УДК [551.558+551.577.001.572].519.24
Оценка механизмов генерации вертикальных движений в глобальных моделях и их начальных полях в связи с численным прогнозом осадков
Н. П. Шакина*, Е. Н. Скриптунова*, А. Р. Иванова*, И. А. Горлач*
На примере четырех глобальных моделей атмосферы проводится верификация модельных динамических механизмов генерации вертикальных движений. Предложен подход к задаче верификации, включающий: 1) выбор системы физически содержательных диагностических характеристик изучаемых механизмов, 2) расчет диагностических характеристик как по выходным полям моделей, так и по объективному анализу последних, 3) сравнение рассчитанных величин в прогностических полях и анализе на срок прогноза, а также в анализах разных моделей, 4) оценка различий сравниваемых диагностических характеристик не только в среднем по области расчета, но и по интервалам их значений во всем диапазоне. Предлагаемый подход применен для определения причин недостаточно успешного прогноза осадков по двум отечественным моделям (спектральная модель Т85Ь31 Гидрометцентра России и полулагранжева модель Института вычислительной математики Российской академии наук и Гидрометцентра России) в сравнении с моделями Метеорологической службы Великобритании (иКМО) и Национального центра прогнозирования состояния окружающей среды (ЫСЕР) США.
1. Введение
Современные численные прогностические модели характеризуются в общем высоким уровнем точности предвычисления метеорологических полей. Общепринятые характеристики ошибок прогноза (средние арифметические, средние абсолютные и среднеквадратические ошибки, коэффициенты корреляции и пр.) часто мало различаются в разных моделях современного уровня. При этом проблемы недостаточно точного прогноза ряда явлений, особенно высокой и экстремальной интенсивности, остаются актуальными. В частности, хорошо известно, что даже в лучших прогностических моделях прогноз осадков, особенно сильных, недостаточно успешен. Успешность прогноза осадков определяется, с одной стороны, адекватностью модельных механизмов фазовых переходов влаги, облако- и осадкообразования, с другой, адекватностью модельных механизмов генерации вертикальных движений. Роль второго из указанных факторов нельзя недооценивать. Действительно, механизмы облако- и осадкообразования как в природе, так и в моделях включаются при наличии восходящих
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: ivanova@mecom.ru.
движений. Если последние недооцениваются моделью, то при всем совершенстве схем облако- и осадкообразования осадки также будут недооцениваться. Как показано в [13, 14], имеется тесная статистическая связь между наличием и интенсивностью наблюдаемых осадков, с одной стороны, и диагностическими характеристиками вынуждения вертикальных движений, с другой. Эта связь настолько хорошо выражена, что указанные характеристики являются значимыми предикторами осадков, особенно сильных. При этом не предусматривается расчет вертикальных скоростей или сконденсировавшейся влаги: в качестве предикторов выступают величины, рассчитываемые по полям ветра, температуры и давления. Поле влажности привлекается в минимальной мере. В частности, введенный в [10—12] фронтальный параметр (Г) зависит от влажности только через эквивалентную добавку к температуре в выражении для расчета характеристик баро-клинности как функций от горизонтального градиента средней эквивалентной температуры слоя. Используя в качестве одного из предикторов параметр Г, а в качестве второго — высоту тропопаузы либо фронтогенетиче-скую функцию (обе эти величины не зависят от влажности), удается, как показано в [13] на большом материале реальных данных, получить прогноз осадков > 1 мм/12 ч с практически значимой успешностью (критерий Пирси Р1« 0,40), сравнимой с успешностью численного прогноза (например, [1, 2]).
Полученные в [10—14] результаты указывают на преобладание динамики в процессе генерации осадков в атмосфере. При этом имеется в виду не только динамика нижней тропосферы (под нижней тропосферой будем понимать планетарный пограничный слой) или нижней половины тропосферы, но динамика мощного слоя, захватывающего тропопаузу и нижнюю стратосферу. Известно, например, что численные модели, в которых верхняя жесткая граница располагалась на тропопаузе, не обеспечивали успешного прогноза осадков [16]. Хотя этот результат хорошо известен, разработчики численных моделей и в настоящее время, стремясь улучшить модельный прогноз осадков, основные усилия прилагают к усовершенствованию осадкообразующих механизмов, не уделяя внимания деталям динамики верхней тропосферы и нижней стратосферы. Это отчасти объясняется особенностями общепринятого подхода к задаче верификации численных моделей. Точность прогноза полей геопотенциала, температуры и ветра на всех уровнях модели, других модельных полей, таких как осадки, обычно оценивают путем расчета ошибок прогноза каждой из этих величин, сравнивая данные объективного анализа и прогноза в узлах сетки или же данные наблюдений на станциях с данными численного прогноза [4]. Рассчитываются средние по той или иной области значения ошибок каждого из полей; обычно у отечественных моделей ошибки больше, чем у лучших моделей мирового класса, однако различия не так велики. Такая верификация не выявляет "слабых мест" модельной динамики, но их можно идентифицировать, а значит дать разработчикам полезные ориентиры для работ по совершенствованию моделей. В дополнение к стандартным процедурам расчета ошибок прогноза тех или иных метеорологических величин целесообразно проводить расчеты динамически и физически содержательных диагностических характеристик по выходным данным моделей и сравнивать их с теми же величинами, рассчитанными по реальным дан-
ным (по объективному анализу на срок прогноза). Кроме того, необходимо сравнивать также диагностические характеристики, рассчитанные по полям анализа разных моделей. В практике оперативных испытаний численных моделей их поля объективного анализа, как правило, не подвергаются изучению. На первый взгляд, поля давления, температуры, ветра, с которых стартуют разные модели, не сильно отличаются друг от друга (полям влажности обычно уделяют мало внимания). Однако на самом деле глубинные различия этих полей могут быть очень существенными и приводить к серьезным последствиям в качестве прогноза.
В настоящей статье на наиболее простых примерах демонстрируется эффективность предложенного подхода для оценки степени адекватности некоторых важнейших механизмов генерации вертикальных движений (а значит и осадков) в разных глобальных моделях и их начальных полях (анализе).
2. Использованные данные
Для расчетов диагностических характеристик модельных механизмов вынуждения вертикальных движений использовались прогностические (на 24 ч со сроков 0 и 12 ч Всемирного скоординированного времени (ВСВ)) и начальные поля давления (геопотенциала), ветра, температуры и влажности на стандартных изобарических поверхностях от 1000 до 100 гПа Северного полушария следующих глобальных численных моделей атмосферы:
- полулагранжева конечно-разностная модель (ПЛМ), разработанная совместно Институтом вычислительной математики (ИВМ) Российской академии наук и Гидрометцентром России; оперативно работает в Гидрометцентре России, результаты записываются в базу данных на сетках 1,25 х 1,25° и 0,9 х 0,72°; кроме того, работает версия с переменным разрешением, выходные данные которой доступны на сетке 0,56 х 0,26°;
- спектральная модель (СМ) Гидрометцентра России в оперативной конфигурации Т85Ь31; прогностические поля записываются в базу данных на сетке 1,25 х 1,25°;
- модель Национального центра прогнозирования состояния окружающей среды (КСБР) США, данные которой поступают в Гидрометцентр России в оперативном режиме с сентября 2006 г. на сетке 1 х 1°;
- модель Метеорологической службы Великобритании (иКМО), данные которой в оперативном режиме регулярно поступают в Гидрометцентр России на сетке 2,5 х 2,5° и (не в полном объеме) 1,25 х 1,25°.
Укажем некоторые особенности используемых моделей. Сравнительно недавно внедренная в оперативную практику полулагранжева модель успешно прошла оперативные испытания по прогнозу ряда метеорологических полей, включая осадки, и показала результаты, по ряду позиций превосходящие другие численные модели, работающие в Гидрометцентре России (подробнее об этом см. раздел 3). Спектральная модель в указанной выше конфигурации работает в Гидрометцентре России с 2001 г. и к настоящему времени в значительной мере исчерпала свои ресурсы. В скором времени планируется ее замена новой версией с более высоким пространственным разрешением (Т169Ь31). Результаты последней с недавнего времени доступны в оперативном режиме. Однако за периоды, которые
рассмотрены в данной статье, авторы еще не располагали ее данными. (Отметим, что объективный анализ, с которого стартует СМ, отличается от оперативного объективного анализа Гидрометцентра России.) Модели КСБР и иКМО, как модели мирового класса, в настоящее время в общем (хотя и не по всем позициям) превосходят отечественные модели, являясь в известной мере эталонными. Из них наиболее совершенной считается модель иКМО.
Для всех перечисленных моделей заархивированы начальные и прогностические (на 24 ч) поля за сроки 0 и 12 ч ВСВ по Северному полушарию по четырем декадам (1—10 числа центральных месяцев сезонов — января, апреля, июля и октября) в 2007 г., а также за зимнюю декаду 2008 г. Примеры расчетов в связи с недостатком места приводятся в основном за октябрь 2007 г. и только частично — по остальным декадам. Результаты сравнения полей диагностических характеристик даются в статье преимущественно не по всему полушарию, а по территории России и ее европейской части (ЕТР), так как именно по этим областям имеются данные оперативных испытаний численных прогнозов осадков.
3. Сравнительная точность модельных прогнозов осадков
Остановимся кратко на некоторых результатах проводившихся в Гидрометцентре России оперативных испытаний численных прогнозов осадков хол
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.