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。
2.5 云垂直结构和性质检验
2016年4月1日8：00探空资料显示，锡林浩特、赤峰市和索伦云层较薄，为1～4 km，通辽市和海拉尔市云层深厚，云系为冷云云系，云底在零度层附近，云顶高度在10～12 km，云顶温度在-60～-50 ℃。从云体垂直剖面可见，8：00云系为冷暖混合云系，云顶高度8～9 km，云中有少量过冷水，有一定的冰相粒子，过冷水位于-20～0 ℃层。
3 MM5模式的数值模拟
3.1 可降水量预报
从图6可以看出，2016年4月1日20：00至4月2日20：00，锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市24 h可降水量累积为10 cm以上。与图3内蒙古地区实况监测的可降水量的分布十分一致，可降水量的大值区主要集中在锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市，实时可降水量的值为10 mm左右。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，基本能反映出内蒙古东部地区可降水量的时空演变过程。
3.2 云水含量预报
从图7可以看出，2016年4月1日20：00至4月2日20：00，有涡旋云系自内蒙古东北部地区向东移动，500 hPa云水含量主要集中在呼伦贝尔市和兴安盟；600 hPa云水含量主要集中在内蒙古中东部地区；700 hPa云水含量主要集中在内蒙古锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市；750 hPa云水含量主要集中在呼伦贝尔市局地。总体看来，内蒙古东部地区以冷暖混合云系为主，云水含量的大值区以中低层为主，主要集中在600～700 hPa之间。
3.3 冰晶浓度预报
从图8可以看出，2006年4月1日20：00至4月2日20：00，内蒙古东北部地区受涡旋云系的影响，云中的冰晶主要集中在内蒙古的东部地区。其中 500 hPa冰晶浓度主要集中在呼伦贝尔市，可达0.3 g/kg；600 hPa冰晶浓度主要集中在内蒙古呼伦贝尔市和东部地区；700 hPa冰晶浓度主要集中在内蒙古锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市；750 hPa冰晶浓度主要集中在内蒙古的中东部地区。总体看来，内蒙古东部地区以冷暖混合云系为主，云中有少量分散性过冷水含量，认为冰晶浓度的大值区处在中低层，主要集中在 700～750 hPa之间。
3.4 低云预报
从图9可以看出，2016年4月1日20：00至4月2日20：00，内蒙古地区的云场主要集中在锡林郭勒盟东部、赤峰市、通辽市、兴安盟和呼伦贝尔市，其中云量的大值区主要位于内蒙古的呼伦贝尔市。通过与图4卫星红外通道上的探测云图对比分析看出，东北冷涡稳定维持在内蒙古的东北部地区，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。模式预报的云场在其范围、边界形状以及云量等方面，与实际的红外云图均十分吻合。
3.5 降水量预报
从图10可以看出，预报4月1日20：00至4月2日20：00，锡林郭勒盟大部地区、赤峰市、通辽市、兴安盟有小于10 mm降水，呼伦贝尔市降水量偏大，可达10 mm以上降水。与图2的降水实况对比发现，降水主要集中在内蒙古中东部地区，主要包括呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市，降水量主要为小雨量级。可以看出MM5模式预报的降水落区范围、降水量级、降水中心位置以及降水量实时演变均与实际观测结果基本一致，但局地存在降水范围偏大、降水等级偏大、降水中心位置与实况有差异等不足。
4 结语
针对受高空低槽影响2016年4月1日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。
（1）2016年4月1—2日发生在内蒙古的降水过程，MM5模式能比较成功地模拟该过程的宏微观特征和分布状况。
（2）将MM5模式的预报产品与实况资料进行对比发现，MM5对内蒙古2016年4月1日的降水天气过程具有一定的预报能力。如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；云水含量的预报能给出不同高度层上不同位置云水含量的变化情况；冰晶浓度的预报给出了降水过程中冰晶浓度的大值区分布；云场的预报所涉及云的范围、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。
（3）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，因为在进行模拟时选择了微物理过程的参数化方案，可能模式的初始场和边界条件的处理有关；同时原因可能是与所用资料的精度不够有关。总体来说，造成模式结果局部偏大的具体原因，则有待于进一步的研究。
5 参考文献
[1] PIELKE R A.Mesoscale meteorological modeling[M].New york：Academic Press，1984：612.
[2] NINOMIYA K.Mesoscale Numerical Weather Predicti on，Numerical Pr-ediction of Mesoscale Severe Phenomena in Japan，Short and Medium Range Numerical Weather Prediction[C]//WMO/IUGG NWP Symposium，Tokyo，1986：517-531.
[3] ANTHES R A，KUO Y H，BENJAMIN S G，et al.The evolution of the mesoscale environment of severe local storms：Preliminary modeling results[J].Mon Wea Rev，1982，110：1187-1213.
[4] ZHANG D L，FRITSCH J M.Numerical simulation of meso-β structrue and evolution of the 1977 Johnstown flood.Part Ⅱ：Inertially stable war-mcorevortex and the mesoscale convective complex[J].Atmos Sci，1987， 44：2593-2612.
[5] 王东海，周晓平.斜压大气中尺度横波扰动的发展[J].大气科学，1994，18（1）：62-71.
[6] 翟国庆，高坤，俞樟孝，等.暴雨过程中中尺度地形作用的数值试验[J].大气科学，1995，19（4）：475-480.
[7] 王鹏云，刘春涛.1996 年第8 号台风中尺度结构的数值研究[J].气象学报，1998，56（3）：296-231.
[8] 张迎新，胡欣，张守保.湿位涡在“ 96.8” 特大暴雨过程中的应用分析[J].气象科技，2004，32（增刊1）：25-28.
[9] 侯瑞钦，景华，陈小雷，等.太行山迎风坡降水云微物理结构数值模拟分析[J].气象科学，2010，30（3）：351-357
[10] 迟竹萍，龚佃利.山东一次连续降雪过程云微物理参数数值模拟研究[J].气象，2006，32（7）：25-32.
[11] 黎惠金，李江南，林文实，等.2008年初南方冻雨云物理过程的模拟研究[J].高原气象，2011，30（4）：942-950.
[12] 胡伯彦，汤剑平，王淑瑜.MM5V3模式对IPCC情景下中国地区极端事件的模拟和预估[J].地球物理学报，2013，56（7）：2195-2206.
[13] 唐灵，林嘉仕，詹杰民，李毓湘.MM5中尺度模式对一次冷锋天气系统模拟结果的评价[J].中山大学学报，2007，46（6）：114-119.
[14] 刘宁微，王奉安.WRF 和MM5 模式对辽宁暴雨模拟的对比分析[J].气象科技，2006，34（4）：364-369.
[15] 杨晓君，何金海，吕江津.对一次温带气旋引发渤海风暴潮过程的数值模拟[J].气象与环境学报，2010，26（4）：61-65.
[16] 孙健，赵平.用WRF与MM5模拟1998年三次暴雨过程的对比分析[J].气象学报，2003，61（6）：692-701.