УДК 551.515.001.572(571.1/.5)
Оценка качества прогноза динамики атмосферы в Сибирском регионе мезомасштабной моделью
WRF-ARW
Ю. В. Мартынова*, **, Р. Б. Зарипов***, *, В. Н. Крупчатников*, А. П. Петров*
Рассматривается реализация модели атмосферы WRF-ARW для расчета прогнозов погоды в Сибирском регионе, приводятся некоторые оценки прогнозов в сравнении с оценками прогнозов глобальной модели NCEP (США). Кратко представлены прогнозы WRF-ARW для европейской территории России. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в теплое время года при подготовке прогнозов на краткие сроки использование WRF-ARW целесообразно, в холодный период свободно распространяемые прогнозы NCEP имеют некоторые преимущества. Описывается работающий в Западно-Сибирском УГМС (СибНИГМИ) вычислительный комплекс, предназначенный для моделирования динамики атмосферы над Сибирским регионом с использованием WRF-ARW. Приводится описание методологии и особенностей программной реализации комплекса.
1. Введение
Прогноз погоды на современном уровне возможен только с использованием численных моделей, при этом естественная область прогноза погоды — весь земной шар, так как атмосфера является непрерывной средой. Используя на границах области моделирования краевые условия, рассчитанные моделями атмосферы с большим охватом, региональные модели позволяют более детально (с помощью более высокого пространственного разрешения, более детальных или подобранных специально для данного региона параметризаций физических процессов) рассмотреть изменение состояния атмосферы на выбранной территории. Примерами подобного подхода служат GME/COSMO [4, 16], IFS/HIRLAM-HARMONIE [15], глобальная и региональные конфигурации UKMO [18, 20], GEM/GEM-LAM [23, 33]. Подход с применением глобального моделирования с переменным разрешением (ARPEGE/IFS [21], GEM в конфигурации с переменным разрешением [28]), когда высокое пространственное разрешение в представляющем интерес регионе достигается без использования вложения областей счета, распространен не столь широко.
* Сибирский региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт.
**Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук.
*** Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: zaripov@mecom.ru.
Одной из самых широко используемых региональных (мезомасштаб-ных) моделей является свободно распространяемая модель WRF-ARW. Эта модель применяется и для территории России — как неосновной метод прогноза погоды (в Гидрометцентре России, СибНИГМИ и ДВНИГМИ), при исследовании атмосферных процессов [10], в качестве инструмента в работах по усвоению данных [3], при рассмотрении методик оценки прогнозов с высоким пространственным разрешением [6]. Прогнозы WRF-ARW применяются и при повышении детализации крупномасштабных данных (т. е. при восстановлении с использованием модели метеорологических полей с более высоким пространственным разрешением, чем у исходных данных, или при восстановлении параметров, отсутствующих в исходных данных), например, при решении задач переноса примесей [5, 7]. Однако авторам неизвестны работы, в которых качество прогнозов WRF-ARW для территории России сравнивалось бы с качеством глобальных прогнозов NCEP (www.emc.ncep.noaa.gov), наличие которых в большинстве случаев необходимо для счета модели.
Пред став ляе мая статья опи сы ва ет орга ни за цию ра боты WRF-ARW в СибНИГМИ в составе информационно-вычислительного комплекса, основной задачей которого является оперативный прогноз погоды, сравниваются оценки качества прогнозов при использовании разных версий модели.
2. Краткое описание WRF-ARW, выбор конфигурации модели
Модель WRF-ARW является одним из двух вариантов WRF, распространяемых в едином дистрибутиве. WRF-ARW развивается Национальным центром атмосферных исследований США (NCAR) совместно с рядом других научных организаций США. Модель основана на негидростатических уравнениях для сжимаемой среды, группам физических процессов, не воспроизводимых моделью напрямую, соответствует несколько вариантов параметризаций разной степени сложности.
WRF-ARW, по всей ви ди мос ти, явля ет ся од ной из са мых рас прос тра-нен ных ме те о роло ги чес ких моде лей, ис поль зуе мой в ис следо вате льских целях. Об этом свидетельствует большое число публикаций, посвященных модели или ее применению. Уже в 2008 г. число зарегистрированных пользователей WRF-ARW превысило 6000 [31], регулярный счет модели организован примерно в десяти крупных научных организациях США (см. http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/forecasts.html) и множестве учреждений по всему миру.
В 2010 г., после установки в Западно-Сибирском УГМС (СибНИГМИ) и в Главном вычислительном центре Росгидромета вычислительных систем SGI Altix 4700 (в первом со 128, во втором более чем с 1000 процессорных ядер), для счета WRF-ARW (далее просто WRF) была выбрана расчетная область, охватывающая практически всю территорию России с горизонтальным разрешением 14 км. Для распространяемой с августа 2009 г. модели WRF 3.1.1 было проведено тестирование разных наборов динамических опций и параметризаций подсеточных процессов. При выборе оптимальной конфигурации рассматривалось качество прогнозов с заблаговременностью до 72 ч от сроков 0и12 ч ВСВ с 10по31 января и с
12 июня по 4 июля 2008 г. Рассматривались прогнозы для европейской территории России (45—65° с. ш., 27—57° в. д.) и Западной Сибири (50—65° с. ш., 0—100° в. д.) по данным для января и июня — июля 2008 г. Источниками начальных данных и граничных условий служили свободно распространяемые глобальные анализы и прогнозы NCEP.
Лучшим набором опций для динамической части модели оказался предложенный в [22] для Polar WRF (версия WRF, оптимизированная для работы в высоких широтах). В частности, используется подавление вертикальных движений в верхних 7 км (w-Rayleigh dumping). По результатам экспериментов было выбрано использование 43 массовых уровней от поверхности земли до р = 10 гПа и следующего набора параметризаций подсе-точных процессов: микрофизические процессы: двухмоментная схема Томпсона (считается на каждом шаге); конвекция: схема Грелла — Девени (считается раз в 5 мин); коротковолновая радиация: схема Дудья (считается раз в 10 мин); длинноволновая радиация: схема RRTM (считается раз в 10 мин); пограничный слой: схема Университета Енсей; приземный слой: схема Монина — Обухова; почвенные процессы: схема Noah. Краткие характеристики используемых параметризаций и ссылки на их более детальные опи са ния при водят ся в ра ботах [2, 31].
Использование какой-либо инициализации (DFI (см. раздел 5.3 в [31]) или FDDA [29—32]) не улучшало качество обычных прогнозов погоды. Но при использовании прогнозов WRF при прогнозе качества воздуха с использованием транспортно-химической модели CHIMERE (см. [5]) оказалось целесообразным начинать счет не с анализа NCEP, а с метеорологических полей, подготовленных в режиме повышения детализации (даун-скейлинга) глобальных данных.
Впос ледствии про води лись экс пе ри мен ты и с более но вы ми вер си ями модели, но при горизонтальном разрешении 10—14 км оценки прогнозов не пре восходи ли полу чен ные для WRF 3.1.1.
В связи с работами по усвоению данных о состоянии атмосферы с использованием пакета WRF Data Assimilation (см. раздел 6 в работе [14]), ведущимися совместно в СибНИГМИ и Гидрометцентре России, начались расче ты на осно ве более но вой вер сии WRF 3.4.1 для обес пече ния полной со вмес ти мос ти с по след ни ми дос туп ны ми вер си ями WRF Data Assimilation. Была выбрана расчетная область, охватывающая район в Западной Сибири 50—65° с. ш., 70—100° в. д., с пространственным разре г шением 9 км.
Для WRF.3.4.1 также были проведены серии численных экспериментов по выбору оптимальных настроек, после первых серий (рассматривались прогнозы для января и июля 2012 г.) выявилась основная проблема новой версии WRF, упоминаемая и в работе [10]: при устойчивой стратификации ат мос фе ры в при зем ном слое модель еще более уве ли чи ва ет устой чи-вость, занижая приземную температуру. Частично проблема была решена переходом к схемам параметризации радиационных потоков на RRTMG (и для коротковолновой, и для длинноволновой радиации) и к схеме Мелло-ра — Ямады — Янича для параметризации пограничного слоя (см. [2, 31]). Используются 52 вертикальных массовых уровня, расположение которых близко к применяемым в RAP [17] — со сгущениями вблизи поверхности земли и в районе тропопаузы.
Рис. 1. Схема информационно-вычислительного комплекса оперативного прогноза погоды с использованием WRF-ARW в СибНИГМИ.
Пунктиром показано наиболее удобное место замещения данных КСБР собственными крупномасштабными анализами и прогнозами.
В исследовательском режиме проводится счет WRF-ARW 3.4.1 с использованием вложения во внешнюю область счета с горизонтальным шагом 9 км области с шагом 3 км. При счете с 3-километровым разрешением применяется прямое воспроизведение моделью конвекции. Ансамблевая параметризация конвекции Грелла (так называемая схема "Grell 3D" — развитие [24], см. раздел 8.2.4 в [31]), предназначенная для использования на подобных переходных масштабах, в проводимых экспериментах приводила к неустойчивости счета.
3. Информационно-вычислительный комплекс для оперативного прогноза погоды в Сибирском регионе с использованием WRF-ARW
Для автоматизации основных видов работ с WRF был подготовлен ав-томатизированый информационно-вычислительный комплекс, представляющий собой набор вспомогательных программ и управляющих скриптов. Схема работы комплекса представлена на рис. 1, описание подготовки начальных данных и граничных условий (с помощью программ из пакетов WPS и WRF) приводится в разделах 3—5 описания [14]. На рисунке овалами показаны программы, прямоугольниками — сохраняемая информация.
При автоматизированной подготовке карт метеорологических полей, метеограмм и анимаций используется пакет NCL (см. информацию на сайте http://www.ncl.ucar.edu/), адаптированный для использования в СибНИГ
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.