ECMWF的60层模式面资料使用方法总结：1、模式面气压计算

平流层的萝卜

说到EC的60层模式面资料，这个资料层数多，相比于ncep的20多个垂直层数，EC模式面的垂直空间分辨率显然更好，水平分辨率更可以达到0.125*0.125，但它是地形跟随坐标，特点在于其所对应的气压不仅随地形变化，而且随时间变化。例如，00时在第一层的120E，30N格点的气压是1000hPa，06时在第一层的120E，30N格点的气压就会变成1010hPa（当然，这两个时刻的点也不是同一个点），不似等压面资料，850hPa上的任意格点气压在任意时间都是850hPa。这就使得EC模式面资料的应用存在一定的复杂性，因为很多物理量都是需要拿气压算的，所以模式面的气压计算是个要去解决的问题。之前，我由于论文需要也用此资料，自己摸索了很长时间不得要领，最终经过郑永骏老师的点拨，弄懂了。回头看整个计算过程，真是可以用“繁琐”两个字形容，但弄懂必要的概念、掌握计算思路，就不难。正巧也遇到有人发帖问（@TingTing_Hsu），我就来分享一下自己的经验心得。

1、首先下载EC60层模式面资料中的仅1层的Logarithm of surface pressure数据，对应的是最底层。数据网址为：http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim_full_daily/，左上角有个Model levels, 即为模式面资料，按需要勾选时间和物理量即可下载，下载称grib数据，用grads生成对应的ctl和idx，再基于ctl用grads fwrite称grd，不细说了。

2、对Logarithm of surface pressure资料，进行exp(变量名)，还原其真实值，得到地面气压（单位：Pa）
3、上传了一个附件： 60 model levels.htm (17.63 KB, 下载次数: 55)

2014-8-11 13:34 上传

点击文件名下载附件 ，是60层资料的气压计算附表（这是老的网址，不知道是否可以打开，打不开也没关系，我直接复制过来），打开，得到下表：

60 model level definitions
Model level definitions 19 Model Levels 31 Model Levels 40 Model Levels 50 Model Levels 60 Model Levels 62 Model Levels 91 Model Levels 137 Model Levels		The following is the list of a(N) and b(N) accompanied with half level, ph, and full level, pf, corresponding values of pressure for a surface pressure of PS[hPa]= 1013.250. NLEV=60     PS[hPa]=1013.250 N           a            b              ph[hPa]       pf[hPa]     0         0.000000    0.00000000         0.000                   1        20.000000    0.00000000         0.200         0.100     2        38.425343    0.00000000         0.384         0.292     3        63.647804    0.00000000         0.636         0.510     4        95.636963    0.00000000         0.956         0.796     5       134.483307    0.00000000         1.345         1.151     6       180.584351    0.00000000         1.806         1.575     7       234.779053    0.00000000         2.348         2.077     8       298.495789    0.00000000         2.985         2.666     9       373.971924    0.00000000         3.740         3.362    10       464.618134    0.00000000         4.646         4.193    11       575.651001    0.00000000         5.757         5.201    12       713.218079    0.00000000         7.132         6.444    13       883.660522    0.00000000         8.837         7.984    14      1094.834717    0.00000000        10.948         9.892    15      1356.474609    0.00000000        13.565        12.257    16      1680.640259    0.00000000        16.806        15.186    17      2082.273926    0.00000000        20.823        18.815    18      2579.888672    0.00000000        25.799        23.311    19      3196.421631    0.00000000        31.964        28.882    20      3960.291504    0.00000000        39.603        35.784    21      4906.708496    0.00000000        49.067        44.335    22      6018.019531    0.00000000        60.180        54.624    23      7306.631348    0.00000000        73.066        66.623    24      8765.053711    0.00007582        87.727        80.397    25     10376.126953    0.00046139       104.229        95.978    26     12077.446289    0.00181516       122.614       113.421    27     13775.325195    0.00508112       142.902       132.758    28     15379.805664    0.01114291       165.089       153.995    29     16819.474609    0.02067788       189.147       177.118    30     18045.183594    0.03412116       215.025       202.086    31     19027.695313    0.05169041       242.652       228.839    32     19755.109375    0.07353383       272.059       257.356    33     20222.205078    0.09967469       303.217       287.638    34     20429.863281    0.13002251       336.044       319.631    35     20384.480469    0.16438432       370.407       353.226    36     20097.402344    0.20247594       406.133       388.270    37     19584.330078    0.24393314       443.009       424.571    38     18864.750000    0.28832296       480.791       461.900    39     17961.357422    0.33515489       519.209       500.000    40     16899.468750    0.38389215       557.973       538.591    41     15706.447266    0.43396294       596.777       577.375    42     14411.124023    0.48477158       635.306       616.042    43     13043.218750    0.53570992       673.240       654.273    44     11632.758789    0.58616841       710.263       691.752    45     10209.500977    0.63554746       746.064       728.163    46      8802.356445    0.68326861       780.346       763.205    47      7438.803223    0.72878581       812.830       796.588    48      6144.314941    0.77159661       843.263       828.047    49      4941.778320    0.81125343       871.420       857.342    50      3850.913330    0.84737492       897.112       884.266    51      2887.696533    0.87965691       920.189       908.651    52      2063.779785    0.90788388       940.551       930.370    53      1385.912598    0.93194032       958.148       949.349    54       855.361755    0.95182151       972.987       965.567    55       467.333588    0.96764523       985.140       979.063    56       210.393890    0.97966272       994.747       989.944    57        65.889244    0.98827010      1002.024       998.385    58         7.367743    0.99401945      1007.264      1004.644    59         0.000000    0.99763012      1010.849      1009.056    60         0.000000    1.00000000      1013.250      1012.049 A description of how model levels should be interpreted is available here.

这个表是用于计算模式面气压的，通过地面气压，和该层l的a和b值，来确定该层的气压。
拿网站的例子来说：
pf值是每个层的真实气压值，pf是通过ph计算的。具体计算步骤如下：
3.1、计算每一层的ph，一共1-60层（60是最低，1是最高），第0层的ph=0，是常值。计算公式为：
ph(lon,lat,level,time)=a(level)+b(level)*Psurf(lon,lat,time)，Psurf是地表气压。
ph是经纬度、层数和时间的函数，a和b都仅仅是level的函数，这是EC的一种简化的经验做法。
3.2、从低到高（60-1）分别计算该层的pf：
该层的pf=（该层的ph+该层上层的ph）/2例如：
第60层的pf=（第60层的ph（即地表气压）+第59层的ph）/2=（1013.250+1010.849）/2=1012.049  单位：百帕
第59层的pf=（第59层的ph+第58层的ph）/2=（1010.849+1007.264）/2=1009.056
。。。。。。
第1层的pf=（第1层的ph+第0层的ph（第0层实际不存在，是外太空，EC的简化处理而已））/2=（0.200+0）/2=0.100

这样就得到了每层的pf值，和ph一样，pf是经纬度、层数和时间的函数。
到此即解决了@TingTing_Hsu的问题。


详情见：http://old.ecmwf.int/research/ifsdocs/DYNAMICS/Chap2_Discretization4.html



为什么要用ph算pf呢？
实际上，模式面资料是layer（层）的数据，每个layer（层）的的上下边界就是level（面），换句话说，相邻两个level间夹的就是layer，相邻的两个layer之间夹的就是level。我们下的物理量叫60层layer资料更贴切。
所求解的这些气压pf，实际上是layer里的pf，pf=相邻两个level的气压（即ph）的均值，ph是在level上的。
下载的其他模式面物理量，也实际上是layer（层）的物理量。这就是理解60层模式面资料的关键之处。下图是示意图：





之所以说“繁琐”，是因为这只是第一步，只有理解了这个才能进一步计算每个layer的海平面高度，才能利用坐标变化公式在模式面上求取空间偏导数，进而计算涡度、散度等其他物理量。关于这些，要讲的还有不少，有时间会陆续再和大家分享。


欢迎交流指正。

平流层的萝卜

学术搞个没完 发表于 2015-10-31 12:55
根据楼主的方法，已经计算出第一层的气压值和位势高度。
  不过现在有个问题，对任何地点与时间段来说 ...

a,b是定值，但是pf不是，随时间变化

平流层的萝卜

哆啦1021 发表于 2015-2-3 17:08
不知道60个模式层是怎么划分的 有统一的高度吗

没有的，高度是要在算出气压的基础上再计算的。

balfulosa

不错，真好！

gszywfc

有意义11111111

qxtlyf

不错，真好！

TingTing_Hsu

谢谢您的分享！对我来说还得消化一下！再次感谢！

简玉

有用，谢谢楼主分享

简玉

有用，谢谢楼主分享

a151151151

感谢楼主的心得体会

893116547

学习了！

heqiurui

很有帮助，非常感谢