RU
|
EN

Гидродинамический численный региональный прогноз погоды, модель WRF-NMM

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 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 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 разработаны в ОМТЦ и ОМА ФГБУ «ДВНИГМИ» и функционируют 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 3.5.1 с 43 вертикальными η-уровнями и горизонтальным разрешением 15 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 357 x 674 точку с разрешением 0.109 градуса (около 15 км). См. пример.

 

В тайфунной версии модели (Hurricane WRF, HWRF-RU) материнская область расчета включает 216 x 432 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 22.09.2019 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». 

 

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 возможной, которая для модели HWRF-Ru составляет 72ч., для GFS-GVTRK-Ru — 120 ч. и наложенной на траекторию область 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 до максимально возможной через каждые прогностические сутки (0, 24 ,48, 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. Также численную модель, используемую 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 под блока в виде графиков и гистограмм, изменяющиеся с течением времени. Время с градациями через 3 часа разбито на 3 шкалы. Верхняя временная шкала черным цветом обозначает прогностическую заблаговременность от нулевого срока до максимально возможной, которая для модели HWRF-Ru составляет 72ч. Для GFS-GVTRK-Ru — 120 ч., Средняя временная шкала синим цветом показывает время по Владивостоку, две нижние шкалы оранжевым и черным цветом указывают время и дату по всемирному скоординированному времени (ВСВ) соответственно.
1-й под блок показывает минимальное давление черным штрих-пунктиром 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 под блок содержит информацию о максимальных осадках в ТЦ в виде гистограммы красного цвета, с интенсивностью мм/3 ч, а также и информацию об осадках, осредненных по площади радиусом 3º от центра ТЦ в виде заполненной гистограммы синего цвета и характеризующей интенсивность осадков более 5 мм/3 ч. Шкала и описание выполнены красным цветом с автоматически изменяемой градацией в зависимости от количества полученных осадков в ТЦ.
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 во 2-м блоке содержится закодированная информация о положении ТЦ в пространстве в определенный момент времени в виде буквенного обозначения. О — океан. Означает, что 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 90% и более находится над поверхностью суши.
3-й под блок показывает графики температуры зеленым штрих-пунктиром и ее аномалию красным штрих-пунктиром на изобарической высоте 200 гПа в градусах Цельсия. Аномалия температуры рассчитывалась 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 под блока: В 1-м под блоке содержится краткая информация о направлении перемещения ТЦ в виде стрелочек фиолетовым цветом, расстоянии центра ТЦ до Владивостока в км, а также интенсивности ТЦ в виде метеорологических значков и их кратким описанием.
2 под блок 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' румбу (восток) - крайняя правая точка на окружности и далее против часовой стрелки через 45º.
Ниже приведены названия всех румбов, используемых в данной технологии, по порядку их использования.
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.
Следующий этапом стала корректировка контрольной области согласно формуле, рассчитывающей минимальное расстояние, при которой 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, то 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 корректируется скорость и направление ветра в новой области по компонентам U и V на 10 м., и выводится их значение 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.

 

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.

© 2018 ДВНИГМИ
Яндекс.Метрика

Main Menu (RU)