Авторы методов и технологии: к.г.н. В.В. Крохин, А.Ю. Филь, ФГБУ "ДВНИГМИ"

Введение

 Получение набора прогностических метеорологических полей по окончании работы численных моделей является необходимым, но недостаточным условием для прогноза тропического циклона (ТЦ). Непосредственно для прогноза ТЦ и его характеристик проводятся дополнительные процедуры, которые получили название «tropical cyclone tracking»(далее по тексту, отслеживание ТЦ).

 Общие сведения

  Авторская технология отслеживания ТЦ, разрабатываемая в ФГБУ «ДВНИГМИ» поддерживает использование выходной продукции всех численных моделей атмосферы, удовлетворяющей некоторым требованиям:

• дискретность по времени (между сроками) – не более 6 часов,
• основных и 3 вспомогательных параметров нижнего слоя атмосферы (список ниже по тексту).

 В основе технологии ДВНИГМИ лежит объективный метод получения параметров ТЦ по методике GFDL [1,2]. В процессе реализации поискового алгоритма происходит определение минимумов и максимумов в поле, значения которого предварительно вычисляются по величине метеоэлементов в узлах регулярной сетки [3,4]. Расчётная сетка размещается таким образом, чтобы её центр совпадал с координатами центра ТЦ в начальный момент времени. Координаты центра ТЦ принимаются за  начальную позицию первого приближения (initial guess position).

 Если обозначить значение в произвольной точке поля как F, то функция Барнса B в каждой точке сетки g вычисляется по формуле:  (1), где w — весовая функция, определяемая по формуле: (2), где  dn — расстояние от точки сетки до точки g, в которой вычисляется функция Барнса;  re — радиус влияния, т.е. расстояние, на котором весовой фактор уменьшается в е раз. Для шага сетки от 0,1° до 1,25° используется величина re = 75 км.

 Так как в общем случае истинный минимум или максимум анализируемого поля располагается между точками сетки, то для более точного определения положения максимума или минимума шаг сетки уменьшается вдвое и процедура вычисления функции Барнса повторяется, но в уменьшенной области, после чего опять определяется экстремум функции. Данная процедура вычислений может применяться несколько раз (итераций), с уменьшением шага сетки вдвое при каждой новой итерации. В случае сетки, применяемой для выходных данных моделей GFS,  WRF, требуется всего две дополнительных итерации, чтобы определить координаты экстремума поля с точностью около 0,05°. Использование функции Барнса для поиска экстремумов полей метеоэлементов позволяет учесть основные особенности анализируемой поверхности, избежав при этом излишнего сглаживания поля.

Краткое описание алгоритма поиска

 Чем меньше временной интервал между прогностическими полями, тем легче идентифицировать центр искомого ТЦ среди других локальных центров в прогностических полях. Ниже содержится описание процедур, применяемых для вычисления позиции первого приближения, а также особенностей полей в окрестности прогнозируемого ТЦ.

 В начале производится предвычисление приближённой позиции ТЦ на следующем временном шаге (т.н. «позиция 1-го приближения») двумя независимыми способами.

 В первом способе предвычисление производится на основе данных о скорости ветра на уровнях 500, 700 и 850 мб. По формуле Барнса с e-радиусом 500 км вычисляются сглаженные поля ветра на трёх уровнях и затем поля составляющих среднего ветра. Далее происходит вычисление координат позиции 1-го приближения по правилу адвективного переноса частицы в поле средних скоростей на заданный промежуток времени (дословно – «динамически сгенерированная позиция 1-го приближения на следующем временном шаге» – dynamically generated guess position for the next lead time).

 Во втором способе применяется формальная линейная экстраполяция текущего вектора перемещения ТЦ. Исключение составляет начальный момент прогноза, когда невозможно определить координаты ТЦ на сроке, предшествующем прогнозу, ввиду отсутствия соответствующих полей. В этом случае данные о предыдущем перемещении ТЦ считываются из телеграммы TCVITALS. Второй способ не столь надёжен, как первый, так как в общем случае вектор перемещения ТЦ в текущий отрезок времени не соответствует вектору перемещения ТЦ в предыдущий отрезок времени.

 После этого происходит осреднение координат, вычисленных двумя способами, и в результате получаются координаты позиции 1-го приближения, в области которой программа будет производить поиск максимумов и минимумов для вычисления точной позиции ТЦ. Отметим, что при увеличении шага по времени должна возрастать невязка между предполагаемым и фактическим положением центра искомого ТЦ.

 Параметры, предназначенные для непосредственного определения центра ТЦ. Для определения координат центра ТЦ в программе используются 6 основных и 3 вспомогательных параметра нижнего слоя тропосферы. Основными параметрами являются:

• относительная завихренность на уровне 850 мб;
• относительная завихренность на уровне 700 мб;
• относительная завихренность на уровне 10 м;
• геопотенциал на уровне 850 мб;
• геопотенциал на уровне 700 мб;
• давление на уровне моря.

Вспомогательными параметрами являются:

• минимум скорости ветра на уровне 850 мб;
• минимум скорости ветра на уровне 700 мб;
• минимум скорости ветра на высоте 10 м.

 Далее вычисляется средняя позиция совокупности 9 параметров. Процесс вычисления происходит в два этапа. На первом этапе вычисляется средняя позиция по координатам всех 9 параметров. На втором этапе определяется расстояние каждого из 9 параметров до средней позиции, а также стандартное отклонение. С учётом гауссова распределения и стандартного отклонения всех параметров (с тем чтобы минимизировать влияние самых удалённых центров) вычисляется окончательная позиция центра ТЦ.

 Для определения минимального давления осуществляется поиск значения минимума давления около центра ТЦ (около центра, т.к. координаты центра есть средневзвешенная величина координат девяти параметров). Затем анализируются данные о ветре на 10 м (уровень 10 м принят для WRF, GFS и большинства других моделей), чтобы определить максимальную  скорость ветра. Для сеток с высоким разрешением (с шагом менее 0.25°), поиск максимума скорости ветра происходит в пределах 200 км от центра ТЦ. Радиусы ветров силой 34, 50 и 64 узла в 4 квадрантах определяются не как средние в секторе, а по максимальной величине радиуса в секторе.

Список используемых источников

1. Gopalakrishnan, S. Hurricane Weather Research ad Forecasting (HWRF) Model [Text]:Scientific Documentation / S. Gopalakrishnan, Q. Liu, T. Marchok, [et al]. − 2012.
2. Marchok, T. P. How the NCEP tropical cyclone tracker works [Text] / Marchok T. P. //Preprints, 25th Conf. On Hurricanes and Tropical Meteorology. − San Diego, CA, − 2002. − P. 21 −22.
3. Barnes, S. L. A technique for maximizing details in numerical weather map analysis [Text] / S. L. Barnes // J. Appl. Meteor. – 1964. − Vol. 3. − P. 396 - 409.
4. Barnes, S. L. Mesoscale objective analysis using weighted time-series observations [Text] / S. L. Barne; Report / NOAA Tech. Memo. ERL NSSL-62; National Severe Storms Laboratory − Norman. – 1973. - 60 p