УДК 551.509.32.001.572+551.326.1(98)
Оценка чувствительности модели WRF-ARW к методам описания ледяного покрова Арктического бассейна
В. И. Бычкова*, К. Г. Рубинштейн*, А. П. Макштас**
Сравниваются несколько экспериментов с полярной версией модели WRF-ARW, где характеристики льда (сплоченность, температура) представлены, в одном случае, информацией из центра GFS (Global Forecast System — Глобальная система прогнозирования), в другом — информацией, полученной с помощью ледовой модели Арктического и антарктического научно-исследовательского института. Определены степень чувствительности региональной гидродинамической модели WRF-ARW к разным способам описания ледяного покрова и их влияние на прогноз приземных метеорологических величин в Арктике. Представлены результаты оценки качества численных прогнозов, полученных с использованием разных источников данных о теплофизических характеристиках ледовой поверхности.
Ключевые слова: модель WRF-ARW, ледяной покров, Арктический бассейн.
Введение
Наличие снежно-ледяного покрова является одной из основных особенностей, определяющих взаимодействие океана с атмосферой в полярных районах. Вследствие данного обстоятельства качество прогноза погоды в этих районах во многом определяется точностью информации о состоянии морских льдов, особенно в периоды их формирования и таяния. В настоящее время основная информация о состоянии подстилающей поверхности в Арктическом бассейне доступна только с помощью данных специализированных метеорологических спутников и, с известной степенью осторож-нос ти, результатов чис лен ных моде лей.
Существует несколько источников спутниковых данных о состоянии ледяного покрова. В работах [5, 7] приведены результаты сравнительного анализа данных о сплоченности льда, полученных с помощью микроволновых радиометров, установленных на спутниках "Nimbus-7 SMMR" и "DMSP SSM/I-SSMIS" и имеющих горизонтальное разрешение от 25 до 6 км. Еще одним источником данных, качество которых было проанализировано в работе [7], являются результаты анализа состояния подстилающей по-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации;e-mail: er-riad@mail. ru.
** Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
верхности (пространственное разрешение 25 км), базирующиеся на данных спутниковой аппаратуры HIRS, AMSU-A, AMSU-B, AVHRR. Для сравнения в работе [14] были использованы результаты наблюдений дрейфующей станции SHEBA, показавшие, что в зимний период спутниковые данные хорошо согласуются с данными наблюдений. Летом в период активного таяния льда и снега наблюдаемая сплоченность льда в районе станции SHEBA была меньше, чем по спутниковым данным.
В работе [12] приведена оценка степени чувствительности полярной версии модели WRF-ARW к условиям на нижней границе. Представленные результаты позволяют заключить, что при использовании спутниковой ин форма ции о сплочен нос ти льда из раз ных ис точ ни ков изме не ния в откликах модели невелики: по температуре воздуха на высоте 2 м различия не превышают десятых градуса, по абсолютной влажности — десятых грамма на кубический метр.
Как показано в работах [11, 15], основные погрешности определения характеристик ледяного покрова при обработке спутниковой информации возникают при наличии "смешанных" элементарных областей, когда в одной такой области отмечаются два разных типа поверхности, например, лед и разводья или снежницы.
В данной статье приведены результаты нескольких численных экспериментов с полярной версией модели WRF-ARW [1], в которых ледяной покров описывается либо по данным, представленным центром GFS (Global Forecast System — Глобальная система прогнозирования) [16], либо на основе результатов, полученных с помощью динамико-термодинамической модели морского ледяного покрова Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) [2]. Целью работы являются опреде ле ние сте пе ни чу встви тель нос ти ре ги о наль ной гид роди на ми чес кой модели WRF-ARW к разным способам описания ледяного покрова и оценка качес тва чис лен ных про гно зов, полу чен ных с ис поль зо ва ни ем раз ных источников данных о характеристиках ледяного покрова.
Данные центра GFS представляют собой результат последовательного использования следующих алгоритмов: ассимиляция данных спутниковых наблюдений и последующая оценка теплофизических характеристик льда по модели GFS. Для обработки спутниковых данных используется алгоритм "NASA team", описанный в работе [4]. Теплофизические характеристики льда рассчитываются с помощью модели морского льда [8], которая является частью прогностической модели GFS. Толщина морского льда принята равной 3 м, температура на границе лед — океан — 271,2 K. Температура поверхности льда рассчитывается из уравнения теплового баланса в модели GFS.
Динамико-термодинамическая модель морского ледяного покрова, разработанная ААНИИ в [2, 10], основана на стационарном уравнении движения с использованием для описания внутриледного взаимодействия реологии ледяного покрова как кавитационной жидкости, нестационарном уравнении баланса массы и квазистационарном уравнении сохранения энергии, позволяющем рассчитать нарастание и таяние ледяного покрова. Модель в явном виде описывает формирование разводий и торосов. Учет разводий особенно важен, поскольку в летнее время через них идет основ-
ной прогрев подледного слоя океана вследствие поглощения солнечной радиации и происходит боковое таяние льда, в значительной степени определяющее уменьшение его сплоченности. В зимний период нарастание молодых льдов в разводьях является одним из основных факторов изменения массы льда. С помощью модели рассчитываются для всей акватории Северного Ледовитого океана с пространственным разрешением 50 км толщина ледяного покрова, толщина снега на льду, сплоченность льда и торосов, компоненты скорости дрейфа льда, температура воды, температура поверхности ровного льда, разводий и торосов. Внешним форсингом модели служат среднесуточные поля температуры воздуха и атмосферного давления по данным реанализа КСЕР/ЫСЛЯ и проинтерполированные на каждые сутки климатические значения остальных определяющих тепловой баланс поверхности характеристик атмосферы [2, 10].
В данной работе приводятся результаты четырех численных экспериментов с полярной версией модели WRF-ARW (версия 3.3) с разрешением 50 км. Результаты получены в полярной проекции для территории, ограниченной 60-й параллелью. В первом из экспериментов все начальные и граничные поля соответствуют данным модели GFS [16] (в дальнейшем эксперимент 1, Э1), в эксперименте 2 (Э2) в качестве данных о сплоченности льда С использованы поля, рассчитанные с помощью динамико-термоди-намической модели ААНИИ [2]. В эксперименте 3 (Э3) в качестве граничных данных о температуре подстилающей поверхности Т использованы данные ААНИИ. Эксперимент 4 (Э4) включает оба поля — сплоченности и температуры льда, полученные с использованием модели ААНИИ. Другие краевые условия (компоненты скорости ветра, температура и влажность воздуха на высоте 2 м, атмосферное давление, температура поверхности) во всех экспериментах соответствуют данным, предоставленным центром GFS.
Расчеты проводили на 60 ч, первые 12 из которых при анализе не учитывали. Таким образом, был получен ряд численных прогнозов за период с 1 по 31 июля 2009 г. Во всех сериях экспериментов был использ ован идентичный набор параметризаций: конвективные процессы согласно [3], микрофизические процессы в облаках по [13], процессы, происходящие в планетарном пограничном слое, — в соответствии с [9], процессы на подстилающей поверхности — в соответствии с [6]. Для оценки прогнозов были использованы данные сети синоптических станций.
Эксперимент с изменением поля сплоченности льда
Как отмечалось выше, в эксперименте 1 данные о сплоченности льда соответствуют данным модели GFS, в эксперименте 2 — данным выходной продукции модели ААНИИ. Рассмотрим пространственное распреде-ле ние сред ней за ме сяц раз нос ти сплочен нос ти ледя но го по кро ва меж ду экспериментами 1 и 2 (сплоченность льда рассчитывали в процентах). Как видно на рис. 1, разность сплоченности льда достиз ает 80% в районах, прилегающих к зоне сезонного изменения положения кромки морских льдов. Красным цветом на рис. 1 отмечены области, где сплоченность больше в эксперименте 1. В районах, закрашенных синим цветом, площадь льда, полученная по результатам модели ААНИИ, больше, чем по
В. Д.
90°
90°
3. Д. " 0
^-80
-40
80
40
%
180°
Рис. 1. Осредненная за июль 2009 г. разность данных о сплоченности льда в экспериментах 1 и 2.
Мелкими точками обозначена сеть синоптических станций, данные которых были использованы для анализа, более крупными — станции, выбранные для детального анализа. Остальные пояснения приведены в тексте.
данным ОББ. Зеленым отмечены прибрежные станции, по наблюдениям на которых не произошло изменение характеристик льда, а также станции, значительно отдаленные от океана.
На основании преобладания изменений сплоченности льда в положительную или отрицательную сторону для дальнейшего анализа были выбраны две равновеликие области. Важным критерием выбора областей было наличие в них значительного числа синоптических станций, данные которых использованы при анализе полученных численных результатов. Сравнение результатов экспериментов по выделенным репрезентативным регионам, в которых имеется от 6 до 10 метеостанций, позволяет оценить пространственный масштаб отклика прогностических полей на изменение характеристик льда.
Введем следующие обозначения: область 1+(С) и станции 1+(С) и 2+(С) — область и станции, где сплоченность льда больше в эксперименте 1, область 1-(С) и станции 1-(С), 2-(С) — область и станции, где сплоченность льда больше в эксперименте 2. Для указанных областей и отдельных синоптических станций (рис. 1) в табл. 1 приведены ошибки прогнозов температуры воздуха на высоте 2 м по обоим экспериментам. В таблице представлены два вида оценок. Первая группа представляет собой разность температуры воздуха АТа на в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.