Прогноз климатических явлений в Центральной Азии

Эффективность системы мониторинга за распространением воздушных загрязнений в значительной степени зависит от возможности прогнозирования состояний атмосферы в региональном масштабе. Совместно с участниками проекта МНТЦ 3715 разработана методика моделирования и прогноза климатических явлений в Центральной Азии с использованием системы WRF (Weather Research and Forecasting Model). Система WRF позволяет достаточно хорошо учитывать региональный рельеф. Для этих целей используются консервативные разностные схемы для аппроксимации нестационарных и адвективных процессов и пространственные решетки, сгущающиеся по мере приближения к земной поверхности. Работа по созданию методики состояла из следующих этапов:

  • Подготовка статических и динамических данных для моделирования.
  • Выбор схем параметризации и проведение вычислительных экспериментов.
  • Обработка и интерпретация результатов.

На первом этапе были определены границы и размерность сетки региональной модели, а также уточнены природно-климатические и ландшафтные характеристики исследуемого района, такие как категории почв и характер землепользования; среднегодовые температуры на поверхности земли; сезонные изменения растительного и снежно-ледового покрова; рельеф поверхности и т.д.

Подготовка и обработка динамических данных включает в себя извлечение метеорологических полей от GRIB-файлов глобальных климатических моделей и интерполяцию полученных значений на узлах региональной сетки. Для вычисления начальных и граничных условий использовались результаты глобального прогноза погоды из Национального центра охраны окружающей среды США(NCEP - http://www.ncep.noaa.gov). В отличие от статической информации, которая готовится однократно, динамические данные необходимо обновлять для каждого прогнозного цикла. Подготовка еженедельного прогноза погоды для Центрально-Азиатского региона требует приблизительно 100 МБ данных, которые могут быть получены с сервера NCEP (http://nomads6.ncdc.noaa.gov). Для автоматизации подготовки динамических данных были разработаны специальные программные скрипты, в значительной степени упростившие процесс отбора и закачки требуемых файлов с FTP-сервера NCEP.

Система WRF кроме динамических и термодинамических процессов, явно разрешаемых на конечно-разностной сетке, дает возможность учитывать процессы с характерными размерами, меньшими шага сетки. Учет подобных процессов осуществляется при помощи схем параметризации, отличительной чертой которых является приближенность и подгоночный характер. WRF обеспечивает значительное количество схем параметризации, которые могут быть объединены в любом виде для учета потоков длинноволновой и коротковолновой радиации в атмосфере, вычисления температуры подстилающей поверхности, представления параметров планетарного граничного слоя, микрофизики влаги и т.п.

Для выбора наиболее эффективных схем параметризации была осуществлена серия вычислительных экспериментов, в течение которой рассчитывались серии прогнозов для Центрально-Азиатского региона в целом и отдельно для территории Кыргызстана. Результаты расчетов сопоставлялись с данными метеонаблюдений различных метеорологических сайтов. По итогам сравнительного анализа в качестве наиболее предпочтительных были выбраны следующие схемы параметризации:

  • Для параметризации микрофизики влаги - шестиклассовую схему WSM, позволяющую эффективно учитывать процессы со снегом и льдом для мезомасштабных сеток.
  • Для параметризации коротковолнового излучения в атмосфере – схему Дадия, позволяющую на основе простого интегрирования вести расчет поглощения и рассеивания для облачного и безоблачного неба.
  • Для описания потоков длинноволновой радиации - схему RRTM, являющейся точной схемой, использующей для эффективности расчетов таблицы поиска.
  • Для расчета температуры и влажности подстилающей поверхности - схему поверхности земли RUC, учитывающей многоуровневый снег и физику замороженной почвы.
  • Для представления параметров планетарного пограничного слоя - схему Меллора–Ямада–Джанича, являющейся одномерной прогностической схемой турбулентной кинетической энергии с локальным вертикальным смешением.

Достаточно близкое совпадение полученных прогнозов с реальной картиной суточных изменений температуры, атмосферного давления и количества осадков позволило сделать вывод о приемлемом соответствии выбранных схем параметризации для территории Кыргызстана, которая является очень сложной для моделирования атмосферных процессов из-за сильно пересеченного горного рельефа.

В процессе моделирования система WRF генерирует большое количество разнообразной метеорологической информации. Например, размеры выходных файлов еженедельного прогноза погоды для Средне-Азиатского региона превышают четыре гигабайта. Эффективная обработка таких объемов данных является самостоятельной и достаточно трудной задачей. Для этих целей был разработан набор специальных программ, которые позволяют извлекать требуемые наборы расчетных параметров из выходных файлов системы WRF и представлять результаты моделирования в простом и наглядном виде. Программы обработки и визуализации написаны с использованием языка NCL и графической библиотеки NCAR Graphics.

Выполненный комплекс работ позволил повысить достоверность прогноза скоростей ветра, температур, влажностей и давлений над Центрально-Азиатским регионом. Точность расчета указанных параметров играет решающую роль при последующем моделировании процессов трансконтинентального переноса воздушных загрязнений.

Video file

Поля давлений над Центрально-Азиатским регионом

Video file