УДК 551.509. 33.001.572
Система COSMO-Ru негидростатического мезомасштабного краткосрочного прогноза погоды Гидрометцентра России: второй этап реализации
и развития
Г. С. Ривин*, И. А. Розинкина*, Р. М. Вильфанд*, Д. Ю. Алферов*, Е. Д. Астахова*, Д. В. Блинов*, А. Ю. Бундель*, Е. В. Казакова*, А. А. Кирсанов*, М. А. Никитин*, В. Л. Перов*, Г. В. Суркова*, А. П. Ревокатова*, М. В. Шатунова*, М. М. Чумаков*
Описан второй этап работы (2011—2014 гг.) по реализации и развитию системы мезомасштабного негидростатического краткосрочного прогноза погоды COSMO-Ru (первый этап реализации и развития системы COSMO-Ru описан в работах [7, 8]). Показано влияние работ и идей Г. И. Мар-чука на развитие современных методов решения систем дифференциальных уравнений, описывающих атмосферные процессы (в частности, вариант метода расщепления Марчука используется для нахождения решения разностной схемы системы дифференциальных уравнений модели COSMO), и методов усвоения метеорологической информации, связанных с применением сопряженных уравнений. Приводится краткое описание модели атмосферы и деятельного слоя суши COSMO, системы COSMO-Ru и работ по развитию этой системы.
Ключевые слова: система мезомасштабного негидростатического краткосрочного прогноза погоды COSMO-Ru, полунеявный метод Марчука — Робера.
Введение
На развитие основных направлений [45] современного численного прогноза погоды, а именно методов решения систем дифференциальных уравнений, описывающих атмосферные процессы, и методов усвоения метеорологической информации, связанных с применением сопряженных уравнений, существенное влияние оказали работы Гурия Ивановича Марчука. Так, предложенный им метод расщепления решения конечно-разностных аналогов систем дифференциальных уравнений, описывающих атмосферные процессы, используемый в его различных вариантах практически во всех оперативных численных моделях прогноза погоды, принято называть методом Марчука [21].
Для демонстрации признания вклада Г. И. Марчука приведем два характерных примера.
В своем интервью выдающийся канадский специалист в области численного прогноза погоды А. Робер [44] рассказал о влиянии, которое на него оказали
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: gdaly.rivin@mail.ru.
работы Г. И. Марчука, и прямо сказал, что его известный полунеявный метод является эффективной модификацией неявного метода Г. И. Марчука, опубликованного в 1965 г. в работе [41]. Это интервью показывает, что для отражения вклада обоих ученых следует называть этот метод не полунеявным методом, а полунеявным методом Марчука — Робера.
В обзорной статье [43], опубликованной в 1986 г. в сборнике докладов Международной конференции "Вариационные методы в науках о Земле", главным редактором которого являлся Й. Сасаки — основатель применения вариационных методов в метеорологии, указывается, что применение сопряженных уравнений в разных метеорологических проблемах (например, в современных методах вариационного усвоения данных) основано на пионерских работах Г. И. Марчука [18, 42] (их описание приведено в обзоре [39]).
Следует отметить, что Гурий Иванович явился инициатором, руководителем и главным мозговым центром по решению целого комплекса работ по разным направлениям вычислительной метеорологии и океанологии, суммированным им в монографиях [13—18]. При этом Гурий Иванович проводил не только теоретические исследования, но и стремился довести их до практического применения.
В качестве примера можно привести цикл работ, выполненных им и его учениками при его непосредственном участии, по разработке оперативной системы краткосрочного прогноза погоды для Сибирского региона. Первая публикация [20] этого цикла была издана 50 лет назад. В этой статье были описаны результаты численного прогноза для ограниченной территории с примитивными (теперь чаще говорят — полными, точнее исходными) уравнениями гидротермодинамики на 10 уровнях по вертикали (отметим, что в то время в мире еще не было публикаций об экспериментах с примитивными уравнениями с таким числом уровней по вертикали). На основе этой работы и приобретенного опыта применения конечно-разностных законов сохранения в дальнейшем для Сибирского региона была подготовлена оперативная численная модель атмосферы, использующая метод расщепления для системы уравнений адвекции и нормальные моды для эффективного нахождения решения системы уравнений адаптации, сначала адиабатическая [19], затем неадиабатическая [9]. Соответствующую технологическую линию более 25 лет использовали в качестве оперативной в Новосибирске. В работе [27] приведены обзор работ, связанных с разработкой и совершенствованием этой системы прогноза погоды для Сибирского региона, эффективный вариант адиабатической версии модели и оценки качества этого варианта.
Влияние Г. И. Марчука и его школы ощущается и на работах, связанных с развитием системы COSMO-Ru. Так, приятно отметить, что метод решения конечно-разностной схемы [34] системы уравнений модели COSMO также основан на связанном с расщеплением по времени варианте [50] метода расщепления Марчука [17].
Система COSMO-Ru
В сентябре 2009 г. Росгидромет стал полноправным членом метеорологического консорциума COSMO (COnsortium for Small-scale MOdeling). Цель и обязанность метеослужб — членов консорциума (Германии, Греции, Италии, Польши, России, Румынии и Швейцарии) — совместно развивать и поддержи-
вать общую для ограниченной территории оперативную совместную модель COSMO негидростатической модели атмосферы и многослойной модели деятельного слоя суши [30]. Метеослужбы — члены консорциума COSMO — для задания необходимых начальных и боковых граничных условий для прогноза по ограниченной территории используют в оперативном режиме прогностические поля системы ICON (с 20 января 2015 г.) глобального моделирования Метеорологической службы Германии (Германия, Польша, Россия и Румыния) и системы IFS Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (Греция, Италия и Швейцария). Оперативная негидростатическая модель ICON в настоящее время имеет 90 уровней по вертикали (до 75 км) и шаг треугольной сетки по горизонтали 13 км [51].
В соответствии с правилами консорциума версия Росгидромета модели COSMO имеет название COSMO-Ru.
Первый этап реализации и развития системы COSMO-Ru описан в работах [7, 8]. Уже на этом этапе система COSMO-Ru показала достаточно высокий уровень успешности и информативности прогнозирования, особенно метеорологических величин в приземном слое атмосферы, несмотря на то, что была использована небольшая сетка, имеющая 168x300x40 узлов с шагом h = 14 км (168 узлов по параллели, 300 — по меридиану и 40 — число уровней).
Ввод в эксплуатацию в 2009 г. вычислительной системы SGI Altix 4700 позволил уменьшить шаг сетки, увеличить число узлов и создать оперативную систему COSMO-Ru7 с сеткой 700x620x40 узлов с шагом h = 7 км. Эта сетка включает не только европейскую территорию России, но и Урал, часть Западной Сибири и почти всю Европу (за исключением ее самой западной части: Великобритании, Гренландии, Ирландии, Исландии, Испании, Португалии и Франции).
11 апреля 2011 г. Центральная методическая комиссия Росгидромета, рассмотрев оперативные испытания системы в Гидрометцентре России для теплого (с 1 мая по 30 сентября 2010 г.) и холодного (с 1 октября 2010 г. по 25 марта 2011 г.) периодов [28], приняла решение рекомендовать Гидрометцентру России внедрить в оперативную практику в качестве базовой модель COSMO-Ru7 для численного прогнозирования следующих метеорологических величин (полей и метеограмм): осадков, температуры и влажности воздуха, фонового приземного ветра, подготовить технологию распространения прогностической продукции модели COSMO-Ru7 в прогностические подразделения УГМС/ЦГМС европейской территории России и рекомендовать оперативно-прогностическим подразделениям Росгидромета использовать в практической работе выходную продукцию мезомасштабной модели COSMO-Ru7.
К настоящему времени в вычислительной системе Росгидромета в Москве и Новосибирске для слоя атмосферы толщиной 23 км и деятельного слоя суши толщиной 7 м функционирует разработанная технологическая линия системы COSMO-Ru для следующих территорий (рис. 1):
— Центральной и Восточной Европы, Урала и части Западной Сибири (с запада на восток от Франции до Новосибирской области и с севера на юг от Новой Земли до Ливана), сетка 700x620x40 с шагом h = 7 км, шаг по времени Д? = 66 с, прогноз на 78 ч, COSMO-Ru7;
0 20 40 60 80° в. д.
40 60 80 100 120° в. д
Рис. 1. Области интегрирования системы COSMO-Ru.
а) COSMO-Ru1 (Сочи1), COSMO-Ru2 (ЦФО, Сочи-2 и Казань-2013) и COSMO-Ru7 (граница выделена красным цветом); б) COSMO-RuENA (вся область) и COSMO-RuSib (внутренняя область).
— Сибири, Урала и восточной части европейской территории России, сетка 360 x250 x40 с h = 14 км, At = 80 с, прогноз на 78 ч (прогноз проводится только в Новосибирске), COSMO-RuSib14;
— часть Южного федерального округа, прилегающая к Черному и Азовскому морям, сетка 420x470x50 с h = 2,2 км, At = 15 с, прогноз на 42 ч, COSMO-RuSFO2;
— Центрального федерального округа, сетка 420x470x50 с h = 2,2 км, At = 15 с, прогноз на 24 ч, COSMO-RuCFO2;
— Европы и северной части Азии, сетка 1000x500x40 с h = 13,2 км, At = 80 с, прогноз на 120 ч, COSMO-RuENA13.
Кроме того, для метеорологического обеспечения Летней универсиады Ка-зань-2013 и Зимней Олимпиады Сочи-2014 были разработаны и применены специальные технологические линии системы COSMO-Ru для следующих территорий:
— региона с центром в Казани, сетка 420x470x50 с h = 2,2 км, Дt = 15 с, прогноз на 42 ч, COSMO-RuVFO2;
— региона Сочи, сетка 190x190x50 с h = 1,1 км, Дt = 5 с, прогноз на 36 ч, COSMO-RuSoc1.
Система уравнений модели COSMO
В качестве горизонтальных координат используется так называемая сдвинутая сферическая система координат (X, ф), в которой Северный полюс сдвинут по меридиану, имеющему географическую долготу Xg, так что экватор в этой системе пройдет также через заданную точку (например, для COSMO-Ru7 для этой точки заданы к
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.