Диссертация (Влияние данных измерений содаров и температурных профилемеров на качество численного прогноза характеристик атмосферного пограничнго слоя), страница 6

Особое внимание уделяетсявалидации модели на высотах установки ветровых генераторов (50-100 м).Как уже отмечалось выше наибольшие затруднения вызывает описание ночногоустойчивого пограничного слоя. В таких условиях турбулентность мала, может быть дажепрерывающейся. Ночью может возникать такое явление как низкоуровневое струйное течение.Модели воспроизводят хорошо время и место их образования, однако высота струи в моделиоказывается выше, чем по данным наблюдений, сама струя имеет меньшую скорость ветра ибольшую протяженность по вертикали [Storm B.

et al, 2008].Стоит отметить, что в большинстве современных мезомасштабных и крупномасштабныхмоделях используются парамеризации АПС, нацеленные на воспроизведение модельюстандартных приземных величин [Beljaars A, Viterbo, P., 1998]. Некоторые их положения необоснованы физически, а искусственно борются с возникающими проблемами, например,избыток ночного выхолаживания компенсируется искусственным увеличением перемешивания.В то же время эти «операции» ведут к нефизичным последствиям, таким как необоснованнобольшие высоты пограничного слоя [Cuxart J et al, 2006].Нацеленность на точность получаемых прогнозов приземных метеорологическихвеличин оправдана для задач прогноза погоды, для которых они используются. Однако они жеиспользуются и как входные данные для моделей переноса примесей.

И ряд работ по сравнениюпрофилей в АПС направлен на уменьшение ошибок моделей переноса.В статье [Soler M. R., et al, 2004] авторы анализируют основные процессы, влияющие наперенос загрязняющих веществ, по данным измерений с помощью содара и численногомоделирования на мезомасштабной модели MM5.

Они показывают относительную рольбризовых явлений и застоя холодного воздуха в долине и температурных инверсий (drainageflows, channeling winds) в топографически сложной местности (в Испании) в формированиипотока, ответственного за перенос примесей. Отмечается точное воспроизведение начала и30конца и направления бриза в модели, хотя и наблюдалась небольшая переоценка его величины.Интенсивность же drainage flow в модели меньше наблюдавшейся.В работе [Hanna S.

R. et al, 2010] проводится сравнение данных наблюденийтурбулентных характеристик, полученные в ходе IHOP, с получаемыми в моделях WRF-NMM,MM5 и восстановленными в модели переноса HPAC по рассчитанным метеорологическимхарактеристикам из MM5. Отмечается завышение значений ТКЕ на 20-40% всемирассмотренными моделями. Говорится о необходимости использования хорошего разрешения уповерхности для воспроизведения ночного пограничного слоя. Оказывается, что прямаяподстановка турбулентных характеристик не всегда возможна и требуется оценка моделей АПСс этой стороны.Среди работ по сравнению не только профилей метеовеличин, но и характеристиктурбулентности, большое число посвящено исследованию высоты слоя перемешивания, частоассоциирующейся с высотой АПС. Например, [Helmis C.

G. et al, 2012] в Афинах, [Angelini F. etal, 2009] в Милане, [Ferrero L. et al, 2011] в Мюнхене. При чем сравниваются не толькомодельные результаты, но и способы измерения высоты слоя перемешивания разнымиприборами (содарами, селиометрами, лидарами). Существует большое количество определенийэтой величины, как в измерениях, так и в моделях. Оказалось, что результаты сравнения вомногом зависят от того, какую формулировку определения высоты слоя перемешиванияпринять.1.3.2 Усвоение данных.Важной ролью наблюдений является предоставление информации о состоянииатмосферы. Усвоение данных возникло из необходимости задания начальных условий длячисленного прогноза погоды.

Сейчас сами по себе поля анализов и реанализов служатисточником четырехмерных полей состояния атмосферы в различных условиях. Все большеечисло наблюдений используется при инициализации моделей прогноза погоды. АПС31характеризуется большой изменчивостью и неоднородностью.

В связи с чем, эффективностьусвоения данных в нем требует изучения.Для определения роли разного типа наблюдений проводят эксперименты по системенаблюдений (observing system experiment - OSE). Методология этих экспериментов состоит изследующих этапов:Контрольного эксперимента (control run), в котором усваиваются все данныенаблюденийЭксперимента (perturbation run) с исключением того типа данных, значениекоторого хотят оценитьСравнения оценок прогнозов в двух этих экспериментовНаибольший эффект оказывает усвоение самолетных и аэрологических измерений дляпрогнозов на 3-12 ч [Benjamin SG et al, 2010].В статье [Soon-Young Park et al, 2010] исследуется влияние усвоения данных ветровогопрофилемера в Корее. Показывается его положительный эффект, больший по сравнению сусвоением радиозондов.

Также исследуется влияние интервала усвоения в циклическомрежиме, но наибольший эффект показан при использовании одночасового интервала. В этихзадачах модель часто запускается в так называемом циклическом режиме (“cycling mode”, “rapidupdate cycle”) [Benjamin, S. G., and Coauthors, 2004]. Каждый час модель перезапускается наоснове предыдущего прогноза с усвоением новых данных. Считается, что тогда содержитсяинформация не только от последнего усвоения, но и от предыдущих усвоений. Показываетсячто ошибки прогноза после такого многократного усвоения меньше, чем от прогнозов,рассчитанных на тот же срок при одном (последнем) усвоении.Данные измерений в АПС усваиваются для улучшения, в первую очередь, точностивоспроизведения АПС. Последнее особенно критично, как уже неоднократно упоминалось, длямоделей переноса примесей в атмосфере.

Усвоение данных ветровых профилемеров в режиме32“rapid update cycle” используется в Швецарии для метеорологической поддержки АЭС наслучай возникновения чрезвычайных ситуаций [B. Calpini et al, 2011].В работе [Вельтищев Н. Ф., Жупанов В. Д., 2012] анализируются результатыэкспериментов по циклическому усвоению данных радиолокаторов. Эффект близок кнейтральному: увеличивается число оправдавшихся прогнозов осадков, но параллельноувеличивается и число ложных тревог.Если приборы еще не установлены, то их потенциальный вклад можно оценить спомощью экспериментов OSSE (Observing system simulation experiment). Для их проведенияиспользуется следующая методика:Генерация эталонного состояния атмосферы для всего периода OSSE (nature run).Это обычно делается с помощью высококачественной реалистичной моделиатмосферы, которая дает «правду» о состоянии атмосферы, с помощью которогомоделируются «наблюдения» и с которым сравниваются последующие прогнозы.Генерация моделируемых наблюдений, включающих реалистичные ошибкиизмерений,длявсехсуществующихнаблюдательныхсистемидлягипотетических будущих наблюдений.Контрольный эксперимент с использованием всех существующих наблюденийЭксперимент с добавлением новых планируемых наблюденийСравнение результатов экспериментов.Эти эксперименты направлены в основном на оценку вклада новых предполагаемыхтипов наблюдений.

Не смотря на то, что новый тип наблюдений может быть очень точным инадежным, он никогда не дает полного мгновенного глобального покрытия с превосходнойточностью. К тому же новые данные будут использоваться в дополнение к старым. OSSE такжепомогает оценить эффективность конфигурации и развития существующей сети наблюдений[Климова Е.

Г., 2011].33Еще одним аспектом использования OSSE может быть оценка самой системы усвоенияданных. Для оценки работы системы усвоения сложно найти независимые данные для оценок(зачастую для оценок и усвоения используются одни и те же данные). Концепция nature run,знания «правды», может помочь в оценке системы.В первых экспериментах по OSSE использовалась одна и та же модель для nature run иэкспериментов. Такая постановка получила название «identical twins». Такой подход исключаетиз рассмотрения ошибки самой модели.

Однако при этом свойства ошибок генерируемыхнаблюдений приобретают свойства ошибок модели, что ведет к уменьшению количестванеобходимых потенциальных наблюдений для коррекции модели.Например, в [Lei Zhang and Zhaoxia Pu, 2010] показывается потенциальная рольпланируемого к запуску лидара как источника информации о ветре для прогноза тропическихциклонов.Темнеменее,экспериментыOSSEдаютоптимистическоепредставлениеопотенциальной роли измерений.Для улучшения качества воспроизведения АПС можно усваивать, например, толькоприземные данные.

Причем в условиях хорошего перемешивания их влияние может бытьучтено практически во всем АПС (в слое перемешивания) [Alapaty K. et al, 2001].На самом деле усвоение данных является нетривиальной задачей. В частности,начальные поля должны быть согласованы между собой и с граничными условиями (в томчисле и на нижней границе). В работе [Alapaty K et al, 2008] предлагается метод коррекцииприземных потоков вместе с коррекцией приземных данных о температуре и влажности.Усвоение данных наибольшее распространение получило в задачах сверхкраткосрочногопрогноза, так называемого наукастнига [Smith Lorraine, T.

and Benjamin, S. G, 1993; St-James, J.and Laroche, S, 2005].34Глава 2. Использование данных измерений в АПС для оценкиего воспроизведения численной региональной модельюдинамики атмосферыКак говорилось выше, сравнение моделей с данными наблюдений в АПС в различныхусловиях является важной задачей. Но, несмотря на наличие измерений вертикальныхпрофилей характеристик АПС в Московском регионе такие сравнения не проводятся.

В рамкахданной работы впервые проводится такое сопоставление расчетов на региональной моделиWRF-ARW с данными измерений на высотах в АПС в Московском регионе.2.1 Выбор параметров модели для расчетовИзмерения профилей температуры и/или ветра в АПС проводятся в Московском регионев 7 точках наблюдений, из них большинство расположено в разных районах г.

Москвы. Ихрасположение было показано на рис. 1.1. Эта область рассматривалась как основной полигондля исследований.Для выбора конфигурации модели было выделено несколько дней, для которых былипроизведены расчеты с различными вариантами модели. Такое сравнение позволяет просто инаглядно понять, как влияет выбор конфигурации модели на результат расчетов.Все расчеты проводились с одинаковыми параметризациями атмосферных процессов, заисключениемприземногоипограничногослоя,использовалисьследующиесхемы:микрофизика облаков по работе Ferrier [http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/mmbpll/eta12tpb/],длинноволновая радиация - RRTM [Mlawer E.