MM5（気象モデル）

MM5 （ Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Modelの略）は、天気予報や気候予測を作成するために使用される地域メソスケールモデルです。これは、ペンシルベニア州立大学と国立大気研究センターによって維持されているコミュニティモデルです。MM5は、限られた領域で地形に追従するシグマ座標モデルであり、メソスケールおよび地域規模の大気循環を再現または予測するために使用されます。^[1] 1970年代以降、バグを修正し、新しい技術に適応し、さまざまな種類のコンピューターやソフトウェアで動作するように何度も更新されてきました。研究や天気予報など、さまざまな方法で使用されています。研究では、他のモデルと比較して、何が機能し、何が機能しないかを確認するために使用されます。また、大気質モデルにも使用されます。^[2]

このモデルの積極的な開発は2005年のバージョン3.7.2で終了し、その後は気象研究予報（WRF）モデルに大部分が置き換えられました。^[3]

MM5 はグローバルに再配置可能で、異なる緯度、地形タイプ、標高、土壌タイプなどをサポートするのに役立ちます。 モデルは、目的の結果に応じて、静水圧または非静水圧のいずれかになります。 モデルが地域的であるという事実は、初期条件と横方向の境界条件が必要であることを意味します。つまり、各境界 (4 つあります) には、初期化された風速、温度、圧力、水分フィールドがあります。^[4]したがって、このプログラムにはグリッド化されたデータが必要です。 このモデルは、圧力面に基づいてデータを取得して分析します。 ただし、これらの面は、分析する前に、特定の垂直座標で補間する必要があります。^[4] この垂直座標sigmaが計算され、プログラム全体で使用されます。 Σ は次のように定義されます。 Σ = (pp _t )/p*、p* = p _s -p _t。ここで、p は圧力、p _sは表面圧力、p _{t は}モデル上部の圧力です。^[5] Σが地面に近い場合、プログラムは実際の地形に沿いますが、Σが高い場合、プログラムは等圧面を参照します。Σの範囲は0から1です。^{[4] [6]} 適応性と複数のネスティング機能があり、双方向ネスティングを利用しながら複数のプログラムを同時に実行できます。 MM5は実際のデータからの入力を特徴としており、定期的な観測を使用できる点で便利です。次に、データを他のモデルと比較して、コンテキスト内で使用できます。^[6] MM5は、地形に追従する垂直座標と4次元データ同化（FDDA）も特徴としています。^[6] FDDAは、長期間にわたって取得されたデータが大量にある場合に使用されます。その後、長期間にわたって取得する必要のあるこのデータは、FDDAに配置されます。これは、動的初期化と4次元データセットにも利用されます。^[4]最も重要なことは、MM5は十分に文書化されており、ユーザーサポートのための場所がたくさんあることです。

MM5モデリングシステムには多くの部分があり、それぞれ異なる機能を持っています。これらの部分としては、TERRAIN、REGRID、LITTLE_R、NESTDOWN、INTERPF、INTERPB、GRAPH/RIPなどがあります。基本的に、モデルは情報を取得して土地のモデルを作成することから始まります。これはTERRAINの部分を使用して行われます。^[7]次に、モデルはREGRIDを介して、この土地全体の大気中に存在するさまざまな圧力を推測します。^[7]次に、モデルはこれらの推測を​​取得し、いくつかの地表観測の助けを借りて、LITTLE_Rを使用して客観的な分析を作成できます。^[8] RAWINSはLITTLE_Rの古いバージョンであるため、LITTLE_Rの方が一般的に使用されています。次に、INTERPFはRAWINS / LITTLE_RおよびREGRIDからそのデータを取得し、そのデータを上で説明したシグマ座標に補間します。^[7] MM5自体が時間の組み合わせを計算します。 NESTDOWN関数は垂直シグマレベルを変更する機能を持っています。INTERPBはRAWINSの最初の推測を生成すると同時に、REGRIDの推測を行うために使用するファイルを収集します。最後にGRAPH/RIPは他のプログラムから提供されたすべてのデータからユーザーが表示できるプロットを生成します。^[7] RIPはRead/Interpolate/Plotの略で、 MM5からの出力を予測するためにNCARグラフィックスを使用します。^[9]

MM5 はFORTRANで書かれています。これらの FORTRAN プログラムはローカル コンピュータでコンパイルする必要があり、モデル構成が変更されるたびに再コンパイルする必要があるものもあります。^[10]プログラムは、変数に値を割り当てるためにポインタを使用します。これらのポインタはメモリの一部に入り、目的の変数に特定の値を割り当てます。^[11] MM5 は複数のタスクを同時に実行することもできます。具体的には、2 つの異なるタスクを異なるプロセッサで同時に実行することができ、MM5 はこれを可能な限り使用します。^[11]このマルチタスクではネスティングも使用され、MM5 では最大 9 つのドメイン(プロセス) を同時に実行でき、プロセス全体を通して相互作用します。^[4]このモデルは双方向ネスティングを利用しています。これは、1 つのネストの粗いメッシュ (1 つの領域に高密度のセルがある) からの入力が 4 つの境界の 1 つから来る場合に発生しますが、より粗いメッシュへのフィードバックはネストの内部を介して発生します。^[4] 各ドメインは、各タイムステップで親ドメインから情報を収集し、3 つのタイムステップを実行してから、情報を親ドメインに返します。^[4] 双方向ネスティングには、ネスト補間、ネスト分析入力、ネスト地形入力の 3 つの方法があります。^[4]補間は、地形が水面などの滑らかな場合に行われます。このタイプの双方向ネスティングに必要な入力はありません。ネスト入力には MMINPUT というファイルが必要で、そのファイルには気象情報と地形情報が含まれているため、最初に、より適切な分析を行うことができます。最後に、地形入力には TERRAIN ファイルが必要です。次に、気象フィールドが補間されます。^[4] マルチタスクが発生する場合、変数は共有またはプライベートとしてマークする必要があります。共有は、すべてのプロセッサがメモリの同じ部分にアクセスできることを意味します。プライベートは、各プロセッサが、個別のメモリ位置を持つ配列のプライベート コピーを持つ必要があることを意味します。^[11]マルチタスクは、サブルーチンSolve1、Solve3、Soundで具体的に発生します。

MM5は、コンピュータに応じてさまざまな方法で実行できます。このモデルは、シングルプロセッサコンピュータ、共有メモリアーキテクチャ、または分散メモリアーキテクチャで実行できます。また、IBM、SGI origin 200/2000、CRAY（J90、C90、T3E）、DEC Alpha、 Linuxが動作するAlpha、Sunなど、さまざまなプラットフォームで実行できます。実行するコンピュータには、Fortran 90および77コンパイラとCコンパイラが必要です。さらに、MPI MM5モデルを実行するために、NCARグラフィックスとMPIツールが必要です。ただし、これは必須ではありません。MM5モデルは、少なくとも0.5ギガバイトのメモリと数ギガバイトのディスクスペースを占有します。^[6]

MM5コード自体には220以上のサブルーチンがあり、コード行数は55,000行を超えます。^[12]標準Fortran 77と「Cray」ポインタを使用しています。MM5内のすべての関数のサブルーチンのリストと簡単な説明、その中で呼び出されるルーチンは、こちらで確認できます。^[13]

MM5 は、さまざまなタイプの大気シミュレーションで使用できるように調整されました。

• リアルタイム地域天気予報^{[14] [15] [16]}
• 熱帯低気圧予測^{[17] [18]}
• 気候変動のシミュレーションと予測^{[19] [20]}

TERRAINの最新アップデートでは、USGSの全世界30秒地形標高データが使用されています。これは、以前は米国本土のみで使用されていましたが、全世界を対象としています。^[21]この新しいアップデートでは、MM5で使用できる地形画像の品質も向上しています。 REGRIDの改善により、ユーザーによるデータ入力が簡単になり、移植性も向上しました。^[21 ] LIITLE_Rは、RAWINSを置き換えるために2001年に開発されました。 LITTLE_Rの改善により、ユーザーによるデータ入力がさらに簡単になりました。^[21]

• 気象研究および予測モデル

• MM5ホームページ