Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2023. № 2 (388). С. 6-34 6

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2023-2-6-34

УДК 551.578.9

Конфигурация COSMO-Ru2By модели COSMO:

успешность и методология оценки

численных прогнозов - и γ-мезомасштабных

атмосферных процессов

И.А. Розинкина, Г.С. Ривин, А.Н. Багров, Д.В. Блинов,

Ф.Л. Быков, Д.В. Васькова, Д.И. Захарченко, А.Ю. Бундель,

Е.В. Воробьева, А.А. Кирсанов, А.А. Полюхов,

М.В. Шатунова, Ю.О. Шувалова, Г.В. Елисеев

Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации, г. Москва, Россия

inna.rozinkina@mail.ru

Приведено краткое описание конфигурации COSMO-Ru2By (шаг сетки 2,2 км)

модели COSMO, обеспечивающей выпуск численных прогнозов погоды до 48

часов для регионов Европейской территории России и Республики Беларусь,

методология и результаты оценки точности этих прогнозов. COSMO-Ru2By

реализована в Гидрометцентре России, функционирует в системе оперативного

регионального численного прогноза погоды COSMO-Ru на суперкомпьютере

CRAY ХС40-LC.

Особенностями COSMO-Ru2By являются: обширный домен с шагом сетки,

позволяющим явно описывать крупные (высотой свыше 5–6 км) конвективные

движения, а также учитывать особенности рельефа; 2) «встроенная» технология

усвоения данных доплеровских метеорологических радиолокаторов, позволяющая

получать более точные прогнозы быстроразвивающихся опасных явлений на

ближайшие часы; 3) «встроенная» система визуализации большого количества карт

по различным регионам с каскадным повышением детализации изображений.

Оперативные испытания 2020–2021 гг. выявили высокий уровень успешности

прогнозов базовых метеопараметров у земной поверхности. Для сравнения с

прогнозами по мезомасштабным моделям более грубого разрешения (например,

конфигурации COSMO-Ru6ENA, шаг сетки 6,6 км) процессов с высокой

пространственно-временной изменчивостью (порывов ветра, часовых сумм

осадков, погодных характеристик в горных областях и т. д.) понадобилось

расширение стандартных для оперативных испытаний подходов и критериев:

оценивание по географически однородным областям, использование специальных

оценок редких событий, сравнение с радарной информацией.

Ключевые слова: численный прогноз погоды, мезомасштабное атмосферное

моделирование, усвоение радарных данных, оценка прогнозов погоды,

негидростатическая модель атмосферы

The COSMO-Ru2By configuration of the COSMO model:

skill and methodology for estimating of the forecasts

of - and γ-mesoscale processes

Розинкина И.А., Ривин Г.С., Багров А.Н., Блинов Д.В. и др. 7

I.A. Rozinkina, G.S. Rivin, A.N. Bagrov, D.V. Blinov,

F.L. Bykov, D.V. Vaskova, D.I. Zakharchenko, A.Yu. Bundel,

E.V. Vorobyeva, A.A. Kirsanov, A.A. Polyukhov,

M.V. Shatunova, Yu.О. Shuvalova, G.V. Eliseev

Hydrometeorological Research Center of Russian Federation, Moscow, Russia

inna.rozinkina@mail.ru

The paper gives а brief description of the COSMO-Ru2By configuration (the grid

spacing is 2.2 km) of the COSMO model, which provides numerical weather forecasts

for up to 48 hours for the European part of Russia and for the Republic of Belarus, as

well the methodology and results of skill of these forecasts. The COSMO-Ru2By was

realized in the Hydrometcentre of Russia and operates as an element of the COSMO-Ru

operational limited-area numerical weather prediction system on the CRAY XС40-LC

supercomputer.

The features of the COSMO-Ru2By are: 1) a vast calculation domain with a grid

spacing that allows an explicit description of large (over 5-6 km high) convective

motions and considering in detail the features of terrain; 2) the “embedded” technology

for assimilation of DMRL-C Doppler weather radar data providing more accurate

forecasts of rapidly developing weather processes for the next few hours; 3) coupled

visualization system providing a great number of maps for different regions with a

cascade image detailing. Operational trials in 2020-2021 showed a high skill of forecasts

of the basic weather parameters with the COSMO-Ru2By. For comparison with forecasts

of highly variable weather parameters (wind gusts, hourly precipitation, parameters in

mountain areas, etc.) based on mesoscale models with lower resolution (e.g., COSMO-

Ru6ENA, the grid size is 6.6 km), it was proposed to apply expanded trial approaches

and criteria: e.g., the estimation over geographically homogeneous areas, the use of

special criteria for predicting rare events, the comparison with radar data.

Keywords: numerical weather prediction, mesoscale atmospheric modeling, radar

data assimilation, weather forecast skill estimation, non-hydrostatic atmosphere models

Введение

В ФГБУ «Гидрометцентр России» в течение 2018–2021 гг. в рамках

НИР «Повышение качества гидрометеорологических прогнозов и

обнаружения опасных гидрометеорологических явлений» (шифр ПП-10-

2017/02/22-1, государственный контракт от 05.09.2017 года № 169-ОК-

Б/091701 Программы по Гидрометеорологии Союзного государства) была

разработана, испытана и апробирована новая конфигурация COSMO-

Ru2By модели COSMO [17, 23] c шагом вычислительной сетки 2,2 км и

областью вычислений, включающей Республику Беларусь, Европейскую

территорию России (ЕТР) и прилегающие регионы [15, 16]. COSMO-

Ru2By предназначена для выпуска краткосрочных численных прогнозов

на сетке 2,2 км, разрешающей крупную, так называемую проникающую

конвекцию высотой свыше 5–6 км. Максимальная заблаговременность

прогнозов такой детализации, по опыту зарубежных стран, целесообразна

до 48 часов. Вычислительная область COSMO-Ru2By является одной из

наиболее крупных областей вычислений в мире среди конфигураций

региональных моделей с шагами первых километров (разрешение - и γ-

8 Гидродинамический прогноз погоды

мезомасштабных атмосферных процессов). В вычисления по COSMO-

Ru2By впервые в отечественной практике мезомасштабного численного

прогноза были включены такие технологические и информационные

элементы, как усвоение радарной информации методом «Nudging»,

использование новых данных аэрозольной климатологии, применение

диагностических индексов конвективных процессов.

Настоящая статья посвящена описанию и анализу работы COSMO-

Ru2By, главным образом по расчетам совокупности параметров

успешности для периодов времени, для которых проводились

оперативные испытания данной конфигурации с сентября 2020 г. по

сентябрь 2021 года и последующего мониторинга успешности.

Использование в негидростатической модели шагов сетки,

разрешающих крупные конвективные движения, позволяет

прогнозировать вертикальные профили метеопараметров точнее, чем у

более «грубых» моделей без параметризации глубокой конвекции, и,

следовательно, угрозы опасных конвективных явлений, в частности с

применением так называемых конвективных индексов. Для выявления

реальной потребительской ценности численных прогнозов погоды (ЧПП)

были применены расширенные подходы: оценивание по географически

однородным областям и типам преобладающих погодных процессов,

использование специальных оценок редких событий, привлечение

радарной информации, с учетом воспроизведения моделью проявлений

конвективной неустойчивости в виде локальных сильных ливней,

порывов ветра и т. п., априори носящих стохастический характер, при

сравнении с другими моделями более грубого разрешения (например,

конфигурацией COSMO-Ru6ENA, шаг сетки 6,6 км).

1. Особенности технологической системы COSMO-Ru2Ru и ее

продукции

1.1. Версия системы СOSMO-Ru, реализованная на

суперкомпьютере CRAY ХС40-LC

В настоящее время на суперкомпьютере CRAY ХС40-LC

функционирует система оперативного регионального численного

прогноза погоды COSMO-Ru, в которую включена конфигурация

COSMO-Ru2By. Предшественником этой системы была одноименная

технологическая линия [2, 10] с конфигурациями модели COSMO с

шагами сеток от 13,2 до 1,1 км:

COSMO-Ru13ENA  COSMO-Ru7  COSMO-

Ru2(CFO/VFO/SFO)  COSMO-Ru1(Sochi/Krasnoyarsk).

Данная система до 2022 г. выпускала прогнозы для различных

территорий и сеток с шагом 13,2 км (COSMO-Ru13ENA для всей

территории России и прилегающих регионов), 7 км (COSMO-Ru7 для

ЕТР, Урала и прилегающих регионов), три конфигурации с шагом 2,2 км

Розинкина И.А., Ривин Г.С., Багров А.Н., Блинов Д.В. и др. 9

(COSMO-Ru2CFO для Центрального федерального округа (ЦФО),

COSMO-Ru2YFO для региона Северного Кавказа и COSMO-Ru2VFO для

Центрального Поволжья) и в экспериментальном режиме для горных

районов проведения крупных спортивных мероприятий в районе Сочи и

Красноярска (Ru1, с шагом сетки 1,1 км).

Перечисленные конфигурации (за исключением экспериментальных

1-километровых версий) в 2009–2016 гг. прошли ряд оперативных

испытаний и впоследствии активно использовались в прогностических

центрах Росгидромета как важный информационный ресурс для

составления сверхкраткосрочных и краткосрочных прогнозов погоды [8–

10].

С вводом в эксплуатацию суперкомпьютера CRAY ХС40-LC c 2017 г.

в Гидрометцентре России начала развиваться обновленная система

COSMO-Ru, включившая в себя конфигурацию COSMO-Ru6ENA (шаг

сетки 6,6 км) для всей территории России и прилегающих регионов, с

территорией, совпадающей с ранее внедренной COSMO-Ru13ENA (шаг

сетки 13,2 км) и заменившей ее в 2022 г., а также конфигурацию COSMO-

Ru2By (шаг сетки 2,2 км), в которую впоследствии были включены

экспериментальные конфигурации с шагом 1 км для Московского региона

[11, 12] и региона Сочи. Домен COSMO-Ru2By был выбран весьма

обширный, объединивший области вычислений всех ранее внедренных

конфигураций с шагом сетки 2,2 км и расширенный на запад – в свете

заинтересованности прогностической деятельности Республики Беларусь.

Информация на границах и начальные поля для конфигураций

COSMO-Ru13ENA и COSMO-Ru6ENA ранее поступали в Росгидромет

из системы глобального моделирования ICON Немецкой службы погоды

в соответствии с уставом Консорциума COSMO, а с марта 2022 года –

из доступных открытых источников результатов моделирования ICON

[14, 22].

В рамках этих работ на суперкомпьютере Cray XC40-LC большое

внимание было уделено повышению эффективности распараллеливания

вычислительных процессов [2, 13, 14]. Кроме того, в период

сравнительного анализа 2020–2021 гг. обе конфигурации имели в своей

основе последнюю версию модели COSMO v.6 одноименного

консорциума [23] с использованием обновленных модулей физических

параметризаций, настроек, внешних параметров и новых международных

архивов свойств подстилающей поверхности высокой детализации.

Поскольку минимальный масштаб атмосферных процессов,

прогнозируемый моделью атмосферы (так называемое разрешение

модели), равен примерно 7–10 шагам сетки, то переход для самого

крупного домена от шага сетки 13,2 км (COSMO-Ru13ENA) к шагу 6,6 км

(COSMO-Ru6ENA) позволил повысить разрешение модельных

атмосферных процессов для всей России формально с 92–132 км до 46–

66 км (ориентировочно от 100 до 50 км). В то же время по COSMO-Ru2By

10 Гидродинамический прогноз погоды

(шаг 2,2 км) масштаб явно воспроизводимых атмосферных движений для

Республики Беларусь и всей Европейской территории России составил

приблизительно 15–20 км. Отметим, что, следуя ряду признанных

классификаций мезомасштабных процессов, рассмотренных, например, в

[3, 21], наименьшие циркуляции, которые могут быть воспроизведены

COSMO-Ru6ENA, относятся к категории β-масштаба (20–200 км, период

жизни 1 час – 1 сутки), соответственно, по COSMO-Ru2By – к верхней

части категории γ-масштаба (2–20 км, период жизни порядка первых

часов). То есть именно COSMO-Ru2By может воспроизвести

атмосферные процессы высокой пространственно-временной

изменчивости, способные вызвать опасные явления конвективной

природы.

Согласно решению ЦМКП от 11.03.2021 [http://method.meteorf.ru/], на

основе результатов оперативных испытаний, проведенных в 2020–2021гг.,

система COSMO-Ru2By рекомендована в качестве основного метода

численного краткосрочного прогноза погоды для прогностических

организаций Росгидромета (наряду с COSMO-Ru6ENA как дополняющая

и уточняющая ее), а оперативный счет по ряду конфигураций,

функционирующих в рамках предшествующей системы COSMO-Ru,

приостановлен. При проведении данных испытаний и при последующем

мониторинге качества для выявления уровня успешности конфигурации

COSMO-Ru2By были использованы расширенные приемы верификации, в

частности, с привлечением информации в окрестностях точек

наблюдений, радарных данных и использование специальных критериев

успешности дихтомных прогнозов редких событий (например, [4, 5]).

1.2. Технологический комплекс COSMO-Ru2By

COSMO-Ru2By включает в себя блоки усвоения данных,

моделирования, подготовки визуализированной продукции. Параллельно

работает блок статистической коррекции прогнозов для пунктов,

результаты которого, наряду с результатами первоначального

моделирования [1], отображаются на метеограммах. По результатам

вычислений COSMO-Ru2By формируется цифровая продукция в

кодировке GRIB1, передаваемая для дальнейшего использования в

Белгидромет; большинство пользователей Росгидромета использует

совокупность прогностических карт и метеограмм в графических

форматах, формируемых в самом технологическом процессе по мере

счета модели и доступных через специализированные веб-сайты.

Для своей работы COSMO-Ru2By использует информацию на

границах и начальные поля из COSMO-Ru6ENA. Вычисления

производятся параллельно, с небольшим сдвигом времени старта

COSMO-Ru2By относительно COSMO-Ru6ENA.

Прогнозы вычисляются по начальным данным от 00, 06, 12 и 18 ч

ВСВ. Все прогнозы системы COSMO-Ru до своих максимальных

Розинкина И.А., Ривин Г.С., Багров А.Н., Блинов Д.В. и др. 11

заблаговременностей готовы через 1,5–2 ч после начала счета от

соответствующего срока наблюдений (менее чем через 5 ч после срока

наблюдений), что свидетельствует об информационно-вычислительной

эффективности технологии и выполнении требований лимитов времени

вычисления оперативных численных прогнозов (например, все прогнозы

COSMO-Ru по начальному сроку 00 ч ВСВ готовы для использования в

визуализированном виде до 05 ч ВСВ, или 08 ч МСК).

В COSMO-Ru2By были выполнены модификации в сравнении с

другими компонентами COSMO-Ru:

1) внедрены новые базы климатического содержания аэрозолей,

содержащие существенно более подробные современные данные о

пространственном распределении аэрозолей [7];

2) подобраны параметры оптимального использования

вычислительных мощностей суперкомпьютерной техники для получения

результатов с наименьшими временными затратами [13];

3) включены алгоритмы усвоения данных синоптических и

аэрологических метеорологических наблюдений по методу «Nudging»

(«Подталкивание»);

4) включены алгоритмы усвоения данных доплеровских

метеорологических локаторов (ДМРЛ-С), размещенных на территории

Республики Беларусь и ЕТР, по методу LHN – «Latent heat Nudging»

(«Подталкивания скрытой теплоты») [19, 20];

5) включен расчет диагностических индексов – индексов угроз

подсеточных опасных и неблагоприятных явлений конвективной природы

[15];

6) выполнена унификация выходной продукции в кодовой форме

GRIB с продукцией численного прогноза, выпускаемой в Белгидромете на

базе модели WRF с шагом 3 км для обмена результатами

негидростатического моделирования, реализована первая в России

система краткосрочного регионального ансамблевого ЧПП на

конвективно-разрешающих сетках [16];

7) реализован метод коррекции выходных данных моделирования с

иcпользованием машинного обучения [1] продукции COSMO-Ru2By и

WRF Белгидромета с включением в технологию визуализации

метеограмм.

Включение новых, перечисленных выше модулей, сопровождалось

детальным анализом эффектов от произведенных модификаций.

Основные характеристики системы приведены в табл. 1. В связи

в различными режимам работы элементов технологии COSMO-Ru2By,

связанными с усвоением данных, которые будут рассмотрены в

следующем подразделе, ее функционирование может быть организовано в

двух временных режимах (более поздний вариант в таблице помечен

звездочкой).

12 Гидродинамический прогноз погоды

Таблица 1. Параметры компонент системы COSMO-Ru на ЭВМ CRAY

XC40-LC: COSMO-Ru6ENA и COSMO-Ru2By

Table 1. The parameters of components COSMO-Ru6ENA and COSMO-

Ru2By of COSMO-Ru system on the CRAY XC40-LC

Основные параметры

системы

COSMO-Ru6ENA

COSMO-Ru2By

Регион

Северная Евразия

ЕТР,

Республика Беларусь,

прилегающие регионы

Шаг расчетной сетки, км

6,6

2,2

Источник начальных данных

Глобальная

модель ICON

COSMO-Ru6ENA,

наблюдения

Граничные условия

Глобальная

модель ICON

COSMO-Ru6ENA

Шаг по времени, с

Количество узлов сетки (X×Y)

2000×1000

1200×1400

Размер области счета, км

11542×6632

1751×2033

Количество уровней

Сроки начальных данных, ВСВ

00, 06, 12, 18

Максимальная

заблаговременность

прогнозов, ч

120 (00,12) / 78 (06,18)

Количество используемых

вычислительных ядер

1944

2880

Время счета, мин

80 (00,12) / 50 (06,18)

Время начала счета, ч.мин ВСВ

2.55

3.15*/1.20

Время готовности результатов

счета последней

заблаговременности (до

визуализации),

ч.мин ВСВ

4.15 (00,12) / 3.45 (06,18)

2.25

1.3. Усвоение данных по методам Nudging и Latent heat Nudging

в COSMO-Ru2By

Важным отличительным элементом разработанной конфигурации

COSMO-Ru2By является включение в систему блоков усвоения данных

по типу «Nudging» («Подталкивание») [13], основанных на различных

алгоритмах для усвоения данных контактных измерений (синоптических

станций и аэрологических наблюдений) и наблюдений ДМРЛ-С. Суть

методики Nudging заключается в коррекции процесса моделирования на

ранних стадиях прогноза, когда, стартовав по данным трехмерного

анализа данных, полученного в рамках глобальной системы усвоения,

модель, «догоняя» реальное время, может «доусваивать» новые

результаты измерений, внося поправки в правые части

Розинкина И.А., Ривин Г.С., Багров А.Н., Блинов Д.В. и др. 13

дифференциальных уравнений гидротермодинамики в соответствии с

выявляемыми отклонениями прогностических модельных данных и

измеренных величин.

Важным свойством конфигурации COSMO-Ru2By является усвоение

данных ДМРЛ-С с обширной территории, в том числе размещенных на

территории Республики Беларусь (в Витебске, Гомеле и Минске).

Результаты радарного композита (с шагом 1 км) для всей территории

формируются в Центральной аэрологической обсерватории и

Гидрометцентре России [4, 6]. Области вычислений COSMO-Ru2By и

доступных данных ДМРЛ-С показана на рис. 1.

Рис. 1. Области вычислений COSMO-Ru2By (синий контур) и

композита радарных данных (круги светлого фона). Цветовой шкалой

выделены области осадков. (Пример для 26 июня 2021 года).

Fig. 1. Domains of COSMO-Ru2By (blue outline) and of radar data (light

circles). The color scale highlights areas of precipitation. (Example for

June 26, 2021).

Включение блоков усвоения, настроенных на поступление данных на

основе информационно-технологической инфраструктуры

Гидрометцентра России, потребовало модификации целого ряда модулей

и компонент информационного сопровождения COSMO-Ru2By (рис. 2).

Продукция CОSMO-Ru2By в цифровом (формат GRIB1), текстовом

(таблицы метеограмм) и графическом виде (карты, метеограммы) в

оперативном режиме готова к срокам выпуска прогнозов погоды в

прогностических центрах Росгидромета на ЕТР и в Белгидромете (во

14 Гидродинамический прогноз погоды

время испытаний готовность продукции на сайте по сроку 00 ч ВСВ к

05 ч ВСВ была в 94 % случаев прогноза). Помимо этого, в

экспериментальном режиме по промежуточным синоптическим срокам

(03, 09, 15 и 21 ч ВСВ) рассчитываются прогнозы на основе усвоения

методом Nudging заблаговременностью до 18 часов (на основе полей

первого приближения 3-х и 6-часовых прогнозов COSMO-Ru6ENA, без

использования начальных данных глобальной системы усвоения ICON за

указанные сроки).

Рис. 2. Технологическая схема функционирования COSMO-Ru2By.

Красными овалами показаны процессы, модифицированные при

введении блоков усвоения данных.

Fig. 2. Technological scheme of the COSMO-Ru2By. Red ovals shows the

processes modified with the introduction of data assimilation modules.

Таким образом, система может работать в двух режимах –

стандартном (в табл. 1 временные характеристики помечены звездочкой),

т. е. при каскадном получении данных за начальный срок (результаты

глобальной системы усвоения ICON  интерполяция на сетку COSMO-

Ru6ENA интерполяция на сетку CОSMO-Ru2By  использование

результатов на границах области счета по COSMO-Ru6ENA

Розинкина И.А., Ривин Г.С., Багров А.Н., Блинов Д.В. и др. 15

«синхронной» заблаговременности), либо в экспериментальном, когда

старт CОSMO-Ru2By производится от прогностических (на 3 или 6 ч)

полей COSMO-Ru6ENA (стартовавшей по данным глобальной системы

усвоения (СУД) ICON за предшествующий срок) с последующим Nudging

усвоением всех поступающих данных вплоть до стартового срока

прогноза. В этом случае CОSMO-Ru2By стартует от более близких к ее

сетке трансформированных полей, полученных на сетке 6,6 км, а не

13,2 км, усваивает данные контактных наблюдений (в основном за

начальный срок), а также данные ДМРЛ-С, и, следовательно, может

начать счет и сформировать продукцию существенно раньше, чем

вариант по «стандартной» схеме, «дожидающийся» поступления

продукции СУД ICON. В результате в таком режиме прогнозы по

CОSMO-Ru2By оказываются готовы раньше прогнозов по COSMO-

Ru6ENA, относящихся к тому же начальному сроку. Такая схема

вычислений целесообразна для решения задач наукастинга (работающего

каждые 3 часа). В то же время одной из задач выполненного анализа

оценок в рамках испытаний было понять, существенно ли снижение

качества прогнозов за счет неучета данных СУД ICON за самый

последний срок наблюдений. Поэтому оценивались прогнозы по COSMO-

Ru2By, работавшей в режиме, названном нами экспериментальным.

1.4. Формирование продукции в COSMO-Ru2By

Приоритетным направлением предоставления продукции

пользователям является формирование графической продукции.

Электронные карты, метеограммы и аэрологические диаграммы доступны

по локальной сети прогнозистам Гидрометцентра России и через

специализированный веб-сайт, по сути, предcтавляющий рабочее место

синоптика [16, https://special.meteoinfo.ru]. Все графические продукты

подготавливаются на основе пакетов визуализации (GRADS, NCL,

Python).

Разработка дизайна карт и представления их на сайте основывалось

на следующих принципах (см. рис. 3):

• 3-уровенная телескопизация – от более крупного охвата

территории к отдельным регионам, с более детальным представлением

информации (в том числе – по территории Республики Беларусь);

• комплексирование на одной карте различных видов информации;

• подбор фиксированных цветовых палитр для карт одинакового

наполнения, но разных заблаговременностей для оптимального

выявления угроз опасных явлений при последовательном просмотре карт;

• ежедневная обратная связь с прогнозистами.

Продукция COSMO-Ru2By, предоставляемая синоптикам, главным

образом состоит из карт элементов приземной погоды: температуры

воздуха на высоте 2 м и на уровне 850 гПа, фонового ветра на высоте 10 м

и его порывов, осадков, давления на уровне моря. Отличительной