Прогноз приземной температуры воздуха и среднего ветра для регионов внетропической части Северного полушария с помощью полулагранжевой модели с постоянным разрешением ПЛАВ 2005 с заблаговременностью до 120 ч


Общие сведения

В Гидрометцентре России совместно с ИВМ РАН была разработана глобальная полулагранжевая конечно-разностная модель среднесрочного прогноза погоды ПЛАВ (версия модели с постоянным разрешением по горизонтали, шаг по широте 0,72° , по долготе 0,9°) и с 28 неравномерно расположенными уровнями по вертикали) [1, 2]. Прогноз полей метеорологических элементов осуществлялся с помощью численного решения уравнений гидротермодинамики в сигма -системе координат на сфере. В модель включены параметризации процессов подсеточного масштаба (коротко- и длинноволновая радиация, глубокая и мелкая конвекция, планетарный пограничный слой, торможение гравитационных волн, тепло- и влагообмен с подстилающей поверхностью), разработанные в Метео-Франс для модели оперативного прогноза ARPEGE/IFS.

Решением ЦМКП от 27.01.2006 г. модель рекомендована к внедрению в Гидрометцентре для прогноза метеорологических полей в свободной атмосфере и давления на уровне моря, а решением ЦМКП от 29.11.2007 г. – для прогноза осадков.

Для улучшения прогноза приземной температуры воздуха в блоке параметризаций процессов подсеточного масштаба использована параметризация процессов тепло- и влагообмена с почвой ISBA [3]. В параметризации ISBA учитывается влияние растительности на суточный ход испарения, способность растительности перехватывать и испарять поступившие на нее осадки, а также тепловая инерция растительности. В модель включено и расширение этой параметризации, касающиеся промерзания и оттаивания почвы [4]. Для работы параметризации ISBA необходимо корректное и согласованное с данной параметризацией задание начальных значений влагосодержания почвы.

В качестве начальных данных модель ПЛАВ использует поля оперативного объективного анализа на стандартных изобарических поверхностях с горизонтальным разрешением 1,25 градуса по долготе и широте, а также объективные анализы на модельной сетке: поля температуры и относительной влажности на уровне 2 м, температуры и влагосодержания поверхностного и глубинного слоев почвы, разработанные в Лаборатории перспективных численных методов в моделях атмосферы ГУ «Гидрометцентр России», поля температуры поверхности океана и высоты снежного покрова, разработанные А.Н. Багровым.

Авторами впервые в России реализована технология усвоения почвенных переменных и вариационный алгоритм усвоения приземной температуры [5].
Программный комплекс модели был распараллелен в 2006 году на основе сочетания технологий MPI и OpenMP, достигнута масштабируемость кода на 512 процессорах [6].
Прогностическая модель работает на сервере Xeon4b в оперативном режиме под управлением системы АСООИ и записывает выходную продукцию в базы АСООИ LAG1 и LAG2 на машинах Xeon4b и Xeon4.
Модель ПЛАВ в различных версиях реализована в опытном режиме на новом вычислителе SGI Altix 4700, установленном в ГВЦ Росгидромета. Экспериментальная версия модели, включающая постпроцессинг, с горизонтальным разрешением над Россией порядка 37 км и 50 уровнями по вертикали показывает параллельное ускорение около 24 на 48 вычислительных ядрах, при этом на 36 ядрах время расчета прогноза на 24 часа составляет 20 мин.

По результатам испытаний прогноза приземной температуры в модель были внесены некоторые изменения, направленные на повышения качества прогноза приземной температуры в зимний период:
- уточнение климата температуры и влагосодержания глубинного слоя почвы,
- усовершенствованная схема расчета альбедо снега на растительности (Bazile et al, 2003),
- параметризация пограничного слоя атмосферы на основе псевдо-кинетической энергии турбулентности (Geleyn et al, 2006),
- для интерполяции температуры на уровень 2 м применены профили Грачева (BLM2006) в приземном подслое для случаев устойчивой стратификации.

Результаты оперативной эксплуатации модели в период ноябрь 2008 г. – февраль 2009 г. подтвердили улучшение оценок прогноза приземной температуры.


Методика испытаний

Оперативные испытания прогнозов приземной температуры воздуха и приземного среднего ветра (зональной и меридиональной составляющих), рассчитанных моделью ПЛАВ–2005, проводились в сравнении с аналогичными прогнозами оперативной глобальной модели Т85L31 и с прогнозами зарубежных метеорологических центров (UKMO, NCEP, DWD) в период с ноября 2007 г. по октябрь 2008 г.

Оценка прогнозов температуры воздуха, среднего ветра производилась путем сравнения с данными наблюдений на станциях: при оценке успешности прогнозов приземной температуры воздуха рассчитывались средняя, абсолютная, среднеквадратическая и относительной ошибки; при оценке успешности прогнозов среднего приземного ветра рассчитывались средняя, абсолютная и среднеквадратическая ошибки векторной разности прогностического и фактического ветра.

Показатели успешности прогнозов заблаговременностью 12, 24, 36, 48 и 72 ч по исходному сроку 00 ч ВСВ рассчитывались для центральной части Европейской территории России, территории Урала и Западной Сибири, территории Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Показатели успешности прогнозов заблаговременностью 24, 48, 72, 96 и 120 ч, по исходному сроку 12 ч ВСВ рассчитывались для регионов: Северное полушарие, Европа, Азия и центральная часть Европейской территории России (27°-57° в. д., 45°-65° с. ш.).


Результаты оперативных испытаний

Результаты оперативных испытаний прогнозов приземной температуры воздуха и приземного ветра приведены на рисунках 1-10.

Результаты оперативных испытаний показали:
- лучшие показатели успешности прогнозов приземной температуры заблаговременность до 72 ч отмечены у модели на большинстве рассматриваемых территорий у модели Т85L31, при заблаговременности прогнозов 96 ч и более - у модели ПЛАВ 2005;
- в среднем показатели успешности прогнозов среднего приземного ветра у модели ПЛАВ 2005 оказались несколько выше, чем у модели Т85L31;
- дополнительный анализ ошибок прогнозов среднего ветра на территории центральной части Европейской территории России по модели ПЛАВ 2005 в градациях фактического ветра 0-5, 5-10 и более 10 м/сек показал, что модельные прогнозы имели погрешности в указанных градациях соответственно 1–2 м/с, 2-3 м/с и 4-6,5 м/с.


Рекомендации Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам от 2 апреля 2009 г.:

Одобрить работу, выполненную в ГУ «Гидрометцентр России» по развитию глобальной полулагранжевой конечно-разностной модели ПЛАВ 2005 прогноза полей метеорологических величин в свободной атмосфере и характеристик приземной погоды с использованием технологии усвоения почвенных переменных.

Рекомендовать ГУ «Гидрометцентр России»:
- расширить внедренную технологию прогноза полей метеорологических величин в свободной атмосфере и осадков на основе глобальной модели ПЛАВ 2005 включением прогнозов полей приземной температуры и приземного ветра с заблаговременностью до 120 ч и размещать указанные прогнозы на веб-сайте ГУ «Гидрометцентр России»;
- рассмотреть возможность выпуска прогнозов минимальной и максимальной приземной температуры воздуха (в терминах прогнозов, выпускаемых синоптиками) и сравнения их с синоптическими прогнозами;
- провести дополнительный анализ показателей успешности прогнозов приземной погоды с целью выработки практических рекомендаций для прогнозистов и дополнительные испытания прогнозов ветра на акватории океанов с использованием данных измерений, выполняемых буями;
- продолжить работы по улучшению качества прогнозов на основе модели ПЛАВ с учетом результатов, полученных в период испытаний.


Литература

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. Vorticity-divergence semi-Lagrangian shallow-water model on the sphere based on compact finite differences // J. Comput. Phys. 2002. V. 179. P. 180-200.
3. Noilhan J. and Planton S. A simple parameterization of land surface processes for meteorological models // Mon. Wea. Rev. 1989, Vol 117, P. 536–549.
4. Boone A. , Masson V. , Meyers T., Noilhan J. The Influence of the Inclusion of Soil Freezing on Simulations by a Soil–Vegetation–Atmosphere Transfer Scheme //J. of Applied Meteorology. 2000. V.39. P. 1544–1569
5. Богословский Н.Н., Шляева А.В., Толстых М.А.. Усвоение почвенных и приземных переменных в глобальной полулагранжевой модели прогноза погоды// Вычислительные технологии, Т.13, спец. выпуск , 2008 г., стр. 111-116.
6. Володин Е.М., Толстых М.А. Параллельные вычисления в задачах моделирования климата и прогноза погоды // Вычислительные методы и программирование. 2007. Т. 8. С. 113-122.


Авторы
М.А.Толстых, Н.Н. Богословский, А.В. Шляева


Контакты
Толстых Михаил Андреевич
tolstykh@inm.ras.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России