УДК 551.515.2.001.572(265.5)
Зависимость расчетной траектории тропического циклона северо-западной части Тихого океана от выбора параметризаций физических процессов при использовании
модели АН^
М. А. Новицкий*, С. А. Петриченко*, Л. А. Тереб*
Представлены результаты исследования влияния разных наборов схем параметризации процессов энергообмена между океаном и атмосферой в тропических циклонах (ТЦ), пограничного и приводного слоев ТЦ, радиационных потоков, микрофизики и конвекции на степень совпадения модельных траекторий конкретных ТЦ северо-западной части Тихого океана с реальными данными для разных типов траекторий при моделировании ТЦ на модели ЛИШ. Показано, что для расчетов перемещения любых ТЦ в северо-западной части Тихого океана целесообразно использовать схему параметризации облачности Каина — Фритша. Для ТЦ, перемещающихся преимущественно в северном и северо-восточном направлении (даже при наличии в их траекториях особенностей типа петли), можно с большой вероятностью рекомендовать определенный набор схем для параметризации физических процессов на подсеточном масштабе.
1. Введение
Тропические циклоны (ТЦ) относятся к наиболее интенсивным вихрям синоптического масштаба тропической атмосферы, образующимся в основном над поверхностью океана. Скорость ветра в них может превышать 50 м/с и в случае выхода ТЦ на сушу часто приводит к значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам. По статистическим данным ООН, за последние 50 лет из всех крупных стихийных бедствий на вызванные тропическими циклонами приходится 30% значительного ущерба, 19% человеческих жертв и 20% пострадавших. Прогноз траекторий тропических циклонов позволяет заблаговременно провести эвакуацию населения из района, на который надвигается стихийное бедствие. В связи с этим возможность своевременного и достаточно детализированного прогноза траектории ТЦ позволит проводить локальную, а не широкомасштабную подготовку обеспечения безопасности людей и объектов инфраструктуры от разрушительного воздействия ТЦ.
Прогноз траекторий ТЦ в последнее время производится достаточно успешно, однако исследования в этой области продолжаются. В настоящее
* Научно-производственное объединение "Тайфун"; e-mail:psa@typhoon.obninsk.ru.
время на основе мезомасштабных региональных моделей MM5, Eta и ряда других разработана универсальная система атмосферного моделирования Weather Research and Forecasting (WRF) для использования как в исследовательских целях, так и для метеорологического прогнозирования. Она представляет собой гибкую, открытую к модификациям программную систему, находящуюся в свободном доступе. В последнее время за рубежом, прежде всего в США, модели WRF широко применяются для прогноза интенсивности и перемещения ТЦ [3, 7, 25].
В настоящее время WRF содержит два динамических ядра — Advanced Research WRF (ARW) и Nonhydrostatic Mesoscale Model (NMM), выбор между которыми осуществляется на стадии компиляции системы. Динамические ядра отличаются постановкой системы дифференциальных уравнений, численными методами, используемыми для их интегрирования, вертикальной координатой и набором зависимых переменных [20, 23].
Нами использовался "тайфунный" вариант модели AHW (Advanced Hurricane WRF) с динамическим ядром ARW, являющимся результатом разработок NCAR в сфере негидростатического моделирования. В этом варианте предусмотрена возможность использования расширенного набора схем параметризации турбулентных потоков в пограничном слое и под-ключе ния од номер ной моде ли ква зи од но род но го слоя океа на.
В ядре поддерживается моделирование с использованием вложенных расчетных сеток. В каждой области счета допускается неограниченное число вложенных областей при условии, что области одинакового уровня вложенности не перекрываются. Перемещение любой вложенной области счета на области моделирования возможно с использованием алгоритма отслеживания вихря для автоматического перемещения вложенной сетки, что позволяет ей следовать за движением тропического циклона с достаточно четкой структурой.
При прогнозировании ТЦ важными условиями являются оперативная ассимиляция дополнительных данных и выбор оптимальных схем параметризации подсеточных процессов. Ранее оценка влияния различных параметризаций в моделях тропического циклона на его эволюцию проводилась для схем параметризации пограничного слоя [2, 18, 22]. В результате этих ис следо ва ний не были вы явле ны ка кие-либо пред поч те ния в вы бо ре конкретных схем параметризации.
2. Организация расчетов и конфигурации модели
Целью настоящей работы является исследование влияния наборов схем параметризации физических процессов на подсеточном масштабе на степень совпадения модельных траекторий конкретных ТЦ северо-западной части Тихого океана с реальными данными для разных типов траекторий.
При моделировании конкретных циклонов с использованием движущихся вложенных мелкомасштабных сеток и инициализацией первоначального вихря напрямую из данных глобальной модели в качестве внешних параметров для создания файлов начальных и граничных условий были использованы результаты Final Analyses из CISL Research Data Archive, полученные с помощью NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses. Данные представляют собой результаты расчетов
по этой модели на сетке 1 х 1° по всему земному шару и включают в себя расчетные значения температуры и влажности воздуха, скорости ветра, абсолютной завихренности и ряда других величин на стандартных изобарических поверхностях, а также информацию о метеовеличинах на подстилающей поверхности. Такие данные доступны в форматах GRIB1 и GRIB2, таблицы соответствия для которых входят в комплект модели, и находятся в открытом доступе на сайте http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.27 data/.
Всего было отработано две группы по четыре одинаковых комплекта параметризационных схем, включающих параметризацию процессов энергообмена между океаном и атмосферой в ТЦ, пограничного и приводного слоев ТЦ, радиационных потоков и микрофизики. В разных группах конвекция параметризовалась по-разному. Каждый набор параметризации имел обозначение N-I, где N— номер комплекта, а I— номер группы. Выбор конкретных параметризаций физических процессов был сделан на основе анализа данных более ранних исследований, связанных с моделированием тропических циклонов, мощных конвективных систем и глубокой кон век ции при помо щи моде ли WRF. Ниже пред став ле ны крат кие ха-ракте рис ти ки ис поль зо ван ных на бо ров.
2.1. Параметризация 1-1
Микрофизика (mp_physics = 8). Параметризация Томпсона [21]. Представляет собой модификацию параметризации, использовавшейся в модели ММ5. В частности, включает в себя следующие моменты: учитывается образование облачных кристаллов вследствие гетерогенного и гомогенного замерзания облачных капель; параметризуется увеличение концентрации облачных кристаллов вследствие их дробления при столкновении, рост облачных кристаллов из-за отложения на них водяного пара и обзер-нения; при образовании снега учитывают переход облачных кристаллов в снег под действием отложения, аккреции и агрегации, а также таяние и сублимацию снега и ряд других процессов [1].
Приземный слой (sf_sfclay_physics = 1). Параметризационная схема, использовавшаяся в модели ММ5, основана на теории подобия Монина — Обухова с вязким подслоем по Карсону — Боланду без параметризации термической шероховатости. Используются функции устойчивости по Па-улсону [19], Дай еру и Хиксу [6] и Уэббу [24].
Приземные потоки в ТЦ (isftcflx = 2). Коэффициенты трения и теплообмена модифицированы по сравнению с MM5: коэффициент трения достигает максимума при ураганных ветрах (схема Донелана [4]), коэффициенты тепловлагообмена постоянны (схема Гаррета).
Пограничный слой (bl_pbl_physics = 1). Схема Университета Енсей (YSU) [9] — нелокальная схема, включающая противоградиентный член для учета перемешивания более крупными вихрями.
Облачность (cu_physics = 1). Схема Каина — Фритша [13—15]. Простая модель облака с восходящими и нисходящими потоками влажного воздуха, включающая эффект вовлечения (истечения) смеси, имеющей положительную (отрицательную) плавучесть.
Коротковолновая радиация (ra_sw_physics = 2). Схема Годдарда основана на подходе [16], использовавшемся в глобальной модели GISS (Goddard Institute for Space Studies). Данная схема имеет в общей сложности 11 спектральных полос. Рассматривается диффузное и прямое солнечное излучение двухлучевым методом, который учитывает рассеиваемые и отраженные компоненты. Озон учитывается по климатическим данным.
Длинноволновая радиация (ra_lw_physics = 1). Схема RRTM [17] (модель ММ5). В схеме используется метод коррелированных коэффициентов поглощения, учитывается поглощение излучения водяным паром, озоном, СО2 и другими газовыми примесями. Эта схема параметризации длинноволнового излучения использовалась нами во всех наборах.
2.2. Параметризация 2-1
Микрофизика (mp_physics = 8).
Приземный слой (sf_sfclay_physics = 2). Параметризационная схема, использовавшаяся в модели Eta [11], основана на теории подобия Монина - Обухова с вязким подслоем по Яничу [10] и параметризацией термической шероховатости по Зилитинкевичу [26]. Потоки от поверхности включены в схему (isfflx = 1). Коэффициент трения достигает максимума при ураганных ветрах (схема Донелана [4]).
Пограничный слой (bl_pbl_physics = 2). Схема Меллора — Ямады — Янича (MYJ) [12] — одномерная прогностическая схема, построенная с помощью уравнения турбулентной кинетической энергии, в которой перемешивание определяется локальными градиентами.
Облачность (cu_physics = 1).
Коротковолновая радиация (ra_sw_physics = 2).
2.3. Параметризация 3-1
Микрофизика (mp_physics = 3). Параметризация WSM3 [8] — простая одномоментная WRF схема 3-го класса для мезомасштабной сетки, включающая седиментацию льда. Основное отличие от других подходов заключается в том, что диагностическое соотношение для концентрации льда базируется на массовом содержании льда, а не на температуре.
Приземный слой (sf_sfclay_physics = 1).
Приземные потоки
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.