Главная Метеорология Гидродинамическое моделирование Гидродинамический численный региональный прогноз погоды, модель WRF-NMM
Гидродинамический численный региональный прогноз погоды, модель WRF-NMM PDF Печать E-mail
22.07.2013 13:30

Автор методов и технологии к.г.н. В.В. Крохин, А.Ю. Филь, ДВНИГМИ

 

Численный региональный прогноз полей метеоэлементов и тропических циклонов осуществляется на основе негидростатической мезомасштабной модели WRF-NMM.  Здесь WRF является сокращением от Weather Research and Forecasting. Вторая составляющая этого сокращенного названия модели обозначает её динамическое ядро.  NMM является сокращением от Nonhydrostatic Mesoscale Model, это динамическое ядро было разработано в NCEP (National Centers for Environmental Prediction) в США З.Яничем и Т. Блэком.

 

Модель WRF- NMM начала эксплуатироваться в NCEP (США) с  июня 2006г.

В Гидрометцентре России эксперименты по составлению прогнозов с помощью модели WRF-NMM начались в 2009 г.

В ДВНИГМИ модель  WRF-NMM была собрана и настроена под дальневосточный регион сотрудниками отдела метеорологии и тропических циклонов В.В. Крохиным и А.Ю. Филем в 2011 году. Эксперименты по составлению прогнозов моделью WRF-NMM начались в этом же году.

Технология и методология расчета прогнозов моделью WRF-NMM разработана в ОМТЦ и ОМА ФГБУ «ДВНИГМИ» и функционирует на вычислительных средствах ФГБУ «ДВНИГМИ».

Данная продукция имеет статус экспериментальной и не является официальным прогнозом Росгидромета.

 

Краткое описание

 

Автоматизированная оперативная технология краткосрочного (до 72 часов) прогноза полей метеоэлементов и тропических циклонов моделью WRF-NMM реализована применительно к территории Дальнего Востока,  дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана. Область прогноза (основная, материнская сетка) с центром (30° с. ш. , 140°в.д. ) ограничена  приблизительно 10°ю.ш.– 65° с. ш. и 100°в.д.– 170° з. д. В тайфунной версии модели WRF-NMM (Hurricane WRF, HWRF) положение области прогноза может слегка смещаться с учетом положения прогнозируемого тропического циклона.

 

Прогнозы рассчитываются по региональной негидростатической модели WRF с динамическим ядром NMM версии 3.3.1 с 43 вертикальными η-уровнями и горизонтальным разрешением 27/9 км.

 

В настоящей сборке модели WRF-NMM принят следующий перечень вертикальных η-уровней (всего 43)

 

1.0000000, .9919699, .9827400, .9721600, .9600599, .9462600, .9306099, .9129300, .8930600, .8708600, .8462000, .8190300, .7893100,     .7570800, .7224600, .6856500, .6469100, .6066099, .5651600,  .5230500, .4807700, .4388600, .3978000, .3580500, .3200099,   .2840100, .2502900, .2190100, .1902600, .1640600, .1403600,  .1190600, .1000500, .0831600, .0682400, .0551200, .0436200,   .0335700, .0248200, .0172200, .0106300, .0049200, .0000000

 

В обычной (не ураганной) версии модели  материнская область расчета включает 216 x 342 точку с разрешением 0.18 градуса (около 27 км), вложенная область расчета  состоит из 307x634 точек с разрешением 0.06 градуса (около 9 км). См. пример.

 

В тайфунной версии модели (Hurricane WRF, HWRF) материнская область расчета включает 216 x 342 точку с разрешением 0.18 градуса (около 27 км), а вложенная область расчета перемещается вслед за вихрем тропического циклона, при этом количество точек области составляет 60x100 точек с разрешением 0.06 градуса (около 9 км). См. пример.

 

Особенностью модели WRF-NMM является то, что в ней в явном виде отделены члены, присутствующие в гидростатических моделях, от членов, возникающих вследствие учёта негидростатичности [1, 2].

В упрощенном виде система прогностических и диагностических уравнений модели WRF-NMM в σ–системе координат на плоскости трансформированной широтно-долготной проекции содержит 9 уравнений и 9 неизвестных, т.е. является замкнутой.  Она имеет следующий вид:

 

уравнение движения (по горизонтали)

,

 

уравнение сохранения массы в негидростатической формулировке

,

 

уравнение сохранения массы в гидростатической формулировке

 

,

 

уравнение негидростатичности (отношение вертикального ускорения к ускорению свободного падения)

,

 

промежуточное уравнение притока тепла

,

 

окончательное уравнение притока тепла

,

 

промежуточное уравнение тенденции геопотенциала

,

 

уравнение движения для вертикальной скорости

,

 

диагностическое уравнение состояния

.

 

В вышеприведенных уравнениях

, где   - гидростатическое давление на поверхности Земли и на верхней границе расчетной области,

- вектор горизонтальной скорости,

g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения,

R=287,04 Дж/(кг • К) – газовая постоянная сухого воздуха,

ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении,

σ - вертикальная скорость,

- плоский оператор градиента в сигма системе,

α - удельный объем,

 

Неизвестными являются

Φ(x, y, , t)  -  геопотенциал,

T (x, y, , t)  -  температура,

(x, y, , t) -  скорость ветра ,

p = p(x, y, , t) - полное давление (гидростатическое и негидростатическое)

W - вертикальная скорость,

ε -  параметр негидростатичности.

 

В полном виде исходная система уравнений также включает источники (стоки) в уравнениях движения и притока тепла. Также добавляются уравнения переноса влаги в различных фазовых состояниях.

Численное решение системы уравнений модели WRF-NMM выполняется конечно-разностным аналогом, записанным на расшатанной “E” сетке Аракавы [3].

В модели WRF-NMM используются повернутые сферические координаты, предложенные Т. Блэком, когда экватор смещается в середину области расчетов. Такие координаты используются также в моделях Eta (США) и в локальной модели LM-COSMО (Метеорологическая служба Германии, Гидрометцентр России). Эти координаты удобны тем, что при сравнительно небольших размерах области, характерных для локальных и региональных моделей, расчеты ведутся на почти равномерной (в линейном смысле) широтно-долготной сетке. Все плоские операторы, присутствующие в уравнениях, являются операторами в сферической системе координат. Концепция масштабного множителя в модели WRF-NMM не применяется.

 

Используемые параметризации

 

Параметризации радиации и расчета осадков используют различные геофизические, химические и астрономические данные, например время года и суток, зенитный угол солнца, содержание озона в единичном столбе атмосферы, альбедо подстилающей поверхности и т.д.

Для параметризации микрофизических процессов используется схема Феррье;

Для длинноволновой и коротковолновой радиации используется метод Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL), в схеме учитывается поглощение водяным паром, диоксидом углерода, озоном, а таккже микрофизические эффекты.

Для приземного слоя используется схема по Монину-Обухову с масштабом шероховатости по Зилитинкевичу

Параметризация планетарного пограничного слоя: схема высокого разрешения «GFS PBL» с неявным представлением слоя вовлечения как части нелокального по К-слою смешения;

Для взаимодействия почва-атмосфера используется однослойная схема «GFDL SLAB».

Параметризация влияния урбанизации не задействована;

Для параметризации конвекции и облачности используется схема на основе подхода «потока массы» по Аракаве-Шуберту;

Моделью усваивается рельеф с шагом в 30 секунд.

 

Тайфунный блок

 

В качестве исходной информации о наличии (или отсутствии) тропических циклонов северо-западной части Тихого океана  используются данные текстовых телеграмм Объединенного центра предупреждения о тайфунах США (Joint Typhoon Warning Centre, JTWC), оперативно обновляющиеся на серверах Глобальной системы прогнозов Национального центра экологического прогноза США.

В ОМТЦ ведется непрерывный мониторинг тропических циклонов северо-западной части Тихого океана, прямо или косвенно влияющих на российский Дальний Восток и дальневосточные моря, т.е. зону ответственности ДВНИГМИ [4, 5]. Путем обработки обширного эмпирического материала был определен так называемый тревожный район, т.е. географическая область нахождения ТЦ, которые в следующие трое суток могут влиять на Дальний Восток.

В случае наличия тропического циклона в тревожном районе,  запускается тайфунный вариант модели WRF-NMM – модель Hurricane WRF (HWRF).  От обычной модели WRF-NMM модель HWRF отличается наличием блока инициализации вихря тропического циклона и трекингом области ТЦ движущейся вложенной сеткой [6].

ТЦ в своем большинстве развиваются над океанами, незначительно охваченными метеорологическими данными. В силу этого ТЦ получается недостаточно глубоким и размытым, слабо выраженным в поле объективного анализа или вовсе не выраженным [7]. Для того чтобы должным образом описать ТЦ в начальных полях модели, необходимо решить так называемую задачу инициализации ТЦ (инициализации вихря).

В схеме инициализации для модели HWRF, разработанной в Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL) Принстонского университета США, предусматривается разделение начального поля анализа на фоновый поток и, собственно, саму ТЦ-циркуляцию [8]. В свою очередь, ТЦ-циркуляция в дальнейшем строится из двух составляющих: симметричной и несимметричной. Далее идет выделение области с ТЦ-циркуляцией, перенос центра ТЦ в точку с истинными координатами, удаление исходной и внедрение «искусственной» ТЦ-циркуляции.  При этом «искусственный» ТЦ может быть не вполне согласован с окружающим его потоком, и модели обычно требуется некоторое время для восстановления нормальной структуры ТЦ (обычно 6-12 часов).

 

Выходная продукция (по состоянию на 22.04.2013 г.)

 

Поля всех основных метеорологических величин

 

геопотенциал,

ветер (компоненты и скорость и направление),

температура,

влажность

на стандартных изобарических поверхностях

1000, 975,950,925,900,875,850, 825,800,775,750,700, 650,600,550,500, 450,400, 350,300, 250, 200, 150, 100, 50 гПа.

 

Поля (приземные)

 

приземное давление (давление на уровне моря),

ветер на высоте 10 м,

температура на высоте 2 м,

осадки: 3-х часовые, накопленные от исходного срока до текущего (указанного на карте) времени.

 

Форма представления прогнозов основных метеовеличин

 

- все поля в цифровом виде (формат:  GRIB1) с временным интервалом 3 часа;

- карты-слайды приземные: приземное давление и осадки (трехчасовые и накопленные) с временным интервалом 3 часа;

- карты-слайды высотные: относительная влажность на уровне 850 гПа с временным интервалом 3 часа.

Форма представления прогнозов параметров положения и эволюции тропических циклонов северо-западной части Тихого океана разработана в ОМТЦ ФГБУ «ДВНИГМИ». См. пример прогноза.

 

Модель функционирует на вычислительных ресурсах ФГБУ «ДВНИГМИ ».

 

Оперативная технология расчета прогнозов спроектирована, разработана и запущена в производственную эксплуатацию отделом метеорологии и тропических циклонов (ОМТЦ) ДВНИГМИ.

Авторы технологии: В.В. Крохин, А.Ю. Филь.

 

Методология определения и визуализации прогностических параметров положения и эволюции тропических циклонов по данным модельных полей разработана в ОМТЦ ДВНИГМИ.

Авторы методологии: В.В. Крохин, А.Ю. Филь.

 

Список используемых источников

 

1. User’s Guide for the NMM core of the Weather Research and Forecast (WRF) modeling system. January 2013. – // Internet. – http://www.dtcener.org/wrf-nmm/users/docs/user_guide/index.php.

 

2. Вельтищев Н.Ф., Жупанов В.Д. Информация о модели общего пользования WRF-NMM / Под ред. В.А. Анцыповича. М.: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Главный вычислительный центр, 2007. 124 С.

 

3. Мезингер Ф., Аракава А. Численные методы, используемые в атмосферных моделях. Пер. с англ. – Л.: Гидрометиздат, 1979. – 136 с.

 

4.  Крохин В.В., Баранов Г.Г., Евдокимова Л.И., Моисеев М.Б., Филь А.Ю. Разработка комплексной технологической линии гидродинамического прогноза тропических циклонов // Труды ФГБУ «ДВНИГМИ» - Владивосток: Дальнаука. - 2012. – Вып. 154. – С. 41-77.

 

5. Крохин В.В., Ламаш Б.Е. Использование численной модели высокого разрешения HWRF для прогноза траектории и эволюции тайфунов северо-западной части Тихого океана. - Вестник ДВО РАН. № 3. 2012. - С. 42-48.

 

6. Gopalakrishnan, S., Q. Liu, T. Marchok et al. Hurricane Weather and Research and Forecasting (HWRF) Model 2011 Scientific Documentation, Technical Report // Boulder. Developmental Tested Center  // http://www.dtcenter.org/HurrWRF/users/docs/scientific_documents/HWRFScientificDocumentation_August2012.pdf.

 

7. Похил А.Э., Зайченко М. Ю. Исследование влияния структуры инициализированного вихря на расчет перемещения ТЦ на основе ЕТА-модели // Метеорология и гидрология. 2005. № 2. С. 68-77.

 

8. Kurihara Y., Tuleya R. E., Ross R. J. Improvements in the GFDL hurricane prediction system. // Monthly Weather Rev. 1995. Vol. 123, N 9. P. 2791–2801.

Обновлено 10.11.2017 13:14
 
Баннер