Численный прогноз опасных явлений погоды по северу Приморского края

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6

УДК 551.509.5

Л.В.ГОНЧУКОВ, Б.Е.ЛАМАШ

Численный прогноз опасных явлений погоды по северу Приморского края

Рассматривается применение численной мезомасштабной модели WRF-ARWдля прогнозирования опасных явлений на территории Приморского края. В качестве примера выбраны случаи очень сильных осадков в районе пос. Терней в январе и июне 2009 г. Модель довольно точно воспроизвела суммы выпавших осадков, которые и послужили причиной возникновения опасных явлений. Все воспроизведенные атмосферные процессы (смена направлений ветра, прохождение фронтов, адвекция тепла) наблюдались в действительности с некоторыми отклонениями по времени. Использование модели в оперативной практике позволило бы заблаговременно выпустить штормовые оповещения о возможном опасном явлении

Ключевые слова: модель WRF-ARW, опасные явления погоды, численный прогноз погоды.

The numerical forecast of the dangerous weather phenomena on the north of the Primorye Territory.

L.V.GONCHUKOV (Primgydromet, Vladivostok), B.E.LAMASH (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

Application of numerical mesoscale model WRF-ARW for forecasting of the dangerous phenomena for territories of the Primorye Territory is considered. As an example cases of very strong precipitations around the Ternej village in January and June, 2009 are chosen. The model has precisely enough reproduced the sums of precipitations which have been the reason for occurrence of the dangerous phenomena. All reproduced atmospheric processes (change of wind directions, frontal passage, heat advection) were observed actually with some deviations in time. Model use in operative practice wouldenable to make beforehand storm notifications about the possible dangerous phenomenon.

Key words: WRF-ARW model, dangerous weather phenomenas, numerical weather forecast.

14-16 октября 2009 г. в Санкт-Петербурге прошел VI Всероссийский метеорологический съезд, на котором было отмечено, что парниковый эффект, обусловленный увеличением индустриальных выбросов в атмосферу, определенно ведет к повышению ее средней температуры.

Побочным эффектом глобального потепления является растущая энергетика атмосферных процессов, что ведет к увеличению количества аномальных природных явлений и делает актуальным их предсказание. Достижения в физическом понимании процессов, происходящих в атмосфере, рост производительности вычислительных систем, улучшение скорости сбора и качества наблюдений, отмечающиеся в последнее десятилетие, в слабой степени касались процесса подготовки прогнозов в сетевых подразделениях Росгидромета. Так, до недавнего времени в Приморском управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС) синоптики могли получать результаты расчета глобальных моделей в формате GRIB от прогностических центров Брекнелл, Рединг, Вашингтон, Москва и факсимильные карты от Японской метеорологической администрации. Данные в формате GRIB поступали в разрешении 2,5 град, что не позволяло использовать их для прогнозирования погодных условий в малых масштабах.

ГОНЧУКОВ Леонид Витальевич - заведующий отделом (Примгидромет, Владивосток), ЛАМАШ Борис Евгеньевич - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail : lamash@meteo.dvgu.ru

Глобальные модели атмосферы даже при высоком пространственно-временном разрешении в настоящий момент не учитывают все локальные особенности территорий, по которым составляется прогноз. Мировые метеорологические центры не обладают полным набором данных, имеющихся у региональных служб, которые могут привлекать дополнительные автоматические комплексы зондирования и наблюдения. В то же время региональные метеослужбы имеют гораздо больше информации о географических особенностях обслуживаемых ими регионов. Тем не менее применение в повседневной практике мезомасштабных моделей, например MM5 (Mesoscale Model, version 5) и WRF (Weather Reseach and Forecasting), позволяющих более точно воспроизводить процессы в мелких масштабах, является необходимым для прогнозирования явлений, связанных со свободной и вынужденной конвекцией, гравитационными волнами и т.п.

Применение моделей MM5 и WRF позволяет создавать достаточно точные прогнозы с оправдываемостью 70-90% в зависимости от метеоэлемента [1, 3]. В то же время выходные данные расчетов модели могут успешно применяться при прогнозировании природных чрезвычайных ситуаций различного характера (сильный ветер, ливневые осадки и пр.) [4].

В одном из основных принятых на метеорологическом съезде документов («Стратегии деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях на период до 2030 г. (с учетом аспектов изменения климата)») определены задачи по наращиванию вычислительных мощностей суперкомпьютеров в целях достижения следующих разрешений горизонтальных сеток: 5 км - для глобальной модели атмосферы и 1 км - для региональной.

В конце 2008 г. в сетевые подразделения Росгидромета (в том числе в Примгидромет) поступили высокопроизводительные вычислительные системы, что предоставило возможность использования численных мезомасштабных моделей с высоким пространственно-временным разрешением и более точной привязкой к местным географо-геофи-зическим условиям. В качестве примера такого использования модели WRF-ARW [8] для прогнозирования неблагоприятных и опасных явлений на территории Приморского края рассмотрим случаи экстремальных осадков в районе пос. Терней в январе и июне 2009 г.

Модель WRF - численная мезомасштабная система прогнозирования погоды следующего поколения (после MM5, созданной в 1971 г.), разработанная как для оперативного прогнозирования, так и для исследовательских целей [2]. Ее отличительными чертами являются несколько динамических ядер, трехмерная система усвоения данных и программная архитектура, нацеленная на параллельность вычислений и расширяемость системы. WRF может использоваться в широком спектре приложений на масштабах от нескольких метров до тысяч километров. В модели WRF численно решается полная система уравнений гидротермодинамики атмосферы, которая включает в себя уравнения неразрывности, переноса импульса (с учетом эффектов сжимаемости и негидростатичности), переноса влаги и внутренней энергии. Для модели предлагается библиотека различных параметризаций процессов в пограничном слое атмосферы, формирования облачности и осадков, явлений конвекции и турбулентности. В модели реализованы возможности создавать вложенные вычислительные области и использовать алгоритмы усвоения данных наблюдений. В WRF находит применение о-система вертикальных координат, которая позволяет описывать сложный рельеф, и сетка Аракавы C-типа по горизонтали (т.е. объемная ячейка задается прямоугольным параллелепипедом; все скалярные величины задаются в его центре, а компоненты векторов в центрах соответствующих граней). При интегрировании уравнений гидродинамики используется расщепление по направлениям (в горизонтальных направлениях применяется явная схема, а при вычислении вертикальных потоков и скоростей - неявная) и по физическим процессам. WRF является региональной моделью, поэтому для ее инициализации и задания граничных условий необходимы результаты

расчетов глобальной модели численного прогноза погоды. Цикл работы модели WRF состоит из подготовки данных, включая их горизонтальную и вертикальную интерполяцию на сетку модели, улучшение интерполированных данных с помощью включения наблюдений метеостанций и радиозондов и численное интегрирование.

Покажем работу модели WRF на настоящем этапе ее развития на примере двух опасных явлений погоды, имевших место в 2009 г. в Тернейском районе, расположенном на северо-востоке Приморского края (9-12 января - сильный снегопад, метель;

10-13 июня - сильный дождь).

При нашем моделировании расчет проводился по двум областям с более крупной и более мелкой сетками, причем одна вложена в другую (см. рисунок). Горизонтальное разрешение сетки внешней области - 9 км, внутренней - 3 км. Для обеих областей расчет велся на 27 вертикальных уровнях. Для решения задачи метеорологического прогноза система уравнений гидротермодинамики атмосферы должна быть дополнена начальными и граничными условиями. В качестве начальных условий задаются трехмерные распределения полей температуры, давления, влажности и компонент скорости. В качестве граничных условий должны задаваться значения температуры, влажности и компонент скорости на боковых и верхней границах области, а также значения потоков тепла, влаги и импульса на нижней границе области, прилегающей к поверхности Земли. В нашем случае для этих целей используются данные оперативных прогнозов Национального центра прогнозирования атмосферы NCEP (США). Прогностические поля модели NCEP сроком на 120 ч прогнозного времени определяют начальные и граничные условия для метеорологических переменных. Граничные условия на нижней границе зависят от свойств подстилающей поверхности. Для ее описания используются следующие характеристики: высота поверхности над уровнем моря, категория подстилающей поверхности в соответствии с классификацией Геологической службы США (USGS) (например, лес, водная поверхность и т.д.), типы растительности и почвы, средняя сезонная температура, среднемесячное альбедо. Соответствующие данные брались с сайта USGS.

Описание ситуации 9-12 января 2009 г.

Малоподвижный циклон, смещающийся вдоль восточного побережья Приморья, повсеместно вызвал усиление ветра и осадки в виде снега. Метеостанция «Терней» (синоптический индекс 31909) 9 января в 13 ч 26 мин зафиксировала начало осадков в виде снега. В 14 ч 1 мин при слабом снеге произошло ухудшение горизонтальной видимости до 4 км. К 19 ч выпало 0,6 мм осадков. В 20 ч 47 мин снег усилился до умеренного, видимость упала до 2 км и началась метель. К 07 ч 00 мин 10 января выпало еще 30,9 мм, что уже превысило критерии опасного явления (более 20 мм за 12 ч и менее). Высота снежного покрова составила 37 см. В последующие 12 ч при западном ветре, иногда порывами достигающего значений 14 м/с, продолжался сильный снег (с 17 ч 50 мин умеренный), количество выпавших осадков составило 93 мм. К 4 ч 11 января ветер сменил направление на восточное и начал усиливаться, что вызвало повышение температуры на 10°C - до -1,1°С. К 7 ч выпало еще 23 мм осадков, а высота снежного покрова составила 121 см. В дальнейшем ветер продолжал сохранять восточное направление, порывами достигая скорости в 21 м/с. При этом сохранялся умеренный снег, а с 13 ч он опять усилился. К 19 ч

Конфигурация областей прогнозирования

выпало еще 15 мм. Примерно с 4 ч 12 января снег стал утихать, видимость улучшаться. К 7 ч при тех же условиях выпал 21 мм осадков, а глубина снежного покрова составила 130 см. Ветер сменил направление на северное, температура воздуха стала понижаться.

Таким образом, с 13 ч 26 мин 9 января до 7 ч 12 января выпало 183,6 мм осадков. Наибольшая интенсивность наблюдалась 10 января с 7 по 19 ч, когда выпало 93 мм осадков. Максимальные порывы восточного ветра наблюдались с 4 ч 30 мин до 14 ч 11 января.

Описание ситуации 10-13 июня 2009 г.

Днем 10 июня при слабом юго-восточном ветре в районе метеостанции наблюдался туман с моросью. К 14 ч морось перешла в умеренный непрерывный дождь, ветер оставался без изменений. К 20 ч выпало 6 мм осадков, дневная температура составила 9—10°С. В 23 ч пошел сильный дождь. К 8 ч 11 июня выпало уже 59 мм осадков, что превысило уровень опасного явления (более 50 мм за 12 ч и менее). Днем продолжился сильный дождь, температура оставалась в пределах 10—12°С, слабый ветер переменных направлений порывами достигал 12 м/с. К 20 ч количество выпавших осадков составило 101 мм. Затем интенсивность дождя упала, и за ночь 12 июня выпало еще 25 мм осадков. Температура колебалась в диапазоне 9-11°С. Днем 12-го, а также ночью и днем 13 июня сохранялись осадки интенсивностью 6-7 мм за 12 ч. Температура и ветер существенно не изменялись. Вечером 12-го и днем 13 июня отмечались отдельные порывы ветра скоростью 12-13 м/с.

Таким образом, максимальные осадки наблюдались с 02 ч 00 мин 11 июня до 17 ч 00 мин 12 июня. Температура сильно не изменялась и оставалась в пределах 8-12°С. Слабый ветер переменных направлений порывами достигал уровня 12-13 м/с.

По данным МЧС, 11.06.09 г. в связи с прохождением циклона, сопровождающегося большим количеством осадков, в реках Серебрянка и Вилка Тернейского района Приморского края произошел резкий подъем уровня воды [6]. В результате разлива рек в пос. Терней был поврежден мост по ул. Тополиная аллея, подмыт мост по ул. Партизанская. Также оказались затоплены подъездные пути к жилым домам по нескольким улицам поселка, расположенным в низинной части местности. До уровня фундамента подтоплены 24 частных дома, в которых проживает 72 человека. Из-за подмыва речными водами повреждены 3 опоры линии электропередач. В результате этого обесточены 18 жилых домов частного сектора.

Результаты моделирования

9-12 января 2009 г.

Случай января 2009 г. смоделирован по данным реанализа, предоставляемого центром NCEP с 8 по 14 января 2009 г. [7]. При моделировании использовали следующие настройки модели WRF-ARW:

микрофизика - для внешней области схема WRF Single-Moment 3-class, для внутренней - WRF Single-Moment 5-class;

длинноволновая радиация - RRTM-схема для обеих областей; коротковолновая радиация - схема Дадхайи (Dudhia) также для обех областей; поверхностный слой - схема Плайма-Сю (Pleim-Xiu);

поверхность земли - схема теплообмена между 5 слоями (5-layer thermal diffusion); приграничный слой - модель асимметричной конвекции (ACM2 PBL); параметризация кучевой облачности - трехмерная ансамблевая схема Грелла.

При горизонтальном шаге сетки внешней области в 9 км шаг интегрирования по времени At установлен в 60 с. Расчет на 168 ч занял около 4 ч.

Начало снегопада (выпадение первых 0,1 мм) модель зафиксировала с 15 до 16 ч 9 января, а к 19 ч их сумма составила 0,42 мм, ветер преимущественно северного направления начал усиливаться, и к 19 ч среднее значение достигло 9 м/с. На протяжении

следующих 12 ч интенсивность осадков увеличилась, скорость ветра продолжала возрастать. Температура сильно не изменялась и колебалась в диапазоне -10...-12°С. К 7 ч 10 января модель воспроизвела выпадение еще 23 мм осадков. В последующие 12 ч моделью рассчитывалась смена направления ветра, сопровождаемая кратковременным затишьем. Смена направления влекла за собой адвекцию теплого воздуха и повышение температуры до -2...-1°С. В этот период (с 7 до 19 ч 10 января) должно было выпасть наибольшее количество осадков - 60 мм, причем в отдельные часы предполагалась интенсивность до 7-8 мм/ч. С 19 ч 10 января до 7 ч 11 января должен был сохраниться сильный ветер восточных направлений, а температура немного опуститься - до уровня -2.-3°С. Интенсивность осадков также должна была уменьшиться и составить 25 мм за 12 ч. Днем 11 января ожидались смена направления ветра на южное и понижение его скорости. Температура воздуха при этом должна была оставаться в пределах -7.-5°С, а интенсивность осадков немного увеличиться, по сравнению с ночью, и составить 31 мм за 12 ч. В последующие сутки температура при слабовыраженном суточном ходе должна была плавно понижаться, ветер сохранять южное направление, интенсивность осадков понижаться до уровня 4-5 мм за 12 ч.

По данным модели наибольшая интенсивность осадков ожидалась 10 января с 7 до 19 ч, а максимальные порывы ветра - утром 10 и днем 11 января.

Результаты моделирования

10-13 июня 2009 г.

Случай июня 2009 г. смоделирован по данным реанализа, предоставляемого центром NCEP с 10 по 14 июня 2009 г., при тех же настройках для атмосферы и подстилающей поверхности, поскольку географически точка моделирования осталась неизменной, что и случай января 2009 г.

На всем протяжении смоделированного процесса предсказанная температура находилась в пределах 8-11°С, поэтому ее изменения мы описывать не будем.

По данным модели осадки начались в 15 ч 10 июня при слабом до умеренного ветре, а к 20 ч их количество должно было составить 6,1 мм. В следующие 12 ч интенсивность осадков резко увеличивалась, иногда достигая 10 мм в час. За ночь 11 июня количество осадков, воспроизведенных моделью, составляло 57 мм. Днем интенсивность осадков увеличивалась еще больше, порой доходя до 14 мм в час, а сумма за день составляла 74 мм. В этот период должно было произойти увеличение скорости ветра до 8-13 м/с. Ночью 12 июня при практически неизменном ветре интенсивность осадков резко уменьшалась - до 9 мм за 12 ч. За день 12 июня должно было выпасть 11 мм, за ночь 13-го -27 мм, а за день - еще 6 мм осадков. Ветер должен был немного ослабнуть днем 12 июня до уровня 4-9 м/с, а затем опять усилиться до 8-13 м/с.

По данным модели максимум осадков и максимальный ветер наблюдались днем 11 июня.

Анализ результатов моделирования

Сравнение модельных расчетов и фактических наблюдений показало следующее.

В январский снегопад 2009 г. в пос. Терней выпало 183,6 мм осадков. При норме для этого периода в 18 мм модель воспроизвела 153,6 мм. Точно локализовав во времени максимум осадков - днем 10 января, модель немного неверно (±3 ч) локализовала следующий максимум - ночью 12 января. Хотя в остальном динамика изменения интенсивности осадков показана верно. Количественно точно показан, но опять-таки неверно локализован по времени подъем температуры до -1...-2°С. Также неточно локализована во времени смена направления ветра и вызванное ею затишье.

Оценка прогноза температуры и осадков

Период прогнозирования Температура (максимальная для дня, минимальная для ночи), °С Оценка, % Осадки (снег), мм Оценка, %

Прогноз Фактическая Прогноз Фактические

8 января День -8.-6 -2,8 0 б/о 0 100

9 января Ночь -12...-10 -12,6 100 б/о 0 100

День -11.-9 -6,1 0 Небольшой 0,6 100

10 января Ночь -13.-11 -12,9 100 Очень сильный 31 100

День -3.-1 -10,9 0 То же 93 100

11 января Ночь -3.-1 -11,3 0 -//- 23 100

День -4.-2 -2,1 100 -//- 15 100

12 января Ночь -8.-6 -6,8 100 Сильный 21 100

День -6.-4 -4,7 100 Снег 0,7 0

Оправдываемость прогноза, % 55 88

Примечание. б/о - без осадков.

Таблица 2

Оценка прогноза температуры и осадков

Период прогнозирования Температура (максимальная для дня, минимальная для ночи), °С Оценка, % Осадки (дождь), мм Оценка, %

Прогноз Фактическая Прогноз Фактические

10 июня День 13-15 10,4 0 Дождь 6 100

11 июня Ночь 9-11 9,9 100 Очень сильный 59 100

День 10-12 12,1 100 -//- 101 100

12 июня Ночь 9-11 9 100 Дождь 25 0

День 10-12 12,2 100 -//- 7 100

13 июня Ночь 9-11 8,7 100 Сильный 7 0

День 10-12 11,8 100 Дождь 6 100

14 июня Ночь 8-10 7,8 100 Небольшой 0,01 100

Оправдываемость прогноза, % 88 75

Оценим прогноз температуры воздуха и осадков, основанный на данных расчета модели и подготовленный по методике, применяемой в Приморском УГМС [5], и сравним его с фактическими данными (табл. 1).

В июне 2009 г. в пос. Терней выпало 211,4 мм осадков, в то время как модель воспроизвела выпадение 190 мм при климатической норме 92 мм. В суточном ходе температуры больших амплитуд не наблюдалось и моделью не воспроизводилось. Максимум осадков локализован точно, динамика изменения интенсивности также показана верно. Для ночи 13 июня модель показала еще один максимум, который в действительности не наблюдался.

Во время наблюдения порывы ветра составляли 12-13 м/с днем 11-го и ночью 13 июня, моделью дается скорость ветра в диапазоне 8-13 м/с. Составим прогноз аналогично январскому (табл. 2).

Заключение

Модель WRF-ARW успешно воспроизвела выпадение очень сильных осадков и показала превышение критерия опасного явления. Суммы накопленных осадков получились заниженными, но в целом распределение по времени совпало с наблюдаемым. Для зимнего случая показана адвекция тепла, но не точное ее время. В первые часы модель предсказывает неверный ход температуры, что может быть вызвано ошибками в начальных условиях.

Если бы синоптик составлял прогноз, опираясь только на результаты расчета, то оправдываемость его прогнозов была бы на уровне 70-80%, в то же время штормовые предупреждения об опасном явлении оправдались бы на 100%. На бытовом уровне к серьезной ошибке можно отнести только прогноз дневной температуры зимой.

Для улучшения поведения модели в первые часы расчетного времени планируется вовлечение в начальные условия данных наблюдений, получаемых с сети наземных станций Приморского УГМС. Также необходима дальнейшая локализация по территории края, изобилующего сложными в орографическом состоянии станциями (типа «Терней» и «Находка») и значительными водными площадями (Японское море и оз. Ханка), которые вносят существенный вклад в циркуляционные процессы и процессы теплообмена-теплопереноса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Багров А.Н. Сравнительная оценка успешности прогнозов элементов погоды на основе ряда отечественных и зарубежных моделей атмосферы различного масштаба // Информ. сб. / Науч.-исслед. гидрометеоцентр России. М., 2007. № 35. С. 3-20.

2. Вельтищев Н.Ф., Жупанов В.Д. Эксперименты по численному моделированию интенсивной конвекции // Метеорология и гидрология. 2008. № 9. С. 30-44.

3. Гузий А.М. и др. Система численного прогноза погоды WRF-Украина // Математичш машини i системи. Київ: Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, 2008. № 4. С. 123-131.

4. Лагутин А.А. и др. Специализированная ГИС оперативного мониторинга окружающей среды территории и прогнозирования источников природных ЧС // Вычислительные технологии. Спец. вып. 3. ГИС- и вебтехнологии в междисциплинарных исследованиях: материалы междисциплинарной программы СО РАН. 2007. Т. 12. С. 54-64.

5. Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения. РД 52.88.629-2002 : утв. Росгидромет 19.03.2002 (ввод. в действие с 19.03.2002).

6. Сводки ЧС. Сводка на 09.00 (хбр) 12.06.09. - http://www.mchs.gov.ru/fareast/digest/detail.php?ID=19240 (Сайт Дальневосточного регионального центра МЧС России).

7. NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses, continuing from July 1999 // CISL Research Data Archive (RDA). - http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2/.

8. Skamarock W.C. et al. NCAR Technical Note NCAR/TN-475+STR. A descpription of the advanced research WRF version 3. Boulder: National Center for Atmospheric Research, 2008. 113 р.