中尺度气象数值模式简介

中尺度气象数值模式简介

何为中尺度？

天气系统根据其空间尺度及时间尺度的不同可划分为行星尺度、大尺度、中尺度和小尺度，中尺度气象关注的尺度在几公里到几百公里，持续时间则为几天。

为了定量研究中尺度系统的演化，科学工作者建立了描述大气运动的基本方程组，分别从质量、动量、能量、水汽守恒的角度对大气运动进行阐述。这样就构成了一组偏微分方程组，由于湍流项的存在，这个方程组无法求出解析解，对它的求解通常是采用差分离散化方式求出数值解。由于计算量非常大，通常通过高性能计算机集群实现。

由于大气中的湍涡最小尺度约为毫米量级，计算中尺度现在的计算机还不能支持如此大量的计算，目前中尺度气象数值模式用的比较多的网格尺度一般为几公里到几十公里，视具体的研究个例而定，而对尺度小于网格尺度的物理过程，模式中是通过参数化实现的（不具体描述物理过程，而使用其他模式已知物理量计算其最终

效果）。除了数值模式本身，我们还需要其它的一些输入才能实现模式的计算，这里面有静态地理资料如地形数据、土地利用类型等，还有驱动模式的初始场。中尺度数值模式作为有限区域模式，它的计算还需要边界场作为输入。而使用最广泛的初始场和边界场包括FNL、ERA、MERRA等全球格点数据。

作为对大气运动的抽象描述，我们也很容易看到数值模式计算结果的不确定性所在。首先模式初始场和边界场存在误差，其次大气运动方程组对湍流描述本身就是经过简化的，并且由于我们模式格点分辨率较低，对于小尺度的过程不能显式描述，只能通过参数化进行处理，这一过程又引入了误差，另外由于对很多物理过程本身并没有理解清楚，对云微物理、积云对流等的描述也会带来误差。当我们拿模式结果与我们的观测进行对比时又会带来代表性误差，因为模式结果代表的是区域平均的结果而并不精确对应我们的观测点。

为了提高数值模式结果的准确性，各种先进的技术正在被引入。比如集合预报、资料同化技术用于提升模式初始场和边界场的准确性；大涡模拟技术及与CFD模式的耦合；选用更适用区域气候的物理参数化方案以及模式结果的后处理。以上技术的引入很好的改善了数值模式的准确性。

风场的建设一般在比较偏远的山区，直接的气象观测资料很少并且分布不均，气象模式结果可以作为宏观选址决策的很好的参考资料。