Ансамблевый мезомасштабный прогноз погоды на основе негидростатической модели атмосферы COSMO-RU тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Алферов, Дмитрий Юрьевич

• Алферов, Дмитрий Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Алферов, Дмитрий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГНОСТИЧЕСКИХ АНСАМБЛЕЙ В МИРОВЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕНТРАХ И В ЕВРОПЕЙСКОМ КОНСОРЦИУМЕ COSMO.

1.1. Ансамбли и ансамблевый подход в гидрометеорологии.

1.2. Обзор методов построения ансамблей в прогностической практике . 14'

1.2.1. Общие принципы.

1.2.2. Возмущение начальных и граничных условий модели.

1.2.3. Построение ансамблей за счет возмущения параметров модели.

1.2.4. Изменение формулировки модели.

1.3. Особенности ансамблевого подхода для кратких сроков и ограниченных территорий.

1.4. Детерминистская и вероятностная верификация прогностических ансамблей.

1.4.1. Общие сведения.

1.4.2. Верификация ансамбля детерминистских прогнозов.

1.4.3. Верификация вероятностных прогнозов.

1.4.4. Оценки экономической эффективности.

1.4.5. Особенности верификации мезомасштабных прогнозов.

1.5. Методы, технологии и проекты консорциума COSMO1 в ансамблевом прогнозировании.

1.5.1. Проект COSMO-SREPS.

1.5.2. Проект COSMO-LEPS.

1.5.3. Система COSMO-DE-EPS.

1.6. Мезомасштабная прогностическая схема COSMO-RU для территории России.

1.6.1. Консорциум COSMO и разрабатываемые им модели.

1.6.2. Общее описание модели COSMO.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ансамблевый мезомасштабный прогноз погоды на основе негидростатической модели атмосферы COSMO-RU»

Актуальность работы. Потребность в вероятностном прогнозировании погоды, обусловленная всегда существующей неопределенностью прогнозов, давно уже осознана синоптиками [Груза, Ранькова, 1983]. С развитием вычислительной техники и, как следствие, методов численного прогнозирования погоды возникла задача оценки предсказуемости атмосферных процессов и тесно связанная с ней проблема вероятностного численного прогноза погоды.

С теоретической точки зрения, вероятностный прогноз - это описание эволюции плотности распределения' вероятности состояния атмосферы при помощи уравнения Лнувилля- (уравнения непрерывности для! вероятности) [Е11гепс1ог£ег, 1994]. Однако размерность этой задачи для сеток современных моделей столь велика, что не оставляет надежды на возможность применения этого метода даже в обозримом будущем. Поэтому единственным реальным способом получения таких прогнозов остается составление прогностического ансамбля - набора из нескольких модельных прогнозов.

Помимо возможности оценивать вероятность тех или иных погодных явлений (к примеру, сильных осадков), ансамблевый» прогноз, может иметь следующие применения: оценка диапазонов атмосферных величин и прогноз экстремумов («хвосты» распределений величин), прогноз развития отдельных ситуаций, априорная оценка качества детерминистского прогноза (за счет возникающего разброса величин между членами ансамбля). Дополнительным побочным результатом может служить улучшение детерминистского прогноза при помощи среднего прогноза по ансамблю или специально выбранных (при помощи методов статистической* топографии [Кляцкин, 2008]) членов ансамбля.

Вычисление ансамблей прогнозов погоды в оперативном режиме стало возможным лишь в начале 1990-х годов с развитием вычислительной техники достаточной производительности. В настоящее время оперативные глобальные и региональные ансамблевые прогнозы на средние и/или долгие сроки (в том

5) проведены численные эксперименты с разработанной ансамблевой системой и даны предварительные оценки качества прогнозов некоторых величин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• построена и в экспериментальном режиме отлажена ансамблевая система мезомасштабного прогноза погоды, основанная» на оперативной модели COSMO;

• ■ исследована возможность построения прогностических ансамблей- при помощи варьирования вычислительных методов, использующихся для-описания динамики модели.

Практическая- значимость. Построенная система ансамблевого мезомасштабного прогноза предназначена для^ внедрения в оперативную практику Гидрометцентра России. Разработанные методы и алгоритмы позволяют использовать данную систему для« регионов. России, обладающих разными физическими и орографическими особенностями. Важнейшее свойство предложенной системы заключается в ее масштабируемости и способности настроек на меньшие пространственные масштабы, что будет использовано в метеорологическом^обеспечении 0лимпиады-2014 в.Сочи.

Личный вклад автора. Основные методологические результаты получены автором лично. Им были написаны и отлажены программы, составляющие рабочий каркас ансамблевой* прогностической системы и ее верификации. Все численные эксперименты и оценки качества проделаны в основном автором. Им была разработана и реализована на ЭВМ баротропная модель атмосферы, использованная? для оценок вычислительной устойчивости численных схем на сетке базовой модели.

Апробация работы и публикации. Результаты работы представлялись на научной конференции «175 лет Гидрометслужбе России - научные проблемы и пути их решения» с участием НГМС стран СНГ (Москва, ГУ «Гидрометцентр России», 26-27 мая 2009 г.), на конференции молодых ученых, посвященной столетию академика Е. К. Федорова (Москва, Институт прикладной геофизики, им. Е. К. Федорова,. 2009 г.), а также на ежегодной встрече участников международного консорциума COSMO (COSMO General Meeting, Рим, сентябрь 2011 г.). По теме диссертации автор имеет шесть публикаций: в двух сборниках тезисов докладов указанных конференций и в четырех статьях, одна из которых опубликована в издании, включенном в список ВАК России — в журнале «Метеорология и гидрология».

Краткое содержание работы. Содержание: работы, изложено в трех главах. В первой главе. рассматриваются особенности ансамблей;, применяющихся в гидрометеорологии, и.причины, побуждающие использовать ансамблевые прогнозы. Изложен обзора современных методов, построения/ ансамблей и верификации; детерминированных и вероятностных прогнозов; Кроме того, рассматриваются мезомасштабные ансамбли,, разрабатывающиеся на основе модели COSMO в: других странах,, а также изложено краткое; описание* модели: COSMO и ее российского варианта: - модели COSMO-RU, используемых в ней численных методов, физических параметризаций; и способов задания начальных и боковых: граничных условий. Во второй главе излагается общая;: постановка задачи по построению системы, ансамблевого: f прогноза (САП) на основе базовой модели COSMO-RU, выбор метода, построения ансамбля и варьируемых элементов, результаты проведенных автором испытаний ансамблевого прогноза для отдельных случаев (case studies), а также общие технологические характеристики построенной? автором экспериментальной схемы: ансамблевого прогноза. В третьей главе излагаются-результаты, npoBefleHHofîf автором верификации построенной ансамблевой схемы на данных 39 дней, выбранных в различные сезоны 2010-2011 годов. В этой главе также изложены планы дальнейшего развития: САП, в том числе результаты,эксперимента по сравнению различных вычислительных методов на сетке COSMO-RU/14 в. баротропной модели, проведенного с; целью выявлению новых перспективных численных методов для внедрения в базовую модель COSMO-RU. В заключении сведены основные выводы, сделанные в предыдущих главах, подведены итоги исследования и предложены перспективы развития данной работы.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю Г далию Симоновичу Ривину за постановку задачи и плодотворное обсуждение задач численного прогноза погоды, а также сотрудникам Гидрометцентра России, прежде всего Е. Д. Астаховой, А. В. Муравьеву и М. М. Чумакову, за полезные советы и замечания по ходу работы. Также большую помощь оказали работы и личное общение с участниками рабочей группы консорциума COSMO по ансамблевому прогнозированию.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Алферов, Дмитрий Юрьевич

3.7. Выводы

Таким образом, построенная экспериментальная система мезомасштабного негидростатического ансамблевого прогноза обладает следующими свойствами:

• позволяет оценивать неопределенность прогноза и вероятности интересующих событий;

• дает возможность уточнить, детерминированный прогноз при помощи среднего прогноза по ансамблю и прогноза* вероятностей. При этом особо следует отметить, что в некоторых случаях полезным оказалось,варьирование используемой в модели численной схемы, ранее не применявшееся в САП на основе модели COSMO.

Лучше всего построенная система показала себя; в прогнозировании приземной температуры.

Выявлен также ряд проблем:

• в системе возможно наличие • членов, прогноз которых систематически уступает в точности прогнозу остальных членов; прежде всего, аккуратного обращения требует параметр характерного линейного масштаба термических неоднородностей поверхности. Члены, вносящие систематическую ошибку, следует исключить из состава ансамбля;

• ансамбль систематически недооценивает значения полей, связанных с атмосферной влагой, таких, как облачность и осадки. Для улучшения их прогноза, вероятно, следует добавить в ансамбль возмущения параметров, связанных с влажностью и выпадением осадков;

• в целом разброс в ансамбле оказался недостаточным. Это явление обычно для реальных ансамблевых прогнозов, тем не менее, задача увеличения разброса является важной для улучшения качества ансамблевых прогнозов;

• ансамблевый прогноз требует значительно больших вычислительных ресурсов и машинного времени, чем детерминированный (пропорционально числу членов в ансамбле). Поэтому полезным может оказаться специальное «прореживание» ансамбля с целью вычисления лишь тех возмущенных членов, которые вносят полезный вклад в ансамбль.

Сформулированы рекомендации и планы по дальнейшему совершенствованию САП, а именно:

1) повышение разрешения базовой модели для САП;

2) отбор варьируемых элементов по вкладу в ансамбль и соответствию масштабу моделирования;

3) использование варьирования начальных и боковых граничных условий. Исследована также возможность внедрения в базовую модель COSMO новых вычислительных схем для использования в ансамбле или окончательного перехода на ее использование в качестве основной схемы базовой модели. Для этого проанализирована неявная схема, использующая схему расщепления Марчука. Схема показала достаточно высокую эффективность, при этом не порождая краевых вычислительных шумов, что означает возможную полезность ее для модели COSMO.