类船只适航的风力签 证依据，但是这一风力预报是以嵊泗气象站的实测风力结合中央气象台发布 的气象预报为依据的。 事实上，由于舟山的岛屿众多、航道狭窄，岛际航线的风力受岛屿地形 的影响严重，各条航线的风力具有明显的局地特征，这一特征使得一些航线 的实际风力与预报风力有较大的偏差。随着社会的全面进步和生活节奏的加 快，气象对人民生活和社会经济等各方面的影响越来越重要，原先以舟山市 气象台发布的舟山沿海海面风力预报( 即公众预报) 作为各类船只航行签证 的依据越来越不适应时代的发展。其主要弊端表现在以下两个方面： ( 1 ) 海上航线被岛屿阻挡，因此某些风向的实际风力小于预报风力，预 武汉理下大学硕十学位论文 报风力偏大造成了航运船只不必要的停航；另一方面，地形的狭管效应又会 造成实际风力明显大于预报风力，这给海上船只的运行带来了安全隐患。 ( 2 ) 由于预报发布时间的固定，对实际风力的突然变化不能作出迅速 地预报修正，不利于海上船只的安全航行。此外，公众预报发布的风浪预报 ( 根据风力与波高的统计特征得出，未考虑地形等各种因素的影响) 也未能准 确反映各条航线的实际海浪特征。而且，由于海上航线自动风力测站建设的 明显滞后，海上气象预报还远远不能适应舟山经济和社会发展的需要。随着 海上营运船只的增多，海上交通安全欠佳，导致海上各类交通事故频繁发生。 由于对海面风，及受其影响的风浪、海流、风暴潮等局地天气预报不详，也 给海上搜救工作带来很大难度。因此为海上溢油模拟提供一个动态的环境动 力场，为海上交通安全及海上搜救提供适时准确的局地海面风预报是迫在眉 睫的”。 海面风是海洋学的重要物理参数，而在气象学中，它是行星边界层下界 面的边界条件之一，在气候模式中占据着重要地位。在海洋动力过程中，它 不仅是形成海上波浪的直接动力，而且对区域和全球海洋环流来说也是关键 性的动力；在海洋大气动力系统中，风场本身就是一个至关重要的因素， 因此，在诸如海浪、海流和风暴潮等数值模型中，一般均需首先确定海面风 风场作为海洋学的重要物理参数。因为表层环流由风控制，如果知道了海面 风风场就容易估计表层动量通量，进而估计e k m a n 抽吸和s v e r d r u p 输送。 此外，海面风对海面温度、全球生化过程和水文循环等也有重要影响。 所以，海面风场的观测与分析是研究海洋动力过程的重要基础，是沿海海洋 工程，海洋环境等问题中不得不考虑的重要气象要素之一。然而，在多数情 况下由台站发布的天气尺度( 1 0 0 0 公里以上) 的海面风场预报常常不能满 足要求。在沿海港口领域，特别是具有复杂海陆分布和地形的群岛海域，海 面风的中尺度( 一般2 - 2 0 0 公里) 时空分布同天气尺度差别较大。如前者有 白天吹海风，夜间吹陆风的风向变化，有适合避风( 如避风抛锚地) 的小风 区和开阔海域的大风区。而后者在天气尺度的时空尺度场上是恒定的，均匀 分布的。中尺度海面风分布常常是同海陆分布、地形、太阳辐射、海洋热通 量等动力热力强迫作用密切相关的。因此，认识这种在外源强迫作用下，在 较短的时空尺度上变化的风场结果和分布，并由此迸一步做出预报是客观上 的必然要求。利用中尺度数值模式来研究或预报中尺度风场，已经成为一种 重要的途径和发展趋势，有的已在沿海污染物输送模拟中得到了重要应用。 从适时应用的角度看，准确、简便、快捷地做出中尺度风场预报是必不可少 武汉理工大学硕士学位论文 的重要前提。 海面风风场是近岸与河口区工程环境评估分析及灾情预测所必需的。传 统的天气预报方法在相当大的程度上依赖于预报员的经验和主观判断，因 此，在一定程度上存在着不客观不定量的缺点。数值天气预报( 简称数值预 报) ，是一种天气预报的方法，它采用描述地球大气运动规律的流体力学和 热力学等方程组，计算出来某一时刻大气的状态和运动情况。这就是用数学 物理的方法，通过具体计算、数值求解控制大气运动的基本方程组，从而使 天气预报发生从主观到客观，从定性到定量的创时代的变化。随着科技的发 展，特别是高性能计算机与通信技术的飞速发展，数值天气预报取得了长足 进步。目前，数值预报已经成为现代天气预报的基础，其原理是现代天气预 报的核心技术。随着数值预报水平的不断提高，产品的不断丰富，数值预报 产品已经逐渐成为预报员不可缺少的工具。 基于上述分析，本次研究的重点在于将中尺度、m m 5 模式、数值预报 三者结合起来，应用于舟山海域海面风的预报中。并在其中融入当今一些其 它最先进的技术、最精确的资料，从而为准确的沿海天气预报提供更科学、 更可靠的手段，为其在航行保障、海洋环境保护、海上溢油模拟、海上搜救 等方面的实际应用打下良好的基础。 1 2 国内外研究现状分析 海面风风场的确定，过去大多采用沿岸和岛屿气象台站及船舶报等风速 资料进行统计、平均。然后虽然采用客观分析方法计算近海海面风场。但是 由于其精度严重依赖于船舶报的数量和质量，而广阔的海洋上测量站点又太 少，当计算范围扩大时，其准确性就大大下降。为满足海浪、风暴潮等灾害 性海况的数值预报和其它海洋工程环境参数研究的需要，人们提出了各种经 验的或半经验半理论的风场模式，因此就有了各种各样的区域海面风模型的 出现。著名的有m y e r s 模式、藤田模式和v 皮叶克斯模式，利用这些模式 根据梯度风公式求解海面风场，然而这些模式都必须由经验确定最大风速和 环境气压。六、七十年代，随着数值计算的进展，又提出了大量的风场模式， 其中最著名的有j e 氏模式和r a n k i n e 模式，但这些模式在实际计算中仍存 在着计算风速不准的缺点。归纳起来，现在有五种常用的风场气压模型“1 。 我们应用无量纲方法比较在风场区域被广泛使用的这五种气压类型： a t a k a h a s h i ( 1 9 3 9 ) 模型： 武汉理工大学硕士学位论文 鱼丛：l 一l 足一r 1 + b f u j i t a t ( 1 9 5 2 ) 模型： 垒丛；1 一；! 只一岛 l + 2 ( ) 2 c m y e r s ( 1 9 5 4 ) 模型： 生丛订群 o 兰， o 。( 1 1 ) 0 r o 。( 1 2 ) 0 茎r o o( 1 3 ) d j e l e s n i a n s k i c p ( 1 9 6 5 ) j 漠型： 丝& - e o = 三( ) 3 。曼，驯( 1 - - 4 ) 生丛：1 一塑 只一e o 4 r e v b j e r k n e s ( 1 9 2 1 ) 模型： 辫小 1 + ( 删1 圪一异 l、掣j rsr ( 1 5 ) 0 r 0 0( 1 6 ) 其中，p 。是风场中心气压，p 。是距离风场中心无限远处的大气压力，r 为风场最大风速半径，而pc 。，是距离风场中心某一距离处的气压。通过分析 发现，当r = 2 r 时，由a 模型所获得的数值等于b 模型的值；模型b 在风场 中心附近( o 耋r 善2 r ) 最优的表征了气压分布；而a 模型则在距离风场中心外 ( 2 r r ) 处较好的表征了海面风的分布。因此，联合模型a 和模型b 将很好的 描述风场的分布。这些气压模型虽然对开阔域里的成熟风场进行了很好的模 拟，但是对于有限区域风场的研究，只能从天气学的角度，或给出定性的描 述，或采用半经验半理论的风场计算公式得到，这对于准确的风场的获得有 很大的局限性。并且这些理想的风场气压模型和风速公式在不同的地理位 置，不同的天气条件下，不能真正地描述当时的实际情况。 在海面风风场数值预报方面，为了更好地反映有关物理因予对风场地影 响，梯度风方程也被广泛地采用，在国内己有不少人针对由梯度风方程求风 场时存在的问题做了一些改进。b l a c k a r d 以表面层的m o n i n 一0 b k h o v 相似理 论“3 和e k m a n 层的e k m a n 螺线理论为基础，得出了中性大气边界层的两层风 武汉理工大学硕士学位论文 场模式；c a r d o n e 将其推广到非中性层结的情形，考虑了稳定度对风场的修 正，他于1 9 7 8 年在大尺度气压场中嵌入模型风场，使用边界层平均风的动 力学方程给出了笛卡尔坐标下风场模式，并用于大西洋咫风边界层风场的数 值模拟”3 ，这个模式奠定了今后海面风场的基础：在国内余军在c a r d o n e 建 立的海面边界层模式的基础上，建立了一个用于海面风场后报的数值模式， 对发生在南海的3 次海面风过程，给出了1 0 m 高度风场和浪场的数值后报结 果“1 ；吴辉碇将一种多重移动套网格斜压台风模式应用于海洋环境数值预 报，并采用了一种简单的资料同化方法，修正了初始流场”：杨春成等则利 用数值预报产品和海面风气压场模型相结合的方法计算台风海面风场。这些 工作对海面风业务预报和海洋工程环境研究起到了很大的作用“。 近几年，中尺度大气数值模式动力学的主要改进是将原有的流体静力模 式发展为非流体静力模式。显然，这是要实现中尺度，特别是强风暴中小尺 度数值天气预报所必须满足的理论要求。如果说某些中a 尺度天气系统地发 生和发展还可以用流体静力模式进行模拟研究和预报试验的话，那么，中b 和中y 尺度的强对流天气系统演变已不再能用流体静力模式动力学来描写。 因此，把流体静力模式发展成为非流体静力模式，已经成为发展中尺度模式 动力学的必然结果。在这方面获得显著进展的是美国：p s u n c a r 把原有 的流体静力模式m m 4 发展为现在的非流体静力模式m m 5 ；静力原始方程 组和三维云模式合并而发展为非静力模式模拟系统r a m s ：n c e p 在原有业务 流体静力e t a 模式基础上进一步发展了业务非流体静力模式m e s oe t a 和 e t a l 0 ；同时，n c e p 还在业务全球谱模式g s m 动力框架基础上发展了流体静 力区域谱模式r s m 和非流体静力中尺度谱模式m s m 。而日本气象厅( j m a ) 数 值预报部( n p d ) 正在把业务流体静力区域谱模式j r s m 向非流体静力j r s m 发 展。 相对的，对于具有复杂河口、海洋和世界上唯一处于大洋西边界流西侧 的有宽广大陆架的中国，目前用中尺度模式进行区域气象模拟的系统虽然已 经在很多地方实现，但是在实际的业务预报中，还较少应用，尤其是针对诸 如舟山这样群岛散布的极其复杂的海域。目前，各区域的气象预报仍采用中 央气象台发布的气象信息结合地方气象观测站所测的数据，配合预报员的经 验而作的主观分析。这里面存在很大的不确定性，尤其是对于中b 和中y 尺 度的强对流天气系统，误差就非常大。 计算海面风风场的方法很多，有比较简单的也有很复杂的。利用已经获 取的资料结合经验，较为简单地诊段分析出海面风场是很有意义和应用价值 武汉理工大学硕士学位论文 的，但是其准确度难以满足实际地需要。随着计算机和海洋气象学的发展， 人们对海面风的认识逐步深入，使得迅速快捷地为近岸区域及河口区工程需 要提供高质量的海面风场成为可能。 m m 5 作为美国国家大气研究中心( n c a r ) 和宾夕法尼亚州立大学( p s u ) 开发研制的第五代中尺度数值模式，以其在灾害天气预报和模拟方面的特点 和优越性吸引了广大气象工作者。m m 5 是在m m 4 的基础上研究成功的中 尺度数值预报模式，比较详细地考虑了各种物理过程，兼有静力和非静力框 架，还具有单双向套网格和四维同化技术，适合于有限区域的研究。然而， m m 5 模式在国内地开发和应用还不太久，而且，它最初都是针对美国的实 际情况进行研究的，各种物理过程的处理方案( 如地形，湿度，径流，植被 等) ，在我国东亚地区可能不太适合。因此在引进该模式的同时，必须针对 我国的地形特征、地面状况进行完善，才有可能提高我国目前区域数值预报 的精确度。 国内外研究指出。海面风受科氏力、摩擦、涡动扩散率的垂直分布、大 气稳定度、地转风、水面蒸发率、湍流扩散过程、地形以及幅散、凝结潜热 释放等多种因素的影响。从全国海面风的气候和有关海面风的试验来看，影 响海面风的因素很多，如我国的海面风，不论风向的变化、还是风速的变化， 都是千差万别的。但在诸多的影响因素中，目前考虑的比较多的是季风、大 气环流、天气尺度系统以及海陆风等因素地影响。 从以往有关海面风的各项研究来看，所选的尺度普遍太大，主要考虑的 是作为其背景风场的天气尺度系统。在这种情况下，研究大尺度的中长期的 风向变化比较实用，比如说冬季东南沿海吹西北风，春季吹东南风。而对局 地因素地修正作用考虑不周，l ：e , 女l l 局部的海岸线、地理位置、复杂地形等等 带有局部小范围特性的因素。而正是这些局部特征因素对大尺度的气象现象 进行修正，使海面风的风速、风向以及气压具有区域特征。以往预报的主要 弊端是不能将大范围气象现象内所包含的局地风向、风速的变化适时地预报 出来加以利用，在航行保障、海洋环境保护、海上溢油模拟、海上搜救等应 用上和国夕l - $ f f 比还有很大差距。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章m m s v 3 6 模式介绍 m m 5 v 3 模式系统的结构可以分为模式前处理、主模式和模式后处理三 部分“，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、客观分析以及初始化，它为m m 5 v 3 主模式运行准备基本的输入 资料。模式前处理资料质量的好坏在很大程度上影响着模式主程序的运行结 果，因此在前处理中要充分考虑初始资料和边界值地选取；主模式部分是模 图2 1m m 5 v 3 模式流程框图 7 武汉理工大学硕士学位论文 式所研究气象过程的主控程序，它接受由前处理模块传来的资料场和初始 场，一方面将计算结果输出给模式后处理模块，供我们分析研究，一方面产 生并保存中间资料，供主模式程序再运行，如果我们只需要程序单运行，那 么这部分资料可以根据我们的需要选择是否输出：后处理模块是对模式运行 后输出的结果进行分析处理，包括诊断和图形输出、解释和检验模式模拟或 预报效果，m m 5 v 3 模式的流程框图如图2 1 所示。 m m 5 v 3 模式是在l i n u x u n i x 操作系统下运行的一个大型模块化程序， 除在c r a y 巨型机上运行外，还可以分别在s u n 、s g i 、a l p h a 、i b m 、h p 等工 作站上运行，本课题的所有试验均在s g i - r 作站上实现。为了便于系统的维 护和管理，m m 5 v 3 模式采用程序维护工具m a k e 进行编译、链接、清理等工 作，并通过编译文件“m a k e f i l e ”来发生作用。在每一次编译中，“m a k e f i l e ” 对于此前未作修改的程序，它将不再进行编译，而只编译那些最近作过修改 的程序，这样对于包含诸多源程序的模式来说，就能节省对逐个程序进行重 新编译的时间。在该模式中如果需要将我们自己编写的子程序块添加进去， 就必须修改其目录级的“m a k e f i l e ”文件，添加输入接口接受子程序进行编 译执行，添加输出接口输出结果并传给相应接收该结果的程序。对于程序的 执行，u n i x 系统采用工作平台的形式，即执行“ d e c k ”命令，其中“ ” 指所选择的模块( 如t e r r a i n ，d a t a g r i d ，r a w i n s ，i n t e r p ，m m 5 模块) ，在 d e c k 文件中，我们通过修改参数来达到研究分析的目的。 m m 5 模式自从被开发以来得到了不断的应用和发展，现在m m 5 v 3 已 经可以处理多重嵌套网格，最多可以达到9 重套网格，其子网格可随时被激 活和关闭，并且可以移动。这样有助于研究不同尺度系统之间的相互反馈作 用，并可在有限的计算能力下，对较小区域作较长时间的高分辨率模拟。细 网格的初值和边界值从其母级网格的结果读出，细网格在完成三步积分之后 将结果再反馈回母网格，形成逐级双向嵌套。嵌套过程中为了保证予网格能 够从其母网格获得足够的信息使运行结果更真实，子网格和母网格的边界隙 必须足够大，如图2 - 2 所示，并且予网格的母区域必须是单一l e v e l * 值， 不可以跨越不同的l e v e l * 区域，以保证模式正确嵌套“。以前旧版本的m m 4 模式模拟的水平网格尺寸一般大于或相当于垂直尺度，静力近似是适用的。 但是随着模拟的尺度越来越小，静力假定条件就不再满足。在考虑垂直速度 的情况下垂直速度对垂直气压梯度产生作用，静力平衡不再满足。因而在 原有m m 5 v 3 的模式系统的基础上除了原有的静力模式框架外，又增加了非 静力模式框架，允许模式应用在更小网格距离的范围内。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 基本算法 图2 - 2 区域嵌套结构 m m 5 v 3 模式区域的水平网格采用a r a k a w a - - l a m bb 网格”“，这种网格 非常适合中高纬度的区域，预报效果也比其它网格好。在数值模式预报中， 有关地形的描述非常重要。大多数数值预报模式均采用盯坐标来处理，非静 力模式m m 5 v 3 也采用地形追随形式的o - 坐标形式。底层网格近似平行于地 形而高层坐标面近似平面，这种坐标能够更加更充分地考虑地形因素对风场 的影响，如图2 3 所示。模式系统得到的和最后分析的数据都是在等压面上， 所以初始场的数据在进入m m s v 3 模式之前必须先插值到模式的垂直盯坐标 系上。 其中盯为： d 卜删( 2 - - i ) 这里p 。为地面气压，p 。为模式顶层气压，p 为任意层气压。将模式的垂 直层次的值定义在0 到1 之间，顶层值为0 ，地表值为1 ，中间各层的值可 以选取o 至1 之间间距不等的值。不同模式的垂直层数可以根据需要具体确 定，层数过多将影响整个模式的计算速度，我们应在满足实际需要的前提下 尽量减少垂直层数。 9 武汉理工大学硕士学位论文 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一“u 1 ：q ，p 图2 - 3 追随地形坐标 变量u 、v 、t 、q 、p 定义在模式半盯层上，垂直速度w 定义在盯层上。 非静力模式的坐标用一个参考状态气压来定义，而不象静力模式中用实际气 压来定义。从方程和图中可以看出仃在顶层为o 而在地面为1 ，每一模式层 有自己的盯值，在0 至l 之间，一般边界层的分辨率具有更精细的分辨率， 层数从1 0 到4 0 。 将气压、温度和空气密度分别定义参考项和扰动项，即： p ( x ，y ，z ，) 2 p o ( z ) + p ( x ，y ，z ，) ( 2 - 2 ) r ( x ，y ，z ，f ) 2 t o ( z ) + t ( x ，y ，z ，f ) ( 2 3 ) p ( x ，y ，z ，) 3 p o ( z ) + p ( x ，y ，z ，r ) ( 2 - 4 ) 其中，格点上的气压为：p 2 p 盯+ p r + p( 2 - - 5 ) 整个模式区域我们分为点和点，二者之间的距离仅仅相差半个网格距， 1 0 。 雌 ” k，哇2畦3畦d咕 们 嘶 5畦6 7 8 9 m 忱”协 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 m a x j m a x ) ( i + j m a x ) j 图2 4m m 5 v 3 模式的水平网格结构 为了便于计算和分析，不同的变量定义在不同的点上。如图2 - 4 所示，可以 看出，变量t ，q ，p ，w 等定义在网格的中心，而东西向风速u 和南北风速v 分量位于角上，网格中心点以叉点( c r o s sp o i n t ) 表示，网格角上的点用 逗点( d o tp o i n t ) 表示。数据进入模式前，系统前处理模块必须作必要的 插值，使数据和网格一致。上面的矢量大部分定义在每个网格垂直层的中间， 即定义在半盯层上( 半层的破折线称为半仃层) ，只有垂直速度w 定义在整 层的实线，即定义在整盯层上。我们定义盯面时列出的层是整层，包含0 和 1 值，而模式层总是比整层少1 ，m m 5 v 3 模式的有限差分主要依赖于网格 跳点。 2 2 基本方程组 气压方程： 等一风+ 护v 一肌即+ 等c 导+ 吾d o ， c z e ， 武汉理工大学硕士学位论文 水平动量方程： 詈+ 号c 芸一手芸鲁，= - v v u + v c ，+ “考一a 缸m ，e w c o s c t - $ i w + 见 詈+ 詈【号一j o - a 砂p d a p 仃 一儿v v ( 2 7 ) “( ，+ “罢兰一v 芸兰) 一e w s i n 口一旦+ d 。 o y蹴6 垂直动量方程： 百i w 一7 p o 歹g 石a p + 鲁= _ v v w + g p p oi t 一警等+ 出c 。s g 一心n 口，+ + 风 ( 2 9 ) 热力方程： - = - v v t + 万1 ( 等讲跏- - p o 川+ 号+ 吼t o _ d 一( 2 - - 1 0 ) 水平对流项可被扩展为： 矿v a ：m “_ 0 4 + m v 0 _ a + 盯昙生 ( 2 1 1 ) 洲o c t 这里的；：一掣w 一罂箪“一等箪。 ( 2 1 2 ) 散度顷愀： v 矿2 研2 昙( 旦) 一了m w 百国o 石o u m p+ m 2 号南m 一等等旦0 0 一等筹 废僦d 盯 咖口却d 口d ( 2 一1 3 ) 以上把关于方程的推导和从z 坐标到盯坐标地转换略去，模式当中，方 程( 2 - - 6 ) 不包含右边圆括号内的最后一项，它代表了因为气体扩散时热量 引起韵气压增长被忽略。方程( 2 8 ) 和( 2 - - 9 ) 包含e l l ，e w 项，代表了 通常被忽略的柯氏力成分，这里的p = 2 q c o s a ，口2 p 一纯，五是纬度，妒是 经度，依是中心经度。“娑，v 娑和7 赢项代表了地球的曲率效应，m 是地 钟钟 武汉理工大学硕士学位论文 图因子。方程( 2 - 6 ) ，( 2 - - 1 1 ) 包括了当计算水平梯度时对斜盯面起作用 的项。考患水汽和微物理变量如云和降水的预报方程包含了对流和各个源汇 项。 2 3 模式主要子系统功能及模拟系统特征 2 3 1 模式主要子系统功能 m m 5 v 3 模式系统“1 总共由7 大部分组成，如图2 5 所示：地形处理 图2 - 5 v 5 v 3 模式模拟系统 模块t e r r a i n 、历史和实时资料插值模块r e g r i d 、探空资料与地面资料 同化模块r a w i n s 、坐标转换模块i n t e r p f ，i n t e r p b 、模式主程序m m 5 、 图形显示部分g r a p h r i p g r a d s 、盯面场水平插值n e s t d o w n 组成。在 程序中各个具体模块的作用有很大差别，其中t e r r a i n 、r e g r i d 、 i n t e r p f 、m m 5 是程序运行的关键模块，必须选：而有些模块是可选可不 选的，如i n t e r p b 、r a w i n s i 、g r a p h r i p g r a d s 、n e s t d o w n 。我们 可以根据不同的目的，分鄹选取其中之一或多个模块进行处理，在本次试验 武汉理工大学硕士学位论文 中我们选取的模块有t e r r a i n 、r e g r i d 、l i t t l er 、i n t e r p f 、m m 5 、 i n t e r p b 、g r a p h ，r i p g r a d s 。为了提高运算速度，充分发挥多c p u 服 务器s g i 的高速度特点，我们在m m 5 主程序运算中加进并行运算c p p 程序。 模式系统中各主要功能模块的功能为： ( 1 ) 地形处理模块( t e r r a i n ) ：t e r r a i n 模块是中尺度系统m m 5 的 第一部分内容，为中尺度模式产生地图背景，用以处理规则经纬度网格点上 的地形高度( t e r r a i n ) 和地表分类资料( 1 a n d u s e ) ，并运用滑动抛物线内插法或 c r e s s m a n 分析法将这些资料内插到指定地图投影的中尺度网格上。它具有 嵌套网格的功能，并可选择用单向或双向嵌套方式，为实现这一目标，在每 个所考虑的模式域中，有以下五个过程： l 、在