regcm-1

The History of RegCM
模式物理过程和数值方案的第一个主要升级在 Giorgi等1993a、b中进行了说明，并由此产生了 第二代RegCM，即RegCM2。RegCM2最大的发 展在于物理过程的发展。 RegCM2的物理过程主要包括：辐射过程、边界 层过程、积云过程和陆面过程等。这些过程主要 取自CCM2与MM5。陆面过程为BATS1E （Dickinson）；初边界值由CCM2（ECWMF或 再分析资料）提供。 最近一些年，RegCM中使用的一些新的物理过 程方案变为可能，多基于CCM3中的物理过程。 即：RegCM3.
RegCM
物理过程
结果输出： 大气资料 下垫面资料
后处理：诊断量
辐射方案 陆面过程 洋 通 量
气 压 梯 度
湖 泊 模 式
The History of RegCM
RegCM模型水平和垂向网格
首先介绍模型的网格配置。模拟系统通常在压力面 上获取、分析数据，但在输入模式之前，这些数据 必须内插到模式的垂向坐标上。 模式垂向结构示意图这个例 子是垂向16层。虚线表示半 sigma层，实线表示全sigma 层。 σ定义
垂直混合与对流调整的影响
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
水平辐射的影响
动力学
Ω则是由下式决定：
其中，
饭空气在常压下的特定比热容
水汽混合比
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
动力学
Hydrostatic Equation 流体静力学方程用于从实际温度来计算位势高度：
物理过程--辐射方案
RegCM3采用的是NCAR CCM3的辐射方案： Kiehl等在1996年对其进行了很好的描述。 简言之，按照Kiehl等1996年文章中的δEddington近似法，太阳短波辐射过程中，考虑 了O3、H2O、CO2和O2的影响。 此方案包含了从0.2到0.5μm的18个谱段。
The History of RegCM
Dickinson(1989)和Giorgi(1990)根据数值天气预 报的做法，最初提出将有限区域模型(LAMs limited area models)用于区域研究的思想。基于 单步嵌套的概念。基本思路是：由GCM为RCM （区域气候模式）提供初值和侧边界值，从而驱 动RCM，但RCM的结果不再反馈回GCM。 第一代NCAR RegCM于1980s晚期在NCAR-宾夕 法尼亚州立大学（PSU）中尺度模型版本4的基 础上建立起来，即RegCM1，模式的初边界值由 CCM1提供。
The History of RegCM
Terrain变量以及三位等压气象数据，都是从经 纬度网格水平插值到高分辨率的区域中，该区域 可以是旋转（或正交）Mercator投影、Lambert 映射投影，或者极射投影。同时也进行从压力层 坐标到RegCM所采用的sigma坐标系统的垂向内 插。 在贴近地表处，sigma面随地形而变化，在高层， sigma面倾向于接近等压面。 由于垂向和水平分辨率以及区域大小都可以改变， 模拟程序软件包随参数量纲变化所要求的内存总 量在变化，要求的硬盘空间也相应的改变。
The History of RegCM
1989年Anthes等研究了水平分辨率、区域范围、 初始条件、降水参数化、行星边界层（PBL）及 侧边界条件（LBC）对模式的贡献，结果表明区 域气候模式对来自GCM的侧边界条件（LBC） 最为敏感。 Giorgi研究了美国西部冬季降水和土壤水分对低 层边界的敏感性。表明，对冬季降水而言，海滨 地区的蒸散作用是主要的，陆地的蒸散作用为第 二位；降水对美国西部的复杂地形非常敏感。
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
The History of RegCM
水平网格为Arakawa-Lamb B型交错网格，网格 中除了标量，还有速度变量。 动力框架：
垂直方向σ Arakawa B-grid 标量（T，q，p等）
速度分量u和v
Dot和cross网格点交错的 ArakawaB型水平交错网格 示意图 数据输入模型时，预处理程序为了确保网格一致性会做必要的内插
辐射方案 陆面模型 行星边界层方案 对流降雨方案 大尺度降雨方案 海洋通量参数 压力梯度方案 湖泊模型 气溶胶和尘埃模型（化学模型）
Model Description
动力学 物理过程
辐射方案 陆面模型 行星边界层方案 对流降雨方案 大尺度降雨方案 海洋通量参数 压力梯度方案 湖泊模型 气溶胶和尘埃模型（化学模型）
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
Outline
Introduction
Model Description
Pre-Processing
RegCM
Post-processing
Practice Run
Model Description
动力学 物理过程
RegCMs的基本框架
初值：各层T, U,V, Q, Ps, Zs, Lat, Lon, 地区 放大系数, Snow, Ts等； 边值：各层T, U,V, Q, Ps等 GCM
缓冲区 核心区 R C M
RegCMs简介
SST 全球大气资料 地形资料 初边值 动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid 地表类型资料
RegCM的相关下载
http://users.ictp.it/~pubregcm/
Outline
Introduction
Model Description
Pre-Processing
RegCM
Post-processing
Practice Run
Outline
Introduction
The History of RegCM
地图尺度因子：m，定义为如下形式： m的值通常接近于1，并随纬度变化。 模式投影方式白哦存了小块渔区的形状，所以无 论何处都有dx=dy，但区域中个点长度会不断变 化以把一个球面区域表示在平面上。 无论水平梯度是否采用，都要考虑到地图尺度因 子。
其中，sigmadot是积分虚变量，且sigmadot （sigma=0）=0
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
动力学
Thermodynamic Equation and for Omega（ω）
The thermodynamic equation
常压下潮湿空气的特定比热容 非绝热加热量
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利用RegCM1，Dickinson等模拟了美国西部一月 份的气候情况。模拟的降水分布比CCM1要好得 多，模拟的风暴路径也更真实。 Giorgi等模拟了欧洲地中海地区的一月份气候。 真实地模拟出了一月份十年平均的大尺度环流、 主要风暴路径和区域大尺度降水。 但RegCM1仍然存在明显的不足，如模拟的地中 海和大部分陆地的温度偏低4-6℃，模拟中心明 显偏东。
Model Description
Pre-Processing
RegCM
Post-processing
Practice Run
The History of RegCM
现在区域气候模式也有很多种类：NCEP-RSM, MRI-RSM（谱模式），RegCMs, RAMS（格点 模式）等。 我国开始于90年代中后期，大部分集中于个例分 析。刘永强、沈桐立、万齐林、郑维中、龚威、 赵宗慈等分别用RegCM1、RegCM2，MM4， RAMS等模拟了1990年和1991年夏季、秋季气候。 焦彦军将兰高所有限区域模式改造成为一个区域 气候模式，并与GCM模式嵌套，研究了高原积 雪对区域气候变化的影响。
区域气候模式:RegCM3
王伟
Why?--气候区域性特征

ENSO控制区 季风区 内陆区 更小尺度特征（雅安天漏）
Why?--气候区域性特征
区域气候形成与变化受到局地地形、水体、城市、 生态系统等的影响和控制。 区域气候可以包括: 1、地形降水; 2、湖泊对降水异常; 3、城市热岛; 4、海风等等。 这些局地性气候特征与变化对大尺度气候也有重 要贡献。
The History of RegCM
张敏锋等利用兰州高原大气所的LAM模式模拟 了1979年1月东亚平均环流和寒潮过程，得到了 较好的结果。 张晶利用自行建立的陆面过程模式（LPM）与 RegCM2耦合，并与原RegCM2具有的BATS陆面 过程模式相对比，表明LPM与RegCM2耦合模拟 的降水和地面气温优于RegCM2与BATS耦合的 模拟结果。 大气所、气候中心等也都有自己的区域气候模式， 但这些模式主要的核心部分一般都取自国外，而 且模式也存在很多问题。
动力学
模型动力学方程和数值的离散化，由Grell等在 1994年进行了描述。 Horizontal Momentum Equations
位势高度
实际温度
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
水平和垂直散度
动力学
Continuity and Sigmadot Equations （ 4）
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
The History of RegCM
从上图和方程可以看出，sigma在顶部为0，在地 表为1，并且每个模式的层由sigma值进行定义。 模式垂向分辨率有一系列在0和1之间的值定义， 这些值不必是均匀分布。 通常边界层的分辨率比上面层的要高，并且其层 数可以随用户要求改变。
其中，
Qv、Qc、Qr分别为水蒸气、云水/冰、降雨/雪的混 合比
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
Model Description
动力学 物理过程
辐射方案 陆面模型 行星边界层方案 对流降雨方案 大尺度降雨方案 海洋通量参数 压力梯度方案 湖泊模型 气溶胶和尘埃模型（化学模型）
上述方程（4）的垂向积分可以用于计算模式中 表层压力的时间变化，即： （ 5） 表层压力的时间变化趋势即可通过上述方程（5） 求得。 动力框架：
垂直方向σ Arakawa B-grid
动力学
模型中每一层的垂向速度sigmadot（sigma坐标 下）也可以通过方程（4）的垂向积分进行计算： （ 6）
The History of RegCM
RegCM3的其他主要的改变在于云和降雨过程。 模式物理过程的改变还包括一个大尺度云和降雨 方案以及海洋表层通量的新参数化方案，一个积 云对流方案。模式中新的东西还包括一个马赛克 型参数化方案，以用于对次网格尺度上地表高程 和土壤类型不均匀进行处理。RegCM3的其他改 进包括输入的数据。 RegCM模式系统包括四个部分：地表、初始/侧 边界、RegCM和后处理。Terrain和ICBC是 RegCM预处理阶段的两部分。
动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
The History of RegCM
地图投影方式和地图尺度因子
模拟系统有四种地图投影方式可以选择： 1、Lambert映射投影适合中纬度； 2、极射投影适合高纬度； 3、正交Mercator投影适合低纬度； 4、旋转Mercator投影则用于其它选择。 除了正交Mercator投影之外，模式中的x和y方向与 东西向、南北向并不对应，因此观测的风场通常需 要旋转到模式网格上，而模式的u、v分量在和观测 值进行比较之前也需要进行旋转。 上述旋转在模式的预处理阶段（提供模式网格数据） 和后处理阶段中进行。 动力框架： 垂直方向σ Arakawa B-grid
The History of RegCM
前面介绍的所有变量都定义在模型中每个垂直层 的中间，或者说半层上，在图1中用虚线表示。 垂直速度定义在全层上（实线）。 我们所定义的sigma层指的是这里列出的全层， 包括sigma值为0和1的层。故模型的层数总是比 全sigma层数少一层。 当然，模型的有限差分总是严重依赖于网格的交 错形式。