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MM5

        中尺度數值模式為美國賓州州立大學(Pennsylvania State University;PSU),與美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research;NCAR)所發展的中尺度數值模式,簡稱MM5(Fifth-generation Penn. State/NCAR Mesoscale Model)。此模式早期是由Anthes and Warner(1978)兩位學者所發展,經過不斷的改進,到現在發展成為一組三維空間靜力/非靜力的中尺度數值模式,採用追隨地勢座標(σ座標),並具備多重巢狀網格(nested domains)與四維資料融入(FDDA, Four Dimensional Data Assimilations)的功能。

 

        MM5 的整體架構如圖1,由圖中可看到主要程式可以分為:TERRAIN、REGRID、RAWINS、INTERPF、MM5、GRAPH 幾個大部份,而各部份較詳細的作用將在以下介紹。TERRAIN 主要的作用是決定出所要模擬的區域範圍,並且選擇投影方法、地形的解析度、巢狀網格層數,網格解析度、植被的屬性等等。並依使用者的選擇,將經緯度網格點上的地形以及地表特性等資料,內差至選定的網格點上。在TERRAIN 中投影的方法有三種可供選擇,分別為極坐標投影法(Polar Stereographic Projection)、藍伯特保角投影法(Lambert Conformal Projection)以及麥卡托圓柱投影法(Mercator Projection)。而地形解析度上,有六種可供選擇,分別為1 度(約111km)、30 分(約55km)、10 分(約19km)、5 分(約9km)、2 分(約4km)、30 秒(約0.9km)。而巢狀網格的層數,在TERRAIN的設定中,最多可至9層。植被的屬性則從粗到細有13種、16 種、24 種可供選擇,將會影響到反照率(Albedo,%),可用水汽(Moisture Avail,%)、放射率(Emissivity,% at 9 μm)、粗糙長度(Roughness Length,cm)、熱慣性(Thermal Inertia,cal cm-2k-1s-1/2)的計算。

 

圖1 MM5模擬系統架構流程圖

 

        經由TERRAIN 產生模式基本的地表資料後,再利用REGRID將低解析度的全球經緯度網格資料,水平內差至由TERRAIN 所產生解析度較高的巢狀網格中。由於全球經緯度的網格資料解析度較低,因此對於大尺度或綜觀尺度的系統掌握較佳,而中小尺度系統的特徵值則不易被表現出來。

        REGRID 的執行,又可分為兩個步驟,一為pregrid,一為regridder。pregrid 的作用是依使用者所需的時間,將所需用到的部份資料從全球經緯度的網格資料抽取出來。regridder 則再將抽取出的資料內差至由TERRAIN 所產生的高解析網格點中。此步驟的內差僅限於水平方向的計算,而不做垂直方向的內差計算,因此所產生的模式網格資料仍在各標準層上。在MM5 中,水平面上的網格是採用Arakawa B 交錯網格方式(圖2),將水平風分量內差在‘˙’網格點上,而將溫度、水汽及壓力場內差在‘╳’網格點上。

 

圖2 MM5水平網格結構圖

 

        在上段中提到,由於REGRID 所產生的模式網格點資料是由低解析度的全球觀測分析場得來,對於中小尺度天氣系統的掌握可能較為不佳,因此RAWINS(LITTLE_R)則針對此不足,利用客觀分析的方式,將地面、探空、船舶、衛星等觀測資料,加入調整模式初始場,以期望對於中小尺度系統的特徵值有較佳的掌握。在客觀分析的選擇有四種方法,分別為Cressman Scheme、Ellipse Scheme、Bananas Scheme、Multiquadrid Scheme。此步驟將會對觀測資料做一些觀測錯誤的診斷,如風速、溫度極值的出現,觀測值與模式格點值的差異過大的判斷等。以上的步驟,對於資料處理均是在P 座標下進行的,而模式模擬過程中的垂直座標是採用追隨地勢座標(σ座標)。因此INTERPF 的作用,便是把由REGRID 或RAWINS(LITTLE_R)所產生在等壓面上的格點資料,做垂直方向的內差到模式所使用的σ座標上( ,其中P 是氣壓,Ps是地面氣壓,Pt是模式上邊界氣壓值)。在內差的計算過程中,風場與水汽隨壓力做線性內插,而溫度則對壓力的對數(ln)做線性內差,並且移除在積分過程中的平均輻散量。在垂直內差的過程中,將垂直速度分量內差在full-σ面上,而將水平風分量、溫度場、水汽場內差在half-σ面上,如圖3。

 

圖3 σ座標之示意圖,實線為full-σ面,虛線為half-σ面,底層σ=1,頂層σ=0。

 

        以上的幾個步驟屬MM5 的前置作業,將會產生出一組適用於MM5 主程式的初始場、側邊界與底邊界條件。在大氣複雜的運動過程中,尚有許多物理過程是無法具體的表示出來,為了克服此問題,模式則透過參數化的過程來模擬這些物理現象。在MM5 中,採用的參數化包含積雲參數化,微物理的參數化,邊界層的參數化,輻射的參數化以及地表收支的參數化五種。積雲參數化討論雲胞內的氣流運動,以及與環境大氣之間的交互作用。微物理參數化討論水汽的各種形態,如雨水、雲水、冰晶、過冷水、雪等。邊界層參數化討論邊界層中,亂流對於大氣運動動量與熱量的影響過程。輻射參數化討論長波輻射與短波輻射與大氣、雲、雨水、地表之間的交互作用。地表收支參數化討論土壤與大氣之間潛熱、可感熱、水汽通量的交互作用。由圖4 中便可以看出,模式的參數化與參數化之間並非獨立運算,而是如同真實大氣一般,彼此交互影響著。

 

 

圖4 MM5各種參數化彼此之間的關係圖

 

:以上文字資料來源:『陳柏榮,2005:冬季雹暴個案之分析與模擬。國立中央大學大氣物理研究所碩士論文。


網站最後更新日期:2019-01-18