【正文】 到 sigma 坐標的垂直插值，接近地面的 sigma 平面與地 形相似，高水平 sigma 面與等壓面近似。 TERRAIN 和 REGRID 模塊用來處理在麥卡托或蘭博托或極射赤面投影下，地形數(shù)據(jù)和等壓面氣象數(shù)據(jù)從規(guī)則經(jīng)緯網(wǎng)格點到高分辨可變中尺度區(qū)域的水平插值。這些變化使得許多工作在這一模式系統(tǒng)下建立起來。 1 中尺度模式（ Mesoscale Model 5 v3）用戶手冊 一、 概述 1. mm5 模式系統(tǒng)的結構 第五代中尺度模式 mm5 是近年來由美國大氣研究中心（ NCAR）和美國濱州大學（ PSU）在 mm4 基礎上聯(lián)合研制發(fā)展起來的中尺度數(shù)值預報模式，已被廣泛應用于各種中尺度現(xiàn)象的研究。 Mm5 在以往的模式基礎上作了許多變化，主要有以下幾點： 1）復合區(qū)域嵌套功能， 2）菲靜力部分擴展 3）四位數(shù)據(jù)同化功能以及較多的物理過程參數(shù)化，能夠方便、廣泛地應用于各種計算平臺。 圖 是整個 mm5 模式系統(tǒng)的結構框圖，它表現(xiàn)了模式的模塊次序、數(shù)據(jù)流程以及各模塊主要功能的簡短說明。由于插值不能提供全面的中尺度信息，因此插值數(shù)據(jù)必須加大， RAWINS/little_r 就是用連續(xù)掃描 Cressman 客觀分析方法和復合二次曲面技術來處理水平網(wǎng)格觀測資料和無線電探空資料。 MM5 模塊是系統(tǒng)的核心部分，包含氣象過程的主控程序，主要求解大氣運動基本方程組。 2 2． Mm5 模式的水平和垂直格點 介紹模式的格點構造是非常有用的，模式系統(tǒng)通常是從等壓面上獲得、分析數(shù)據(jù)的，但是這些資料在進入模式之前不得不被插值到模式的垂直坐標中。中間層是隨著氣壓的減小趨向頂層氣壓逐漸變得平坦（如圖 ）。 從上圖可以看出：在頂層 ?等于 0，在底層 ?等于 1，模式的每一水平層由 ?值來定義，模式的垂直分辨率由 0 到 1 之間的數(shù)目決定，通常邊界層的分辨率高于頂層分辨率，水平層數(shù)盡管原則上沒有限制，但通常在 10 到 40 層之間變化。模式中中央點被當作叉 X，兩邊點被當作點 所以上層變量被定義在模式垂直層的中央，作為半層由一條虛線表示出來 3 （圖 ），垂直速度在格水平層上表示為實線，在定義 sigma 坐標時所有層都要被列出，包括 0 層和 1 層，因此模式層的數(shù)量比 sigma 層少一層。圖 時其中的一種配置，對于雙向交互作用的區(qū)域，它們的嵌套比率為 3： 1，所謂的雙向就是嵌套區(qū)域邊界條件的輸入來自于粗糙區(qū)域，而嵌套區(qū)域對粗糙區(qū)域又有反饋。區(qū)域 4 是第三級別，說明他的網(wǎng)格尺寸和時步相當于區(qū)域 1 的 1/9。在模擬試驗中嵌套區(qū)域可能隨時被轉動或停止，也就是無論何時母區(qū)域被停止，所有他的派生嵌套區(qū)域就 被停止。 單向嵌套在模式中也是可能的，這是模式首先被運行產(chǎn)生一個輸出，一旦單向嵌套區(qū)域位置被定下來，邊界條件文檔也就生成了。單向嵌套區(qū)域也可能被初始化在增強數(shù)據(jù)分辨率和地形分辨率的條件下。因此在運行模式前，邊介值必須被設定。對于實時預報側邊界條件最終依 賴于全球模式預報。上層空氣分析值，邊界值只能 12 小時一次，而對于模式產(chǎn)生的邊界值可能更高頻率比如 6 小時一次甚至 1 小時一次。雙向嵌套邊界條件與單向是相似的，但每粗糙區(qū)域一個時步他就會更新，而且沒有松弛區(qū)域。本質上四維數(shù)據(jù)同化允許模式在強迫條件下執(zhí)行，也就是張弛 朝著觀測場和分析場。這樣做是優(yōu)于一個簡單天氣分析初始化過程，因為一段時間內的附加數(shù)據(jù)將有效增加數(shù)據(jù)的分辨率。 四維數(shù)據(jù)同化的兩個主要應用是： 動力初始化 四維數(shù)據(jù)設置。結果表明相對于 5 靜態(tài)初始化附加數(shù)據(jù)對預報是有益的。 數(shù)據(jù)同化的兩種方法依賴于數(shù)據(jù)是否是格點的還是單個觀察的。對于小尺度信息， 非天氣圖定時資料 或特殊平臺象機床、飛行器等不能被利用，但個觀測資料能夠被用來張弛逼近模式。每個格點上的觀測資料的權重依賴于他們在時間上和空間上到觀測站的距離。模式每個格點單元被分派一種地表資料，從而決定了表面特性如反射率、粗糙長度、長波反射率、熱容量和濕度等。列表中的值相應季節(jié)變化。模式的 u,v 在于觀測支隊比前需要旋轉。 地圖的比例因子 m被定義為： m = (distance on grid) / (actual distance on earth) 它的值通常接近于 1，雖緯度變化，模式投影保持小區(qū)域的形狀，以便每處 dx=dy，但是網(wǎng)格長度是變化的，對應的區(qū)域在平面上表示為球面。 8. 運行模式系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù) 因為 mm5 模式系統(tǒng)首先是為實時資料研究設計的，因而它需要以 下資料來運轉： ? 地形資料和地表分類資料 ? 網(wǎng)格大氣資料至少有以下幾種：海平面氣壓、風、溫度、相對濕度、位勢高度，氣壓分層：表面氣壓、 1000、 850、 700、 500、 400、 300、 250、200、 150、 100mb ? 觀測資料 模式中提供了一些基本的地形、地表分類和全球覆蓋但分辨率可變的植被數(shù)據(jù)，關于怎樣從 NCAR 上獲得資料，請查閱網(wǎng)站 : 6 二、 模式分模塊介紹 TERRAIN 模塊 用途 mm5 模式系統(tǒng)中的第一個模塊是 TERRAIN，這個模塊水平插值規(guī)則經(jīng)緯度上的地形高度和植被（地表分類資料）到指定的中尺度區(qū)域上，如圖 。 TERRAIN 模塊的任務 TERRAIN 模塊主要完成兩個任務： ? 建立中尺度區(qū)域：粗糙區(qū)域和劃分網(wǎng)格區(qū)域（移動嵌套區(qū)域除外） ? 為所有的中尺度區(qū)域產(chǎn)生地形數(shù)據(jù)場，這將首先被 REGRID 模塊用到，以后將被 MM5 和 NESTDOWN 模塊使用。 TERRAIN 模塊流程 TERRAIN 模塊包括四部分：如圖 ? 原始數(shù)據(jù)輸入 ? 從規(guī)則經(jīng)緯度的原始數(shù)據(jù)到中尺度網(wǎng)格的插值 ? 嵌套區(qū)域的調整和反饋 ? 地形高度、地表分類資料和其他地形數(shù)據(jù)以 MM5 格式的輸出 7 輸入數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 作為輸入到 TERRAIN 模 塊的可利用數(shù)據(jù)包括地形高度、地表分類資料 /植被，海陸分界線、土壤類型、植被分布率和深層土壤溫度。下面是一個通?？捎脭?shù)據(jù)的列表： ? 原始高度資料有六種分辨率： 1度、 30， 10， 5， 2分、 30 秒，所有低分辨率（ 1 度到 2分）數(shù)據(jù)產(chǎn)生于 30秒的 USGS 資料 ? 原始地表分類資料 /植被有三種類型： i） 13 種類，全球覆蓋資料 1度、 30， 10 分（ 3個文件夾） ii） 17種類 北美覆蓋資料 1度、 30， 10， 5， 2分、 30 秒（ 6個文件夾） iii） 25種類 全球覆蓋資料 1度、 30， 10， 5， 2 分、 30秒（ 6 個文件夾） ? 兩種類型的海陸分界線文件定義水體 i) 17 種類 北美覆蓋資料 1 度、 30， 10， 5， 2 分、 30秒（ 6 個文件夾） ii) 25 種類 全球覆蓋資料 1度、 30， 10， 5， 2 分、 30秒（ 6 個文件夾） ? 對于 mm5 中的 LSM，土壤類型、植被分布率和深層土壤溫度是必需的，其原 始數(shù)據(jù)為： i) 17 種類 6 個分辨率的全球土壤數(shù)據(jù)（ 6 個文件夾） ii) 12 個月， 10 分，全球植被分布（ 1個文件夾） iii) 1 度 全球每年深層土壤溫度（ 1 個文件夾） 數(shù)據(jù)格式 既然 原始數(shù)據(jù)有不同的來源那么他們就有不同的格式，這些數(shù)據(jù)要被轉化成一種標準格式以適應 TERRAIN 模塊的使用。 ? 所有原始數(shù)據(jù)文件都是直接路徑 ? 所有數(shù)據(jù)都被假定在格點中央上是有效的，因此有 360*180 個 1度數(shù)據(jù)點，360*2*180*2 個 30 分數(shù)據(jù)點， 360*120*180*120 個 30秒數(shù)據(jù)點。s EROS Data Center in late 1996 Global (33 tiles: 40o lon. x 50o lat. or 60o lon. x 30o lat.) 57,600,000 or 51,840,000 for each of tiles 30 sec. ( km) USGS Global*** 1,866,240,000 ? 植被和地表分類資料 1) 來自于 PSU/NCAR 全球 13種類數(shù)據(jù) PSU/NCAR Landuse Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋范圍 大?。?bytes 1 deg. ( km) PSU/NCAR Global 842,400 30 min. ( km) PSU/NCAR Global 3,369,600 10 min. ( km) PSU/NCAR Global 30,326,400 2）來自于 USGS 北美 17種類數(shù)據(jù) 17category Vegetation Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋面 大小 (bytes) 1 deg. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 183,600 30 min. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 734,400 10 min. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 6,609,600 10 5 min. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 26,438,400 2 min. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 165,240,000 30 sec. ( km) Simple Biosphere model 0o90oN, 60o180oW 155 3）來自于 USGS 全球 25種類數(shù)據(jù) 25category USGS Vegetation Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋面 大小 (bytes) 1 deg. ( km) USGS Global 1,620,000 30 min. ( km) USGS Global 6,480,000 10 min. ( km) USGS Global 58,320,000 5 min. ( km) USGS Global 233,280,000 2 min. ( km) USGS Global 1,458,000,000 30 sec. ( km) USGS Global 933,120,000 ? 海陸分界線 1） 來自于 SiB Vegetation 北美海陸分界線數(shù)據(jù) LandWater Mask Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋面 大小 (bytes) 1 deg. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 10,800 30 min. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 43,200 10 min. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 388,800 5 min. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 1,555,200 2 min. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 9,720,000 30 sec. ( km) SiB Vegetation 0o90oN, 60o180oW 155,520,000 2） 來自于 USGS 全球 海陸分界線數(shù)據(jù) USGS LandWater Mask Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋面 大小 (bytes) 1 deg. ( km) USGS Vegetation Global 64,800 30 min. ( km) USGS Vegetation Global 259,200 10 min. ( km) USGS Vegetation Global 2,332,800 5 min. ( km) USGS Vegetation Global 9,331,200 2 min. ( km) USGS Vegetation Global 58,320,000 30 sec. ( km) USGS Vegetation Global 933,120,000 11 ? 土壤 Global 17category Soil Data 分辨率 數(shù)據(jù)來源 覆蓋面 大小 (bytes) 1 deg. ( km) FAO+STATSGO Global 1,101,600 30 min. ( km) FAO+STATSGO Global 4,406,400 10 min. ( km) FAO+STATSGO Global 39,657,600 5 min. ( km) FAO+STATSGO Global 158,630,400 2 min. ( km) FAO+STATSGO Global 991,440,000 30 sec. ( km) FAO+ST