УДК 551.509.313.001.572
Разработка многомасштабной версии глобальной модели атмосферы ПЛАВ
М. А. Толстых ***, |Ж.-Ф. Желен*** |, Е. М. Володин*, Н. Н. Богословский******, Р. М. Вильфанд**, Д. Б. Киктев**, Т. В. Красюк**, С. В. Кострыкин*, В. Г. Мизяк**, Р. Ю. Фадеев*, В. В. Шашкин***, А. В. Шляева*******, И. Н. Эзау******, А. Ю. Юрова*********
Глобальная гидродинамическая модель атмосферы ПЛАВ применена для оперативного среднесрочного прогноза погоды, а также в качестве компонента системы вероятностного долгосрочного прогноза. Приведен обзор предшествующего развития модели и отмечены ее особенности. Описаны существующие версии модели. На основе этих версий разработана унифицированная многомасштабная версия модели, предназначенная для численного прогноза погоды и для моделирования изменений климата. С помощью этой версии выполнены численные эксперименты по моделированию климата в соответствии с протоколом международного эксперимента АМ1Р2. Представлены первые результаты. Показана возможность применения унифицированной версии модели ПЛАВ как для среднесрочного прогноза погоды, так и для моделирования изменений климата (после некоторой доработки).
Ключевые слова глобальная гидродинамическая модель атмосферы, численный прогноз погоды, моделирование изменений климата, параметризация процессов подсеточного масштаба, численное решение уравнений динамики атмосферы.
1. Введение
Численное моделирование атмосферы являлось одним из направлений деятельности Г. И. Марчука, чье 90-летие отмечается в 2015 г. На основе его работ, изложенных в монографии "Численные методы в прогнозе погоды" (вышла в СССР в 1967 г. [6] и затем была переведена на английский язык издательством Academic Press в 1974 г.), А. Робером был предложен полунеявный метод [9], который позволяет увеличить шаг по времени в моделях динамики атмосферы в 3—5 раз по сравнению с явными схемами интегрирования по времени. Этот метод до сих пор используется в том или ином виде в большинстве моделей атмосферы. Под руководством Г. И. Марчука также была разработана одна из
* Институт вычислительной математики Российской академии наук; e-mail: tolstykh@m. inm.ras.ru.
** Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
*** Национальный центр метеорологических исследований Метео-Франс, Тулуза, Франция.
**** Национальный исследовательский Томский государственный университет.
***** Канадский метеорологический центр, Монреаль, Канада.
****** Центр исследований окружающей среды и дистанционного зондирования Земли им. Ф. Нансена /Центр исследований климата им. Бьеркнеса, Берген, Норвегия. ******* Научный фонд "Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена ".
первых в мире совместная гидродинамическая модель атмосферы и океана [7]. Заслуги Г. И. Марчука в этой области были отмечены в 2000 г. почетной медалью Европейского геофизического общества (ныне Европейский геофизический союз).
Основным результатом применения метода расщепления по физическим процессам, обоснованного Г. И. Марчуком, является использование максимально возможного с физической точки зрения шага по времени для каждого из процессов, описанного в модели атмосферы. Дальнейшим развитием этой идеи явились соединение полунеявного метода интегрирования по времени модели уравнений динамики атмосферы [7] с полулагранжевым представлением адвекции [28] и переход на двухслойную схему интегрирования [20]. Такой подход позволяет увеличить шаг интегрирования по времени еще в несколько раз по сравнению с эйлеровыми методами.
На основе полулагранжева полунеявного алгоритма разработана глобальная полулагранжева модель общей циркуляции атмосферы ПЛАВ (ПолуЛагранже-ва, основанная на уравнении Абсолютной заВихренности) [11, 12]. Модель применяется для оперативного среднесрочного прогноза погоды в Гидрометцентре России и СибНИГМИ, а также в качестве компонента системы вероятностного долгосрочного прогноза в Гидрометцентре России.
Концепция многомасштабной модели атмосферы (или бесшовного прогноза) появилась в 2005 г. [21, 27]. Она состоит в том, что в атмосфере не существует искусственных временных границ, разделяющих мезомасштабные, синоптические, сезонные и межгодовые масштабы. В силу нелинейности атмосферы все временные масштабы взаимодействуют между собой. Таким образом, модель общей циркуляции атмосферы, ориентированная на воспроизведение каких-либо временных масштабов, должна адекватно воспроизводить процессы всех временных масштабов. Часто это влечет за собой необходимость подключения к модели атмосферы новых моделей — компонентов земной системы (океана, морского льда, деятельного слоя почвы, малых газовых составляющих и т. д.). Ведущие прогностические центры — Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды, Метеослужба Великобритании — уже в ближайшие годы планируют применять такие модели для среднесрочного прогноза погоды.
В данной статье после обзора предшествующего развития глобальной гидродинамической модели атмосферы ПЛАВ представлена работа по созданию унифицированной версии этой модели, а также показаны первые результаты воспроизведения атмосферной циркуляции. Эта версия может быть использована как для численного прогноза погоды разной заблаговременности, так и для моделирования изменений климата, таким образом, является многомасштабной.
2. Особенности глобальной модели атмосферы ПЛАВ
Оригинальными особенностями блока решения уравнений динамики атмосферы модели ПЛАВ являются использование вертикального компонента абсолютной завихренности и дивергенции в качестве прогностических переменных и применение конечных разностей четвертого порядка на несмещенной сетке для аппроксимации неадвективных слагаемых уравнений. Изначально главной задачей при разработке модели было достижение максимальной точности среднесрочного прогноза погоды при минимальных вычислительных затратах, поэтому применение несмещенной по горизонтали сетки (или сетки А, согласно Аракаве [8]) казалось желательным, так как позволяло избежать вычисления не-
скольких траекторий для каждой ячейки сетки в полулагранжевой модели, а также двухмерных операторов осреднения. Однако, как известно из классической работы [8], на сетке А в традиционной формулировке уравнений атмосферы плохо описываются процессы распространения инерционно-гравитационных волн. Применение пары вертикальный компонент абсолютной завихренности — горизонтальная дивергенция в качестве прогностических переменных позволяет использовать в конечно-разностной полулагранжевой модели несмещенную сетку (иногда называемую сеткой Z), обеспечив при этом такие же характеристики распространения гравитационных волн, как на сетках В и С, и несколько лучшие для инерционно-гравитационных волн и волн Россби [23, 25].
Важным элементом модели атмосферы, основанной на переменных вертикальный компонент абсолютной завихренности — горизонтальная дивергенция, является быстрый и точный алгоритм восстановления компонентов горизонтальной скорости ветра, описанный в работе [33]. В [32] было показано, что версия модели ПЛАВ для решения уравнений мелкой воды на сфере, использующая данный алгоритм, в наиболее сложных экспериментах набора стандартных задач [34] достигла уровня ошибок, характерного для спектральной модели эквивалентного разрешения.
В работе [12] была представлена трехмерная версия модели, которая имела разрешение 1,5° по долготе и широте, 20 уровней по вертикали. В дальнейшем разрешение модели повышалось, и возникла необходимость в эффективной параллельной реализации модели. Работы по распараллеливанию модели представлены в [4]. Современное состояние блока решения уравнений динамики атмосферы, а также новая версия этого блока, локально и глобально сохраняющая массу воздуха, описаны в работе [26].
В модели ПЛАВ наряду с оригинальным блоком решения уравнений динамики атмосферы собственной разработки в основном применяются алгоритмы параметризаций процессов подсеточного масштаба, разработанные под руководством Ж.-Ф. Желена возглавляемым Францией Консорциумом по мезомасштабному прогнозу погоды ALADIN/LACE [17, 18]. В модель также включены отечественная параметризация крупномасштабных осадков [4] и модель многослойной почвы [3]. Ведутся работы по усовершенствованию описания процессов подсеточного масштаба, некоторые из которых кратко представлены в данной статье.
3. Существующие версии модели ПЛАВ
Оперативный вариант модели ПЛАВ в версии для среднесрочного прогноза погоды имеет горизонтальное разрешение 0,9 х 0,72° по долготе и широте (примерно 75 км в средних широтах) и 28 уровней по вертикали. Параметризации в основном соответствуют уровню модели ALADIN 2006 г. с некоторыми усовершенствованиями. В отличие от оригинальной параметризации в модели ПЛАВ в схеме глубокой конвекции применяется замыкание типа Куо в случаях, когда температура на нижнем модельном уровне ниже определенного порогового значения, иначе применяется замыкание на основе конвективной доступной потенциальной энергии (CAPE) [30].
Эта версия внедрена в оперативную эксплуатацию в Гидрометцентре России в начале 2010 г., и можно подвести некоторые итоги. На рис. 1а показана среднемесячная ошибка прогноза давления на уровне моря во внетропической части Северного полушария в период с 2008 по 2014 г. по отношению к полю объективного анализа разных центров прогноза погоды, на рис. 16 представлена ана-
логичная оценка для поля высоты поверхности 500 гПа, а на рис. 1в — ошибка модуля ветра на изобарической поверхности 250 гПа (по данным Ведущего центра ВМО по верификации детерминистических прогнозов http://apps.ecmwf.int/ wmolcdnv). Внедрение в качестве основного численного метода в начале 2010 г. глобальной модели ПЛАВ позволило примерно в два раза сократить отставание России по сравнению с лидирующей группой мировых прогностических центров в ошибках прогноза таких важных величин, как давление на уровне моря, температура на изобарической поверхности 850 гПа и высота изобарической поверхности 500 гПа.
Для повышения точности прогноза приземной температуры и влажности в
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.