Метод прогноза вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое атмосферы
в г. Москве заблаговременностью до 48 ч


Описание метода

В Гидрометцентре России более 10 лет в экспериментальном плане проводятся расчёты турбулентных характеристик и метеорологических величин в пограничном слое атмосферы (АПС). Результаты расчётов передаются для использования в лабораторию метеорологических условий загрязнения атмосферы.
Оперативные прогностические расчеты детальных профилей температуры, ветра и турбулентных характеристик в АПС используются для прогнозов неблагоприятных метеорологических условий в Москве.
Технология счета пpедусматpивает диагноз и прогноз метеорологических величин и хаpактеpистик АПС по данным опеpативного объективного анализа за выбpанный сpок наблюдений и гидpодинамического пpогноза суточного хода метеоpологических полей в прогностической модели атмосферы.

Выходные данные модели представляют веpтикальные пpофили метеоpологических величин и паpаметpов туpбулентности: скоpости и напpавления ветpа, скоpости упоpядоченных веpтикальных движений, темпеpатуpы воздуха, массовой доли водяного паpа, веpтикального коэффициента туpбулентного обмена, кинетической энеpгия туpбулентных вихpей на уpовнях 10, 20, 30, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 м.

Система уравнений модели бароклинного пограничного слоя атмосферы включает следующие уравнения: движения, притока тепла, переноса влаги или примеси естественного происхождения, баланса кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации энергии турбулентных вихрей, уравнений статики, неразрывности состояния и соотношения Колмогорова.

Граничными условиями по вертикали являются данные метеорологических величин на верхней и нижней границах пограничного слоя атмосферы, учитывается условие прилипания ветра на уровне шероховатости и стремление всех турбулентных потоков к нулю в верхней части пограничного слоя.
Отличительная особенность предлагаемого варианта модели АПС состоит в том, что характеристики вертикального и горизонтального турбулентного обмена являются внутренними параметрами задачи и рассчитываются совместно с гидрофизическими величинами по заданным условиям на внешних границах.

В pазpаботанной модели учтены основные физические фактоpы фоpмиpования мезомасштабной стpуктуpы АПС:
- динамическое, теpмическое и влажностное взаимодействие АПС с подстилающей повеpхностью и с окpужающей атмосфеpой чеpез веpхнюю и боковые гpаницы pасчетной области;
- эффекты нестационаpности, баpоклинности и веpтикальной теpмодинамической стpатификации на вpащающейся Земле;
- пpостpанственная неодноpодность поля давления;
- адвективный и конвективный пеpеносы;
- фазовые пpитоки тепла;
- веpтикальный и гоpизонтальный туpбулентный обмен;
- динамическое взаимодействие осpедненного и пульсационного движения;
- диссипативный механизм туpбулентного пpоцесса.

Внешнее воздействие на АПС опpеделяющих физических механизмов, описываемое с помощью граничных условий, рассчитывается по заданным величинам:
- давления, темпеpатуpы и влажности воздуха вблизи подстилающей повеpхности;
- геопотенциала, вектоpа ветpа, темпеpатуpы и влажности воздуха на уpовне АТ-850.

Эффективность используемой в этих расчетах модели АПС проявляется в способности воспроизведения струйного течения нижних уровней. Переход от неустойчивой стратификации в нижнем слое и наличии «запирающей инверсии» в верхней части АПС приводит к возникновению мезоструи при скорости геостpофического ветpа около 15 м/c.
Усовершенствованный вариант модели пограничного слоя с расчётом тех же параметров атмосферы включает 46 уровней от поверхности земли до высоты 3 км.


Методика проведения оперативных испытаний

Оперативные испытания метода прогноза вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое атмосферы в г. Москве заблаговременностью до 48 ч проводились в период с 1 января 2008 по 31 августа 2008 г.
Из-за отсутствия регулярных метеорологических наблюдений в пограничном слое атмосферы в г. Москва для расчета характеристик успешности методических прогнозов температуры воздуха, скорости и направления ветра была использована разнородная информация, включающая данные температурно-ветрового зондирования атмосферы на изобарических поверхностях 925 гПа и 850 гПа г. Долгопрудный, данные измерений Останкинской высотной башни на 5 уровнях (85, 128, 253, 305 и 503 м), данные приземных метеорологических наблюдений на станции ВВЦ.
Данные имеющихся наблюдений интерполировались на модельные уровни атмосферы.


Прогнозируемые коэффициенты турбулентности сравнивались с расчетными (диагностическими) значениями коэффициента турбулентности на указанных уровнях пограничного слоя атмосферы.




Результаты оперативных испытаний

Полученные результаты испытаний прогнозов перечисленных метеорологических величин на различных уровнях пограничного слоя атмосферы приведены на рис. 1–14.


Выводы

Результаты испытаний показали:
- абсолютные ошибки прогнозов температуры воздуха при всех заблаговременностях и на всех высотах были в пределах от 1,8°С до 3,4°С;
- абсолютные ошибки прогнозов скорости ветра при всех заблаговременностях в приземном слое составляли 0,9 - 1,2 м/с, на выше лежащих уровнях - в пределах от 2,4 до 4,1 м/с;
- абсолютные ошибки прогнозов направления ветра были в пределах 51°;
- относительные ошибки расчетов коэффициента турбулентности на всех рассмотренных высотах при заблаговременности 12-36 ч составили 0,56-0,86, при заблаговременности 48 ч - 0,80-1,05 (на уровне инерционного прогноза);
- прогностическое распределение метеорологических величин в целом не противоречит физическим представлениям о строении пограничного слоя атмосферы.


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета в решении от 15 января 2009 г. отметила, что в ГУ «Гидрометцентр России» впервые разработан метод прогноза вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое атмосферы в г. Москве, основанный на интегрировании по времени модели пограничного слоя атмосферы совместно с моделью прогноза крупномасштабных процессов заблаговременностью 12, 24, 36 и 48 ч с дискретностью 3 ч.

ЦМКП одобрила работу ГУ «Гидрометцентр России» по созданию метода прогноза вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое атмосферы в г. Москве.

Комиссия рекомендовала ГУ «Гидрометцентр России»:
- опытное использование метода при прогнозировании метеорологических условий загрязнений в г. Москве в течение 2009 г. с целью оценки практической полезности метода прогноза в различных метеорологических условиях;
- в течение февраля 2009 г. подготовить предложения и согласовать с ГАМЦ вопрос организации передачи прогнозов вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое атмосферы с целью испытания и установления их применимости для задач метеорологического обеспечения авиации;
- подготовить предложения по организации передачи прогнозов вертикальных профилей метеорологических величин и турбулентных характеристик в нижнем 1,5 км слое в города, имеющие данные вертикальных профилемеров МТП-5, с целью проведения испытаний в ЦГМС и установления полезности прогнозов для других практических задач;
- провести сравнение успешности прогнозов элементов погоды на основе данной модели с успешностью прогнозов других отечественных и зарубежных моделей различного масштаба;
- автору провести работы в части повышения точности прогнозирования метеорологических величин в пограничном слое атмосферы, а также технологичности метода.


Автор

Беркович Леопольд Владимирович

Гидрометцентр России
Отдел гидродинамических краткосрочных прогнозов погоды,
Тел.: (499) 255-50-63
Е-mail: berkovich@mecom.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России