Use of prognostic WRF model for weather forecasting in Tomsk region.pdf ВведениеФизико-математические численные модели сталиосновным средством научных исследований. В Россиисозданы и функционируют разные по масштабу и пе-риоду прогнозов гидродинамические модели [1-6].Дальнейшее исследование погоды, улучшение прогно-за погоды и отдельных метеовеличин связывают с ис-пользованием более точных прогностических систем иприменением многопроцессорной вычислительнойтехники. Улучшение качества численных моделей ат-мосферы обусловливают следующие факторы: повы-шение пространственного разрешения, уточнение на-чальных полей, совершенствование и использованиенаиболее адекватных и точных параметризаций. Прак-тическая реализация моделей требует изучения осо-бенностей их работы в различных регионах РоссийскойФедерации при разных сезонах и погодных ситуациях,оценки точности прогнозов общего назначения, спе-циализированных, в том числе прогнозов осадков, грози других явлений.Актуальность работы обусловлена необходимостьюдальнейшего внедрения самых современных прогности-ческих систем на всей территории России, в том числе вСибири, оценкой их работоспособности с целью повы-шения качества прогнозов погоды и в особенности про-гнозов опасных метеорологических явлений.В настоящее время оправдываемость краткосроч-ных прогнозов составляет 90-97%, прогнозов опасныхявлений для разных отраслей - 75-90% [7]. Анализсуществующих методик прогноза показывает, что ихкачество для территории России лучше в зимний пери-од. В теплое время года прогнозы имеют несколькоменьшую оправдываемость [8. С. 16]. Это связано сотсутствием механизма выявления локальных конвек-тивных явлений, имеющих ограниченные размеры впространстве (десятки, сотни километров) и во времени(минуты, часы). Эти мезомасштабные процессы вызы-вают такие опасные явления, как ливневые осадки,шквалы, грозы, град.В Западной Сибири отмечается большая повторяе-мость опасных явлений в разные сезоны года. Так, поданным за 2010 г. из 8 федеральных округов на долюСибирского федерального округа, включающего Запад-ную Сибирь, приходится самое большое количествоопасных и неблагоприятных метеорологических явле-ний - 28% [9. С. 50].В данной статье представлены результаты вычисли-тельных экспериментов прогноза температуры воздуха,атмосферного давления и зон осадков, выполненных спомощью мезомасштабной негидростатической метео-рологической модели WRF для Томской области, ипроведена оценка прогностических величин на основеданных метеорологических станций.Описание моделиМодель WRF (Weather Research and Forecasting) яв-ляется одной из наиболее универсальных и современ-ных систем моделирования атмосферы. Являясь сво-бодно распространяемым программным продуктом,она широко и успешно используется для метеорологи-ческого прогнозирования в научных центрах и метео-службах различных стран и продолжает непрерывноразвиваться. Как эффективный инструмент решениямногих задач физики атмосферы модель используется висследовательских целях: мониторинг загрязнения ат-мосферы [10. С. 15; 11. С. 455], изучение климата, мо-делирование разнообразных мезомасштабных явлений(в частности, бризов [12. С. 118], конвективных и дру-гих явлений [13. С. 5; 14. С. 5]). Существуют хорошиеперспективы использования модели в радиометеороло-гии [15. С. 59].Модель основана на численном решении системыуравнений гидротермодинамики атмосферы с учетомпроцессов в верхнем слое суши или воды. Процессыподсеточного масштаба учитываются с помощью па-раметризаций. В модели WRF может быть использова-но большое количество схем параметризаций физиче-ских процессов, которые можно комбинировать. В ра-боте использовалась версия модели WRF 3.1 [16]. Дляописания физических процессов внутрисеточного мас-штаба в атмосфере и подстилающей поверхности пред-лагается следующий набор блоков:1. Микрофизика включает в себя такие процессы,как водяной пар, облака, осадки. В модели можно ис-пользовать восемь различных схем микрофизическихпроцессов, от простых, в которых учитывается толькожидкая фаза - вода, до самых сложных, учитывающихвсе имеющиеся в природе виды гидрометеоров и ихвзаимодействия.2. Параметризации радиационных процессов учи-тывают длинноволновую и коротковолновую солнеч-ную радиацию. Длинноволновая радиация определяет-ся излучением от подстилающей поверхности, котороезависит от типа землепользования, а также температу-ры поверхности земли. Коротковолновое излучениевключает диапазон видимых длин волн, которые со-ставляют спектр солнечного света. При прогнозирова-нии с помощью модели атмосферного излучения ана-лизируются и рассчитываются поглощение, отражениеи рассеяние солнечной радиации в атмосфере согласнотеоретическому распределению участвующих в этихпроцессах компонент. Предлагаемые в модели четырепараметризации длинноволнового излучения и четы-ре - для коротковолнового излучения позволяют учестьоблачность, распределение водяного пара, углекислыйгаз, озон, малые концентрации других значимых газов.3. Параметризации поверхностного слоя учитываютпроцессы обмена теплом и влагой между атмосферой иподстилающей поверхностью. Модель предлагает пятьвариантов параметризаций.4. Параметризации подстилающей поверхности ипроцессов в почве (четыре варианта) позволяют учестьраспределение температуры и влажности в почве в не-скольких слоях, процессы замерзания и оттаивания поч-вы, физику снежного покрова и замороженной почвы,процессы над ледовыми щитами и заснеженными облас-тями, а также физику многослойного снега [17. С. 569].5. Параметризации планетарного пограничного слояучитывают турбулентность в пограничном слое и сво-бодной атмосфере, вертикальные градиенты темпера-туры воздуха и ветра, высоту пограничного слоя, про-цессы облакообразования. В модели предложено шестьвариантов параметризаций, которые могут быть ис-пользованы в разных конкретных погодных условиях[18. С. 5].6. Параметризации облачности позволяют прогно-зировать свойства как восходящих, так и нисходящихпотоков, учитывать процессы перемешивания воздухав облаках и в окружающей среде, моделировать раз-грузку облаков и осадков, оценивать продуктивностьосадков. Представленные 4 варианта параметризацийпозволяют оценивать процессы развития как сплошнойоблачности, так и отдельных облаков [18. С. 15].На первом этапе выполнены работы, необходимыедля запуска WRF в вычислительном центре Томскогогосударственного университета на многопроцессорномвычислительном комплексе «СКИФ Cyberia»: отобра-ны метеорологические ситуации, исходные данные,карты погоды, выполнена визуализация результатоврасчетов, построены карты.Для географической привязки были выбраны тривложенные области с разным пространственным разре-шением: первая - Западная Сибирь, вторая - Томскаяобласть, третья - южная часть Томской области. Дляпервой области выбрано временное разрешение 10 ми-нут, для двух других - привязка с разрешением в 30 се-кунд. В качестве архивных данных были использованыданные реанализа Национального центра охраны окру-жающей среды США (NCEP) и Национального центрапрогнозов окружающей среды (NCAR).Для визуализации результатов использован пакетGrADS. Полученные результаты моделирования былиобработаны утилитой ARWpost, входящей в составкомплекса моделирования WRF, для дальнейшей ви-зуализации результатов. Утилита ARWpost переводитданные из формата, в котором представлены результа-ты моделирования (netCDF, URL: http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/), в формат системы GrADS(URL: http://www.iges.org/grads/). Используя системуGrADS, можно изображать распределение метеороло-гических характеристик в виде двумерных полей, атакже привязывать данные к географической сетке иподкладывать под расчеты карту местности.На втором этапе работы решалась задача определе-ния оптимального для района исследований наборапараметризаций, с тем чтобы оценить их влияние науспешность работы системы и результаты прогноза.На основе выполнения моделирований полученыпрогнозы температуры воздуха и давления по террито-рии Томской области для разных сезонов года за сле-дующие периоды: 7-9 ноября 1999 г.; 6-8 мая 1999 г.;2-4 июля 2000 г.При выборе дат намеренно выбирались такие си-ноптические процессы, при которых отмечались дни сопасными явлениями или неблагоприятными явления-ми погоды.При подборке параметризаций для каждого синоп-тического случая модель WRF запускалась по три раза.При каждом новом запуске устанавливались разныетеоретически обоснованные параметризации и выпол-нялись расчеты для различных наборов параметриза-ций физических процессов, характерных для сезона исиноптического положения. Для моделирований, кото-рые были завершены успешно, проводилась оценкакачества полученного прогноза по четырем станциям,расположенным в разных частях области: Томск, Алек-сандровское, Колпашево, Пудино. Фактические данныео погоде были взяты с сайта [19].При оценке качества работы модели использоваласьвторая вложенная область, качество прогноза оценива-лось по средней ошибке ƒ и среднеквадратическойошибке ƒk [20. С. 303]:1 ( )f v x xNe = - , (1)( )1 2k f v x xNe = - . (2)В формулах (1) и (2) приняты следующие обозначе-ния: xf - прогнозируемое значение метеорологическойвеличины; xv - соответствующее наблюденное (прове-рочное) значение; N - число оцениваемых сроков.Анализ результатов численных экспериментовОтметим, что для каждой метеорологической си-туации в зависимости от сезона года к каждому про-гнозу были подобраны наиболее реально описывающиеданные погодные условия параметризации, но наборыпараметризаций не повторялись. При выполнении рас-четов в отдельных случаях возникали некоторые не-штатные ситуации:- прекращение счета по истечении некоторого вре-мени, программа выдавала ошибки, обусловленныенесоответствием параметризаций для планетарногопограничного слоя и поверхностного слоя;- возникновение аномально больших ошибок, обу-словленных взаимным влиянием разнонаправленныхфакторов, в том числе за счет конфликта параметризаций;- прекращение счета из-за конфликта параметризаций вразделах «коротковолновая и длинноволновая радиация».В большинстве случаев программа успешно завер-шала прогноз. Ниже представлены сравнительные ре-зультаты прогностических и фактических данных длянекоторых прогнозов.7-9 ноября 1999 г. на территории Томской областинаблюдалась облачная с осадками погода. В этот пери-од было отмечено установление снежного покрова, т.е.наблюдалась совокупность неустойчивых во временипрямых и обратных связей между элементами погодыкак в пограничном слое атмосфере, так и на подсти-лающей поверхности. Модель запускалась на трое су-ток с интервалом выдачи результатов 3 часа. В табл. 1представлены погрешности прогноза температуры воз-духа и атмосферного давления.Т а б л и ц а 1Оценка качества численного прогноза на 7-9 ноября 1999 г.Станция ХарактеристикикачестваТемпературавоздуха, °СДавление,гПаɛ -1,7 -0,9Томскɛk 2,7 7,1ɛ 0,0 -0,5Александровскоеɛk 4,2 2,5ɛ 2,1 -0,6Колпашевоɛk 4,2 1,7ɛ 2,2 -1,8Пудиноɛk 4,5 3,1По результатам расчета средней ошибки видно, чтопрогностические величины получились как выше, так иниже фактических значений. Среднеквадратическаяпогрешность прогноза температуры воздуха на рас-сматриваемых станциях составила от 2,7 до 4,5°С, дав-ления воздуха - от 1,7 до 7,1 гПа.Прогноз на 6-8 мая 1999 г. 6 мая 1999 г. на террито-рии Томской области наблюдалась малооблачная безосадков погода. 7 мая 1999 г. на 12 станциях областиотмечалось усиление ветра, который сопровождалсяливневым дождем с грозой.Режим счета был аналогичным. Результаты сравне-ния представлены в табл. 2. Прогностические значениятемпературы воздуха для всех станций оказались всреднем заниженными. Среднеквадратическая погреш-ность прогноза температуры воздуха на рассматривае-мых станциях составила чуть больше 3°С, давления -от 3 до 5,9 гПа.Прогноз на 2-4 июля 2000 г. На территории Томскойобласти в этот период отмечалась облачная погода. Осад-ки наблюдались только в некоторых частях области. 3июля на севере области было зарегистрировано опасноеявление - гроза со шквалом и ливневыми осадками. Ре-зультаты прогностических расчетов даны в табл. 3.Т а б л и ц а 2Оценка качества численного прогноза на 6-8 мая 1999 г.Станция ХарактеристикикачестваТемпературавоздуха, °СДавление,гПаɛ -0,8 -0,8Томскɛk 3,2 3,0Александ- ɛ -0,8 2,2ровское ɛk 3,2 4,2ɛ -0,8 -0,8Колпашевоɛk 3,3 5,9ɛ -0,8 2,2Пудиноɛk 3,1 3,6Среднеквадратическая погрешность прогноза тем-пературы не превысила 3°С. Отметим, что в данномслучае прогнозы с разными параметризациями физиче-ских процессов в облаках (схема Кесслера и пятиклас-совая схема) дали схожие по точности результаты. Бо-лее подходящей для данной ситуации явилась схемаWRF с пятью классами (WSM5, mp_physics = 4).Т а б л и ц а 3Оценка качества численного прогноза на 2-4 июля 1999 г.Станция ХарактеристикикачестваТемпературавоздуха, °СДавление,гПаɛ -0,1 -0,9Томскɛk 3,0 1,2Александ- ɛ 1,7 -1,3ровское ɛk 2,7 2,0ɛ 0,0 1,2Колпашевоɛk 2,6 5,0ɛ -0,4 -0,1Пудиноɛk 3,0 0,8Прогноз сильного ливневого дождя 1 июня 2001 г.Анализ синоптических карт на 03 и 12 ч всемирногоскоординированного времени (ВСВ) показал, что тер-ритория Томской области в 03 ч находилась под влия-нием обширного циклона с минимальным давлением1000,7 гПа. Центральную часть области пересекал теп-лый фронт. Далее циклон смещался на северо-восток,при этом давление в центре падало до 998 гПа. Вместес циклоном смещался и фронт. На территории Томскойобласти наблюдались шквалы, грозы и ливневые осад-ки. В северной и западной частях территории наблюда-лись сильные ливневые осадки (03 ч). Температуравоздуха изменялась по территории от 12 до 23°С. Через9 часов ливневые осадки наблюдались только в цен-тральной части области (Колпашево, Молчаново, Пер-вомайское). Наиболее интенсивные конвективные яв-ления сместились севернее рассматриваемой террито-рии. Температура воздуха возросла с 8 до 17°С.Прогноз конвективных явлений, в том числе ливне-вых осадков, достаточно труден. Не всегда удается датьвовремя штормовое предупреждение о надвигающемсяявлении. Томским ЦГМС на 1 июня 2001 г. было со-ставлено штормовое предупреждение с заблаговремен-ностью в 6 часов о надвигающихся шквале и грозе, носильный ливневой дождь с количеством осадков54 мм/12 ч (станция Напас) не был предусмотрен. В про-гнозе Томского ЦГМС по городу и области ожидаласьгроза, ливневой дождь, град, ветер 15-20 м/с.Прогноз летних конвективных явлений по моделиWRF включал расчет таких параметров, как давлениевоздуха, вертикальные токи, удельная влажность, тем-пература воздуха и водозапас облачности. Распределе-ния этих величин были получены для 1 июня 2001 г. закаждый час для всех трех вложенных областей.В соответствии с прогностическими данными полу-чено, что температура воздуха 1 июня на территорииТомской области изменялась от 9°С на севере (19 ч) до29°С на юге (09 ч). Сильные ливневые осадки наблю-дались на севере области (Александровский, Каргасок-ский районы), также в отдельных районах южной частиобласти (Кривошеинский, Молчановский, Шегарскийрайоны). Критерия опасного явления они могли дос-тигнуть на севере области.Результаты расчета водозапаса в облаках приведенына рис. 1 и 2. Цифры на рисунках по горизонтали и повертикали - соответственно долгота и широта места вградусах.Рис. 1. Распределение запаса влаги в облаках по территории Томской области в 03 ч ВСВ 1 июня 2001 г. Более темные областисоответствуют малым величинам, светлые - большим значениям влагозапасаРис. 2. Распределение запаса влаги в облаках в 13 ч ВСВ 1 июня 2001 г. по территории Томской области. Обозначения те же, что и на рис. 1При сравнении фактических данных метеовеличинна станциях Томской области с данными, рассчитан-ными по модели WRF, были получены следующие ре-зультаты: фактические и прогностические температурывоздуха отличались не более чем на 3°С, атмосферноедавление - не более чем на 4 гПа.В соответствии с фактическими данными осадки потерритории области распределены неравномерно. Мак-симальное количество осадков зарегистрировано настации Напас (54 мм). Сравнение фактических осадковс рассчитанным по программе запасом влаги в облакахв сроки 03 и 13 ч ВСВ показало, что в срок 03 ч факти-чески осадки выпадали на севере области вдоль линиитеплого фронта на станциях Александровское, Напас,Ванжиль-Кынак, Каргасок. Прогностическая карта затот же срок, построенная по модели WRF, в точностисоответствовала фактическим данным. Зоны с макси-мальным водозапасом в облаках также располагалисьвдоль линии фронта.В срок 12 ч ВСВ линия фронта сместилась на вос-ток, и вслед за ней постепенно сместилась зона осад-ков. По данным метеостанций осадки наблюдались на3 станциях: Колпашево, Молчаново и Ванжиль-Кынак.Рассчитанные по модели WRF значения запаса воды воблаках также хорошо подтвердили реальные данные.Таким образом, прогностические поля давлениявоздуха, температуры и зон осадков, полученные помодели, хорошо совпали с фактической погодой.Несмотря на то что прогностические значения тем-пературы и давления воздуха несколько отличались отфактических значений, результаты моделированияможно считать успешными, поскольку для экспери-ментов изначально были выбраны сложные погодныеусловия, описать всю совокупность физических про-цессов в которых можно лишь с большой степеньюприближения.Огромным достижением явилось выявление в ре-зультате расчетов потенциальных зон осадков. Прианализе рассчитанных карт можно достоверно и дета-лизированно указать районы выпадения осадков, в томчисле сильных ливней. Этот результат особенно важен,поскольку прогноз мезомасштабных явлений погоды,обусловленных развитием конвекции, остается слабымзвеном во многих моделях, используемых сегодня дляпрогноза погоды.Выводы:1. Реализация модели прогноза для Томской облас-ти показала хорошие перспективы использования ее вразличные сезоны года и при разных метеорологиче-ских условиях, в том числе при неблагоприятных иопасных явлениях погоды.2. Рассчитанные характеристики точности моделипредставляются удовлетворительными на данном этапе.3. В результате численных экспериментов выбира-лись различные схемы параметризаций. Были подобра-ны комбинации, наилучшим образом описывающиефизические процессы в атмосфере с учетом погодныхусловий и пространственного масштаба. Для теплогопериода года лучшим по точности полученных прогно-зов оказался следующий набор параметризаций физи-ческих процессов:- микрофизика - схема WRF с пятью классами гид-рометеоров (при запуске программы эта схема обозна-чается WSM5). Схема представлена пятью категориямигидрометеоров: пар, дождь, снег, лед в облаках и об-лачная вода, она позволяет учитывать переохлажден-ную воду и постепенное таяние снега [16];- длинно- и коротковолновая радиация - схемаRRTMG. Для длинноволнового излучения в ней учи-тывается поглощение излучения водяным паром, угле-кислым газом, озоном, оксидом азота, метаном. В спек-тре длинноволновой радиации выделено 16 полос по-глощения, для которых определены основные и слабыепоглотители. Расчет переноса радиации осуществляет-ся по слоям. Метод очень точен и реалистично воспро-изводит процессы в атмосфере [16]. При распределе-нии коротковолновой радиации учитывается воздейст-вие атмосферного водяного пара, озона и двуокиси уг-лерода, а также облака со случайным перекрытием;- поверхностный слой - схема подобия Янича. Опи-сывает процессы в приземном слое. Основана на тео-рии подобия Монина - Обухова. Схема включает в се-бя вязкий слой, уровень шероховатости, слой постоян-ных турбулентных потоков [16];- подстилающая поверхность - схема Noah LSM. Па-раметризация позволяет описывать и прогнозироватьтемпературу и влажность в 5 слоях почвы (до 100 см), атакже водный эквивалент и толщину снега. Учитываетповерхностный и внутрипочвенный стоки, физику снеж-ного покрова и замороженной почвы. Новая модифи-кация, добавленная в версии 3.1, предназначена длялучшего представления процессов над заснеженнымиобластями [16];- планетарный пограничный слой - схема Мелло-ра - Ямады - Янича (MYJ). Учитывает полный диапа-зон атмосферной турбулентности;- облачность - схема Беттса - Миллера. Учитываетизменение влажности в воздушном столбе с учетомпроцессов перемешивания [13. С. 9].4. Для холодного времени года лучшими оказалисьте же параметризации, но с включением снежного по-крова (ifsnow = 1).5. При расчетах учитывались перенос тепла и влагис поверхности (isfflx = 1), облачность при расчете ра-диации (icloud = 1), количество слоев в почве(num_soil_layers) равно 5.6. Прогноз летних метеовеличин показал более дос-товерный результат.7. Работу по изучению возможностей модели WRFи других моделей с целью определения лучшей и еедальнейшему внедрению в практику прогнозированияследует продолжить.Работа представляет интерес для усовершенствова-ния мезомасштабного прогноза погоды на аналогичныхпо физико-географическим условиям и других терри-ториях.

Скачать электронную версию публикации