MM5中尺度模式在内蒙古地区一次降水过程中的数值模拟
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摘要 采用中尺度数值模式mm5，嵌套北京大学和中国科学院人工影响天气所改进后的云微物理过程方案，对2016年4月1―2日发生在内蒙古的降水过程进行模拟与验证，将MM5模式的预报产品与实况资料进行对比发现，MM5模式对内蒙古的天气过程具有一定的预报能力。模拟结果表明：针对受高空低槽影响的内蒙古东部地区的降水过程，综合云和降水预报产品的云系发展演变特征、云系宏观特征、云垂直结构和性质、降水场检验分析，模式较好地预报出了此次降水过程。在云系的发展演变、移动路径、云系垂直结构、降水落区和雨量等方面的预报效果较好，而对内蒙古东部地区云系性质、云系覆盖范围、降水范围与观测结果还有一定差距。其中可降水量的预报能够把握住可降水量的大值区和高值中心等；云水含量和冰晶浓度的预报能给出不同高度层上不同位置上的变化情况；云场的预报所涉及的云的范围、边界形状和趋势预报均同实际情况相符，说明模式对云的预报是可信的；降水的预报与实际情况十分吻合，降水的落区、降水的等级以及降水预报的准确率等均能较好地反映出实际的情况。因此MM5模式用于内蒙古地区的降水预报是可行的，但本文中MM5模式对降水的模拟结果与实况相比仍然偏大，其原因可能与模式的初始场和边界条件的处理有关，以及与所用资料的精度也是有一定联系。
关键词 MM5模式；降水预报；数值模拟；内蒙古地区
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）18-0179-06
Abstract The mesoscale numerical model MM5， nested within the cloud microphysics scheme which is an improvement of weather modification made by Beijing University and Chinese Academy. Precipitation happened on April 1st and 2nd 2016 was simulated and tested， compared the forecast product with live data， it was found that MM5 model has certain prediction ability. The simulation results show that the model could forecast this precipitation process after analyzed the characteristics of cloud evolution， moving path， cloud vertical structure and so on， but there was always a certain mismatch between MM5 and observation in cloud properties， cloud coverage， precipitation range. On the whole， MM5 model was credible in weather forecast， because precipitation forecast and the actual situation were very consistent， precipitation area， precipitation grade and accuracy of prediction could reflect the actual situation well. Therefore the MM5 model for precipitation forecast in the area of Inner Mongolia is feasible， but precipitation simulation results obtained by MM5 model is large than that of observation results， which might be related to the treatment of initial field and boundary conditions， as well as the accuracy of the data used.
Key words MM5 model；precipitation forecast；numerical simulation；Inner Mongolia
内蒙古自治区地处欧亚大陆内部，东西直线距离2 400 km，南北跨度1 700 km，全区面积为118.3万km2，占全国总面积的12.3%。内蒙古自治区地域广袤，所处纬度较高，高原面积大，距离海洋较远，边沿有山脉阻隔，气候以温带大陆性季风气候为主。内蒙古的降水量少而不均，受季风环流的影响随季节的变化较大，因此内蒙古自治区十年九旱，经常缺雨，十分影响生态农业的发展。为了提高中小尺度灾害性天气预报的准确率，最近30年中尺度数值模拟的研究得到了长足的发展和重视[1-2]。随着计算机科学的发展，中尺度气象在利用卫星、雷达、探空气球、风廓线仪、自动观测站等获取中尺度观测资料的同时，大量利用中尺度数值模式对大气运动过程和气象变化进行模拟和预报。近年来，国内外不断发展的各种中尺度模式已经能对不同的中尺度现象做出较好的模拟和解释[3-8]，其中MM5 是在中国应用范围比较广泛的中尺度数值模式。侯瑞钦等[9]利用MM5模式对太行山迎风坡暴雨过程进行了数值模拟，分析了太行山迎风坡降水的微物理结构特征及山脉对降水的影响，结果表明，降水过程既有太行山地形作用造成的暖云降水又包含汽、水、冰混合的冷云降水，当冰相粒子与液态水的中心上下接近垂直时，地形对于降水增幅作用较大，低层东风遇太行山阻挡辐合抬升形成地形雨。迟竹萍等[10]应用MM5模式对山东1次连续性降雪过程进行了云微物理参数数值模拟研究，表明垂直运动是水汽凝结、冻结和冰晶碰并和“蒸-凝增长”的运动学条件。黎惠金等[11]利用中尺度模式MM5，模拟了2008年初发生在我国南方地区最强的一次冻雨云物理过程，结果表明，这次冻雨过程期间有2条明显的水汽通道，上升运动明显。冻雨区上空主要以低空云水和雨水，特别是云水的积聚为主，中高空有少量雪花和微量的冰晶。胡伯彦等[12]利用MM5模式对中国地区当代日最高、最低温度及强降水日数的空间分布和概率特征均具有一定的模拟能力，但模拟的日最高温度在大部分地区偏低，日最低温度在南方地区偏低、西北地区偏高。唐 灵等[13]利用MM5中尺度模式对一次冷锋天气系统模拟结果进行评价，模拟的海平面气压场和观测结果基本吻合，模拟风场积分的位置偏北，但总体趋势基本一致。刘宁微等[14]用近年开发的新一代中尺度预报模式WRF（weather research forecast）和已被广泛应用的MM5模式分别模拟研究了2002年8月3―4日发生在辽宁的一次区域性暴雨过程，模拟结果显示能够比较成功地反映出导致暴雨发生的高低空环流背景和暴雨的分布状况。杨晓君等[15]利用三维非静力中尺度大气模式――MM5输出的黄渤海海面风场和气压场预报资料，得到逐时的渤海增水场、渤海风暴潮流场，并与验潮站的观测数据进行比较，模拟的塘沽潮位曲线与实测潮位曲线拟合程度较好，说明HAMSOM 对渤海风暴潮有很好地预报预警指示作用。孙 健等[16]使用NCAR 和NOAA 的新一代中尺度模式WRF和UCAR/ PSU 的MM5模式，对1998年发生在中国长江流域的3次强降水过程过程进行了数值模拟，这几次过程中WRF 模拟的降水都较MM5小一些，也小于实况值，可能原因是由于WRF 模拟的垂直速度明显小于MM5 的模拟结果，这可能是导致模拟的降水偏小的原因之一。
可以看出，气象学家们利用MM5模式对降水过程的模拟研究，进行了大量的诊断分析和数值模拟，取得了很多有意义的结果，提高了降水过程形成机理的认识和业务预报能力。但是目前由于内蒙古地区地处我国的北疆，受地理位置及气候系统的影响，内蒙古地区降水过程主要集中在3―10月，特别针对降水的微物理过程研究还不多。本文主要利用中尺度数值模式MM5，嵌套北京大学和中国科学院人工影响天气所改进后的云微物理过程方案，对2016年4月1―2日发生在内蒙古地区的一次降水过程进行模拟和验证，通过模拟结果与实况资料对比探讨MM5数值模式在内蒙古地区降水的适用情况和预报能力。
1 MM5模式简介及资料介绍
1.1 MM5模式简介
中尺度大气数值模式在20世纪80年代得到迅速发展，随着计算机技术的迅速发展，一些中尺度模式和模拟系统已发展得相当完善，并在世界范围广泛使用。在近20年时间内，中尺度大气数值模式和模拟能有如此迅速的进展，是由于计算机和观测技术的快速发展，以及将大气动力学理论和数学物理理论方法相结合的产物。MM5是美国宾夕法尼亚州立大学/国家大气研究中心（PSU/NCAR）从20世纪80年代以来共同开发的第5代区域中尺度数值模式。模式动力框架上最大的改进之处在于引入了非静力平衡效应，从而使得模式具备了描写较小空间尺度而发展强烈的天气系统能力，对于局地扰动的生成和发展的描述有所改进，该模式是具有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统。
本文所使用的是非静力模式的第3版本中尺度MM5模式，模式建立在兰勃托正交投影基础上，垂直方向采用23层仿地形的σ坐标，采用有限差分算法，水平域格点采用Arakawa-B 坐标。本次模拟采用最新的MM5 v3.6版本，模拟的粗网格范围大致以内蒙古全区为中心，主要覆盖地区为97°E～126°E；37°N～53°N。MM5模式主要特点包括：①水平分辨显著提高到3 km；②单向或双向多重网格嵌套能力的提高；③在原有的静力框架外，又增加了非静力框架；④对中尺度大气系统所涉及的水汽相变、长波短波辐射、行星边界层和陆面过程等物理过程，提供了更加详尽的参数化方案；⑤增加了四维资料同化功能。⑥嵌套了31个微物理过程，包含了水汽、云水、雨滴、冰晶等相互转化的参数化方案。这些特点使得MM5 成为利用率较高的中尺度模式，在科学研究和实际天气预报中都得到了大量的应用。
1.2 资料介绍
1.2.1 MM5模式数据资料。2016年4月1日20：00至2日20：00内蒙古地区的降水过程采用了NCEP的再分析同化资料，水平分辨率为1°×1°，时间间隔为1 h，垂直方向共23层，模式输出结果分别为逐小时数据产品及24 h累积产品。
1.2.2 实况分析资料。本文中所使用的实况分析资料主要包括以下几个方面：①天气形势演变：主要介绍内蒙古东部地区所受环流形势场的演变特征。②内蒙古全区降水观测资料：主要介绍内蒙古东部地区2016年4月1日20：00至4月2日20：00降水量随时间的演变特征。③内蒙古东北部区域GPS/MET水汽监测网：主要介绍内蒙古东北部地区GPS/MET监测的可降水量随时空的变化规律。④红外卫星资料：主要介绍内蒙古地区云场时空的演变特征。⑤L波段探空资料：主要分析内蒙古地区L波段探空资料的时空演变。
2 实况分析
2.1 环流形势介绍
从图1a可以看出，内蒙古大部地区受高空槽影响，东部地区出现大范围降水天气，其中呼伦贝尔市出现暴雪，天空状况均为多云天气，500 hPa在本区中部存在高空槽，而且温度槽落后于高度槽；内蒙古东北部地区位于低空急流出口区左前侧，有利于偏南急流的水汽输送；内蒙古东北部地面位于蒙古气旋辐合上升区，局地有降水出现，东北部地区将持续有降水出现，同时内蒙古东部地区受蒙古气旋影响，将出现5～6级大风，局部地区伴有沙尘天气。从图1b可以看出，内蒙古东北部地区500 hPa存在高空槽，且温度槽落后于高度槽；低层在河套地区存在风场切变，但水汽条件不足；低层存在低空急流，且本区东北部地区位于低空急流出口区左前侧，有利水汽输送；地面内蒙古东北部存在气旋中心。综合考虑，降水主要影响到内蒙古的东北部地区，降水相态为雪；中西部大部地区风力较大，为4～5级西北风。
总体来看，内蒙古东部地区此次过程天气系统明显，低层配合有大的湿度区与风场辐合区，东部地区出现了明显的降水天气，但此次过程系统总体移速较快，地面蒙古气旋强盛，风力较大。
2.2 降水实况
从图2可以看出，2016年4月1日8：00―20：00降水集中在内蒙古的中东部地区，降水较为分散，主要包括呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟、赤峰市和通辽市，降水量均在5 mm以下，大多以小雨量级为主。2016年4月1日20：00至2日8：00时，降水区域向内蒙古东部地区移动，局部出现大范围降水，降水达到10～20 mm，降水大值区出现在呼伦贝尔市，20：00以后降水区进一步东移逐渐移出本区。
2.3 可降水量
从图3可以看出，2016年4月1日20：00内蒙古东部的可降水量基本在10 mm以下，锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市和兴安盟可降水量在5 mm以下，呼伦贝尔市可降水量基本在5 mm以上，局部可达8 mm。2016年4月2日20：00内蒙古东部的可降水量基本在5 mm以下，其中锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市和兴安盟可降水量在4 mm以下，呼伦贝尔市可降水量基本在4 mm左右，局部可达4 mm以上。
2.4 红外云图
从图4可以看出，2016年4月1日20：00，东北冷涡稳定维持在内蒙古东北部地区，中部地区基本无云场覆盖，夜间降水主要是由东北冷涡后部的冷空气南下触发所形成的，东北冷涡产生的云系在低涡中心以中、低云系为主，云顶高度较低。2016年4月2日20：00，随着东北冷涡的涡旋性开始减弱并向东移动，云系主要覆盖在本区东北部上空，呼伦贝尔市局地有分散性云系存在，云场覆盖量大幅减少，降水也逐渐趋于减少。
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