Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование эволюции тропических циклонов в Юго-Западной части Индийского океана с использованием ассимиляции данных

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование эволюции тропических циклонов в Юго-Западной части Индийского океана с использованием ассимиляции данных"

УДК 551.511.072

На правах рукописи

Ваниха Паскаль Феликс

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ В ЮГО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ИНДИЙСКОГО ОКЕАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АССИМИЛЯЦИИ ДАННЫХ

Специальность 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

t о ДЕ1{ 2009

г. Санкт-Петербург 2009 г.

003487481

Диссертация выполнена на кафедре метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

С.П. Смышляев

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор

И.Н.Русин

кандидат физико-математических наук, доцент КЛ.Егоров

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория

имени А.И.Воейкова

Защита диссертации состоится " 17" Декабря 2009 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.197.01 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу:

195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, тел. (812) 444-41-63.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

Автореферат разослан "17" ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук профессор А.Д. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тропические циклоны (ТЦ) относятся к наиболее интенсивным вихрям синоптического масштаба тропической атмосферы, образующимся, главным образом, над океанской поверхностью. Скорость ветра в них достигает до 50 м/с, что может привести к значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам в случае выхода ТЦ на сушу. По статистическим данным ООН, из крупных стихийных бедствий, которые произошли во всем мире за последние 50 лет, на вызванные тропическими циклонами приходится 30% от значительных ущербов, 19% от потерь жизни, и 20% от общего числа пострадавших. Заблаговременный прогноз траекторий тропических циклонов позволяет провести эвакуацию населения и имущества из района, на который надвигается стихийное бедствие.

Проблема прогноза эволюции тропических циклонов является особенно актуальной для Юго-Восточной Африки. Несмотря на то, что над юго-западной частью Индийского океана бывает в среднем до 10 тропических циклонов в год, особенности их развития в этом регионе очень мало изучены по сравнению с тропической зоной северного полушария, для которой в последнее время было проведено достаточно много экспериментов с целью улучшения прогнозирования развития тропических циклонов с использованием разных подходов. Между тем, регион Юго-Восточной Африки сталкивается со многими проблемами в прогнозировании тропических циклонов в силу различных факторов (недостаток данных наблюдений над Индийским океаном, несовершенные технологии в методах прогнозирования, плохая экономическая ситуация и т.д.), поэтому любой, даже самый маленький, шаг в направлении улучшения качества прогнозирования траекторий и интенсивности ТЦ и места их выхода на сушу, может быть использован для предотвращении или, хотя бы, для уменьшения влияния ТЦ, выходящих на сушу и вызывающих много ущерба, потерь имущества и даже гибели людей.

В этой связи, одной из актуальных задач тропической метеорологии является разработка и усовершенствование методов прогнозирования эволюции тропических циклонов в Юго-Западной части Индийского океана, а особенно прогноза их траекторий, интенсивности, места и времени выхода на сушу. В ряду методов прогнозирования развития ТЦ одним из основных является численное моделирование с использованием региональных гидродинамических моделей. При этом одной из важнейших задач численного моделирования эволюции тропических циклонов является задание начальных данных о структуре тропических циклонов и соответствующих синоптических условиях. Тропические циклоны, в основном, зарождаются и развиваются над океанами и морями, где метеорологических наблюдений очень мало, или они отсутствуют, что приводит к проблемам качества начальных данных для моделей прогноза траекторий и интенсивности тропических циклонов.

Один из наиболее общепринятых подходов в деле улучшения качества исходных данных для численного моделирования - это использование процедуры ассимиляции данных (комбинирование данных наблюдений с результатами модельных расчетов). Однако, как показывает практика, качество прогноза тропических циклонов зависит не только от точности модельных расчетов (фонового поля) и выбранного метода ассимиляции данных, но и от достоверности исходной информации о циклоне: его положении, значении давления в центре ТЦ, максимальной скорости ветра и т.д.

Для решения актуальной проблемы точности задания начальных данных о структуре ТЦ для моделирования развития тропических циклонов в Юго-Западной части Индийского океана в настоящей работе предлагается метод задания искусственного асимметричного вихря в том месте, где фактически располагался ТЦ. Для тестирования метода искусственного вихря и исследования его влияния на качество прогнозов развития тропических циклонов используется региональная модель высокого разрешения с блоком ассимиляции данных.

Целью работы является - разработка и усовершенствование метода прогнозирования траекторий тропических циклонов и их интенсивности над юго-западной частью Индийского океана с помощью ассимиляции искусственных данных региональной гидродинамической моделью

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выбор модели и ее оптимальная настройка для прогноза тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана:

— Исследование чувствительности модели к разным схемам микрофизики,

— Исследование влияния схем описания пограничного слоя на прогноз эволюции тропических циклонов в исследуемом регионе

2. Подготовка данных метеорологических наблюдений наземного базирования (синоптических и радиозондов ) для проведения ассимиляции данных в гидродинамической модели.

3. Разработка методики и практическая реализация генерирования искусственных симметричных профилей ветра и давления на основе данных наблюдений из сводок о тропическом циклоне.

4. Разработка методики добавления асимметричной компоненты к симметричным искусственным профилям для получения окончательной асимметричной структуры начальных данных о ТЦ, ассимилируемой моделью;

5. Проведение модельных экспериментов развития ТЦ с разными методами задания начальных данных;

6. Оценка успешности прогноза интенсивности и траекторий ТЦ при использовании разных методов ассимиляции данных над исследуемым регионом.

Методы исследования. Для достижения целей исследования и решения поставленных задач проводились численные эксперименты с региональной гидродинамической моделью \VIIF, с использованием ассимиляции данных для формирования исходной информации о тропическом циклоне, и последующим статистическим анализом результатов расчетов.

Научная новизна

• Впервые для формирования исходной информации о тропическом циклоне при моделировании его эволюции в Юго-Западной части Индийского океана использовался метод искусственного вихря;

• Получены новые оценки чувствительности прогностической системы ХУЮ3 к схемам микрофизики и схемам описания пограничных слоев прогнозов траекто-

рий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана;

• Получены новые оценки успешности прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана при использовании искусственных данных ассимиляции на основе: а) определения начального положения тропического циклона; б) интенсивности траектории и скорости перемещения тропического циклона; в) оценки выхода тропического циклона на сушу.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Метод ассимиляции искусственных начальных данных (ВБА), предназначенный для улучшения качества моделирования траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-Западной части Индийского океана.

• Результаты чувствительности моделирования эволюции ТЦ к схемам микрофизики и описания процессов в пограничном слое.

• Оценки качества прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов при использовании разных способов модельной ассимиляции данных.

• Оценки влияния метода задания начальных данных на прогноз места и времени выхода ТЦ на сушу.

Личный вклад автора

Все положения, выносимые на защиту, основаны на результатах исследований, проведённых непосредственно и лично автором. В публикациях, содержащих основные результаты диссертационной работы, автору принадлежат идеи исследования, формулировка проблем, постановка задач и интерпретация полученных результатов. Выбор подходов к решению задач, разработка методов и алгоритмов расчетов проведены автором совместно с учёными из ИСАЯ, Национального Университета Сеула и РГГМУ.

Теоретическая и практическая значимость

Полученные оценки успешности прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов с использованием метода задания искусственных данных, чувствительности модели к схемам микрофизики и схемам пограничных слоёв позволяют сделать вывод о целесообразности использования предлагаемой методики в прогностической системе \УКР для прогноза тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана. Разработанный метод использования ассимиляции искусственного вихря будет рассматриваться на предмет внедрения в оперативную практику в Метеорологическом Агентстве Танзании.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:

• На научном межкафедральном семинаре метеорологического факультета Российского государственного гидрометеорологического университета,

• На научном семинаре в Национальном Университете Сеула (Сеул, Корея, сентябрь 2008).

• На Международном научном семинаре "Третий WRF семинар Восточной Азии"

Сеул, Корея, 14 апреля 2009 г.

Публикации: Результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчётах.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включающего 127 наименований. Общий объём работы составляет 146 страниц, включая 56 рисунков и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, теоретическая новизна и практическая значимость работы, а также приводится краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе раскрывается роль тропических циклонов в формировании экстремальных условий погоды и стихийных бедствий в разных регионах мира, кратко описываются характеристики тропических циклонов мира: области возникновения, названия и классификация ТЦ в зависимости от места, где возник ТЦ, регулярность появления, интенсивность и преобладающие траектории перемещения, а также приведен обзор литературы, посвященной вопросам образования и развития тропических циклонов.

В данной главе также изложено краткое описание региональных особенностей юго-западной части Индийского океана. Необходимость такого описания связана с тем, что дальнейшие исследования и численные эксперименты проводились для данного региона. Этот регион расположен к югу от экватора от побережья Африканского континента до 90 в. д. Юго-западная часть Индийского океана является второй в мире по количеству ТЦ в год. Сезон тропических циклонов в этом регионе начинается с сентября по май, а пик достигается в январе. В среднем в данном регионе регистрируется до 10 тропических штормов за сезон и около 40% из них достигает категории интенсивного тропического циклона. Негативные последствия циклонов, формирующихся в юго-западной части Индийского океана, могут распространяться на все острова, находящиеся в этом регионе, в том числе Мадагаскар, Маврикий, Реюньон, Коморские Острова, а также на побережьях Мозамбика, Танзании и Кении, и даже затронуть Малави и Зимбабве.

Во заключительной части первой главы приведен обзор методов экспериментальных и теоретических исследований процессов формирования и эволюции тропических циклонов. Описаны методы получения экспериментальных данных о зарождении и развитии ТЦ, обоснована целесообразность использования региональных гидродинамических моделей для прогноза эволюции тропических циклонов и приведено хронологическое описание развития методов гидродинамического моделирования траекторий ТЦ, показана важность повышения точности задания начальных данных о ТЦ для повышения успешности гидродинамических прогнозов их развития. Наконец, в заключение первой главы приведено описание используемых методов ассимиляции дан-

ных измерений о структуре тропических циклонов как наиболее перспективного метода для формирования поля начальных данных для гидродинамической модели, а также описаны их проблемы для юго-западной части Индийского океана, связанные с отсутствием регулярной сети наблюдений. Обосновывается выбор системы регионального моделирования на базе гидродинамической модели высокого разрешения WRF, позволяющей гибкое использование различных методов ассимиляции данных наблюдений.

Во второй главе даётся описание используемой в настоящей работе системы регионального гидродинамического моделирования WRF, которая содержит три основные составляющие. Первой компонентой моделирования системы WRF является:

Предварительная система WRF (WPS) , выполняющая следующие задачи: а) определение областей моделирования, б) интерполирование наземных данных (например, ландшафта, землепользования и типа почвы) в области моделирования, с) интерполяция метеорологических данных из других моделей на домен исследования.

Второй составляющей системы моделирования WRF является блок динамического решения системы уравнений гидродинамической модели WRF (ARW) . ARW-это главная часть системы моделирования WRF, которая включает в себя:

- основные уравнения системы моделирования WRF (уравнения Эйлера для полностью сжимаемой среды в негидростатическом приближении с доступом гидростатической опции),

- прогностические переменные (компоненты горизонтальных скоростей в декартовой системе координат, вертикальная скорость w, возмущение потенциальной температуры, возмущение геопотенциала и возмущение давления для сухого воздуха),

- вертикальную координату (гидростатическое давление сухого воздуха с вертикальной сеткой растяжения),

- горизонтальную сетку (стратегия сетки С Аракавы),

- интегрирование по времени (использование метода расщепления по времени для схем Рунге-Кутгы 2 и 3 порядка точности с малым временным шагом для акустических и гравитационных волн),

- пространственную дискретизацию (с опциями от 2 до 6-го порядка в горизонтальной и вертикальной адвекции),

- турбулентное перемешивание и модели фильтров: (подсеточная турбулентность в разработке как физического пространства, так и в координатах, расходимость затухания, внешнего режима фильтрации, вертикально неявного акустического шага для центровки, явные опции фильтра),

- начальные условия (трёхмерные на реальных данных, инициализация цифровой фильтрации (DFI)),

- боковые граничные условия (периодические, открытые, симметричные и специфические),

- верхние и нижние граничные условия (гравитационные волны поглощения (диффузия, затухание Рэлея, или неявные затухания Рэлея для вертикальной скорости), постоянный уровень давления на верхней границе вдоль поверхности материала, и опции жёсткой крышки и свободного скольжения),

- вращение Земли (включены полные условия Кориолиса),

- картирование сферы (поддерживаются четыре проекции карты для реальной си-

муляции данных: полярно стереографическая, конформная Ламберта, Меркатора и широта-долгота), — вложенные сетки (односторонняя, двусторонняя и движущаяся), Во второй главе диссертационной работы также описаны схемы модели физики, которые классифицируются по микрофизике, параметризации конвекции, планетарному пограничному слою (РВЬ), земля-поверхность модели, и радиации.

Третья глава состоит из двух частей, первая часть - описание третьей компоненты моделирование системы ХУЛ!7, вариационной системы (\VRF-Var), и вторая часть - описание алгоритма и ассимиляции искусственных данных с помощью системы \VRF-Уаг. Хотя модель может работать и без использования системы ассимиляции данных, но в данной диссертационной работе компонента \VRF-Var является главной.

Основная цель системы \VRF-Var заключается в том, чтобы подготовить "оптимальную" оценку состояния атмосферы при анализе с помощью минимизации функционала качества,

1(х)=^+Г (1),

где ^ и Г - составляющие функции стоимости за счет фона и наблюдения, соответственно, определяемые по формулам

где Ду - ошибка фона предыдущего прогноза, рассчитанная по формуле

А{х'и-х,и1х,и-хп2} (4),

где Од,1 - диагональная матрица ковариаций ошибок наблюдений.

Ковариационная матрица фоновых ошибок позволяет отдельно определять вертикальные и горизонтальные корреляционные функции. Горизонтальные параметры фильтра зависят от вертикального собственного вектора. Вертикальные режимы получаются в результате разложения статистической модели прогноза ковариационной ошибки по естественным ортогональным функциям. Статистическая разница между 24-часовыми и 12-часовыми прогнозами используется для определения фоновой ковариационной ошибки (формула 2).

В третьей главе также приводится описание предложенного автором для использования в юго-западной части Индийского океана алгоритма ассимиляции искусственных данных с помощью системы \VRF-Var. Использование искусственных данных в той или иной форме является необходимым условием включения тропических циклонов в численные модели. Схема искусственных данных служит для того, чтобы удалить недостоверные данные о вихре, полученные из крупномасштабного анализа, и заменить их данными, полученными искусственным путем, с учетом размера циклона

(радиуса максимальных значений скорости ветра), его положения, интенсивности и значения давления в его центре на уровне моря.

В данном исследовании искусственный вихрь строится по методу Уэно. Искусственные наблюдения содержат две составляющие: симметричную и асимметричную. Симметричная составляющая строится по оперативным данным наблюдений тропического циклона, имеющимся в региональном центре тропических циклонов ВМО, а асимметричная составляющая получается из фоновых данных \VRF-Var (в данном случае - прогнозы \VilF в цикличном режиме). Симметричная составляющая искусственного поля данных ТЦ строится по радиусу значений скорости ветра, равных 15 м/с, и давления в центре тропического циклона. Радиус области искусственного тропического циклона рассчитывается с помощью эмпирического уравнения:

1 +

2V„

)

(5),

где Rb - вычисленный радиус области искусственного тропического циклона, R^ - радиус ветра 15 м/с из сводки тропического циклона.

Поля вихря искусственного тропического циклона включают давление на уровне моря и профили ветра на разных уровнях. Распределение давления на уровне моря внутри области тропического циклона вычисляется по следующему уравнению, основанному на формуле Фуджитца.

Р(г)=Р^--^—тг (6),

1 + -

АР

/ \ 2 > X

1 Г

2 Jo, /

Где ДР = Рпа%-Рс Р„-Рг

О) (В)

Симметричный ветер базируется на соотношении градиента ветра,

„м г др /V

ур or 4

К

M 2

(9).

где г - расстояние от центра тропического циклона (км), Ro - радиус максимального ветра, Рс - центральное давление на уровне моря из сводки о тропическом циклоне, и Рв - среднее давление на уровне моря в Rb.

Эффект поверхностного трения вблизи пограничного слоя включён малыми коэффициентами (У)на 7 уровнях (уровень моря, 1000, 925, 850, 700, 600, 500 гПа) в профиль ветра искусственного ТЦ. Коэффициенты симметричной скорости ветра для каждого слоя составляют соответственно: 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,0; 1,0 и 1,0. Дивергенцию

верхнего слоя атмосферы трудно определить, поэтому симметричные ветры искусственного ТЦ обнуляются на уровнях выше 400 гПа.

Асимметричная составляющая тропического циклона представляет собой разницу между фоновыми полями WRF-Var и фоном симметричной составляющей искусственного тропического циклона. Такие асимметричные составляющие перемещаются, занимая правильное положение, и добавляются к полям симметричного тропического циклона. Как сказано выше, поля симметричного искусственного тропического циклона основаны на сводке наблюдений о положении этого тропического циклона. Перемещение асимметричной составляющей тропического циклона и добавление симметричных полей, создает набор давлений искусственного тропического циклона на уровня моря и профили ветра в области наблюдения тропического циклона. Данные устанавливаются на модели сетками точек таким образом, чтобы разрешение данных искусственного тропического циклона были совместимы с моделью разрешения. При введении искусственных данных величин давления и ветра в WRF-Var ассимиляционную систему уравнение (1) принимает следующий вид:

Jwv{x)=Jh + J"+Jp (bogus) + J " (bogus ) (10)

где Jр (bogus) - слагаемое, вычисляемое по полям искусственных данных давления

J'(.boguS)=^[(p(r)-Pt"")]TOr[ х [(р(г)-/>"•«")]

(11)

J р (bogus) - отражает вклад ложных данных о полях ветра

г (bogus) [(V(r,jk)-vb'")]ro;1 х [(vtai-v-"")] ^

где P(r) и V(r,k) представляют собой давление на уровне моря и данные полей ветра (и и V компоненты) в модели атмосферы; Pbosus(r) и V'^fr.k) являются искусственными данными давления на уровне моря и полей ветра, Ор и Ov - ковариационные ошибки диагональной матрицы, возникающие за счет использования искусственных данных давления на уровне моря и полей ветра, г является радиусом от центра тропического циклона, а к обозначает вертикальные слои искусственных данных о профиле ветра (7 слоев упомянутых выше). В WRF-Var, искусственные поля тропического циклона рассматриваются в качестве дополнительных наблюдений и ассимилируются вместе с другими наблюдениями во время анализа.

В четвертой главе представлены полученные автором оценки чувствительности моделирования прогностической системы WRF к схемам микрофизики и схемам описания пограничных слоев прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана и получены оценки результатов (рисунок 1). Четыре разные микрофизические схемы (Lin et., WSM3, WSM5 and WSM5) и две планетарные пограничные (YSU and MJY) были использованы в прогнозе двух тропических циклонов Jaya и Indlala.

Рисунок 1 . Трёхдневная средняя ошибка прогноза положения тропических циклонов

.Гауа и 1пс11а1а

Рисунок 2. Четырехдневный прогноз тропического циклона Indlala с использованием четырёх разных схем микрофизики: a) Lin et b) WSM3 с) WSM5 d) and WSM6, и 1-фактическая траектория; 2-YSU траектория; 3- MJY траектория.

Рисунок 3. Четырехдневный прогноз тропического циклона Jaya с использованием четырёх разных схем микрофизики: a) Lin et b) WSM3 с) WSM5 d) and WSM6, и 1-фактическая траектория; 2-YSU траектория; 3- MJY траектория

Сравнивая все результаты численных экспериментов тропических циклонов Jaya и Ind-lala автор пришел к следующим выводам:

a) без добавления искусственных вихрей в процедуре инициализации было очень трудно получить реалистичную структуру тропического циклона в регионе в связи с недостатком наблюдений в Индийском океане.

b) Выбор подходящих схем планетарного пограничного слоя PBL может играет большую роль в улучшении траектории тропических циклонов в регионе. Схема YSU PBL показала хорошую прогнозируемость тропического циклона по сравнению со схемой MJY. Но все эксперименты показали большое значение центрального давления по сравнению с наблюдённым.

c) выбор микрофизики также очень важен в прогнозировании тропического циклона с помощью модели WRF в регионе.

— WMS6 показали хорошие общие навыки в области прогнозирования траектории тропического циклона Jaya и Indlala.

— WMS3 показал относительно хорошую траекторию циклона Indlala, но имел маленькую скорость перемещения по сравнению с наблюдаемой траекторией, но показывал наихудший прогноз траектории тропического циклона Jaya.

— Эксперимент Lin et, хотя имеющий относительно хорошую траекторию, но показал очень низкий уровень подготовки в определении первоначальной позиции тропического циклона.

— \VMS5 показал также относительно хорошие траектории тропического циклона, но не смог определить место выхода тропического циклона 1ауа на сушу, которое очень важно для прогнозирования траектории тропического циклона

В пятой главе представлены выполненные автором оценки успешности численного прогноза траектории и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана при использовании искусственных данных ассимиляции по сравнению с другими метода ассимиляции данных для : а) определения начального положения тропического циклона; б) интенсивности траектории и скорости перемещения тропического циклона; в) оценки выхода тропического циклона на сушу.

Из результатов инициализации (таблица. 1), основанных на данных КСЕР - СИБ (СТК - контрольный эксперимент прогноза без ассимиляции) , анализ циклона \VRJF Бондо дает не только слабые вихри около 1004 гПа, но также показывает погрешности позиции циклона около 57 км в начальный момент времени.

Таблица 1:

Ошибки определения положения (Дг) и центрального давления( АР )троиического циклона Бондо в начальный момент времени.

Время инициализации CTR 3DVR CYC BDA

АР(гПа) Дг(км) АР(гПа) Лг(/си) ДР (гПа) Дг(км) ДР(гЯа) Дг(кл<)

20/12/06 12:00 -74 58 -74 58 -65 65 -11 03

21/12/06 00:00 -64 44 -64 44 -40 40 -11 15

21/12/06 12:00 -57 38 -57 38 -46 46 -15 11

После традиционной ассимиляции данных WRF с использованием данных СТ8(Глобальная телекоммуникационная система), (т.е. 3DVR - WRF прогноз после ассимиляции GTS и CYC - WRF прогноз после ассимиляции данных GTS в циклическом режиме) наблюдаются улучшения в определении позиции ТЦ в 36км, и центральное давление вихря углубляется до 991 для эксперимента CYC (рис. 4а и 46).

Однако этого по-прежнему недостаточно для того, чтобы установить позицию циклона и его интенсивность. В 2100 UTC 21 декабря 2006 года, ТЦ Бондо имел центральное давление на уровне моря 940 гПа, однако ассимиляции только данных GTS недостаточно для того, чтобы получить наблюдаемую структуру ТЦ.

При эксперименте BDA (WRF прогноз после ассимиляции GTS и искусственных данных давления и ветра начальные условия получены из экспериментов CYC) в системе WRF-Var удалось получить реалистичную структуру и интенсивность ТЦ с центральным давлением на уровне море 850 гПа (рис. 4г), с погрешностью в 0,3 км от истинного положения циклона (таблица 1).

Анализ полученных результатов полей давления на уровне моря, ветра на уровне 850 гПа и относительной влажности над вихрем на всю толщину тропосферы (рис. 5) показывает, что анализ CTR-IV дает очень незначительную скорость ветра на уровне 850 гПа, а вертикальный разрез AB через центр ТС (рис. 5в) показывает равномерное горизонтальное распределение влажности над циклоном и, следовательно, не может определить структуру, которую мог бы иметь зрелый циклон. Это объясняется

главным образом тем, что не было каких-либо наблюдений радиозондов, поскольку циркуляция циклона происходит над открытым океаном, и поэтому аномалии влажности, связанные с циклоном, не могут быть захвачены в глобальном анализе.

Рис. 4. Горизонтальное распределение давления на уровне моря и поля ветра на уровне 850 гПа в начальный момент времени 1200 UTC 21 Декабря 2006 года для экспериментов a)CTLR b)3DVR c)CYC и

d)BDA

После ассимиляции искусственных данных (эксперимент BDA) явно видны изменения структуры ТЦ не только по горизонтали, где скорость ветра на уровне 850ГПа достигает 50 кт и давление на уровне моря 951 гПа (рис. 56), но также по вертикали. Вертикальный разрез АВ через центр ТЦ (рис. 5г) показывает значительные изменения структуры влажности: 1) равномерное горизонтальное распределение влажности над циклоном уже не наблюдается; 2) значительно увеличивается вертикальный слой, где наблюдается относительная влажность более 90% (около 8 км от земной поверхность при BDA и только 1км при CRT).

Для того чтобы оценить успешность прогноза перемещения и интенсивности ТЦ Бондо с использованием WRF-модели, рассматривалась чувствительность прогностической модели к ошибкам определения исходного положения ТЦ с использованием стандартных методов (без и со стандартными ассимиляционными подходами).

3 6 9 12 15 18 21

ReawHwTdtyCMan К Ю 95 bj 5

Ó)

i , I - ) ... • . . \ i • . l < '

* A

- - s' '

ч--

Рисунок 5. Горизонтальное распределение давления на уровне моря и поля ветра на уровне 850 гПа в начальный момент времени 1200 UTC 21s1 December 2006 для экспериментов CTL (За) и BDA. Вертикальные разрезы АБ через центр ТЦ экспериментов CTLR (Зв) и BDA (Зг).

Согласно расчетам наиболее неточный прогноз траектории был получен при экспериментах CTR. В начальный момент времени to ошибка прогноза (расстояния между фактическим и прогностическим положением ТЦ) составила 38 км для CRT. Заниженные значения интенсивности ТЦ при равномерном распределении величин относительной влажности над тропическим циклоном (рис. 5в) привели к тому, что среднеарифметическая ошибка в расчете положения ТЦ за 72 часа прогноза составила 321км CTR. Ошибка CRT в определении места выхода ТЦ Бодно на берег составила 426 км (таб. 3 и рис. 4).

Таблица 2.

Ошибки определения положения тропического циклона Бондо

to t« T,2 tis t24 t.10 tj6 T42 t48 t54 teo tee t72 Средне

CRT 38 82 168 319 353 267 256 303 359 433 475 542 575 321

3DVR 38 87 138 228 262 179 198 242 267 342 384 481 484 256

CYC 36 27 30 94 119 225 270 208 171 206 216 179 163 149

BDA 11 24 20 16 13 101 145 94 69 60 79 70 68 59

Хотя результаты экспериментов с процедурой ассимиляции, традиционной дяя WRF, несколько лучше результатов экспериментов CRT по определению положению ТЦ в начальный момент времени to (табл.2), но они показали более интенсивную завихренность по сравнению с экспериментами без ассимиляции, а именно 980 гПа (значение давления ниже более чем на 20 гПа по сравнению с CTR) в начальный момент времени от 21.12 00:00итс. С WRF ассимиляцией ошибка в определения положения ТЦ в исходный момент времени уменьшалась до 36 км CYC. При этом за 72 часа среднеарифметическая ошибка прогноза позиции ТЦ (положение ТЦ рассчитывалось каждые 6 часов) составила 149 км.

После введения искусственных данных о давлении и ветре в процедуру ассимиляция WRF-Var были получены наиболее успешные результаты прогноза перемещения и интенсивности тропического циклона. Ошибки прогноза расстояния уменьшились до 11 км BDA, а среднеарифметическая ошибка положения ТЦ за 72 часа прогноза составила 59 км. Ошибка эксперимента BDA в определении места выхода ТЦ Бодно на сушу составила 11 км, хотя и не удалось точно определить время выхода ТЦ на берег (в эксперименте BDA ТЦ вышел на сушу на 6 часов ранее, чем фактически). На рис. 4а представлены фактические и прогностические траектории ТЦ Бондо в период с 21 по 26 декабря 2006 г. Хорошо видно то, что наилучшие прогнозы траектории получены при эксперименте BDA. Его траектория очень близка к фактическим траекториям в первые 24 часа прогноза, а затем смещалась к западу от фактической траектории (из-за особенностей перемещения ТЦ Бондо). За нескольких часов до выхода на берег имело место смещение к востоку.

Согласно расчётам при BDA-IH Бондо вышел на берег в 0600UTC (на 6 часов раньше, чем фактически) за 11 км от места наблюдения с центральным давлением на уровня моря 971гПа. В экспериментах CRT и 3DVR имело место смещения траектории к востоку от фактической за весь период прогноза. Это главным образом связано с тем, что в исходный момент времени они имели очень слабую интенсивность ТЦ, (рис. 4а и 46), большую погрешность в определении начального положения и интенсивности ТЦ (табл. 1) и в итоге плохой прогноз траектории ТЦ Бондо.

Времия Времия

Рис.4 а) Фактические( 1), и прогностические (CRT(2), 3DVR(3), CYC(4), BDA(5)) траектории ТЦ Бондо (21-26 Декабря 2006); б) ошибки прогноза в км между прогнозируемой и фактической траекторией; в) изменение центрального давления ТЦ на уровне моря.

Хотя эксперимент CYC-III не имел очень сильную интенсивность в исходный момент времени по сравнению с наблюдениями (но больше, чем CRT и 3DVR), он, также как эксперимент BDA-III, приближался к фактической траектории, но вышел на берег намного раньше, чем все остальные эксперименты (рис. 4), и быстро заполнился над сушей. Это объясняет, почему в исходный момент эксперимент CYC-III имел более сильную интенсивность, чем эксперименты CRT и 3DVR, а через 48 часов стал самым слабым из всех экспериментов (рис. 4г).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования:

1. Предложен и реализован для Юго-Восточной Африки метод ассимиляции искусственного вихря региональной гидродинамической моделью, позволивший существенно улучшить качество прогнозирования эволюции тропических циклонов;

2. Показано, что результаты прогнозирования судьбы ТЦ критично зависят от метода параметризации микрофизики и схем процессов в пограничном слое;

3. Использование ассимиляции данных наблюдений гидродинамической моделью позволило принципиально улучшить прогноз траекторий и интенсивности тропических циклонов;

4. Главным преимуществом использования метода ассимиляции искусственного вихря является принципиальное улучшение прогноза места выхода ТЦ на сушу, что позволит минимизировать его разрушительные последствия;

5. Разработанный метод использования ассимиляции искусственного вихря будет предложен для внедрения в оперативную практику в Танзанийском Метеорологическом Агентстве.

На основании полученных результатов можно прийти к выводу, что алгоритм искусственных данных в региональной модели WRF может быть использован с целью преодоления проблемы недостатка сети наблюдений в морских районах, где зарождаются тропические циклоны.

Основные публикации автора по теме диссертации

Статьи в изданиях из списка ВАК

1. Численный прогноза траекторий тропических циклонов над юго-восточной частью индийского океана с использованием ассимиляции данных // Естественные и технические науки. М., 2009. № 5. С. 214 - 224 (соавторы Смышляев С.П)

Публикации в материалах конференций

2. The impact of Bogus Data Assimilation methods (BDA) on landfalling tropical cyclone over Southwest Indian Ocean (Bondo - 2006) // Международном научном семинаре " Третий WRF семинар Восточной Азии " Сеул, Корея, 14 апреля 2009 г. ; с.25-26, http://jhwc.snu.ac.kr/wrf2009/wagenda.htm (соавторы Смышляев С.П, Донг К. Л, Сьяо К.)

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 318. Подписано в печать 16.11.2009 г. Бумага офсетная Формат 60x84Vi6. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз' Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел. /факс (812) 275-73-00, 970-35-70 asterion@asterion.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Ваниха Паскаль Феликс

Введение

1 Проблема моделирования эволюции тропического циклон

1.1 Описание предмета исследования

1.2 Структура, развитие и области возникновения тропических цикнов

1.2.1 Особенности структуры тропических циклонов

1.2.2 Области возникновения и классификация тропических циклонов

1.3 Особенности развития циклонов в юг Индийского океана

1.3.1 Особенности ТЦ в юго-западной части Индийского океана

1.3.2 Климатология тропических циклонов в юго-западной части 28 Индийского океана

1.4 Моделирование эволюции тропических циклонов в юго-западной 33 части Индийского океана

2 Моделирования системы WRF

2.1 Предварительная система WRF (WPS).

2.2 Динамический решатель WRF 43 2.2.1 Главные компоненты системы ARW

2.3 Основные уравнения системы моделирования WRF

2.3.1 Вертикальные координаты и переменные

2.3.2 Уравнения потока Эйлера

2.3.3 Включение влаги

2.3.4 Проекции карты Кориолиса и кривизны

2.3.5 Возмущения в основное уравнение

2.3.6 Временная дискретизация 54 2.3.6.1 Интегрирование времени по схеме Рунге-Кутта

2.4 Модель физики

2.4.1 Микрофизика

2.4.1.1 Схема Кесслера

2.4.1.2 Схема Purdue Lin

2.4.1.3 Схемы WRF единого момента 3 класса (WSM3)

2.4.1.4 Схема WRF единого момента 5 класса WSM

2.4.1.5 Схема WRF единого момента 6 класса WSM

2.4.1.6 Сетка масштаба облаков Eta и схема осадков (2001)

2.4.1.7 Схема Thompson et al

2.4.1.8 Схема модели Goddard Cumulus Ensemble

2.4.1.9 Двухмоментная схема Morrison et al.

2.4.2 Параметризация конвекции 63 2.4.2.1 Схема Kain-Fritsch 64 2.4.2.1 Схема Betts-Miller-Janjic 64 2.4.2.1 Схема Grell-Devenyi ensemble 65 2.4.2.1 Схема Grell

2.4.3 Поверхностный слой

2.4.3.1 Теория подобия (ММ5)

2.4.3.2 Теория подобия (Eta)

2.4.3.3 Теория подобия (РХ)

2.4.4 Модель поверхности земли

2.4.4.1 5-Слойная термо диффузия

2.4.4.2 LSMNoah

2.4.4.3 Быстрый цикл обновления (RUC) модели LSM

2.4.4.4 Схема Pleim-Xiu (РХ) LSM

2.4.5 Граничные условия

2.4.5.1 Нижних граничных условий

2.5.5.2 Планетарный пограничный слой

2.4.5.3 Модели Среднесрочный Прогноз (MRF) PBL

2.4.5.4 Yonsei University (YSU) PBL

2.4.5.5 Mellor-Yamada-Janjic (MYJ) PBL

2.4.5.6 Асимметричные Конвективные модели версии 2 (АСМ2) PBL

2.4.6 Атмосферная радиация

2.4.6.1 Модель быстрого переноса длинноволновой радиации (RRTM)

2.4.6.2 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) Longwave

2.4.6.3 CAM Longwave

2.4.6.4 4 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) Shortwave

2.4.6.5 MM5 (Dudhia) Shortwave

2.4.7 Физике взаимодействий 78 3 Формирование начальных данных модели

3.1 Система вариационного усвоения модели WRF-Var

3.1.1 Поиск первого приближения

3.1.2 Обработка данных наблюдений

3.1.3 Вычисление ошибок первого приближения

3.1.3.1 Удаление среднего времени

3.1.3.2 многомерные ковариации: Коэффициенты регрессии и 89 несбалансированные переменные

3.1.3.3 Вертикальные ковариации: собственные векторы/значения и 90 проекции контрольных переменных

3.1.3.4 Горизонтальные ковариации: рекурсивные фильтры линейного 91 масштаба (региональные), или спектры мощности (глобальные)

3.2 Ассимиляции искусственных данных (АИД)в модели WRF-Var

3.2.1 Построение искусственных данных

3.2.1.1 Симметричный компонент искусственных данных

3.2.2.2 Асимметричный компонент искусственных данных

3.3 Ошибка спецификации искусственных данных

3.4 Искусственные данные вариационной формулировки в WRF-Var 98 Системе.

4 Воздействие физических процессов на прогноз развития 102 тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана

4.1 Постановка задачи

4.2 Феноменология интенсивного тропического циклона Indlala

4.3 Феноменология тропического циклона Jaya

4.4 Схемы процессов в пограничном слое атмосферы

4.5 Схемы микрофизики

4.6 Исследование воздействие процессов в пограничном слое и схем 107 микрофизики на прогнозирование траектории и интенсивности тропических циклонов

4.6.1 Прогноз начальной структуры ТЦ

4.6.2 Траектории и интенсивность тропических циклонов

4.6.2.1 Тропический циклон Indlala

4.6.2.2 Тропический циклон Jaya

5 Воздействие ассимиляции искусственных данных на прогноз 118 развития тропического циклона над юго-западной частью Индийского океана

5.1 Особенности тропического циклона Бондо (2006)

5.2 Постановка эксперимента

5.3 Описание данных, используемых для инициализации модели

5.3.1 Данные NCEP - GFS (глобальная система прогноза)

5.3.2 Наземные метеорологические станции

5.3.3 Искусственные данные

5.4 Моделирование воздействие данных ассимиляции на прогноз тро- 128 пического циклона над юго-западной частью Индийского океана

5.4.1 Первоначальные условия

5.5 Прогноз траектории и интенсивности ТЦ

5.6 Моделирование выхода тропического циклона Бондо на сушу 138 Заключение 142 Список использованных источников 145 Приложение

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование эволюции тропических циклонов в Юго-Западной части Индийского океана с использованием ассимиляции данных"

Тропические циклоны (ТЦ) относятся к наиболее интенсивным вихрям синоптического масштаба тропической атмосферы, образующимся, главным образом, над поверхностью океана. Скорость ветра в них достигает до 50 м/с, что может привести к значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам в случае выхода ТЦ на сушу. По статистическим данным ООН, из крупных стихийных бедствий, которые произошли во всем мире за последние 50 лет, на вызванные тропическими циклонами приходится 30% от значительных ущербов, 19% от потерь жизни и 20% от общего числа пострадавших. Заблаговременный прогноз траекторий тропических циклонов позволяет провести эвакуацию населения и имущества из района, на который надвигается стихийное бедствие.

Проблема прогноза эволюции тропических циклонов является особенно актуальной для юго-западной части Индийского океана. Несмотря на то, что над юго-западной частью Индийского океана бывает в среднем до 10 тропических циклонов в год, особенности их развития в этом регионе очень мало изучены по сравнению с тропической зоной северного полушария, для которой в последнее время было проведено достаточно много экспериментов с целью улучшения прогнозирования развития тропических циклонов с использованием разных подходов. Между тем, регион юго-западной частью Индийского океана сталкивается со многими проблемами в прогнозировании тропических циклонов в силу различных факторов (недостаток данных наблюдений над Индийским океаном, несовершенные технологии в методах прогнозирования, плохая экономическая ситуация и т.д.), поэтому любой, даже самый маленький, шаг в направлении улучшения качества прогнозирования траекторий и интенсивности ТЦ и места их выхода на сушу, может быть использован для предотвращении или, хотя бы, для уменьшения влияния ТЦ, выходящих на сушу и вызывающих много ущерба, потерь имущества и даже гибели людей.

В этой связи, одной из актуальных задач тропической метеорологии является разработка и усовершенствование методов прогнозирования эволюции тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана, а особенно прогноза их траекторий, интенсивности, места и времени выхода на сушу. В ряду методов прогнозирования развития ТЦ одним из основных является численное моделирование с использованием региональных гидродинамических моделей. При этом одной из важнейших задач численного моделирования эволюции тропических циклонов является задание начальных данных о структуре тропических циклонов и соответствующих синоптических условиях. Тропические циклоны, в основном, зарождаются и развиваются над океанами и морями, где метеорологических наблюдений очень мало, или они отсутствуют, что приводит к проблемам качества начальных данных для моделей прогноза траекторий и интенсивности тропических циклонов.

Один из наиболее общепринятых подходов в деле улучшения качества исходных данных для численного моделирования - это использование процедуры ассимиляции данных (комбинирование данных наблюдений с результатами модельных расчетов). Однако, как показывает практика, качество прогноза тропических циклонов зависит не только от точности модельных расчетов (фонового поля) и выбранного метода ассимиляции данных, но и от достоверности исходной информации о циклоне: его положении, значении давления в центре ТЦ, максимальной скорости ветра и т.д.

Для решения актуальной проблемы точности задания начальных данных о структуре ТЦ для моделирования развития тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана в настоящей работе предлагается метод задания искусственного асимметричного вихря в том месте, где фактически располагался ТЦ. Для тестирования метода искусственного вихря и исследования его влияния на качество прогнозов развития тропических циклонов используется региональная модель высокого разрешения WRF с блоком ассимиляции данных.

Целью диссертационной работы:

• является разработка и усовершенствование метода прогнозирования траекторий тропических циклонов и их интенсивности над юго-западной частью Индийского океана с помощью ассимиляции искусственных данных региональной гидродинамической моделью. Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе автором были решены следующие задачи:

1. Выбор модели и ее оптимальная настройка для прогноза тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана:

Исследование чувствительности модели к разным схемам микрофизики;

- Исследование влияния схем описания пограничного слоя на прогноз эволюции тропических циклонов в исследуемом регионе;

2. Подготовка данных метеорологических наблюдений наземного базирования (синоптических и радиозондов) для проведения ассимиляции данных в гидродинамической модели;

3. Разработка методики и практическая реализация генерирования искусственных симметричных профилей ветра и давления на основе данных наблюдений из сводок о тропическом циклоне;

4. Разработка методики добавления асимметричной компоненты к симметричным искусственным профилям для получения окончательной асимметричной структуры начальных данных о ТЦ ассимилируемой моделью;

5. Проведение модельных экспериментов развития ТЦ с разными методами задания начальных данных;

6. Оценка успешности прогноза интенсивности и траекторий ТЦ при использовании разных методов ассимиляции данных над исследуемым регионом.

Методы исследования.

Для достижения целей исследования и решения поставленных задач проводились численные эксперименты с региональной гидродинамической моделью WRF, с использованием ассимиляции данных для формирования исходной информации о тропическом циклоне и последующим статистическим анализом результатов расчетов.

Научная новизна

• Впервые для формирования исходной информации о тропическом циклоне при моделировании его эволюции в юго-западной части Индийского океана использовался метод искусственного вихря;

• Получены новые оценки чувствительности прогностической системы WRF к схемам микрофизики и схемам описания пограничных слоев прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана;

• Получены новые оценки успешности прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана при использовании искусственных данных ассимиляции на основе: а) определения начального положения тропического циклона; б) интенсивности траектории и скорости перемещения тропического циклона; в) оценки выхода тропического циклона на сушу.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Метод ассимиляции искусственных начальных данных (BDA), предназначенный для улучшения качества моделирования траекторий и интенсивности тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана.

• Результаты чувствительности моделирования эволюции ТЦ к схемам микрофизики и описания процессов в пограничном слое.

• Оценки качества прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов при использовании разных способов модели ассимиляции данных.

• Оценки влияния метода задания начальных данных на прогноз места и времени выхода ТЦ на сушу.

Личный вклад автора

Все положения, выносимые на защиту, основаны на результатах исследований, проведённых непосредственно и лично автором. В публикациях, содержащих основные результаты диссертационной работы, автору принадлежат идеи исследования, формулировка проблем, постановка задач и интерпретация полученных результатов. Выбор подходов к решению задач, разработка методов и алгоритм расчетов проведены автором совместно с учёными из NCAR, Национального Университета Сеула и РГГМУ.

Теоретическая и практическая значимость:

Полученные оценки успешности прогнозов траекторий и интенсивности тропических циклонов с использованием метода задания искусственных данных, чувствительности модели к схемам микрофизики и схемам пограничных слоев позволяют сделать вывод о целесообразности использования предлагаемой методики в прогностической системе WRF для прогноза тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана. Разработанный метод использования ассимиляции искусственного вихря будет рассматриваться на предмет внедрения в оперативную практику в Метеорологическом Агентстве Танзании.

Апробация диссертационной работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:

• На научном межкафедральном семинаре метеорологического факультета Российского Государственного Гидрометеорологического Университета,

• На научном семинаре в Национальном Университете Сеула (Сеул, Корея, сентябрь 2008),

• На международном научном семинаре "Третий WRF семинар Восточной Азии" Сеул, Корея,14 апреля 2009 г.

Публикации:

Результаты диссертации опубликованы в 2 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчётах.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, включающего 127 наименований. Общий объём работы составляет 146 страниц, включая 56 рисунков и 16 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, теоретическая новизна и практическая значимость работы, а также приводится краткое изложение содержания диссертации. В первой главе раскрывается роль тропических циклонов в формировании экстремальных условий погоды и стихийных бедствий в разных регионах мира, кратко описываются характеристики тропических циклонов мира: области возникновения, название и классификация ТЦ в зависимости от места, где возник ТЦ, регулярность появления, интенсивность и преобладающие траектории перемещения, а также приведен обзор литературы, посвященной вопросам

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Ваниха Паскаль Феликс

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрена проблема улучшения качества гидродинамических прогнозов эволюции тропических циклонов в юго-западной части Индийского океана. Эта проблема является важной и актуальной для принятия своевременных мер по минимизации потерь имущества и человеческих жизней при вызываемых тропическими циклонами стихийных бедствиях, в случае их выходов на сушу. Правильные оценки места, времени и интенсивности циклона при выходе на сушу позволят своевременно предупредить население и минимизировать потери.

В работе рассмотрены две основные проблемы улучшения качества прогнозирования эволюции тропических циклонов: правильный учет физических процессов в атмосфере и особенно процессов в ее пограничном слое, а также проблема корректного задания начальных условий о структуре тропического циклона и его параметрах.

Для исследования проблемы влияния физических процессов выполнены модельные эксперименты с региональной численной моделью прогноза погоды WRF с разными схемами параметризации физических процессов и процессов в пограничном слое атмосферы. Эксперименты проводились с целью проследить влияние задания схем параметризации физических процессов на точность прогнозирования траекторий тропических циклонов в исследуемом регионе юго-западной части Индийского океана.

Для исследования влияния способа задания начальных данных о структуре тропического циклона на прогноз его эволюции использовалась методика модельной ассимиляции данных наблюдений. При этом для более корректного описания начальной структуры тропического циклона в настоящей работе для региона юго-западной части Индийского океана предложена процедура задание в начальных данных информации о искусственном вихре, позволяющая более точно описать характеристики тропического циклона в условиях недостатка результатов наблюдений, характерных для данного региона.

Для оценки степени эффективности предложенной методики проводилось сравнение результатов прогнозирования траекторий, интенсивности, места и времени выхода тропического циклона на сушу, полученных с использованием разных методов инициализации модели. Критерием для заключения об эффективности исследуемых методов инициализации служило сравнение прогностических характеристик жизненно важных для населения данного региона параметров тропических циклонов с фактически наблюденными параметрами.

В ходе проведенных исследований в рамках настоящей диссертационной работы получены следующие основные результаты и выводы:

1. Предложен и реализован для Юго-Восточной Африки метод ассимиляции искусственного вихря региональной гидродинамической моделью, позволивший существенно улучшить качество прогнозирования эволюции тропических циклонов;

2. Показано, что результаты прогнозирования эволюции тропического циклона критично зависят от метода параметризации микрофизики и схем процессов в пограничном слое;

3. Прогноз с использованием только данных ре-анализа крупномасштабной модели без ассимиляции недостаточен для того, чтобы воспроизвести структуру тропического циклона в исходный момент времени и направление его перемещения;

4. Использование метода ассимиляции данных наблюдений гидродинамической моделью позволило принципиально улучшить прогноз траекторий и интенсивности тропических циклонов;

5. Использование алгоритма искусственных данных позволило воспроизвести взаимное циклоническое вращение тропического циклона как в приземном слое, так и на высотах атмосферы.

6. Ассимиляция искусственных данных гидродинамической моделью позволила улучшить прогноз траектории и интенсивности тропического циклона над юго-западной частью Индийского океана за счет правильного воспроизведения процессов ускорения и замедления перемещения тропического циклона.

7. Ассимиляция искусственных данных позволила улучшить прогноз места и времени выхода тропического циклона на сушу, что является ключевым с точки зрения принятия своевременных мер по минимизации разрушительных последствий.

На основании полученных результатов можно прийти к основному выводу, что алгоритм искусственных данных в региональной гидродинамической модели может быть рекомендован к использованию с целью преодоления проблемы недостатка данных наблюдений в морских районах, где зарождаются тропические циклоны.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Ваниха Паскаль Феликс, Санкт-Петербург

1.meteo.fr/temps/domtom/LaReunion/TGPR/PagesFixes/GUIDE/GuideAlerte Cyclonique.html#tableaudanger

2. WMO, 2008 Typhoon committee operational manual meteorological component. Report No TCP-23. Geneva-Switzerland.

3. Neumann, C.J., 1993 : Global guide to tropical cyclone forecasting. Chapter 1 : Global overview. WMO Tropical Cyclone Program, Report n° TCP-31, 43 pp.

4. Jury, M.R., B. Wang and W. Landman, 1991 : Transient convective waves in the tropical S.W. Indian Ocean. Meteor. Atmos. Sci., 47, 27-36.

5. Jury, M.R., 1993 : A preliminary study of climatological associations and characteristics of tropical cyclones in the S.W. Indian Ocean. Meteor. Atmos. Sci., 51, 101-115.

6. Jury, M.R., B. Pathack and B. Parker, 1999 : Climate determinants and statistical prediction of tropical cyclone days in the Southwest Indian Ocean. J. Climate, 12, 17381746.

7. Kuleshov, Y., and G. de Hoedt, 2003 : Tropical cyclone activity in the Southern Hemisphere Bull. Austral. Meteor. Soc., 16,135-137.

8. Bessafi, M. and . M.C. Wheeler, 2006 : Modulation of South Indian Ocean tropical cyclones by the Madden-Julian oscillation and convectively coupled equatorial waves. Mon. Wea. Rev., 134, 638-656.

9. Faure, G., S. Westrelin and D. Roy, 2008 : Un nouveau modele de prevision a Meteo-France Aladin-Reunion. La Meteorologie, 60, 29-35.

10. DeMaria, M., J.A. Knaff and C. Sampson, 2007 : Evaluation of long-term trends in tropical cyclone intensity forecasts. Meteor. Atmos. Phys., 97, 19-28.

11. Wang, Y., and C.-C. Wu, 2004 : Current understanding of tropical cyclonc structure and intensity changes a review. Meteor. Atmos. Phys., 87, 257-278.

12. Elsberry, R.L., and R.A. Stenger, 2008 : Advances in understanding of tropical cyclone wind structure changes. Asia-Pacific J. Atmos. Sci., 44, 11-24.

13. Weygandt, S. S., A. Shapiro, and К. K. Droegemeier, 2002a: Retrieval of model initial fields from single-Doppler observations of a supercell thunderstorm. Part I: Single-Doppler velocity retrieval. Mon. Wea. Rev., 130, 433-453.

14. Weygandt, S. S., A. Shapiro, and К. K. Droegemeier 2002b: Retrieval of model initial fields from single-Doppler observations of a supercell thunderstorm. Part II: Thermodynamic retrieval and numerical prediction. Mon. Wea. Rev., 130, 454-476.

15. Xiao, Q., Y.-H. Kuo, Juanzhen Sun, Wen-Chau Lee, Eunha Lim, Y.-R. Guo, D. M.

16. Barker, 2005: Assimilation of Doppler radar observations with a regional 3D-Var system: Impact of Doppler velocities on forecasts of a heavy rainfall case. J. Appl. Meteor, 44, 768-788.

17. Xiao, Q., Y.-H. Kuo, Juanzhen Sun, Wen-Chau Lee, D. M. Barker, Eunha Lim, 2007: An approach of radar reflectivity data assimilation and its assessment with the inland QPF of Typhoon Rusa (2002) at landfall. J. Appl. Meteor. Climat., 64, 14-22.

18. WMO, 2000:Tropical Cyclone Operational Plan for the South-West Indian Ocean TD-№577, Report TCP-12

19. Ilollingsworth, A. and P. Lo'nnberg, 1986: The Statistical Structure of Short-Range Forecast Errors As Determined From Radiosonde Data. Part I: The Wind Field. Tellus, 38 A, 111-136

20. Ваниха П.Ф, Смышляев С.П. Численный прогноз траекторий тропических циклонов над юго-западной частью индийского океана с использованием ассимиляции данных// Естественные и технические науки, № 5, 2009. с214-224

21. Kurihara, Y., М. A. Bender, and R. J. Ross, 1993: An initialization scheme for hurricane models by vortex specification. Mon. Wea. Rev., 121,2030-2045.

22. Leslie, L. M. and G. J. Holland, 1995: On the bogussing of tropical cyclones in numerical models: A comparison of vortex profiles. Meteor. Atmos. Phys., 56,101—110

23. Ueno, M., 1989: Operational bogussing and numerical prediction of typhoon in JMA. JMA/NPD Tech. Rep. 28, 48pp. Available from Japan Meteorological Agency, Numerical Prediction Division, 1-3-4; Ote-Machi, Chiyodaku, Tokyo, 100, Japan.

24. Ueno, M, 1995: A study of the impact of asymmetric components around tropical cyclone center on the accuracy of bogus data and the track forecast. Meteor. Atmos. Phys., 56, 125-134

25. Lord, S. J., 1991: A bogussing system for vortex circulations in the National Meteorological Center global forecast model. Preprints, 19th Conf. on Hurricane and Tropical Meteorology, Miami, FL. Amer. Meteor. Soc., 328-330.

26. Xiao, Q., X. Zou, and B. Wang, 2000: Initialization and simulation of a landfalling hurricane using a variational bogus data assimilation scheme. Mon. Wea. Rev., 128, 2252-2269.

27. Zou, X., Q. Xiao, A. E. Lipton, and G. D. Modica, 2001: A numerical study of the effect of GOES sounder cloud-cleared brightness temperatures on the prediction of Hurricane

28. Felix. J. Appl. Meteor., 40, 34-55.

29. Pu, Z.-X. and S. A. Braun, 2001: Evaluation of bogus vortex techniques with four-dimensional variational data assimilation. Mon. wea. Rev., 129, 2023—2039.

30. Bender, M. A., R. J. Ross, R. E. Tuleya, and Y. Kurihara, 1993: Improvements in tropical cyclone track and intensity forecasts using GFDL initialization system. Mon. Wea. Rev., 121,2046- 2061

31. Kurihara, Y., M. A. Bender, R. E. Tuleya, and R. J. Ross, 1995: Improvements in the GFDL hurricane prediction system. Mon. Wea. Rev., 121, 2030-2045.

32. Zou, X. and Q. Xiao, 2000: Studies on the initialization and simulation of a mature hurricane using a variational bogus data assimilation scheme. J. Atmos. Sci., 57, 836860.

33. Zhang, X., Bin Wang, Z. Ji, Q. Xiao, and X. Zhang, 2003: Initialization and simulation of a typhoon using 4-dimensional variational data assimilation —Research on Typhoon Herb (1996). Adv. Atmos. Sci., 20, 612-622.

34. Barker, D. M., W. Huang, Y.-R. Guo, and A. Bourgeois and Q. Xiao, 2004: A three-dimensional variational data assimilation system for MM5: Implementation and initial results. Mon. Wea. Rev., 132, 897-914.

35. Lorenc, A. C. and Coauthors, 2000: The Met. Office global three-dimensional variational data assimilation scheme. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 126, 2991-3012.

36. McCumber, M., W.-K. Tao, J. Simpson, R. Penc, and S.-T. Soong, 1991: Comparison of icephase microphysical parameterization schemes using numerical simulations of tropical convection, J. Appl. Meteor., 30, 985-1004.

37. Barker, D. M., W. Huang, Y.-R. Guo, A. Bourgeois, and X. N. Xiao, 2004: A Three-Dimensional Variational Data Assimilation System for MM5: Implementation and Initial Results Mon. Wea. Rev., 132, 897-914.

38. Barker, D. M., W. Huang, Y.-R. Guo, and A. Bourgeois, 2003: A Three-Dimensional Variational (3DVAR) Data Assimilation System For Use With MM5. NCAR Tech Note, NCAR/TN-453+STR, 68 pp.

39. Dudhia et al., 2002: PSU/NCAR Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes and User's Guide: MM5 Modeling System Version 3, NCAR Tech. Note, 2002.

40. Navon, I. M., X. Zou, J. Derber, and J. Sela, 1992: Variational data assimilation with an adiabatic version of the NMC spectral model. Mon. Wea. Rev., 120,1433-1446.

41. Ooyama К. V., 1990: A thermodynamic foundation for modeling the moist atmosphere,41