Глобальная гидродинамическая полулагранжева модель прогноза погоды ПЛАВ 2005
в версии с постоянным разрешением


Общие сведения
В Гидрометцентре России совместно с Институтом вычислительной математики РАН разработана глобальная полулагранжева конечно-разностная модель прогноза полей метеорологических элементов в версии с постоянным разрешением (ПЛАВ) заблаговременностью до 10 суток (автор М.А. Толстых).

Данная версия модели имеет шаг по широте 0,72°, по долготе 0,9° и 28 неравномерно расположенных уровней по вертикали. Прогноз полей метеорологических элементов (давления на уровне моря, геопотенциала высот изобарических поверхностей, температуры и влажности воздуха, ветра) осуществляется с помощью численного решения уравнений гидро и термодинамики в сигма-системе координат на сфере.
Модель включает в себя параметризацию процессов подсеточного масштаба (коротко- и длинноволновая радиация, глубокая и мелкая конвекция, планетарный пограничный слой, торможение гравитационных волн, тепло- и влагообмен с подстилающей поверхностью), разработанную в Метео-Франс для модели оперативного прогноза ARPEGE/IFS.
Модель также описывает эволюцию температуры и влагозапаса поверхностного и глубинного слоя почвы и толщину снежного покрова.

В качестве начальных данных при расчете прогнозов модель использует поля анализа на модельных уровнях, являющиеся выходной продукцией глобальной системы усвоения данных (СУД-ИОИ, авторы М.Д. Цырульников, Р.Б. Зарипов, А.Н. Багров). Программный комплекс модели распараллелен с использованием стандарта Ореn МР, работает на четырех процессорах одного узла кластера Itanium2 и выдает прогностическую продукцию дважды в сутки по исходным данным за сроки 00 и 12 UTC. Время одного сеанса, в течение которого выполняется усвоение данных (6-часовой прогноз, контроль данных, анализы) и рассчитываются прогнозы полей метеорологических элементов заблаговременностью до 240 ч, составляет 60 мин. Время расчета прогностических полей заблаговременностью 24 ч составляет 5,5 мин.
Прогнозы полей метеорологических элементов заблаговременностью до 72 ч по начальным данным за 00 UTC поступают в прогностическую базу данных к 8 ч МСК.


Выходной продукцией модели,
записываемой в базы Гидрометцентра России LAG1 (разрешение 1,25 градуса) и LAG2 (разрешение 0,9 градуса по долготе и 0,72 градуса по широте), а также распространяемой в коде GRIB через ftp сервер Гидрометцентра России (директория/pub/hmc/pub/SLM/ ) являются:

–  давление на уровне моря,

Анализ и прогноз модели ПЛАВ поля давления на уровне моря

Рис. 1  Прогноз поля давления на уровне моря заблаговременностью 48 ч на 00 ч UTC 30 июня 2006г. (изолинии черного цвета) по исходным данным за 00 ч UTC 28 июня 2006г. и анализ поля давления P0 за 00 ч UTC 30 июня 2006г. (цветное поле с тонкими изолиниями синего цвета).


–  геопотенциал стандартных изобарических поверхностей (от 1000 до 10 мб),

Анализ и прогноз модели ПЛАВ поля геопотенциала поверхности 500 гПа

Рис.2  Прогноз поля геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа заблаговременностью 48 ч на 00 ч UTC 30 июня 2006г. (изолинии черного цвета) по исходным данным за 00 ч UTC 28 июня 2006г. и анализ поля H500 за 00ч UTC 30 июня 2006г. (цветное поле с тонкими изолиниями синего цвета).

–  температуры воздуха,

Анализ и прогноз модели ПЛАВ поля температуры поверхности 850 гПа

Рис.3.  Прогноз поля температуры воздуха на изобарической поверхности 850 гПа заблаговременностью 48 ч на 00 ч UTC 30 июня 2006г. (изолинии черного цвета) по исходным данным за 00 ч UTC 28 июня 2006г. и анализ поля T850 за 00ч UTC 30 июня 2006г. (цветное поле с тонкими изолиниями синего цвета).


–  зональная и меридиональная составляющие скорости ветра,

–  относительная влажность воздуха.

Помимо этого, для организации и проведения последующих оперативных испытаний в базы Гидрометцентра России записываются поля суммарных и конвективных осадков, осадки в виде снега. В ближайшее время выходная продукция модели будет существенным образом расширена, в частности, будут записываться поля приземной температуры, приземной относительной влажности, высоты пограничного слоя атмосферы, общей и конвективной облачности, а также облачности на трех ярусах.


Результаты испытаний
В период с декабря 2004 г. по август 2005 г. в Гидрометцентре России проводились оперативные испытания глобальной полулагранжевой модели прогноза полей метеорологических элементов заблаговременностью до 10 суток в версии с постоянным разрешением В указанный период было выполнено сравнение успешности прогнозов по данной модели с прогнозами по оперативной технологии Гидрометцентра России (спектральная модель Т85L31), а также с прогнозами зарубежных прогностических центров на сетке 2,5 х 2,5° и с данными наблюдений на метеорологических станциях в соответствии с рекомендациями КОС ВМО.
Оценки успешности прогнозов рассчитывались для внетропической зоны Северного полушария, а также для регионов Европа и Азия. Кроме того выполнялись расчеты и оценка успешности прогнозов метеорологических параметров, предназначенных для обеспечения авиации: максимального ветра в тропосфере и струйных течений, высоты тропопаузы, наличия конвективной облачности.

Результаты испытаний показали, что на территории Северного полушария успешность прогнозов полей давления на уровне моря, геопотенциала изобарических поверхностей 500 и 250 гПа у сравниваемых моделей практически одинакова.

Величины ошибки S1 в пределах (0,2<S1≤0,4) характеризуют прогнозы давления на уровне моря у сравниваемых моделей хорошими только при заблаговременности 24 ч и удовлетворительными (0,4<S1≤0,7) – при заблаговременности от 48 до 96 ч. При большей заблаговременности прогнозы практической ценности не имеют (S1>0,7).

Величины ошибки S1 в пределах (0,15<S1≤0,3) характеризуют прогнозы геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа у сравниваемых моделей хорошими при заблаговременности 24 ч и удовлетворительными (0,3<S1≤0,6) – при заблаговременности от 48 до 120 ч. При этом модель T85L31 имела ряд преимуществ в статистических характеристиках успешности при заблаговременности краткосрочного прогноза, а модель ПЛАВ 2005 – при заблаговременности свыше 3 сут.

Прогнозы геопотенциала на уровне 250 гПа у сравниваемых моделей можно считать хорошими при заблаговременности 24 и 48 ч (при некотором преимуществе модели T85L31) и удовлетворительными – при заблаговременности от 72 до 168 ч с преимуществом в статистических характеристиках модели ПЛАВ 2005.

По региону Европа прогнозы давления на уровне моря при заблаговременности 24 ч у сравниваемых моделей являются хорошими, а удовлетворительными – у модели ПЛАВ 2005 при заблаговременности от 48 до 120 ч, у оперативной модели Т85L31 – при заблаговременности от 48 до 96 ч. Модель ПЛАВ 2005 имеет преимущество в статистических характеристиках успешности.

Прогнозы геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа при заблаговременности 24 ч у сравниваемых моделей являются хорошими и удовлетворительными – у модели ПЛАВ 2005 при заблаговременности от 48 до 168 ч, у модели Т85L31 при заблаговременности от 48 до 144 ч. Преимущество в статистических характеристиках успешности имеет модель ПЛАВ 2005.

По региону Азия прогнозы давления на уровне моря у модели ПЛАВ 2005 при заблаговременности от 24 до 96 ч по величине ошибки S1 являются удовлетворительными. Модель Т85L31 на 24 ч имеет прогнозы хорошего качества, а при заблаговременности от 48 до 96 ч – удовлетворительные.

На изобарической поверхности 500 гПа у модели ПЛАВ 2005 качество прогнозов заблаговременностью до 120 ч удовлетворительное, а у модели Т85L31 – удовлетворительное только до 96 ч. При этом статистические показатели успешности прогнозов на 24 ч у модели Т85L31 лучше.

Прогнозы температуры воздуха на уровне изобарической поверхности 850 гПа на территории Северного полушария, регионов Европа и Азия у модели ПЛАВ 2005 имели меньшие величины RMS и большие значения коэффициентов корреляции для всех заблаговременностей прогнозов по сравнению с аналогичными прогнозами по модели Т85L31.

Прогнозы температуры воздуха на уровне изобарической поверхности 500 гПа при заблаговременности 24 и 48 ч по Северному полушарию у модели ПЛАВ 2005 уступали в успешности прогнозам модели Т85L31. При заблаговременности 72 ч качество прогнозов у сравниваемых моделей одинаковое, а при большей заблаговременности более успешными были прогнозы ПЛАВ 2005.

Сравнение с прогнозами зарубежных центров показало, что успешность прогнозов полей метеорологических элементов по модели ПЛАВ 2005 уступает успешности аналогичных прогнозов зарубежных центров.

Сравнение успешности прогнозов по данным наблюдений на станциях в целом подтвердило выводы, сделанные при оценке прогнозов на сетке точек 2,5 х 2,5°.


Успешность прогнозов метеорологических параметров, предназначенных
для обеспечения авиации

Расчет максимального ветра (МВ) и струйных течений по выходным данным о ветре модели ПЛАВ 2005 приводит к систематической ошибке, состоящей в занижении скоростей наиболее сильных ветров в струйных течениях; аналогичное занижение скоростей МВ имеет место при расчете по модели Т85L31, тогда как при расчете по выходным данным модели РСМЦ – Экзетер возникает небольшая (порядка 1 м/с) положительная систематическая ошибка, равномерно распределенная по спектру скоростей максимального ветра. Модель ПЛАВ 2005, как и спектральная модель, обеспечивает выполнение требований ВМО/ИКАО к скорости МВ при введении поправки на систематическую ошибку, определенную для различных сезонов года; процент узлов сетки, в которых выполняются требования ИКАО, несколько выше у ПЛАВ 2005, чем у спектральной модели.

При расчете высоты тропопаузы (динамической) с использованием модельных полей ветра и температуры ПЛАВ 2005 требования ВМО/ИКАО для заблаговременности 24 ч выполняются, так же как и при расчете по спектральной модели, при сравнимом уровне точности, который близок к точности прогноза высоты термической тропопаузы по данным РСМЦ-Экзетер.

Оценка точности расчета характеристик конвекции по модели ПЛАВ 2005 оказалась недостаточной для определенных выводов. Однако по предварительным данным точность расчета высоты уровня конвекции по модели ПЛАВ 2005 сравнима или несколько лучше, чем по Т85L31, но уступает модели РСМЦ-Экзетер.


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим прогнозам Росгидромета (ЦМКП) 27.01.2006 одобрила работу Гидрометцентра России по развитию полулагранжевой конечно-разностной модели прогноза полей метеорологических элементов в версии с постоянным разрешением заблаговременностью до 10 суток (ПЛАВ 2004, ПЛАВ 2005) с использованием СУД-ИОИ.

Комиссия считает целесообразным внедрение программного комплекса ПЛАВ 2005 и программного комплекса СУД-ИОИ по мере разработки АСООИ для вычислительной платформы Itanium (IV кв. 2006г.).

ЦМКП рекомендовала Гидрометцентру России дальнейшее использование прогностической продукции модели ПЛАВ-2005 в прогностических и научных подразделениях Гидрометцентра России с целью:
–  выполнения дополнительной синоптико-статистической оценки прогнозов полей метеорологических элементов в центрах барических образований;
–  выполнения НИР, в том числе по созданию мультимодельных ансамблей в Гидрометцентре России и региональных экспериментов в СибНИГМИ;
–  решения научно-исследовательских и практических задач по метеорологическому обеспечению авиации.

Комиссия рекомендовала организовать доступ к прогностической продукции модели ПЛАВ 2005 для указанного использования посредством формирования и передачи продукции Гидрометцентра России на FTP- сервер.

Автору поручено продолжить работу по развитию модели ПЛАВ 2005 с целью повышения качества прогнозов и расширения номенклатуры прогнозируемых полей метеорологических элементов.


Публикации
1.  Толстых М.А. Полулагранжева модель атмосферы с высоким разрешением для численного прогноза погоды // Метеорология и гидрология. 2001. № 4. С. 5-16.
2.  Tolstykh M.A. Vorticity-divergence semi-Lagrangian shallow-water model on the sphere based on compact finite differences // J. Comput. Phys. 2002. V. 179. P. 180-200.


Контакты
Толстых Михаил Андреевич, tolstykh@inm.ras.ru




© Методический кабинет Гидрометцентра России