УДК 551.578.46.001.572
Система расчетов характеристик снежного покрова для формирования начальных полей при численном моделировании погоды (на примере С08М0-Ии)
Е. В. Казакова*, М. М. Чумаков*, И. А. Розинкина*
Приводится краткое описание автоматизированной технологии построения начальных полей водного эквивалента и плотности снежного покрова для моделей атмосферы и обсуждаются результаты ее работы. Технология построена на основе ежедневных расчетов накапливаемых влагоза-пасов и изменяющейся плотности снежного покрова по предложенной одномерной многослойной модели снега, использующей в качестве входной информации стандартные метеорологические измерения на метеостанциях. Результаты расчетов на станциях совмещаются с полями первого приближения из системы гидродинамического мезомасштабного моделирования СОБЫО-Ки и спутниковыми данными о положении границы снежного покрова. Показана эффективность применения предложенных алгоритмов для мезомасштабной модели СОБЫО-Ки, в первую очередь влияющая на успешность прогнозов температуры воздуха в довольно широкой (более 100 км) полосе вблизи границы снежного покрова, а также на обеспечение возможности получения ежедневных консультативных оценок влагозапасов снега.
Ключевые слова: снежный покров, начальные поля для моделей атмосферы, прогноз погоды.
1. Введение
Настоящая статья посвящена описанию разработанной в Гидрометцентре России системы расчетов водного эквивалента снежного покрова (ВЭСП), плотности снега и границы его распространения, предназначенной для вычисления начальных полей этих характеристик в системах оперативного численного прогнозирования погоды и ежедневных консультативных оценок влагозапасов снега, а также анализу эффектов, полученных при подключении предложенного программного комплекса в систему мезомасштабного регионального моделирования СОБМО-Яи. Ядром рассматриваемого программного комплекса является многослойная модель снега, для работы которой требуются данные оперативных измерений высоты сне га и ме те о роло ги чес ких ве ли чин на се те вых ме те ос тан ци ях. Имен но
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: kaza4ok-8 7@mail. ru.
использование доступной метеорологической информации определяет ценность данной системы, поскольку в отличие от высоты снега ВЭСП на подавляющем большинстве сетевых метеостанций не измеряется, а значения плотности снега, необходимые для расчетов ВЭСП по измеряемой высоте снега, могут изменяться в широком диапазоне и зависят от всей метеорологической предыстории периода снегозалегания для заданной точки. Часто используемые в настоящее время в системах численного прогноза погоды процедуры определения начальных значений ВЭСП по достаточно простым соотношениям (по измеряемой высоте снега и (или) с использованием модельных характеристик при непрерывном функционировании сис тем усво е ния дан ных, напри мер сумм твердых осад ков, чис ла дней со снегонакоплением, оценок средних значений температуры или компонентов теплового баланса) приводят к накоплению в течение продолжительного зимнего периода ошибок, иногда достигающих к началу таяния снега для регионов с продолжительным периодом снегозалегания 100—200% реальных значений. Для большей части территории России с продолжительностью периода со снежным покровом несколько месяцев имеет место именно такая ситуация.
Уточнение начальных значений ВЭСП для моделей прогноза погоды имеет большое значение, поскольку значения ВЭСП входят в формулы для расчетов других характеристик (альбедо снега, параметр наличия проталин), что, в свою очередь, через структуру и значения теплового баланса подстилающей поверхности может влиять на весь комплекс характеристик приземного и пограничного слоев атмосферы. Особое значение имеет правильное воспроизведение начальных значений ВЭСП вблизи границы снежного покрова, поскольку это фактически определяет особенности ее пе ре ме ще ния, кото рое может быть очень су щес твен ным и дос ти гать в течение нескольких суток (периода краткосрочного прогноза) сотен километров.
2. Постановка задачи
Использование для прогнозирования погоды современных мезомас-штабных моделей атмосферы по ограниченным территориям позволяет получать все более и более реалистичную прогностическую информацию. Высокое (<10 км) разрешение вычислительной сетки, более физически "емкие" схемы параметризаций и негидростатическое приближение обеспечивают постоянно повышающееся качество прогнозов метеорологических величин по сравнению с традиционно используемыми для синоптической и статистической интерпретации глобальными моделями атмосферы с шагами сеток в десятки километров и выходной продукцией, передаваемой по каналам связи, с разрешением в несколько десятков километров. При этом все более высокие требования предъявляются к детальности и точности задания характеристик подстилающей поверхности, включая начальные значения величин, являющихся переменными самой модели атмосферы (температура и влажность слоев почвы, характеристики снежного покрова, температура поверхности внутренних водоемов и др.). В отличие от атмосферных, характеристики подстилающей поверхности существенно более инерционны по времени. Их начальные значения во мно-
гом определяют структуру и интенсивность теплообмена с атмосферой на всем интервале краткосрочного прогноза, следовательно, уточнение алгоритмов их построения является резервом повышения качества выходной продукции моделирования.
Одной из таких переменных является водный эквивалент снега, начальные значения которого играют важную роль для дальнейшей правильной работы параметризации процессов взаимодействия суши и атмосферы, определения теплового состояния подстилающей поверхности и теп-ловлагообмена с атмосферой в течение всего периода модельного прогноза.
Начальные поля (как атмосферные, так и свойства подстилающей поверхности) для мезомасштабных моделей по ограниченным территориям подготавливаются в рамках технологий усвоения данных "материнских" глобальных моделей атмосферы, иногда — с последующим уточнением для вложенной области расчетов на основе систем автономного регионального усвоения данных. Очевидно, что в таких технологиях может быть учтена лишь информация оперативных измерений, циркулирующая в рамках международного обмена ВМО либо оперативно обновляемая на серверах или сайтах открытого доступа. В случае определения свойств снега могут быть использованы данные сети стандартных гидрометеорологических станций, измеряющих его высоту, и спутниковой информации (например, находящийся в открытом доступе архив Национального управления океанических и атмосферных исследований (США) [16]). Последняя по зволя ет стро ить поля "мас ки" сне га, осо бен но для тер ри то рий с редкой сетью метеостанций. Технологии интерпретации спутниковых из-ме ре ний вод но го эк ви вален та сне га в на стоя щее вре мя явля ют ся на и более перспективными, но пока нуждаются в уточнении и валидации результатов все чаще используемых высокодетальных микроволновых измерений, полученных с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой [14].
Высота снежного покрова, определяемая на метеостанциях по рейке раз в сутки, входит в пе речень стан дар тных изме ре ний и рас прос тра ня ет-ся в рамках международного обмена (код БУЫОР). При этом сетью специальных станций измерения плотности и водного эквивалента снега также выполняются, однако эти детальные измерения по маршрутам и для различных ландшафтов проводятся раз в 5—10 дней. В оперативном режиме эти дан ные не по сту па ют в ка налы свя зи, следо вательно, в тех ноло ги ях оперативного численного прогноза погоды непосредственное использование этих измерений проблематично. При этом данные снегомерных маршрутных съемок успешно применяются как наиболее точные при решении гид роло ги чес ких за дач и для тес ти ро ва ния ме тодов вы чис ле ния вод но го эквивалента, как в нашем случае.
Таким образом, для задачи построения начальных модельных полей водного эквивалента возможно выполнение объективного анализа именно вы соты сне га по дан ным изме ре ний ме те ос тан ций и кор рек ции "мас ки" снега по спутниковым данным [9—11]. Очевидно, что для преобразования этой информации в значения водного эквивалента требуются сведения о плотности снега, которая может изменяться в широком диапазоне и зависит от изменения плотности слоев снежного покрова в течение всего пе-
риода снегозалегания. В системах гидродинамического моделирования используют эмпирические зависимости, связывающие плотность снега с его возрастом (так называемые функции старения), но поскольку возраст снега лишь частично отражает изменения его плотности, использование таких функциональных связей может привести к существенным ошибкам. Также приводит к накоплению ошибок в течение длительного времени интегрирования при усвоении данных подход, основанный на использовании модельных выходных величин, которые могут содержать неточности в количестве, времени или пространстве: сумм осадков, компонентов теплового баланса, температуры подстилающей поверхности и др., так как эти ошибки никак не компенсируют друг друга.
Логичным способом получения информации о ВЭСП в реальном режиме времени является численное моделирование эволюции снежного покрова, причем для коррекции границы залегания снега могут быть использованы спутниковые данные (например, [4, 13]). Такая модель может работать независимо или быть сопряжена с моделью атмосферы. Однако большинство разработанных "снежных" моделей содержит довольно подробное описание физических процессов, происходящих в снежном покрове, при этом обычно используется ряд регионально зависимых параметров, поскольку исторически такие модели были предназначены для решения задач в конкретных физико-географических условиях (например, для прогноза образования снежных лавин [1, 7]). Для применения в неизменном виде таких программных комплексов в задачах расчета ВЭСП для обширных территорий для последующего моделирования погоды большая подробность описания многих процессов, важных для других задач, является не
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.