МЕЗОМАСШТАБНАЯ МОДЕЛЬ — численная гидродинамическая модель локального прогноза погоды по территории Московкого региона

Общие сведения
Гидрометцентром России разработана и впервые реализована в оперативном режиме технология локального гидродинамического прогноза метеорологических полей и элементов погоды (приземного давления, температуры воздуха, направления и скорости ветра, осадков) в пунктах на основе мезомасштабной гидродинамической модели атмосферы. Гидродинамическая модель основана на численном решении системы уравнений глубокой конвекции с учетом параметризаций радиационного и турбулентного механизмов, микрофизических процессов эволюции водного конденсата облаков и осадков и гидротермических процессов в почве. В качестве начальных данных используются результаты оперативного объективного анализа и данные наблюдений синоптических и аэрологических станций Московского региона. При определении краевых условий на боковых и верхней границах расчетной области используются результаты прогноза по региональной модели Гидрометцентра России.

В локальной модели присутствуют основные блоки, в которых параметрически учтены некоторые физические механизмы, важные для приемлемого описания суточного хода и пространственного распределения характеристик погоды:
– влажностный блок формирует облака и образование осадков;
– радиационный блок описывает процессы поглощения, пропускания и отражения солнечных и тепловых лучей в рамках методики интегральных функций пропускания для трех спектральных интервалов (видимого, инфракрасного и теплового) с учетом среднего содержания углекислого газа и рассчитываемого количества фаз атмосферной воды;
– турбулентный блок базируется на теории, обычно принятой в моделях прогностической направленности и вполне удовлетворительно описывает особенности суточного хода и вертикального распределения скорости ветра, температуры и влажности.

Постановка условий баланса тепла и влаги на нижней границе атмосферы связывает вместе целый ряд физических факторов. Это турбулентный режим в приземном слое атмосферы (по теории Монина-Обухова); ламинарный режим в тонком подслое у поверхности Земли, которая может быть покрыта слоем выпавших осадков; условия балансов тепла и влаги на верхней и нижней границах этого слоя; процессы тепло- и влагопередачи в почве (для их описания решается одномерная задача) до глубины 1,2 м, где задается климатический ход изменения температуры и объемного влагосодержания. Участвующий в этом блоке параметр шероховатости зависит от локальных особенностей подстилающей поверхности.

Учет растительного покрова производится по простой, достаточно грубой, но весьма эффективной численной методике. Он позволяет заменить процессы испарения воды с голой почвы процессами испарения порами листьев откачиваемой корнями почвенной воды и учесть задержку на листьях капельной воды, поступающей из атмосферы. Для этой цели создана карта растительного покрова, свойства которого принимаются во внимание и при расчете радиационного баланса. Для технологии расчета локального прогноза, кроме начальных данных, необходимо задание краевых условий на границах расчетной области в ходе всего прогноза. О задании температуры и влагосодержании почвы на нижней границе уже шла речь выше. Кроме того, в любой точке верхней и боковых границ атмосферной части расчетной области требуются значения рассчитываемых функций. Они находятся с помощью результатов регионального прогноза, поступающих с интервалом в 3 ч и образующих фоновые крупномасштабные распределения. Отклонения от этого фона экстраполируются на границу по так называемой методике открытых границ, для того чтобы минимизировать отражение от границы возмущений, поступающих на нее из расчетной области.

Для построения начальных полей водности облаков и осадков принята следующая последовательность действий:
– построение профиля балла облачности по данным о температуре и дефиците точки росы на основе статистики Мошникова-Арабей;
– установление типа облачности и ее влагосодержания с помощью профилей балла облачности и температуры на основе атмосферных статистик;
– расчет водности осадков из диагностического соотношения, полученного из приближенного уравнения для эволюции осадков.

Вся технология анализа и локального прогноза осуществляется в Гидрометцентре России на ЭВМ CRAY-YMP по исходным данным за 00 и 12 UTC, а результаты прогноза визуализируются на ПЭВМ с дискретностью 3 ч.

Выходная продукция
Прогноз составляется по территории Московского региона (300х300 км) два раза в сутки с интервалом 3 ч и заблаговременностью до 36 ч. Модель предсказывает пространственные поля температуры, давления, ветра, влажности, водности облаков и осадков, интенсивности испарения осадков с почвы. Сеточное разрешение модели по горизонтали составляет 10 км (по 30 равноотстоящим узлам) и 15 уровней по вертикали (от поверхности Земли до высоты 10,5 км) при сильном сгущении уровней в нижних слоях атмосферы и при пяти расчетных уровнях в почве.


© Методический кабинет Гидрометцентра России