УДК 55!.577.2.001.572
Коррекция по данным наблюдений трехмерных прогностических полей осадков для обеспечения моделей переноса примеси в атмосфере
К. Г. Рубинштейн*, М, Д. Цырульников*, А. Н, Багров*, Ю. В. Алферов*
В системе обеспечения метеорологическими данными моделей переноса примеси в атмосфере создана процедура коррекции прогностических полей осадков по данным наблюдений. Процедура состоит из трех этапов. Первый — контроль данных станционных измерений осадков и приведения их к равным интервалам времени. Второй — объективный анализ атмосферных осадков для сетки анализа произвольного горизонтального разрешения. На этом этапе основное внимание уделено учету так называемых ошибок репрезентативности. Третий этап — коррекция вертикального распределения модельных осадков. Описаны предлагаемые алгоритмы и приведены результаты расчетов по данным наблюдений за 1996 г., свидетельствующие об эффективности предложенных процедур.
1. Введение
Одной из важнейших экологических задач является мониторинг долго-живущих загрязняющих веществ в атмосфере. Химический анализ загрязняющих веществ в атмосфере является сложной и дорогостоящей процедурой, а станций, производящих измерения, относительно немного на Земле, Этих измерений совершенно не достаточно для глобального, полу-сферного или континентального обобщений. В связи с этим для мониторинга загрязняющих веществ в атмосфере в Северном полушарии или в Европе привлекаются результаты моделирования, в котором используются реальные данные об эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу и метеорологическая информация. Для моделей переноса и осаждения примесей в атмосфере важную роль играет качество входной метеорологической информации. Гидрометцентр России с 1993 г. ведет работы по созданию и совершенствованию технологии обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примесей для центра "Восток", занимающегося моделированием трансграничного переноса примеси в атмосфере. В [8] приведены основные принципы построения новой версии системы диагноза атмосферы (СДА-99), используемой в настоящее время для обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примесей в атмосфере. Приведенное в работе сравнение характеристик ветра, полученных с
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
помощью СДА-99, с данными реанализа NCAR/NCEP [27] показывает, что в течение 1996 г. характеристики атмосферного переноса в выбранной для анализа территории Европы близки к данным реанализа. В той же работе [8] приведено сравнение данных об осадках по европейскому региону с данными GPCP (Глобальный проект климатических осадков) и показано, что структура среднемесячных полей осадков и их годовой ход для рассматриваемой территории воспроизводятся удовлетворительно.
Необходимо пояснить, что осадки в системе СДА-99 получаются с помощью численной гидродинамической модели Гидрометцентра России (Т42, L15). Они рассчитываются в каждом слое модельной атмосферы. В свою очередь, эти величины определяют выведение примесей на соответствующих уровнях модели трансграничного переноса примесей. Таким образом, осадки в системе СДА-99 определялись без привлечения данных наблюдений, в то время как имеются многочисленные данные наблюдений за выпавшими осадками, производимых более чем на четырех тысячах синоптических станций Северного полушария. В данной работе предлагается процедура коррекции осадков по данным наблюдений с целью повышения близости к реальным полей осадков, использующихся в качестве исходных данных для расчета влажного осаждения примесей в атмосфере.
Процедуру коррекции осадков можно разделить на три технологические задачи:
— контроль данных станционных измерений осадков и приведения их к равным интервалам по времени;
— объективный анализ атмосферных осадков для произвольного горизонтального разрешения;
— коррекция вертикального распределения модельных осадков.
Описанию решения этих задач и демонстрации некоторых результатов
на примере данных за 1996 г. посвящена данная статья.
2. Контроль качества данных станционных измерений осадков и приведение их к равным интервалам по времени
Источником наиболее точных данных о выпавших осадках служат измерения, проводимые на наземных синоптических станциях с помощью осадкомеров. Эти данные поступают в Глобальную систему телесвязи (ГТС) в составе телеграмм SYNOP.
Главной особенностью процесса измерения осадков, в отличие от других характеристик атмосферы, является то, что передаваемые данные об осадках носят не мгновенный характер, т. е. не отнесены к определенному моменту времени, а накоплены за относительно большой и, возможно, разный период. Длительность периода накопления может составлять от одного до двадцати четырех часов. Это обстоятельство создает трудности при использовании этих данных, так как при анализе осадков необходимо иметь данные, соответствующие одинаковому периоду накопления. Другая важная особенность данных об осадках состоит в том, что передача значений накопленных сумм осадков с метеостанции не всегда приурочена к основным метеорологическим срокам передачи остальной информации.
Данные могут передаваться в сроки, определяемые не по международному согласованному времени (МСВ), а по местному.
Для задачи обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примесей в атмосфере необходимо по данным наблюдений восстановить суммы осадков на станциях за 6-часовые интервалы, заканчивающиеся в сроки 0, 6, 12 и 18 ч МСВ. Идея решения этой проблемы состоит в том, чтобы получить все данные об осадках, пришедших из каждого пункта за достаточно длинный временной интервал, "нарезать" их во временную цепочку одночасовых сумм, а затем "склеить" звенья этой цепочки в интересующий нас интервал (например, в 6-часовые суммы осадков, приуроченные к основным срокам метеорологических наблюдений). При этом имеются два источника неопределенности. Первый из них связан с тем, что в синоптическом коде отсутствует явная дополнительная информация о распределении интенсивности осадков внутри периода наблюдения. Другого рода неоднозначность может возникнуть из-за отсутствия непрерывности в получении данных. Это может произойти, если из-за ряда причин не поступит очередная телеграмма, или часть телеграммы не сможет быть декодирована при ее первичной обработке, или полученное значение окажется ошибочным. Для разрешения этих проблем при реализации алгоритма были приняты следующие допущения:
1. Считается, что осадки выпадают равномерно в течение всего временного интервала накопления суммы осадков по станции. Это допущение действует при отсутствии других данных об осадках, относящихся к 6-часовому интервалу времени, из того же наблюдательного пункта.
2. Если для станции за какой-либо 6-часовой интервал нет никаких данных об осадках, то считается, что на данной станции наблюдение осадков не производилось. Если же данные об осадках имеются, но они не покрывают весь этот интервал, то считается, что в течение "непокрытой" части 6-часового интервала осадков не было.
На основе этих допущений был разработан и внедрен алгоритм, позволяющий использовать данные измерений, полученные за произвольные промежутки времени, для получения сумм осадков в указанные выше 6-часовые интервалы. Попутно проводилось исключение повторных сообщений и контроль входных данных.
При подготовке 6-часовых сумм осадков за четыре последовательных срока (одни сутки) использовались телеграммы за трое последовательных суток, где обрабатываемые сутки являлись центральными. Это позволяло обеспечить достаточную полноту данных, поскольку телеграммы, поступившие за сутки, содержат в числе прочих и суточные суммы осадков на станциях. Кроме того, в силу практики рассылки метеорологических сообщений в России, момент окончания накопления суточной суммы может отстоять от момента посылки телеграммы на 3 часа.
В результате обработки данных наблюдений, поступивших за один срок, получается в среднем около 3000 6-часовых сообщений об осадках на станциях Северного полушария. Пример их распределения представлен на рис. 1. Более подробно процедура подготовки 6-часовых сумм осадков на станциях описана в [2]. 36
Рис. 1. Оередненное за 10 дней июля 1996 г. распределение по Северному полушарию сообщений об осадках,
3. Объективный анализ выпавших атмосферных осадков для произвольного пространственного разрешения
Для восстановления полей выпавших осадков в ячейках регулярной сетки по данным наблюдений использовался метод оптимальной интерполяции (ОИ) [3], применявшийся при объективном анализе атмосферных осадков рядом авторов [20, 25, 31]. Ниже кратко остановимся на вероятностной модели пространственного поля осадков и более подробно на учете так называемых "ошибок репрезентативности" при ОИ.
Модель анализируемого поля. Определенную трудность при ОИ поля атмосферных осадков представляет существенное отличие вероятностного распределения осадков от нормального закона, обычно предполагаемого при использовании ОИ. ОИ дает оптимальную в смысле минимума математического ожидания квадрата ошибки (в среднем квадратичном) оценку для любого распределения, не только нормального. Однако нормальность (гауссовость) вероятностных распределений обеспечивает также и оптимальность в смысле максимума апостериорной плотности вероятности и в смысле минимума математического ожидания абсолютной ошибки. Поэтому гауссовость является весьма желательным свойством. Проблемы моделирования вероятностного распределения поля осадков и соответствующей модификации метода ОИ мы рассмотрим в отдельной работе, здесь же ограничимся следующим подходом.
Для приближения к нормальному распределению используем широко применяемый в прикладной статистике метод нелинейного преобразования исследуемых случайных величин (см. например, [12], раздел 6.7 и [18], раздел 3.2.2). В нашей задаче это означает преобразование поля осадков \ =/ где — исходное (фактическое) поле осадков, В, — преобразованное поле, имеющее приближенно нормальный закон распределения вероятностей. Для моделирования поля осадков такой подход пред
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.