УДК 551.509.32.001.57
Система COSMO-RU негидростатического мезомасштабного краткосрочного прогноза погоды Гидрометцентра России: первый этап реализации и развития
Р. М. Вильфанд*, Г. С. Ривин*, И. А. Розинкина*
Приводится краткая информация о деятельности международного консорциума COSMO и первого этапа работы, проводимой в последние два года в Гидрометцентре России в рамках этого консорциума по реализации и развитию системы негидростатической мезомасштабной модели прогноза погоды COSMO-RU с шагом сетки 14 км. Описана технологическая линия системы выпуска оперативных мезомасштабных гидродинамических прогнозов в Гидрометцентре России на основе модели COSMO-RU/14. Показана важность выбора оптимальной декомпозиции области прогноза при распараллеливании вычислений на суперкомпьютере вплоть до 512 ядер. Даны предварительные оценки качества прогнозов, которые показали реалистичность результатов и устойчивое преимущество в прогнозах элементов приземной погоды по сравнению с оперативно поступающими прогнозами по глобальной "материнской"модели GMEМетеослужбы Германии.
Введение
К настоящему времени разработано сравнительно большое количество мезомасштабных негидростатических моделей [4, 7, 9, 21, 26—29]. Довольно продолжительный период времени, особенно в исследовательской практике, чрезвычайно популярной была мезомасштабная модель атмосферы MM5 [17] (США, Mesoscale Model, поколение 5). В некоторых прогностических организациях, в частности в Гидрометеорологическом бюро Москвы и Московской области, она продолжает использоваться в качестве оперативной.
Однако в настоящее время модель ММ5 уступает место модели следующего поколения WRF [18] (the Weather Research and Forecasting Model), разработанной как ее дальнейшее развитие фактически в тех же организациях США, что и модель MM5. Отметим, что в оперативной прогностической практике США в настоящее время используется модель WRF-NMM (the WRF Nonhydrostatic Mesoscale Model) с другим динамическим блоком [20], в то время как в исследовательской практике — ARW (Advanced Research WRF) [17]. В Гидрометцентре России [3], а также в некоторых дру-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: Gdaly.Rivin@mecom.ru.
гих исследовательских центрах Росгидромета коллективы специалистов занимаются исследованиями, связанными с применением модели WRF.
Первой в мире оперативной негидростатической мезомасштабной моделью (оперативное использование для выпуска прогнозов по Европе с 1999 г.) является разработанная в Метеослужбе Германии модель LM (Lokal Modell) с шагом сетки 7 км [34]. Позднее появились и в других ведущих метеорологических центрах оперативные модели такого уровня.
В европейском метеорологическом сообществе в настоящее время существуют три консорциума для разработки, поддержки и развития мезо-масштабных прогнозов:
- HIRLAM (the High Resolution Limited Area Model), основанный в 1985 г. группой метеорологических служб в основном северных стран Европы [14];
- ALADIN (Aire Limitée Adaptation Dynamique Développement InterNational) [13], основанный Метеослужбой Франции в 1991 г.;
- COSMO (the Consortium for Small-scale Modeling) [15], основанный метеослужбами Германии, Греции, Италии и Швейцарии в 1998 г.
Из не вошедших в настоящее время ни в один из этих консорциумов стран следует выделить Великобританию (в [16] можно найти информацию об используемой в Великобритании системе мезомасштабного прогноза погоды). Указанные выше сайты консорциумов содержат информацию о деятельности консорциумов и документацию с описанием соответствующих моделей атмосферы.
В 2007 г. Россия (Росгидромет) вошла в состав консорциума COSMO как ассоциированный член и с этого времени принимает активное участие в работе по совершенствованию модели COSMO. В сентябре 2009 г. она стала полноправным членом консорциума.
Данная статья посвящена описанию первого этапа работы по реализации и развитию мезомасштабной системы прогноза погоды, проводимой в последние годы в Гидрометцентре России в рамках консорциума COSMO [5].
1. Консорциум COSMO
Как уже отмечалось, консорциум COSMO основали метеослужбы Германии, Греции, Италии и Швейцарии. В дальнейшем метеослужбы Польши (2002 г.), Румынии (2007 г.) и России (2009 г.) стали полноправными членами этого консорциума.
Главным органом, управляющим работой консорциума, является Совет руководителей входящих в состав консорциума метеослужб, причем решение по основным вопросам, в частности членства, должно быть принято единогласно. Руководство повседневной деятельностью консорциума осуществляет Руководящий комитет. Он состоит из представителей метеослужб и научного менеджера. Основная задача Руководящего комитета — выработка стратегических и тактических планов работы консорциума, выделение из них перспективных проектов и осуществление контроля их выполнения.
Работа по поддержанию и развитию модели атмосферы проводится в рамках рабочих групп, возглавляемых координаторами групп. В консорци-
уме создано 6 рабочих групп: по усвоению данных, численным аспектам, физическим аспектам, интерпретации и приложениям, верификации и исследованию специальных случаев, поддержки версий источников кода модели.
В 2008 г. под руководством научного менеджера проекта был создан Научный комитет, состоящий из координаторов рабочих групп и руководителей перспективных проектов. Основная цель этого комитета — контроль текущей работы и подготовка предложений Руководящему комитету.
Ежегодно проходит семинар пользователей (обычно начало марта, г. Ланген, Германия), на котором результатами своей работы по развитию и применению модели COSMO делятся не только сотрудники метеослужб, входящих в консорциум, но и представители других организаций (например, университетов). Кроме того, многочисленные доклады посвящаются развитию региональной климатической модели атмосферы на основе модели COSMO и результатам ее применения.
В последние годы перед семинаром пользователей в течение недели работает школа пользователей модели COSMO, на которой изучаются как методы параметризации и решения конечно-разностных схем для системы дифференциальных уравнений, используемых в модели, так и подготовка к работе и запуск кода модели на различных вычислительных системах. Эти вопросы рассматриваются не только для прогностической версии модели, но и климатической.
Каждой осенью (обычно в сентябре на территории одной из стран-членов, согласно установившейся традиции по очереди) проходит общее собрание членов консорциума, на котором заслушивается отчет о проделанной членами консорциума работе и принимается план работы на следующий год (период с сентября текущего года до августа следующего года). При этом согласно уставу каждая страна-участник должна выполнить объем исследовательской работы, эквивалентный работе не менее двух научных сотрудников, постоянно занятых только работой по перспективным проектам консорциума, объявляемых на ближайшие 1—3 года.
Выпуск оперативных прогнозов на основе модели COSMO в странах-членах консорциума базируется на применении данных для начальных и боковых граничных условий, полученных с помощью глобальной модели атмосферы GME [24] (разработка Метеослужбы Германии). Наибольший опыт по использованию модели COSMO накоплен в Метеослужбе Германии, поэтому в табл. 1 приводится информация о системе оперативного прогноза погоды этой метеослужбы. Конечно-разностная глобальная модель GME является квазистатической, модель COSMO-EU [32] имеет область интегрирования, включающую всю Европу и север Африки, а модель COSMO-DE имеет область интегрирования, включающую территорию Германии.
По соглашению, действующему в консорциуме с 2008 г., модель атмосферы принято называть модель COSMO (ранее модель называлась LM — Lokal Modell) с добавлением двух первых букв названия страны-пользователя (исключение составляет используемая в Германии модель COSMO-EU). По этой причине версия модели атмосферы консорциума, используемая в Гидрометцентре России, в дальнейшем будет называться моделью COSMO-RU.
Таблица 1
Система оперативного прогноза погоды Метеослужбы Германии
Модель Начало расчета прогноза, ч BCB Заблаговремен-ность прогноза, ч Шаг сетки, км/ число уровней Начало использования в оперативной практике
GME 0, 6, 12, 18 168 40/40 1999 г.
30/60 2010 г.
COSMO-EU 0, 6, 12, 18 78 7/40 1999 г.
COSMO-DE 0,3,6, 9, 21 2,8/50 2007 г.
12, 15, 18,21
2. Технологическая линия системы выпуска оперативных
мезомасштабных гидродинамических прогнозов в Гидрометцентре России на основе модели COSMO-RU/14
В феврале 2007 г. в соответствии с решением Управляющего совета консорциума о принятии России в его состав Гидрометцентру России были предоставлены исходные коды на языках программирования Фортран 90 и Си модели COSMO (версия 3.21 от 4 декабря 2006 г.) и коды пре-процессинга (версии 1.4 от 4 января 2006 г.). С июля 2007 г. Метеослужба Германии начала передавать в Мировой метеорологический центр (ММЦ) "Москва" на регулярной основе информацию о начальных и граничных условиях для модели COSMO по данным прогноза по глобальной модели атмосферы GME.
Первоначальное освоение и запуск модели COSMO были проведены в мае — октябре 2007 г. В декабре 2007 г. появилась возможность работы на 8-ядерном компьютере (два 64-битовых процессора Intel Xeon 5345, каждый процессор имеет 4 ядра; оперативная память 32 Гб). Время счета прогноза погоды с заблаговременностью 78 ч c помощью модели COSMO-RU на сетке с 168 х 300 узлами и шагом 14 км на указанном выше компьютере с 8 ядрами и (1 х 8)-декомпозицией области интегрирования равно 3 ч 35 мин.
Отметим, что при использовании суперкомпьютера SGI Altix 4700, установленного в ММЦ "Москва", время счета прогноза с той же заблаговременностью по этой же модели с такой же декомпозицией в 2 раза меньше (1 ч 45 мин), а при использовании 512 ядер с (8 х 64)-декомпозицией области интегрирования требуется примерно 3,5 мин.
Указанные компьютерные ресурсы позволили реализовать версию модели с 14-километровым разрешением для европейской территории России, способную ра
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.