Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза



Скачать 403.2 Kb.
страница1/2
Дата04.03.2013
Размер403.2 Kb.
ТипДокументы
  1   2
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза
Вступление
Основной практической целью глобального гидродинамического прогноза погоды является получение расчетной информации о развитии атмосферных процессов над крупными территориями (полушарием) на несколько суток вперед для дальнейшей синоптической и статистической интерпретации. Помимо этого, с успешным развитием мезомасштабного моделирования, глобальный численный прогноз стал поставщиком граничных условий для моделей с более высокой пространственной детализацией по ограниченным территориям, вырабатывающих прогнозы на меньшие сроки. Глобальные модели являются прогностическими блоками глобальных систем усвоения данных метеорологических наблюдений, необходимых для выработки полей первого приближения для этих систем. Прогностическая информация на нижней границе атмосферы является необходимой составляющей для получения информации для систем прогноза и анализа деятельного слоя океана. Таким образом, функционирование и развитие глобальных численных моделей является залогом успешного функционирования всего технологического комплекса численного прогнозирования крупных прогностических центров.

Следует отметить, что для таких территориально протяженных стран, как Россия, именно глобальный численный прогноз может быть основой всей методологии составления краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды для страны, прилегающих акваторий и воздушного пространства.

В Гидрометцентре России с конца 80-х годов оперативно функционирует спектральная модель атмосферы (до 1998 г. – полушарная) с изменяющимися конфигурациями пространственного разрешения. (С 2008 г. – в версии Т169L31). Прототипом данной прогностической системы послужила спектральная модель общей циркуляции атмосферы Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП).

В настоящее время оперативная технология глобального прогноза, основанная на спектральной модели атмосферы, обеспечивает отечественной прогностической информацией все территориальные управления по гидрометеорологии Росгидромета, является ядром функционирующей в Гидрометцентре России Системы усвоения данных о состоянии атмосферы. Помимо этого, глобальная спектральная модель предоставляет граничные условия для региональной модели атмосферы. На базе данной глобальной модели в Гидрометцентре России создана система кратко- и среднесрочного ансамблевого прогноза, на одной из версий спектральной модели построена система долгосрочного (на месяц) ансамблевого прогнозирования Гидрометцентра России. Имеется целый ряд дополнительных приложений выходной продукции глобальной спектральной модели атмосферы.

В данной лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Ознакомление с математической основой и с алгоритмами глобальной спектральной модели, функционирующей в Гидрометцентре России.

2.
Ознакомление со структурой и основными компонентами программного комплекса «Спектральная модель».

3. Прогностические технологии, базирующиеся на глобальном моделировании Гидрометцентра России.

4. Текущие задачи развития глобальной прогностической технологии.

В лекции использовались материалы отчетов и публикаций Лаборатории Глобальных Среднесрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России.
1. Краткое изложение математической основы глобальной спектральной модели Гидрометцентра России.
Для реализации модели атмосферной циркуляции требуется: формулирование математической модели задачи, разработка алгоритма ее решения и его программная реализацию с учетом особенностей архитектуры используемой вычислительной системы.

1.1.Основные положения математической модели.

Полное описание уравнений глобальной спектральной модели атмосферы приводится в [ 8 ]. Остановимся лишь на основных положениях.

Базовая спектральная модель атмосферы основана на системе уравнений гидротермодинамики бароклинной атмосферы. Система уравнений состоит из уравнений движения, гидростатики, неразрывности, притока тепла, переноса влаги, диагностических соотношений для вертикальной составляющей скорости ветра. Для определения входящих в правые части уравнений источников тепла и влаги, (явно моделью не разрешаемых в силу своих пространственных масштабов) используется совокупность физических параметризаций подсеточных процессов: переноса радиации, конвекции, турбулентности, осадкообразования, процессов на подстилающей поверхности.

Для удобства спектрального представления уравнения движения для скорости преобразуются в уравнения для вихря и дивергенции.

Вертикальная область 0≤ σ ≤ 1 разбивается на N слоев (в оперативной конфигурации 2006 г. N=32) , разделенных N-1 уровнями с фиксированными значениями σ на них (σ = отношение Р к Рs , где Рs – атмосферное давление у земной поверхности, Р- давление на σ – уровне).

Основные переменные модели (температура, горизонтальные составляющие скорости ветра, отношение смеси), определяются для слоев и, таки образом, вычисляемые значения приписываются к значениям промежуточных σ°, которые идентифицируются полу- целыми индексами σ. Использование сигма-координаты позволяет учесть влияние орографии в модели и обойти трудности, связанные с формулировкой нижнего граничного условия.

Таким образом, область, в которой ищутся решения уравнений модели общей циркуляции атмосферы, ограничивается подстилающей поверхностью (суши или океана), и верхней границей со значением верхнего счетного σ° – полуцелого индекса σ (1/2) (верхнего счетного уровня модели атмосферы). В существующей оперативной версии модели атмосферы σ° = 0.1, что над акваториями соответствует приблизительно 10 гПа. с учетом выполнения условия равенства нулю вертикальной скорости для σ = 0 и σ = 1.

Искомыми переменными, вычисляемыми на каждом временном шаге, служат горизонтальные компоненты вектора скорости движения u = (u, v), дивергенция, вихрь скорости ветра, температура воздуха T, отношение смеси влажного воздуха q, приземное давление Ps, температура подстилающей поверхности увлажненность верхнего слоя почвы , толщина снежного покрова . Помимо этого, на каждом временном шаге вычисляются суммы выпавших осадков (конвективных и крупномасштабных), компоненты теплового баланса подстилающей поверхности, компоненты радиационного баланса подстилающей поверхности, напряжение приземного трения, притоки радиационного тепла к слоям атмосферы.

Независимые переменные: время t и координаты ( , , σ ) в сферической системе отсчета.

Для решения приведенных выше уравнений используются следующие граничные условия:

Для вертикальной скорости ставится условие равенства нулю вертикальной скорости для σ = 0 и σ = 1.

Для прогностических переменных – температуры, влажности, составляющих скорости ветра – отсутствия потоков, обусловленных действием факторов «подсеточной физики» выше верхнего счетного уровня.

Нижняя граница области интегрирования определяется как поверхность океана над акваториями и как граница деятельного слоя почвы над участками суши. При этом для границы атмосфера-океан нет никаких ограничений по потокам, обусловленным составляющими радиационного баланса подстилающей поверхности и турбулентными движениями в приводном слое; в случае раздела атмосфера-суша решаются уравнения для температуры и влажности деятельного слоя. В результате для каждого шага по времени вычисляются новые значения температуры и влажности Ws деятельного поверхностного слоя суши, модулирующие на следующем шаге по времени значения составляющих теплового и длинноволнового радиационного балансов. При этом величина потока из деятельного во внутренний слой почвы определяется заданием постоянных для данной ячейки значений его температуры и влагосодержания.

Для вертикальной скорости начальное условие не требуется, так как она находится из уравнения неразрывности, не содержащего производных по времени.

Помимо главного модуля, в технологии «Спектральная модель» присутствуют 2 обязательных модуля – пре – и пост- процессинг, основными задачами которых является подготовка стартового набора для модели атмосферы на расчетной сетке (препроцессинг) и, соответственно, информации для пользователей на регулярных широтно-долготных сетках и изобарической системе вертикальных координат, а также – вычисления ряда диагностических характеристик.
1.2. Используемые алгоритмы.

1.2.1. Описание метода решения уравнений модели атмосферы.

Для интегрирования уравнений модели используется так называемый спектрально-сеточный подход. Он заключается в следующем.

Все основные переменные и геопотенциал земной поверхности представляется в виде усеченных рядов Фурье с использованием присоединенных полиномов Лежандра первого рода. Используется треугольное усечение по 169 сферическим гармоникам. Для вычисления временных тенденций спектральных коэффициентов используется метод спектральных преобразований, заключающийся во введении сетки, покрывающей сферу, в одних и тех же узлах которой вычисляются значения всех искомых функций, а также – производные по горизонтальным координатам от температуры, влажности воздуха, вихря, дивергенции, логарифма приземного давления. По этим данным рассчитываются в узлах сетки подынтегральные нелинейные выражения, после чего находятся тенденции спектральных коэффициентов. Вычислительная сетка выбирается так, чтобы обеспечить в пределах ошибок усечения рядов точный вклад в тенденции спектральных коэффициентов от квадратично-нелинейных слагаемых.

Таким образом, при решении полученных уравнений часть вычислений проводится в спектральном пространстве (т.е., со спектральными коэффициентами), а часть, включая вычисление нелинейных динамических слагаемых основных прогностических уравнений и эффектов физических процессов подсеточного масштаба, — в сеточном пространстве (в узлах сетки). При переходе из спектрального пространства в сеточное выполняются некоторые расчеты в пространстве образов Фурье (с коэффициентами Фурье).

Модель параметрическим образом учитывает важнейшие процессы подсеточного масштаба: радиационно-облачное взаимодействие, процессы в пограничном слое атмосферы, проникающую конвекцию, крупномасштабную конденсацию, процессы на поверхности суши. Мелкомасштабные процессы горизонтальной турбулентности учтены с помощью диффузионной линейной схемы четвертого порядка.

П
о времени применяется полунеявная схема интегрирования. Структура временного шага модели условно изображена на рис. 1. На рисунке буквы G или S показывают, что на данном этапе вычисления проводятся в сеточном или спектральном пространстве. Запись GS (или SG) означают, что в этом месте осуществляется переход из сеточного пространства в спектральное (или наоборот). На каждом временном шаге производятся расчеты для трех моментов времени, что показано индексами t-1, t, t+1.
Рис.1. Схема шага по времени алгоритма интегрирования уравнений модели атмосферы
Программное обеспечение модели написано на Фортране. В целом, это 128 программ или около 20 000 строк.

На каждом временном шаге выполняется два сканирования по широтам, реализованные в подпрограммах SCAN1 и SCAN2. Расчеты выполняются последовательно для всех кругов широты; при этом сначала рассматривается самая северная широта, затем самая южная, затем следующая северная и следующая южная и т.д. до экватора.
1.2.2. Описание функционирования модели:

А. Блок инициализации по нормальным модам.

Блок инициализации выполняет начальное согласование полей ветра и геопотенциала путем фильтрации ложных гравитационных мод, возникающих из-за несогласованности различных видов информации в стартовых полях. Используется алгоритм нелинейной инициализации по нормальным модам. Применяется релаксационная итерационная схема. В течение каждой итерации производится аналог шага по времени модели атмосферы (в текущей версии – только динамического блока, возможно включение полной версии модели атмосферы). Количество итераций определяется в файле внешних настроек. В работающей в настоящее время версии оперативной технологии используется 5 итераций. Блок использует внешние файлы, содержащие собственные вектора нормальных мод модели атмосферы, значения которых рассчитаны для конкретной конфигурации модели атмосферы.

Модель может работать как с включением, так и без включения данного блока. Необходимость включения блока инициализации определяется соответствующим параметром в файле внешней настройки INILST, где также задаются некоторые параметры схемы инициализации.
Б. Блок вычислений в сеточном пространстве

После окончания работы блока инициализации, начинается непосредственное интегрирование модели атмосферы по времени. При выполнении шага по времени, сначала проводятся вычисления эффектов физических процессов подсеточного масштаба на гауссовой сетке. Расчеты выполняются последовательно для всех кругов широты; при этом сначала рассматривается самая северная широта, затем самая южная, затем следующая северная и следующая южная и т.д. до экватора. Затем в том же цикле по широтам проводятся вычисления нелинейных динамических слагаемых и рассчитываются спектральные коэффициенты для основных переменных модели и некоторых дополнительных характеристик (описание блока перехода из сеточного в спектральное пространство см. ниже).
В. Блок совокупности параметризаций «подсеточных» процессов

Так называемый блок «физики» вызывается на каждом временном шаге. Вызов осуществляется в циклах по широтам, для каждой широты модели атмосферы. Внутри каждой программы выполняются вычисления для всех точек на круге широты в вертикальных столбах атмосферы независимо для каждого столба. Блок «физики» состоит из нескольких последовательных «подблоков», вызываемых также на каждом временном шаге (кроме радиационного блока, частота вызова которого определяется в файле настроек SDSLST). Каждый из подблоков вычисляет тенденции значений температуры, горизонтальных компонент скорости ветра, влажности воздуха. Таким образом, после работы очередного подблока значения переменных подправляются за счет действия факторов, описываемых данным блоком. Достаточно подробное изложение алгоритмов приводится в [8]. Остановимся лишь на кратком описании основных положений.

В1. Радиационный подблок

Радиационный подблок объединяет расчеты переноса длинноволнового и коротковолнового излучения в толще атмосферы при наличии облачности. Выполнение полного цикла радиационных вычислений требует значительных затрат машинного времени, поэтому, как правило, в оперативных технологиях используют алгоритмы, позволяющие «прореживать» во времени ряд вычислений. Так, в настоящей версии расчеты радиационно-облачного взаимодействия могут выполняться в режиме «без суточного хода радиации», когда во всех точках широтного круга используется зонально-осредненный зенитный угол Солнца и радиационный блок включается, например, раз в сутки, и в режиме «с приближенным учетом суточного хода», когда полные радиационные вычисления проводятся несколько раз в сутки, а на каждом шаге потоки коротковолновой радиации и радиационные притоки тепла пересчитываются по упрощенным формулам с учетом текущего значения зенитного угла Солнца [2]. В работающей в настоящее время технологии полные циклы расчетов выполняются 2 раза в сутки и включен режим приближенного учета суточного хода. Выбор режима и частота включений полного радиационного блока определяются соответствующими параметрами в файле внешней настройки SDSLST. Основным результатом работы является приращение значений температуры в ячейках атмосферы за счет радиационных притоков и компоненты радиационного баланса на поверхности земли, используемые для последующих вычислений термического состояния подстилающей поверхности
В.2. Подблок конвекции

Подблок конвекции вычисляет изменение температуры и влажности в ячейках атмосферы за счет параметризованных вертикальных конвективных движений, за счет конденсации влаги в случае достижения состояния насыщения и испарения выпадающих осадков. Помимо этого, вычисляются суммы осадков конвективной природы, приращения влажности почвы и высоты снежного покрова за счет поступления конвективных осадков на подстилающую поверхность.

Для расчетов используется алгоритм проникающей конвекции КУО-74 [8], несколько модифицированный при создании версий модели с повышенным пространственным разрешением.
В3. Подблок вертикальной диффузии

Подблок вертикальной диффузии производит вычисления приращений температуры, влажности, горизонтальных компонент скорости ветра за счет вертикального турбулентного, а также осуществляет расчет значений турбулентных потоков тепла и влаги на поверхности земли, используемых для последующих вычислений характеристик подстилающей поверхности. Блок состоит из 4-х подпрограмм: определения констант и параметров и подпрограмм расчета тенденций температуры, влажности и горизонтальных компонент скорости ветра. Для приземного слоя атмосферы используются соотношения теории подобия Монина – Обухова, для пограничного слоя и свободной атмосферы - параметризация Льюиса [8].
В.4. Подблок крупномасштабной конденсации

Подблок крупномасштабной конденсации производит вычисления приращений значений температуры и влажности за счет конденсации влаги и испарения осадков при их выпадении. Начало конденсации определяется при достижении в ячейке влажности насыщения, начало выпадения осадков – при соблюдении дополнительных условий (схема Кеслера). Помимо этого, выполняются вычисления приращения влажности почвы и высоты снежного покрова за счет достигших подстилающую поверхность осадков. Подблок состоит из 2-х подпрограмм – расчет констант и параметров и собственно программы моделирования процессов крупномасштабной конденсации.
В.5. Подблок расчетов на подстилающей поверхности

Подблок производит расчеты характеристик термо-влажностного состояния подстилающей поверхности (только материковых участков). В течение всего периода прогноза температура морской поверхности остается неизменной. Блок выполняет определение значений температуры и влажности деятельного слоя суши, а также – водного эквивалента снежного покрова (при его наличии). Вычисления производятся путем решения уравнения эволюции во времени температуры деятельного слоя суши как результат действия всех компонент теплового баланса земной поверхности. Для влажности почвы изменения за счет выпадения осадков производятся в блоках конвекции и крупномасштабной конденсации, в блоке расчетов процессов на подстилающей поверхности производятся вычисления только изменений влажности почвы за счет таяния снега, и испарения влаги, перетекания влаги в нижележащий

Используется неявная схема интегрирования по времени. Подблок состоит из 2-х подпрограмм - вычисление констант и параметров и собственно программы вычислений характеристик подстилающей поверхности.
Г. Блок вычислений в спектральном пространстве

Вторая часть вычислений на временном шаге модели осуществляется в пространстве спектральных коэффициентов. На этом этапе решается уравнение Гельмгольца и вычисляется полунеявная части временных тенденций(п./п. TSTEP).

Далее учитывается вклад горизонтальной турбулентной диффузии. Необходимость введения данной процедуры связана с тем, что при интегрировании по времени может происходить перенос энергии по спектру в сторону высокочастотных колебаний и неправдоподобное возрастание амплитуд коротких волн вблизи границы спектрального усечения (эффект спектрального блокирования). Для этого в уравнения вносятся диффузионные члены, препятствующие паразитарному росту амплитуд высокочастотных гармоник.

После этого осуществляется переход в сеточное пространство

Д. Блоки перехода из спектрального пространства в сеточное и обратно

На каждом временном шаге модели приходится переходить от сеточных значений к значениям спектральных коэффициентов путем использования прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ) и прямого и обратного преобразования Лежандра. Соответствующие блоки перехода могут использовать либо программу БПФ, разработанную в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), либо программу БПФ из математической библиотеки, имеющейся на ЭВМ. В настоящей оперативной технологии используется программа БПФ Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды.

После перехода в сеточное пространство (все переменные представлены в узлах широтно-долготной сетки, учет всех влияющих факторов произведен), завершается шаг по времени. Перед переходом на очередной шаг по времени производится формирование результирующего выходного массива, включающего все результаты вычислений на данном временном шаге. В случае, если номер выполненного шага совпадает с указанным во внешнем потоке одним из номеров, для которых необходим вывод результатов для обработки и представления для пользователей, формируется и записывается «History» - файл, содержащий результаты вычислений.
  1   2

Похожие:

Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconОсобенности реализации новой версии спектральной модели Гидрометцентра России
Т85L31 и технологии выпуска глобальных кратко- и среднесрочных гидродинамических прогнозов
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconМетодика среднесрочного ледового прогноза для Печорского моря на основе численной динамико-термодинамической модели
Арктическом и антарктическом нии (аании) в период 1997-1999 гг была разработана методика численного ледового прогноза для Печорского...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconАнализ и прогноз краткосрочных показателй экономической динамики
В этом состоит главное отличие краткосрочного прогноза от среднесрочного прогноза, результаты которого публикуются раз в квартал...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconАнализ и прогноз краткосрочных показателей экономической динамики
В этом состоит главное отличие краткосрочного прогноза от среднесрочного прогноза, результаты которого публикуются раз в квартал...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconОперативная технология прогноза ветра и волнения для дальневосточных морей россии

Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconМетод прогноза минимальной и максимальной температуры воздуха по Москве и Московской области с заблаговременностью 1-5 суток на основе статистической интерпретации гидродинамических моделей атмосферы и результаты оперативных испытаний
Гидрометцентре России (автор П. П. Васильев), основан на реализации программно-технологического комплекса адаптивной статистической...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconЭкзаменационные требования по дисциплине «Электротехнологии»
...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconЕ. Д. Астахова Исследовательская технология численного среднесрочного прогноза погоды в Гидрометцентре России
Гвц росгидромета супер-эвм cray y-mp8E с быстродействием более 2 тыс. Мегафлоп (1 Мегафлоп = 1 млн операций с плавающей точкой в...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconВ. Ззолин о разработке гидродинамико-статистического прогноза сильных ливневых осадков в Индийском муссоне
Гидрометцентра России (автор Беркович Л. В.). Проводилась архивация значений полей объективного анализа (автор Багров А. Н.), взятых...
Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза iconО результатах испытания методов прогнозов метеорологических полей геопотенциала, ветра, температуры воздуха и метода прогноза осадков
Дальневосточном угмс проводились испытания разработанной в отделе краткосрочных прогнозов Гидрометцентра России (автор В. М. Лосев)...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org