RAMS （Mesoscale Model System）的指导与分析

准确模拟大气过程对天气预报、气候研究和环境科学至关重要。RAMS是一款中尺度数值天气预报和大气模拟模式，由科罗拉多州立大学和Mission Research Corporation的研究人员联合开发。该模式融合了先进的计算技术和全面的物理过程表示，适用于多种大气科学研究。

理论基础

控制方程

RAMS基于完全可压缩、非静力的Navier-Stokes方程。这些方程采用地形跟随坐标，以准确表示复杂地形。模式求解以下基本方程：

• 动量方程
• 热力学能量方程
• 连续性方程
• 水分守恒方程

坐标系

采用地形跟随的σ坐标，使模式能够适应地形起伏，对中尺度地形效应的模拟尤为重要。

数值方法

网格配置

RAMS使用Arakawa C型网格，提高了速度和压力场计算的准确性。支持多重嵌套网格，允许在特定区域进行高分辨率模拟。

参数设置示例

• 水平网格间距：
  • 外部网格：Δx = Δy = 30 km
  • 第一层嵌套网格：Δx = Δy = 10 km
  • 第二层嵌套网格：Δx = Δy = 2 km
• 垂直层数：40层，底层分辨率为50 m，顶层为1 km
• 网格嵌套比：1:3

时间积分

采用分裂显式时间积分方案，将快速的声波与较慢的大气过程分离。

参数设置示例

• 大时间步长（大气过程）：Δt = 30 s
• 小时间步长（声波）：Δt_acoustic = 3 s

边界条件

使用辐射边界条件和松弛区，减小边界反射。

参数设置示例

• 边界松弛区宽度：5个网格点
• 辐射边界条件：Klemp-Wilhelmson方案

物理参数化方案

微物理过程

RAMS提供了多种微物理方案，包括单矩和双矩方案，可模拟不同的水成物。

参数设置示例

• 微物理方案：双矩混合相微物理方案
• 水成物类别：云水、雨水、冰晶、雪、霰和冰雹
• 粒子谱分布：Gamma分布，形状参数ν = 2

辐射方案

考虑短波和长波辐射，与气体、气溶胶和云的相互作用。

参数设置示例

• 辐射传输模型：两流近似
• 辐射计算频率：每15分钟

湍流和边界层

采用湍流闭合方案，如Mellor-Yamada 2.5阶方案，模拟次网格尺度的湍流通量。

参数设置示例

• 湍流方案：Mellor-Yamada 2.5阶
• 混合长度尺度：根据地形和稳定度自动调整

陆面过程

LEAF-3模块模拟地表过程，包括土壤、植被和水文循环。

参数设置示例

• 土壤层数：6层，深度达2米
• 植被类型：基于USGS全球土地覆盖数据
• 土壤湿度初始化：根据季节性平均值

模式初始化和数据同化

RAMS可使用观测数据或全球模式输出进行初始化，支持数据同化以提高模拟准确性。

参数设置示例

• 初始条件：使用GFS全球分析数据
• 边界条件更新频率：每6小时
• 数据同化方法：分析平滑（nudging），时间尺度为1小时

优势

• 模块化设计：用户可根据需求定制模式组件。
• 高分辨率能力：嵌套网格支持精细尺度模拟。
• 物理过程完整：包含丰富的物理参数化方案。
• 并行计算支持：优化的并行算法，提高计算效率。

局限性

• 计算资源需求高：高分辨率和复杂物理过程增加了计算成本。
• 学习曲线陡峭：丰富的选项和设置需要时间掌握。
• 参数敏感性：结果对参数设置和初始条件敏感。