中尺度数值天气预报模式

ARW模式系统简介一．概述1997年美国国家大气研究中心(NCAR) 中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式WRF ( Weather Research Forecast) 开发计划, 拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。

该计划由美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持, 1998年已形成共同开发的标准, 2000年2月被确定为实现美国天气研究计划(USWRP)主要目标而制定的研究实施计划之一。

现在,这项计划吸引了许多其它研究部门及大学的科学家共同参与。

WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求, 形成了两个不同的版本, 一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的ARW(Advanced Research WRF), 另一个是在NCEP的Eta模式上发展而来的NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model) [1、2]。

ARW作为一个公共模式, 由NCAR负责维护和技术支持,免费对外发布。

第一版发布于2000年11月30日, 随后在2001年5月8日发布了1.1版。

2001年11月6日, 很快进行了模式的第三次发布, 只是改了两个错误, 没有很大的改动, 因此版本号定为1.1.1。

直到2002年4月24日, 才正式第四次发布, 版本号为1.2。

同样, 在稍微修改一些错误后, 2002年5月22日第五次发布模式系统, 版本号为1.2.1。

原定于2002年10月前后的第六次发布, 直到2003年3月20才推出, 版本号为1.3。

2003年11月21日进行了更新。

2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。

2004年6月3日进行了更新, 至2006年1月30日为止最新版本为2.1.2[3]。

第七章中尺度天气系统目录中尺度天气系统 (3)7.1 概述 (3)7.1.1 什么是中尺度 (3)7.1.2 中尺度天气系统的基本特征 (3)7.2 中尺度系统 (4)中尺度系统 (4)7.2.1 中尺度雨团 (4)卫星探测图片1 (5)7.2.2 中尺度雨带 (5)雷达气象部分的补充内容1 (7)7.2.3 中尺度对流复合体 (9)雷达气象部分的补充内容2 (12)卫星探测图片2 (13)7.2.4 飑线 (13)雷达气象部分的补充内容3 (18)卫星探测图片3 (19)7.3 中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (19)中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (20)7.3.1 位势不稳定层结 (20)7.3.2 强垂直风切变 (20)7.3.3 水汽辐合和湿舌 (21)7.3.4 急流的作用 (22)7.3.5 低空辐合和上升运动 (23)7.3.6 地形 (23)7.4 中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)7.4.1 对流不稳定 (24)7.4.2 对称不稳定 (26)7.4.3 锋生强迫的次级环流 (28)7.5 中尺度分析 (29)中尺度分析 (29)7.5.1 资料来源及其处理 (29)7.5.2 时空转换分析 (31)7.5.3 相对坐标分析 (32)7.5.4 变量场分析 (34)7.5.5 雨团和雨带分析 (34)习题 (35)参考文献 (35)中尺度天气系统从本世纪50年代初“中尺度”概念引入气象学以来，中尺度气象学得到蓬勃发展，无论是雷达、卫星等新观测技术的广泛使用，还是在组织中尺度野外观测试验、中尺度天气分析或中尺度天气理论研究和数值模拟等方面，都取得了很大进展。

目前中尺度天气预报，特别是暴雨和强对流类天气的局地、短时预报，已成为预报业务工作中的重要内容。

然而，由于在常规天气图上很难发现、诊断和分析中尺度天气系统，作出准确预报仍是天气学面临的重大难题。

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。

区域数值预报产品说明1grib2数据来源为GRAPES-RAFS中尺度数值模式，数据压缩方案为jpeg2000。

2所有产品逐小时提供一个文件，文件名按“中华人民共和国气象行业标准”（详见附件）如下：Z_NAFP_C_BABJ_20160318000000_P_NWPC-GRAPES-3KM-CN-FFFMM.grib2,其中，Z：为数据类型编码方式，为不符合WMO编码格式的气象传输标识;NAFP：为数据类型识别，数值预报模式获得的预报产品;C：为数据生成中心编码方式，按编报中心进行编码;BABJ：为数据生成中心标识,北京;20160318000000为文件的生成时间yyyyMMddhhmmss，使用国际协调时（UTC）;P：为文件属性，预报产品;NWPC：固定编码，标识数据制作单位。

“NWPC”表示中国气象局数值预报中心。

GRAPES：固定编码，标识模式名称。

RAFS：固定编码，表示区域预报模式系统。

CN：固定编码，表示该数据为高分辨率中国区域。

FFFMM：预报输出的时效。

“FFF”为小时（000－240）“MM”为分钟grib2：固定编码，标识文件为grib2格式编码。

每个文件正常大小约27MB,其中000时效约24MB，其他时效27MB4提供利用wgrib2方式直接提取数据转为二进制码和使用GRADS软件直接绘图的说明(附件3)5在/warms9km/readme提供NCL绘图范例draw_case.ncl(附件4) 。

附件3 应用GRADS画图的方法：使用grads绘图需要先使用wgrib2里的g2ctl.pl和gribmap建立数据索引g2ctl.pl -verf GRIB2filename.grb2 > filename.ctlgribmap -i filename.ctl你会看到filename.ctl 和 GRIB2filename.grb2.idx两个数据索引文件然后使用建立的数据索引使用grads读取数据绘图Grads>open filename.ctl>q fileFile 1 : GRIB2filename.grb2Descriptor: filename.ctlBinary: GRIB2filename.grb2Type = GriddedXsize = 751 Ysize = 501 Zsize = 10 Tsize = 1 Esize = 1Number of Variables = 16apcpsfc 0 0,1,8,1 ** surface Total Precipitation [kg/m^2]capesfc 0 0,7,6 ** surface Convective Available Potential Energy [J/kg]cinsfc 0 0,7,7 ** surface Convective Inhibition [J/kg]deprprs 10 0,0,7 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Dew Point Depression (or Deficit) [K]hgtprs 10 0,3,5 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Geopotential Height [gpm]pressfc 0 0,3,0 ** surface Pressure [Pa]prmslmsl 0 0,3,1 ** mean sea level Pressure Reduced to MSL [Pa] rhprs 10 0,1,1 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Relative Humidity [%]rh2m 0 0,1,1 ** 2 m above ground Relative Humidity [%]tmpprs 10 0,0,0 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Temperature [K]tmp2m 0 0,0,0 ** 2 m above ground Temperature [K]ugrdprs 10 0,2,2 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) U-Component of Wind [m/s]ugrd10m 0 0,2,2 ** 10 m above ground U-Component of Wind [m/s] vgrdprs 10 0,2,3 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) V-Component of Wind [m/s]vgrd10m 0 0,2,3 ** 10 m above ground V-Component of Wind [m/s] var016224sfc 0 0,16,224 ** surface desc [unit]>d apcpsfc附件4 应用NCL绘图脚本范例（animate.ncl）：;==================================================================== ==; animate_2.ncl;; Concepts illustrated:; - Creating animations; - Animating TMP of all levels;==================================================================== ==load "$NCARG_ROOT/lib/ncarg/nclscripts/csm/gsn_code.ncl"load "$NCARG_ROOT/lib/ncarg/nclscripts/csm/gsn_csm.ncl";==================================================================== ==; The main code;==================================================================== ==begin;---Read desired datasrcFileName = "/cma/g1/nwp_sp/NWP_PST_DATA/TOGRIB2/rundir/output/test/shanghai_2016 080212024.grb2"sfile = addfile(srcFileName,"r")TMP = sfile->TMP_P0_L100_GLL0TMP@lat2d = sfile->lat_0 ; for plottingTMP@lon2d = sfile->lon_0printVarSummary(TMP)printVarSummary(sfile->lat_0)printVarSummary(sfile->lon_0);---For zooming in on mapminlat = 15.0maxlat = 55.0minlon = 70.0maxlon = 140.0;---Get dimensionsdims = dimsizes(TMP)nlev = dims(0)nlat = dims(1)nlon = dims(2);---Set some resourcesres = Trueres@gsnMaximize = Trueres@cnFillOn = Trueres@cnLinesOn = Falseres@cnLineLabelsOn = Falseres@cnLevelSelectionMode = "ExplicitLevels"res@cnLevels = ispan(200,323,3)res@cnFillPalette = "WhViBlGrYeOrReWh"res@mpMinLatF = minlatres@mpMaxLatF = maxlatres@mpMinLonF = minlonres@mpMaxLonF = maxlonres@mpCenterLonF = (minlon+maxlon)*0.5res@mpCenterLatF = (minlat+maxlat)*0.5res@pmTickMarkDisplayMode = "Always"res@lbLabelFontHeightF = 0.01res@gsnAddCyclic = False ; this is regional data;---Loop across each level and plot to a different PNG file every time do n=0,nlev-1wks = gsn_open_wks("png","animate"+sprinti("%02i",n)) ; animate_00.png, animate_01.png, etcprint("level(" + n + ") = " + TMP&lv_ISBL0(n))res@gsnRightString = "level = " + TMP&lv_ISBL0(n) + " (" + TMP&lv_ISBL0@units + ")"plot = gsn_csm_contour_map(wks,TMP(n,:,:),res)delete(wks) ; Make sure PNG file is closedend do;---Convert PNG images to animated GIFcmd = "convert -delay 25 animate*.png animate_2.gif"system(cmd)end。

《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，气象学领域也在持续发展和创新。

其中，中尺度天气预报模式作为现代气象学的重要组成部分，对提高天气预报的准确性和精细化程度起到了关键作用。

WRF （Weather Research and Forecasting）模式作为新一代中尺度天气预报模式，具有较高的空间分辨率和时间分辨率，能够更准确地模拟和预测各种天气现象。

本文将对新一代中尺度天气预报模式——WRF模式进行简要介绍。

二、WRF模式概述WRF模式是一种数值天气预报模型，由美国国家大气研究中心（NCAR）和多个合作机构共同开发。

该模式采用先进的物理过程描述和数值方法，能够模拟和预测各种中尺度天气现象，如暴雨、龙卷风、强风、雾等。

WRF模式具有较高的空间分辨率和时间分辨率，可以提供更为精细的天气预报信息。

三、WRF模式的特点1. 高度灵活性：WRF模式具有高度的灵活性和可定制性，可以根据不同的需求和区域特点进行参数设置和模型调整。

2. 先进物理过程描述：WRF模式采用了先进的物理过程描述，包括大气湍流、云微物理过程、辐射传输等，能够更准确地模拟和预测天气现象。

3. 高分辨率模拟：WRF模式具有较高的空间分辨率和时间分辨率，可以提供更为精细的天气预报信息。

4. 广泛的适用性：WRF模式可以应用于全球及区域范围内的天气预报和气候模拟，适用于不同尺度和不同领域的科学研究。

四、WRF模式的应用WRF模式广泛应用于气象学、环境科学、农业气象等领域。

在天气预报方面，WRF模式能够提供更为精细的预报信息，包括降雨量、风速、温度等，为人们的生产生活提供更为准确的参考依据。

在环境科学领域，WRF模式可以用于空气质量模拟和预测，为环境保护和治理提供科学依据。

在农业气象方面，WRF模式可以用于农业气象灾害的监测和预警，为农业生产提供保障。

五、结论新一代中尺度天气预报模式——WRF模式的出现，为气象学领域的发展带来了新的机遇。

《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和人们对气象预报精准度的要求不断提高，中尺度天气预报模式应运而生。

WRF（Weather Research and Forecasting）模式作为一种新型的中尺度天气预报模式，已经在气象领域中发挥着越来越重要的作用。

本文将对该模式的背景、特点、应用和未来展望进行简要介绍。

二、WRF模式的背景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研发的一款中尺度气象预报模式。

该模式采用了先进的数值计算方法和物理参数化方案，能够更准确地描述和预测中尺度天气现象，如暴雨、龙卷风、强风等。

WRF模式的开发旨在提高天气预报的准确性和可靠性，为气象研究和应用提供有力支持。

三、WRF模式的特点1. 高分辨率：WRF模式具有较高的空间分辨率和时间分辨率，能够更详细地描述和预测中尺度天气现象。

2. 灵活性：该模式支持多种物理参数化方案和边界条件设置，可根据不同需求进行定制化设置。

3. 先进性：WRF模式采用了最新的数值计算方法和物理参数化方案，能够更准确地预测天气变化。

4. 广泛的适用性：该模式可应用于各种气候条件和地理环境下的天气预报和气候模拟。

四、WRF模式的应用1. 天气预报：WRF模式被广泛应用于各种天气预报业务中，包括短时预报、中期预报和长期预报等。

通过该模式，气象部门能够更准确地预测天气变化，为公众提供更可靠的天气信息。

2. 气候模拟：WRF模式还可用于气候模拟研究，帮助科学家了解气候变化的原因和影响。

通过模拟不同气候条件下的天气变化，科学家可以更深入地了解气候系统的运行规律。

3. 灾害预警：在自然灾害预警方面，WRF模式也发挥着重要作用。

通过预测暴雨、龙卷风等灾害性天气的发生和发展趋势，为灾害预警和应急救援提供有力支持。

五、未来展望随着科技的不断进步和气象研究的深入，WRF模式将继续得到改进和完善。

未来，该模式将进一步提高空间分辨率和时间分辨率，改进物理参数化方案，提高预测精度和可靠性。

环境常用软件报告班级姓名学号日期项目名称 WRF、 MM5、 CMAQ、 SMOKE （一）实验目的了解 WRF、 MM5、 CMAQ、 SMOKE 软件的安装；熟悉 WRF、 MM5、 CMAQ、 SMOKE 软件的使用方法。

（二）实验准备下载以上软件的安装文件，从图书馆或者网络上借阅或者下载相关软件的介绍，仔细阅读。

(三) 实验操作步骤及要求：1)、WRFWRF（Weather Research and Forecasting Model）模式是由美国环境预测中心（NCEP）,美国国家大气研究中心（NCAR）等美国科研机构中心着手开发的一种统一的中尺度天气预报模式。

模式分为ARW(the Advanced Research WRF)和NMM(the Nonhydrostatic Mesoscale Model)两种，即研究用和业务用两种形式。

①、WRF模式流程和WRF模式运行2)、MM5MM5 模式是由美国大气研究中心( NCAR) 和美国宾州大学(PSU) 在MM4 基础上联合研制并发展起来的，是较先进的中尺度数值预报模式之一，已被广泛应用于各种中尺度现象的研究3）、SOMKE 排放源模块在 Models-3 的官方网站中，针对排放源的部分以 MEPPS （Models-3 Emission Processing and Projection System）模块来进行，不过此一模块在 Sun 工作站上执行效率却不理想，并需要昂贵的 SAS 及 Arc/Info 等软件支持。

最新版的排放量数据处理模块已于2001年05月释出（US-EPA已于2001年8月释出SMOKE的操作手册），称为 SMOKE （Sparse Matrix Operator Kernel Emission System），这个排放量处理模块不但免费，并且已包含 SAS 与 Arc/Info 的功能在其中SMOKE模式的特色为：此模式包含了固定源、移动源、面源及生物源的处理模块，可将排放源分成四种情况分别处理，此外，此模式支持 IDA （Inventory Data Analyzer）格式，因而排放源前处理亦变的单纯。

新一代中尺度天气预报模式——WRF模式简介天气预报对于人们的日常生活和经济活动至关重要。

随着科技的进步，天气预报模式也在不断改进和发展。

其中一种重要的天气预报模式是WRF（Weather Research and Forecasting Model），它是一种新一代的中尺度天气预报模式。

WRF模式最早于2000年由美国国家大气研究中心开发，旨在提供更高分辨率、更准确的天气预报。

WRF模式可根据不同的用途和需求，进行多尺度、多物理过程、多特定领域的模拟预报。

WRF模式具有良好的可伸缩性，可以灵活地适应不同的计算设备和计算资源。

WRF模式的核心是基于非静力学方程组的数值预报模型，并包含了大气、海洋和陆地等多个组件。

WRF模式使用有限差分法将大气非静力学方程组离散化，并通过数值算法进行求解。

同时，WRF模式还考虑了大气中的各种物理过程，如辐射、湍流、云微物理等，以更准确地模拟真实的天气系统。

WRF模式还具有可配置性和可扩展性的特点。

用户可以根据具体需求选择不同的物理参数方案、模式配置和输入数据，以满足特定的预报需求。

同时，WRF模式还支持并行计算，可同时利用多个计算节点进行计算，加快模拟和预报的速度。

WRF模式在过去的几十年中，在全球范围内得到了广泛的应用和验证。

不论是对于全球气候系统的模拟，还是对于地面局地天气的预测，WRF模式都展现出了良好的预报性能和可靠性。

WRF模式在高分辨率的天气模拟中特别突出，能够提供真实感觉的细节和变化，为人们提供更精确的天气预报和预警信息。

WRF模式在气象科学研究和天气预报中的应用也越来越广泛。

它被广泛用于天气预报机构、气象研究机构、学术研究等领域。

同时，WRF模式也成为了许多国家和地区气象预报系统的基础。

不仅如此，WRF模式还为气候研究、环境影响评估、气象灾害预警等提供了重要的支持。

然而，WRF模式也面临一些挑战和局限性。

由于WRF模式需要大量的计算资源，其运行和预报所需的计算时间较长。

数值天气预报第十章几种数值模式及模拟试验举例兰州大学大气科学学院中小尺度天气系统常与暴雨、冰雹、雷雨大风等剧烈天气过程联系在一起。

随着探测手段的进步，监测和跟踪能力的提高，对中小尺度天气系统发生、发展机制的探讨及预报方法的研究，近年来取得迅速的进展。

1986——1990 年期间，中国建立了京津冀地区的中尺度天气系统的监测和预报基地。

数值模拟是用试验的手段分析中小尺度天气系统的理论工具。

用其研究中小尺度天气过程，可以避免研究中求解非线性方程组的困难，但却较真实的揭示出影响中小尺度天气过程的物理因子以及演变的细节。

本章内容描述中小尺度天气系统的基本方程组描述中小尺度天气系统的线性方程组的动力学特征模拟中小尺度天气系统应考虑的物理因子中尺度天气系统数值模拟实例3.其他方程的简化热流量方程、水分方程及其他气体和气溶胶方程，一般较少做简化，采用原有方程形式。

只有当源汇项较小时，可将它们略去。

小结：简化的中小尺度系统的方程组，其连续方程根据系统深厚或浅薄分别取(10.20)式或(10.22)式；其垂直运动方程根据系统的水平尺度分别取(10.27)或(10.28)式；水平运动方程采用(10.32)式和(10.33)式；而其他方程一般仍取原有形式，即(10.2)及(10.4)至(10.8)式。

这些方程则构成了描述中小尺度系统的基本方程组。

(10.75)(10.76)引入这两个参数的目的是为了在分析中追踪它们所代表的项；以便很清楚地了解采用流体静力假设或滞弹性假设应被忽略的项。

二、形式解与频率方程上述方程组中含有6个未知数及，有6个方程，则方程组闭合，可以求解。

设各未知数有下列形式的解：11,0,λ⎧=⎨⎩21,0,λ⎧=⎨⎩表示流体是非静力的表示流体是静力平衡的表示流体是可压缩的表示流体是滞弹性的u v w p ρ′′′′′、、、、θ′(10.77)将上述形式解代入方程组(10.69)～(10.74)中，可得含有6个未知数的线性齐次代数方程：%()()()() ()() ()()()()%()(),,,,,,,,,,,,x z x z x z x z x z x z i k x k z t x zi k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z u u k k e v v k k ew w k k e p p k k e k k e k k eωωωωωωωωωωρρωθθω+−+−+−+−+−+−⎧′=⎪⎪′=⎪′⎪=⎪⎨′=⎪⎪′=⎪⎪′=⎪⎩%力假定或滞弹性流体假定去除。