Диссертация (1102539), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Разности втемпературе между наблюдениями на станциях и данными анализа, интерполированными вмодельную сетку, показаны на рисунке 3.2.65Видно, что по данным анализа температура хорошо воспроизводится в Скандинавии,сильно занижается в Мурманской области. Наибольшая разность значений температуры междуанализом и данными синоптических станций составила 15°С. Анализ профилей, полученныхаэрологическим зондированием и анализа, показал их близость. Выше 1 км (10-15 модельногоуровня) начальные поля практически совпадают.
С помощью 3D-Var начальные поля былиизменены так, что при усвоении синоптических данных температура понизилась на 3-5 ºСпрактически по всей территории всей Мурманской области. При этом понизилась температурав нижних 500 м (на 5-10 нижних модельных уровнях). Таким образом, в начальных данныхнижний слой атмосферы оказался охлажденным относительно данных исходного анализа.Рис. 3.2 Разность между начальным полем температуры и наблюдениями на станциях вточках синоптический станций (ºС).66На рис.3.3 показан временной ход прогнозируемой в двух экспериментах (от исходныхначальных полей и полей после 3DVAR) и измеренной температуры воздуха на уровне 2 м,осредненной по области 67-69 с.ш.
35-40 в.д.,. Исходное отличие между прогнозами в 4.1ºС втечение 12 часов прогноза убывает до 1ºС. Однако, эксперименты дают различающиесярезультаты в течение всех 60 часов прогноза, различие к концу срока составило 1.7ºС. Данныенаблюдений на станциях показывали еще на 2-6ºС более низкую температуру приземноговоздуха. Тем не менее, использование усвоения данных позволило уменьшить ошибку прогнозапочти на 2ºС.-1005.01 12ч06.01 00ч06.01 12ч07.01 00ч07.01 12ч08.01 00чТемпература, ºС-15-20-25-30-35ВремяbasevarнаблюденияРис. 3.3 Осредненная по области 67-69 с.ш. 35-40 в.д.температура в двух прогнозах, отанализа NCEP (base) и прогноза с усвоением данных (var)673.3.2 Пример прогноза поля приземного ветра в районе ЯпонииОдной из задач, для которых необходимо очень точное воспроизведение полей скоростиветра, является использование данных расчетов метеорологических полей в качестве входныхданных для моделей распространения и переноса примесей.
При прогнозированииметеоситуации вокруг атомной станции Фукусима были выявлены значительные расхождения внаправления ветра. Следует заметить, что по данным наблюдений ситуация 15 марта 2010 годахарактеризовалась сложной метеообстановкой. С 0 часов 15 марта (по местному времени) ветердул на юг и юг-запад в сторону суши, а во второй половине дня 15 марта (после 12 часов) ветерпоменял направление и подул на северо-запад. При этом наблюдалась значительнаяизменчивость ветра по территории. В эти сроки были зафиксированы выбросы радионуклидовво время аварии на АЭС.а)б)Рис. 3.4 Поле приземного ветра в районе Фукусимы в исходном прогнозе (красные стрелки) ипосле усвоения данных (зеленые стрелки).
Длина вектора, соответствующего 10 м/с показанавнизу рисунка.Прогноз от 00 ч 15 марта 2011 г.а – начальные данные, б – прогноз на 12 ч.68Ни в анализе NCEP, ни в анализе Европейской центра Среднесрочных прогноза, ни впрогнозе от исходного анализа NCEP не воспроизводились наблюдавшиеся изменения внаправлении ветра.
Ветер южного и юго-западного направления не присутствовал в такомпрогнозе. На рис. 3.4 приведены карты приземного поля ветра в исходном прогнозе и прогнозес усвоением данных. Использование 3dvar позволило в значительной степени скорректироватьполе ветра и получить направления ветра больше соответсвующие наблюдавшимся величинами направлениям.
Использование полученного таким образом поля ветра в качестве исходныхданных для модели распространения радионуклидов позволило получить след выброса хорошосоответствующего данным измерений [Арутюнян Р.В. и др., 2011; Rubinstein K.G. et al, 2012].3.3.2Уменьшениевлиянияизмененияначальныхданныхвзависимости от заблаговременностиОказалось, что для Московского региона разность между прогнозами от исходныхначальных полей и полей после 3Dvar довольно быстро исчезает со временем, т.е. прогнозперестает определяться начальными данными.Было выдвинуто предположение, что область довольно быстро «сдувается» и прогноз втаком случае определяется только граничными условиями и практически не зависит отначальных условий. В связи с этим были произведены расчеты на большей области и посчитанааналогичная разница между прогнозами.
Оказалось, что на большей области разность так жебыстро затухает со временем.69Рис.3.5 Разность между прогнозами температуры и ветер через 7 часов от начала прогноза(слева) и через 8,5 часов (справа)Гипотеза о «сдувании» была проанализирована путем наложения на карты разноститемпературы между прогнозами поля скорости ветра, приведенные на рис. 3.5. Отличия междупрогнозамииногда«неоднородностей»можноветром.связатьВсоскоростьюрассмотренномветра,переносомтемпературныхпримересозданные«возмущения»температурного поля переносились характерным для московского региона западным ветром игде-то через 10-12 часов прогноза уже «вышли» за границы рассматриваемой области.3.4 Уточнение начальных полей при усвоении данных стандартныхизмеренийДля анализа степени расхождения данных измерений и анализа было проведеноследующее исследование.
Данные анализа были интерполированы в модельную сетку(эксперимент base). Затем в этой сетке были усвоены данные наблюдений на синоптическихстанциях и аэрологического зондирования (эксперимент var). Были рассчитаны разности междуполученными таким образом полями и измерениями на синоптических станциях, а такжеабсолютная ошибка и среднеквадратическое отклонение. Для сравнения модельные данныеинтерполировались линейно в точку с координатами станции.70Таблица 3.1Систематическая ошибка (BIAS), абсолютная ошибка (ABIAS) , среднеквадратичная ошибка (RMSE) и значение p-уровня различий BIASпо T-критерию начальных полей приземной температуры воздуха (T, ºС), приземного отношения смеси водяного пара (Q, г/кг),приземной скорости ветра (V, м/с) и атмосферного давления на уровне моря (slp, мбар) )с использованием исходных начальных полей (base) и после усвоения данных (var)BIASbasevarTQVslp1.05-0.311.26-1.510.440.000.41-1.13TQVslp-0.00-0.080.42-0.090.040.100.460.06TQVslp1.67-0.381.11-1.150.870.010.46-0.94Январь 2010ABIASRMSEBIASpbasevarbasevarbasevarЕвропейская территория Россия2.531.803.372.520.00000 -0.22-0.190.390.190.450.300.00000 -1.76-0.111.791.381.891.810.000000.930.371.621.271.441.230.00000 -0.42-0.30Московская область2.221.612.952.180.899090.320.000.220.130.280.180.000000.450.031.000.811.271.040.618910.910.700.450.430.700.170.002550.190.00Мурманская область2.902.073.762.810.00000 -0.40-0.210.430.190.400.260.00000 -0.680.001.911.642.182.130.000000.580.261.321.121.421.320.00000 -0.24-0.18Июль 2009ABIASRMSEbasevarbasevarp1.642.141.460.811.310.891.180.772.132.861.561.001.731.341.500.990.120790.000000.000000.000001.470.891.210.571.190.610.930.341.941.141.310.791.610.821.060.440.000030.000000.012460.000001.520.921.340.481.210.561.240.411.921.041.610.601.570.751.590.530.000000.000000.000000.0000071На рис.
3.5 приведены временные ходы средней ошибки начальных полей температурыдля зимнего и летнего месяцев для различных областей по данным этих двух экспериментов.Естественно, что раз усваивались те же самые данные, что и использовались для оценок, тополученные ошибки результирующих начальных полей близки к нулю. Однако, по этимграфикам можно косвенно судить о качестве анализа NCEP для рассматриваемых областей. Втаблице 3.1 приведены средняя по области за месяц разность, абсолютная ошибка исреднеквадратичное отклонение начальных полей температуры воздуха и отношения смесиводяного пара на уровне 2 м, атмосферного давления на уровне моря и скорости ветра науровне 10 м для января и июля для различных областей по данным этих двух экспериментов.В среднем по всем рассматриваемым случаям ошибка температуры приземного воздухасоставляет 0,7ºС, однако, в отдельные дни в рассматриваемые периоды времени онаоказывалась около 4-5ºС.
В январе ошибки больше, чем в июле, особенно для Мурманскойобласти, для которой средняя разность с наблюдениями в температуре приземного воздухасоставила 1.7С. Максимальное среднее отклонение в Московской области составило 5ºС, поЕвропейской территории России 4.1ºС, в Мурманской области – 5.5ºС. Ошибка приземнойвлажности воздуха в среднем составила 0.6 г/кг. При этом в отдельном случае ошибкасоставила 4.8 г/кг. Для всех областей ошибки скорости ветра в среднем не превышали 1.5 м/с.Поле атмосферного давления на уровне моря также достаточно близко по данным анализа инаблюдений.Приведенныеотличияобеспечиваютсяналичиемзначительныхошибокзимойпрактически каждый день, летом – это три случая за месяц для Европейской территории иМосковской области и два для Мурманской.72Январь 2010 годаИюль 2009 годаЕвропейская территория РоссииМосковская областьМурманская областьРис. 3.5 Средняя разность температуры между данными анализа и наблюдениями на станциях.73Для всех областей ошибки скорости ветра в среднем не превышали 2 м/с.
Поле давлениятакже достаточно близко по данным анализа и наблюдений.Аналогично были рассчитаны ошибки вертикальных профилей температуры, скоростиветра и влагосодержания по сравнению с данными аэрологического зондирования. Их анализпоказал небольшую величину отклонений. Расхождения данных измерений и исходныханализов видны в основном в приземных данных.3.5 Статистический анализ степени влияния усвоения данных напрогнозБыли рассчитаны две серии прогнозов на 48 часов каждый через сутки.
Первая серияпрогнозов – от исходных начальных полей на основе анализа, вторая – от полей анализовизмененных с помощью системы 3DVAR. Расчеты осуществлялись для января 2010 года ииюля 2009 года для трех областей (кроме Японской).По результатам были рассчитаны средние разности между прогнозами и станционнымиданными, а также абсолютная и среднеквадратическая ошибки для усваиваемых метеовеличин.Оказалось, что для Московского региона разность между прогнозами от исходныхначальных полей и полей после 3DVAR довольно быстро исчезает со временем, уточнениеначальных полей метеоэлементов не сказывается на качестве прогноза заблаговременностьюболее 6-10 часов.Графики средней ошибки температуры приземного воздуха в зависимости отзаблаговременности прогноза приведены на рисунке 3.6.74ºC2.5ºC2.5221.51.5110.50.50-0.5 01224360часы 48-0.5 0-1-1-1.5-1.5-2а)-2.5ºC2.536-2часы 48б)ºC2.5221.5110.50.501224360часы 48-0.5 0-1-1-1.5-1.5-2в)-2.5ºC2.5122436-2часы 48г)-2.5ºC2.5221.51.5110.50.500-0.5 024-2.51.5-0.5 012122436часы 48-0.5 0-1-1-1.5-1.5-2д)-2.51224-236часы 48е)-2.5заблаг овременность, чbasevarРис.
3.6 Среднемесячные ошибки (BIAS) прогноза температуры приземного воздуха взависимости от заблаговременности прогноза в двух экспериментах с использованиемисходных начальных полей (base) и после усвоения данных (var)а, в, д – январь 2010 г., б, г, е – июль 2009 г.а, б – Европейская территория Росси, в, г – Москвоская область, д, е – Мурманская область75В большинстве случаев прогнозы от анализов NCEP и от 3DVAR практическисовпадают. Летом прогнозы отличаются только первые 6 часов прогноза, при большихзаблаговременностях усвоение данных не оказывает влияния на прогноз. Эффект 3DVARзаметен в зимний месяц, в Мурманской области и на Европейской территории России.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
