№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 681.3.06
© 2008 г. АРУТЮНЯН Р.В., БЕЛИКОВ В.В., СЕМЕНОВ В.Н., СОРОКОВИКОВА О.С., СТАРОДУБЦЕВА Л.П., ФОКИН Л.А., РУБИНШТЕЙН К.Г.,
ИГНАТОВ Р.Ю., ГРИЦАН Е.В.*
ТЕСТИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ АТМОСФЕРНОГО ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГИОНАЛЬНОГО МЕТЕОПРОГНОЗА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ**
Приведены результаты первого этапа работ по совмещению модели регионального гидродинамического прогноза метеорологических полей с детальным пространственным разрешением (порядка 2 км) и программного пакета для расчета атмосферного переноса радиоактивных выбросов НОСТРАДАМУС, предназначенного для поддержки принятия решений при возникновении аварийных ситуаций на объектах атомной энергетики.
Показано, что ошибки прогноза скорости ветра по региональной негидростатической модели MM5, высокого пространственного разрешения, близки к среднему уровню ошибок измерения приземного ветра в это время года, прогноз направления ветра по ММ5 с таким пространственным разрешением является вполне точным, прогноз суммы осадков за 12 ч по факту с помощью MM5 удовлетворителен. Использование в качестве входных метеорологических данных в пакете НОСТРАДАМУС регионального прогноза ветра изменяет результаты расчетов радиационной обстановки, делая общую картину более реальной.
Введение. Модель распространения радиационного загрязнения в атмосфере, включенная в интегрированную систему поддержки принятия решений НОСТРАДАМУС [1-3] при возникновении аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах - это модель нового поколения. Она основана на эффективной гибридной численной методике решения уравнения турбулентной диффузии, сочетающей в себе преимущества гауссовых и лагранжевых моделей.
Преимуществом этой модели является то, что в качестве исходных данных в ней могут быть в оперативном режиме использованы трехмерные нестационарные метеорологические поля, в частности, данные детальных метеорологических прогнозов. Это позволит улучшить качество исходных данных и, следовательно, качество прогнозирования радиационной обстановки.
В конце 2007 г. создана и установлена в Мурманском управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды комплексная система оценки радиационной обстановки, использующая метеопрогноз с пространственным разрешением порядка 9,5 км по широте и 3,5 км по долготе. Технология оперативного обеспечения метеорологической информацией этой системы разработана в НПО ТАЙФУН [3]. Полученный по этой технологии метеорологический прогноз является входными данными для компьютерной системы НОСТРАДАМУС. Система успешно применяется на практи-
* Арутюнян Р.В., Беликов В.В., Семенов В.Н., Сороковикова О.С., Стародубцева Л.П., Фокин Л.А. -ИБРАЭ РАН; Рубинштейн К.Г., Игнатов Р.Ю., Грицан Е.В. - Росгидрометцентр России.
** Работа частично поддержана грантами РФФИ 07-08-00491-а, 06-05-64104-а, 07-05-13610-офи_ц, 08-05-13545-офи_ц.
ке, в т.ч. в оперативном режиме [3]. Следует отметить, что сложившаяся в России практика оперативного обеспечения метеорологической информацией задач прогнозирования радиационной обстановки несколько отстала от аналогичной практики в Америке и Европе, где используются трехмерные региональные модели циркуляции атмосферы с хорошим пространственным разрешением (~1 км), с детальным учетом орографических, термических неоднородностей поверхности и т.д. Такие модели появились в последнее время в Гидрометцентре России и стали использоваться в экспериментальном режиме [4-6]. В будущем необходимо переходить на использование этих физически более обоснованных региональных прогностических моделей циркуляции атмосферы с хорошим пространственно-временным разрешением и внедрять их в оперативную практику.
Данная статья посвящена результатам разработки новой технологии обеспечение метеорологической информации с высоким пространственным разрешением и сопряжение этой информации с компьютерной системой НОСТРАДАМУС.
Региональная модель циркуляции атмосферы основана на решении уравнений тер-мо-гидродинамики без гидростатического приближения. Одна из особенностей модели - реализованная возможность многократного измельчения шага сетки в виде вложенных сеток, поэтому модель может использоваться как инструмент детального моделирования метеопроцессов с высоким пространственным разрешением.
В качестве начальных данных используются метеорологические поля на изобарических поверхностях - результаты объективных анализов или схем усвоения данных, которые интерполируются в горизонтальную и вертикальную модельную структуры. Для расчетов по региональной модели численного прогноза погоды всегда требуется задание боковых граничных условий. На всех границах необходимо задавать горизонтальные компоненты ветра, температуру, давление и влажность. При этом результаты прогноза по более грубой глобальной модели используются как граничные условия.
В статье авторы приводят результаты проверки экспериментальной информационной системы, в которой соединены разработанная в ИБРАЭ РАН методика моделирования атмосферного переноса НОСТРАДАМУС и региональная прогнозная модель ММ5 [4-7] .
Экспериментальная система проверена на примере Мурманского региона, имеющего довольно сложный рельеф и метеорологический режим. Большую часть Кольского полуострова занимают холмы и невысокие горы. Береговая линия Баренцева моря изрезана бухтами и заливами. Особенностью метеорологического режима Кольского полуострова является влияние незамерзающего Баренцева моря.
Возможности входящих в экспериментальную систему лагранжевой методики расчета атмосферного переноса (НОСТРАДАМУС) и региональной прогностической метеорологической модели позволяют учитывать все перечисленные особенности подстилающей поверхности.
В работе использовалась версия метеорологической модели с максимально высоким пространственным разрешением, возможным при существующих вычислительных ресурсах. Ниже приведено описание основных блоков метеорологического модуля и предварительные результаты испытания системы в целом.
Метеорологическая прогностическая модель
Для метеорологических прогнозов погоды по региону Кольской АЭС создана версия метеорологической модели (ММ) с пространственным разрешением 2 км региональной негидростатической мезо-метеорологической модели пятой версии (ММ5), разработанной в Университете Пенсильвании США. Эта модель свободно распространяется через Интернет, хорошо документирована и внедрена для решения большого числа прикладных метеорологических задач и оперативной работы, она совместно с рядом других региональных моделей, проходит оперативные испытания в России с 2005 г. [4-7]. В качестве начальных и краевых условий в технологической линии Гидрометцентра России использовались различные данные: В настоящей работе
Таблица 1
Номера и значения сигма-поверхностей в версии ММ5 для Мурманского региона
< Сигма-поверхности < Сигма-поверхности
1 1,00 14 0,855
2 0,9995 15 0,835
3 0,998 16 0,785
4 0,995 17 0,755
5 0,990 18 0,725
6 0,985 19 0,660
7 0,980 20 0,500
8 0,975 21 0,300
9 0,965 22 0,150
10 0,955 23 0,050
11 0,925 24 0,010
12 0,910 25 0,0
13 0,875
использовался объективный анализ и прогнозы КСЕР - США в 1 градусной широтно-долготной сетке, получаемые по сети Интернет для четырех сроков в сутки (00, 06, 12 и 18 СГВ) и прогнозы от каждого анализа (от 6 ч до 5 сут.).
В ММ5 есть обширная библиотека процедур, описывающих основные физические процессы в атмосфере, что позволяет подобрать наиболее подходящую комбинацию из них, лучше других описывающую процессы в атмосфере для конкретных местных условий и характерных масштабов. При наличии вычислительных ресурсов можно построить ансамбль прогнозов, члены которого могут отличаться, например, набором параметризации физических процессов.
В созданной для Мурманского региона версии модели в настоящее время используется 25 сигма-поверхностей, приведенных в табл. 1. 14 уровней расположены в пределах приземного пограничного слоя. Шаг по времени составляет 10 с. В расчетах использованы следующие варианты моделей физических процессов.
Пограничный слой. Всего в библиотеке ММ5 шесть вариантов моделей пограничного слоя. Была проведена серия экспериментов с четырьмя схемами параметризации приземного пограничного слоя (ППС). Результаты сравнения оценок для различных схем пограничного слоя приведены в работе [6], где показано, что лучшие оценки получены по схеме ППС Плейма-Чанга [8]. Эта схема - производная от схемы Блакада-ра. В последней предсказывается вертикальный перенос импульса, температуры, влажности, водности и лёдности облаков. Потоки тепла и влаги на поверхности рассчитываются по теории подобия. Расчеты проводятся по отдельным формулам для четырех состояний атмосферы: устойчивого, механически возбужденной турбулентности, неустойчивого (вынужденная конвекция) и неустойчивого (свободная конвекция). В приземном слое все прогностические переменные рассчитываются аналитически, выше приземного слоя - численно.
Коэффициенты вертикального обмена считаются функциями числа Ричардсона и дополнительного множителя, зависящего от квадрата вертикального сдвига скорости. В модели имеется приземный слой и пять слоев до высоты 1км. Отличие схемы Плейма-Чанга от схемы Блакадара - использование разных вариантов расчета нелокальных коэффициентов турбулентного обмена.
Микрофизика облаков и крупномасштабная конденсация. При расчетах используется схема, описывающая микрофизику облаков и крупномасштабную конденсацию с учетом ледяной фазы. При расчетах микрофизики облаков отсутствует учет переохлажденной воды и таяния снега ниже уровня замерзания. Всего в ММ5 имеется че-
тыре различные процедуры, описывающие микрофизику облаков и крупномасштабная конденсация.
Параметризация конвекции в данной версии MM5 в связи с высоким пространственным разрешением не используется.
Радиация. В расчетах используется облачно-радиационная схема, которая более других разработана для расчета длинноволнового и коротковолнового взаимодействия с облаками. Схема позволяет описывать с высокой точностью потоки радиации на п
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.