第四章中尺度模式的物理过程2

中尺度对流系统物理过程【原创版】目录一、引言二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念2.特征三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案2.对流动量传输（CMT）3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用四、结论正文一、引言中尺度对流系统是指在对流层内，水平尺度在 100-1000km，垂直尺度在 1-10km 的大气系统。

这些系统在气象学中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。

对流系统物理过程的研究有助于我们深入了解大气运动和天气演变的机制。

二、中尺度对流系统的概念和特征1.概念中尺度对流系统是在气象学中研究的一种大气系统，主要涉及对流层内的大气运动。

这些系统在水平和垂直方向上的尺度都比天气尺度系统小，但比积云对流大。

中尺度对流系统可以包含多种对流形态，如层云、积雨云、雷暴等。

2.特征中尺度对流系统具有以下特征：（1）水平尺度在 100-1000km 之间；（2）垂直尺度在 1-10km 之间；（3）系统内的对流过程较为复杂，包含多种对流形态；（4）在气象学研究中具有重要的地位，因为它们与天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。

三、中尺度对流系统中的物理过程1.对流参数化方案在对流系统中，对流参数化方案是描述对流过程的重要方法。

传统全球模式（GCM）的对流参数化方案基于云的深对流结构，因此产生的对流动量传输（CMT）只有降尺度的效果。

有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程，称为对流动量传输（CMT），它在天气尺度系统和积云对流之间起着至关重要的连接作用。

2.对流动量传输（CMT）对流动量传输（CMT）是指有组织的对流通过水平动量的垂直传输，与大尺度环境流场交换能量的过程。

CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用尤为重要，因为它可以通过垂直传输过程将能量从次网格向大尺度传播，出现在有组织的深对流中。

3.CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的作用通过一个给定的切边环境场的数值模拟研究，可以看到 CMT 在斜压模态的中尺度对流系统中的升尺度（upscale）过程。

1.背风波：当风速随高度增大时，则可在背风坡出现波动气流，这种波动成为背风波。

2.多单体雷暴：由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统3.龙卷风暴：产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴。

4.温带飑线：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。

其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速、气压、温度等突变的狭窄强对流云带。

为破坏力严重的灾害性天气。

5.对流复合体（MCC）：指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的对流系统，其空间尺度和时间尺度具有幅度很广的谱。

最简单的是二维的线状对流系统，最大而复杂的是一种具有近于圆形团状结构的MCC这两种系统位于对流复合体波谱的两端。

6. 对称不稳定：在流体静力、地砖平衡且具有水平切变的情况下，浮力和旋转会共同起作用，这两种效应会导致一种新的浮力惯性不稳定，即对称不稳定，对称不稳定是中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。

7.条件性不稳定:对干空气是静力稳定的，而对饱和湿空气静力不稳定的情况。

8.对流性不稳定：不论气层原先的层结性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是不稳定的则称对流性不稳定。

9.第二类条件性不稳定：大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，为积云对流提供了必须的水汽辐合与上升运动，反过来积云对流释放凝结潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成的都得到了发展。

这种通过不同尺度运动的相互作用使对流和大尺度流场不稳定增长的物理机制称为第二类条件性不稳定。

10. 超级单体风暴：直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。

它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流，并且连续地向前传播可达数百公里。

11. .暖输送带：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。

一、名词解释差分近似的收敛性：在模式的计算域内，在固定时间n∆t 后，当∆t，∆x→0时，在整个计算域内max{|u i n−u(i∆x,n∆t)|}→0。

混淆误差：指由于有限网格不能正确地分解短波而造成的误差。

计算的稳定性：给定初始值，计算的解随着时间步长（趋于∞时），是有界的。

差分近似的一致性（相容性）：当∆t，∆x→0时，差分系统应等同于微分方程。

模式中的动力框架：包括建立相适应的大气动力方程组、确定垂直坐标系和选择合理的离散化的方法（差分还是谱分析）。

物理过程：主要包括3个，即云物理过程参数化、边界层物理过程参数化和太阳辐射过程参数化。

资料同化：即把不同时刻、不同地区、不同类型的观测资料与常规资料融合，通过一定的预报模式，使之在动力和热力上协调起来，求得质量场和流场基本平衡的理想的初始场。

客观分析：利用模式构造一个背景场，再把测站资料插值到该背景场的格点上，然后做质量检验并对其进行初始化。

是整合检错，质量控制，合理插值的综合过程。

Lax等价性原理：对于一个适定的初值问题和它的一个具有相容性的差分格式，其计算稳定性是收敛性的充分必要条件。

CFL条件：显式格式稳定性的必要要件，c∆t/∆x≤1，其中C为所考虑的最快波的波速。

不同离散方法中模式的精度：对于差分方法，格距越小，分辨率越高；对于谱方法，截断系数越大，分辨率越高。

二、数值模式由哪几个部分组成？1、前处理：包括客观分析等，给主模式一个合理的适应模式的初始条件。

2、动力框架、物理过程3、后处理：模式输出的资料的处理，以供应用。

MM5模式有哪些优点？(1)多重嵌套和移动嵌套功能；(2) 非静力动力模式(3) 四维同化能力；(4) 齐全的物理选项；(5)可以多平台、多系统运行(6) 易操作性。

MM5模式有几个模块组成，各自的主要功能是什么？MM5共有8个模块。

（1）TERRAIN模块：对经纬度网格的地形资料和路面特征参数资料进行插值。

（2）REGRID模块：对分析场资料进行插值，形成标准等压面上的初值场。

《新一代中尺度天气预报模式——WRF模式简介》篇一一、引言随着科技的不断进步，天气预报的准确性和精细度逐渐成为人们关注的焦点。

中尺度天气预报模式作为现代气象学的重要组成部分，对提高天气预报的精确性和预见性起着至关重要的作用。

本文将着重介绍新一代中尺度天气预报模式——WRF（Weather Research and Forecasting）模式，以及其相关特性和应用。

二、WRF模式概述WRF模式是由美国国家大气研究中心（NCAR）和多个国际合作伙伴共同开发的一款先进的中尺度气象预报模式。

该模式以其高分辨率、灵活性和可扩展性等特点，广泛应用于全球各地的气象研究和预报工作。

三、WRF模式的特点1. 高分辨率：WRF模式能够提供高分辨率的天气预报，对局部地区的气象变化具有较高的敏感度和预测能力。

2. 灵活性：WRF模式具有较高的灵活性，可以根据不同的需求进行定制和调整，以满足不同地区和不同用户的需求。

3. 强大的物理过程描述：WRF模式采用先进的物理过程描述方法，能够更准确地模拟和预测大气中的物理过程。

4. 丰富的数据源：WRF模式支持多种数据源的输入和输出，包括卫星数据、雷达数据、地面观测数据等，为天气预报提供了丰富的数据支持。

四、WRF模式的应用1. 天气预报：WRF模式广泛应用于各种天气预报业务，包括短时预报、短期预报和中期预报等，为人们提供准确的天气信息。

2. 气候模拟：WRF模式还可以用于气候模拟和气候变化研究，为气候预测和应对气候变化提供科学依据。

3. 灾害预警：WRF模式在灾害预警方面也发挥着重要作用，能够提前预测和预警各种自然灾害，如暴雨、洪涝、台风等。

4. 农业气象服务：WRF模式还可以为农业气象服务提供支持，帮助农民了解天气变化对农作物的影响，提高农业生产效益。

五、WRF模式的未来发展随着科技的不断发展，WRF模式将会继续进行优化和升级。

未来，WRF模式将进一步提高其预报精度和时效性，同时加强与其他模式的融合和互动，以更好地服务于气象研究和预报工作。

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 模块作用相反，主要是把MM5模块计算结果从sigma坐标插值到气压坐标中。

2．Mm5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）。

σ用来定义模式水平层：p是气压，p t是顶层气压，p s是表面气压。

从上图可以看出：在顶层σ等于0，在底层σ等于1，模式的每一水平层由σ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，但通常在10到40层之间变化。