Разработчик: к.г.н. В.В. Крохин, 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 2006 г.

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 в 2011 году. Эксперименты по составлению прогнозов моделью WRF-NMM начались в этом же году.

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

Выходную продукцию численной региональной модели HWRF в ФГБУ «ДВНИГМИ» можно использовать для исследовательских целей, а также для практического применения в оперативно-прогностической работе дальневосточных территориальных управлений Росгидромета и в Дальневосточном и Камчатском филиалах ФГБУ «Авиаметтелеком 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.

 

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

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, с_р – 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.

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. 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.

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. 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. 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).

Визуализация численного прогноза положения и интенсивности тропических циклонов 

Визуализация численного прогноза положения и интенсивности тропических циклонов (далее ТЦ-траектория), представляет собой конечную продукцию в виде картинки и является результатом работы численных моделей ФГБУ «ДВНИГМИ». Данная продукция состоит из двух частей.

 
 1-я часть представляет собой специализированную карту с прогностической траекторией ТЦ от нулевого срока до максимально возможного, которая для модели HWRF-Ru составляет 72ч., для GFS-GVTRK-Ru — 120 ч., и наложенной на траекторию области ветров более 34 узлов, окрашенную в бежевый цвет. А также областей максимальных ветров более 34, 50 и 64 узлов в виде секторов с радиусами, вычисленными в соответствии с текущим масштабом на карте. Указанные сектора распределены по 4 квадрантам, начиная с северо-восточного (NE) и далее по часовой стрелке - юго-восточный (SE), юго-западный (SW) и северо-западный (NE). Аббревиатура и порядок секторов приведены согласно идеологии JTWC. Указанные модели используются в прогностической оперативной практике ФГБУ «ДВНИГМИ».

2-я часть (на рисунке справа от карты, разделенная сплошной черной линией) представлена в виде шапки и таблицы с информацией об основных метеорологических параметрах, характеризующих положение и интенсивность ТЦ за каждый прогностический срок. Строки с прогностической заблаговременностью от 0 ч. до максимальной заблаговременности, через каждые прогностические сутки (0, 24 ,48 ч. и т. д.) выделены жирным шрифтом (для удобства чтения специалистом данных о ТЦ в контрольные сроки).

Шапка содержит название ТЦ согласно циклически обновляющихся списков названий тропических циклонов ВМО и номер ТЦ согласно идеологии JTWC. А также название  численной модели, используемой в расчетах, период прогноза и максимальную заблаговременность, полученную в прогнозе.

Положение ТЦ представлено в виде географических координат в широтно-долготной сетке с точностью до 0,1°.

Интенсивность ТЦ показана условно тремя параметрами:

1) максимальная скорость ветра в ТЦ в узлах;

2) минимальное приземное давление в ТЦ в гПа;

3) максимальные радиусы ветров в морских милях для скоростей ветра 34, 50 и 64 узлов соответственно.

Ниже карты с траекторией и таблицей приведен блок с примечаниями и кратким пояснением к значкам, символам, областям и линиям на карте, а также сокращениям в таблице.

 

Прогностическая метеограмма Тропического Циклона

Прогностическая метеограмма тропического циклона (далее ТЦ-метеограмма) состоит из шапки и 2 блоков.

Шапка содержит информацию о координатах и начальном сроке прогноза, название и номер ТЦ, а также название прогностической модели.

1-й блок соединен условно в 3 подблока в виде графиков и гистограмм. Шкала по оси Х представлена тремя временными шкалами. Верхняя временная шкала выделена черным цветом и обозначает прогностическую заблаговременность, которая для модели HWRF-Ru составляет 72 ч., для GFS-GVTRK-Ru — 120 ч. Средняя временная шкала выделена синим цветом и показывает местное время (по Владивостоку), Нижняя шкала указывает время по всемирному скоординированному времени (ВСВ) (оранжевым цветом) и дату по ВСВ (черным цветом).

1-й подблок показывает минимальное давление (черный штрих-пунктир) и максимальную скорость ветра в ТЦ (зеленая сплошная линия на графике). Левая шкала имеет градацию, автоматически масштабируемую в зависимости от интенсивности ТЦ. Шкала измеряется в гПа. Правая шкала имеет 2 градации для скорости ветра в м/с и узлах. Шкалы и описание к ним выполнены тем же цветом, что и линии на графике.

2-й подблок содержит информацию о максимальных осадках в ТЦ. Гистограмма красного цвета показывает интенсивность осадков в мм/3ч. Заполненная гистограмма синего цвета показывает осадки, осредненные по площади радиусом 3º от центра ТЦ с интенсивностью более 5 мм/3 ч.

Окружность с радиусом 3º от центра ТЦ была определена экспериментально. В большинстве случаев с ТЦ, область в виде окружности с радиусом 3º охватывает всю зону тропического циклона с критическими значениями всех параметров ТЦ.

Также показана закодированная информация о положении ТЦ в пространстве в определенный момент времени в виде буквенного обозначения:

 О — океан (ТЦ в данным момент времени полностью находится над морской или океанической поверхностью),

 П — побережье (ТЦ находится вблизи побережья островов и континентов),

 С — суша ( площадь ТЦ, радиусом 3º на 80% и более, находится над поверхностью суши).

3-й подблок показывает графики температуры зеленым штрих-пунктиром и ее аномалию красным штрих-пунктиром на изобарической высоте 200 гПа в градусах Цельсия. Аномалия температуры рассчитывается на площади в радиусе 3º от центра ТЦ и является разницей между максимальной температурой и средней температурой окружения в указанной площади. Отрицательная аномалия температуры на 200 гПа для наглядности выполнена черным пунктиром.

 2-й блок разделен также на 2 подблока.

 1-й подблок показывает направление перемещения ТЦ в виде стрелочек фиолетовым цветом, расстояние центра ТЦ до Владивостока в км, а также интенсивность ТЦ в виде метеорологических значков и их кратким описанием.

 2-й подблок содержит подробную информацию о ветре в радиусе 3 градуса от центра ТЦ.

Первоначально в 3 градусах от центра ТЦ бралось значение ветра в точке на условной окружности (8 точек через 45 градусов соответствуют 8 румбам). Далее появилась необходимость в более точном определении скорости и направления ветра не в точке на окружности, а в некоторой условной области вокруг этой точки, характеризующей параметры ветра в регионе, соответствующему 1 румбу (согласно современным определениям 1 румб=11.25º или 1/32 полной окружности). 1-я точка соответствует 'E' (восток) румбу (крайняя правая точка на окружности). И далее против часовой стрелки через 45º.

Ниже приведены названия всех румбов, используемых в данной технологии, по порядку их применения:

1 E ост восток

2 NE норд-ост северо-восток

3 N норд север

4 NW норд-вест северо-запад

5 W вест запад

6 SW зюйд-вест юго-запад

7 S зюйд юг

8 SE зюйд-ост юго-восток.

Область, характеризующую скорость и направление ветра в каждом из приведенных румбов, экспериментально определили как 1/10 от радиуса окружности. То есть AREA=N*1/10=3/10=0.3, где N — радиус окружности. Для простоты взяли прямоугольную область, отстоящую от каждой рассчитываемой точки на окружности, соответствующей заданным румбам, на delta=AREA/2=0.15º во все стороны. Данную область приняли как контрольную.

Следующим этапом стала корректировка контрольной области согласно формуле, рассчитывающей минимальное расстояние, которое пройдет воздушная частица в заданной скорости ветра:

MIN_DIR=ws*2*10*60 [м],

где:

MIN_DIR — минимальное расстояние от точки на окружности, при котором скорость ветра не меняется,
ws — средняя скорость ветра в контрольной области,
2 — диаметр окружности = 2R,
10 — интервал времени [мин],
60 — количество секунд.

В случае, если минимальное расстояние меньше контрольного, минимальное расстояние приравнивается к контрольному. Если минимальное расстояние больше или равно контрольному, то область корректируется согласно MIN_DIR по приведенной выше формуле.

Последний этап: после корректировки расстояния с заданной скоростью ветра, корректируются скорость и направление ветра в новой области по компонентам U и V на высоте 10 м и выводятся их значения в виде оперения стрелок ветра по 8 румбам.

Также на рисунке отображаются радиусы максимальных ветров выше 34 узлов по 4-м квадрантам (1 квадрант=90º) и их значения в километрах напротив каждого квадранта.

Окружности с ветром в 3º от центра ТЦ, а также радиусы максимальных ветров по 4-м квадрантам, выводятся через каждые 12 часов прогностического времени.

В Примечании дано краткое пояснение к значкам и графикам на ТЦ-метеограмме.

 

Список используемых источников

1. 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.