Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей

Рубинштейн, Константин Григорьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей"

На правах рукописи

Рубинштейн Константин Григорьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ

Специальность 25.00.30 Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Государственном Учреждении «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации»

Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, Васильев Петр Петрович профессор

Доктор физико-математических наук Володин Евгений

Доктор физико-математических наук Гальперин Михаил

Ведущая организация:

Институт Физики Атмосферы имени А.Н. Обухова РАН

Защита состоится «22» Февраля 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.003.01 по присуждению ученой степени доктора наук при ГУ «Гидрометеорологический научно-исследовательский центре Российской Федерации», 123242, Москва, Б. Предтеченский пер., 9-13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «Гидрометцентр России».

Автореферат разослан «10» декабря 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Михайлович

Владимирович

доктор географических наук

Нестеров Е.С.

Л 8 ¿Г//

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОИ РАБОТЫ Актуальность проблемы

Диссертация посвящена численному моделированию общей циркуляции атмосферы с помощью спектральной гидродинамической модели для исследований изменений климата и переноса примесей в атмосфере.

Исследования изменения климата - одна из важных задач современной науки, прежде всего в связи с растущим антропогенным воздействием на окружающую среду. Происходящие в климатической системе процессы существенно влияют на различные отрасли экономики, многие сферы социальной жизни, и понимание возможных тенденций в этой области необходимо для принятия правильных и своевременных решений при планировании развития различных сторон общества. Озабоченность общества растущим антропогенным влиянием и состоянием природной среды доказывает подписание главами правительств большого количества государств Киотского протокола, регламентирующего квоты на эмиссию парниковых газов в атмосферу, конвенции о трансграничном переносе загрязнений воздуха на большие расстояния и ряд других международных соглашений.

Основным инструментом исследования изменения климата и решения экологических задач, связанных с переносами в атмосфере, в настоящее время являются гидродинамические модели Общей Циркуляции Атмосферы (ОЦА). Физико-математическое моделирование климатической системы позволяет совершенствовать численное прогнозирование погоды, так как гидродинамическая модель является основным блоком в технологической линии краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного (например, сезонного) прогноза погоды. Многолетние численные эксперименты, результаты которых обобщаются в данной работе, позволяют определять оптимальные внутренние и внешние параметры моделей, а также комбинации схем параметризации физических процессов, обеспечивающие получение близких к современным наблюдениям, тепловых, водных, энергетических балансов в атмосфере.

В связи с ограничениями вычислительных возможностей и необходимостью проведения экспериментов на сроки несколько десятилетий, пространственное разрешение версий модели составляло сотни километров, что затрудняло локальную интерпретацию результатов. Поэтому в работе уделено значительное внимание разработке и испытанию различных методов интерпретации результатов моделирования.

Решение этой задачи позволило получить ряд результатов, например, в такой актуальной области климатологии, как изучение влияние городского острова тепла на локальный климат (Рубинштейн, Гинзбург, 2003).

Успешное решение основной задачи позволило создать системы обеспечение метеорологической информацией экологических задач.

Одной из наиболее актуальных для современного общества экологических задач является м"""трр'"дг чагрязнения воздуха,

РОС. НАЦИОНАЛЬНА.» ! БИБЛИОТЕКА I

распространения различных загрязняющих веществ, в том числе и радиоактивных, по самому быстрому атмосферному каналу и определение ареалов осаждение их на поверхность земли. Уже более 15 лет в Европе действует программа слежения за трансграничным переносом примеси, называемая ЕМЕП (Совместная программа наблюдения и оценки распространения загрязнителей воздуха на большие расстояния в Европе). Мониторинг степени загрязнения воздуха и подстилающей поверхности для территорий большого масштаба осуществляется в настоящее время, с помощью численных моделей. Основная доля изменчивости концентраций примесей в атмосфере и выпадений на подстилающую поверхность определяется изменчивостью метеорологических условий. Поэтому качество мониторинга загрязнения воздуха и поверхности в большой мере зависит от качества метеорологических данных, используемых при расчетах. В работе приведено описание созданных систем обеспечения метеорологическими данными моделей переноса долгоживущих и быстро выводимых примесей в атмосфере и анализ их работы (Рубинштейн, 2002). Реализация в результате выполнения работы систем обеспечения метеорологическими данными моделей переноса примесей для решения экологических задач демонстрирует острую актуальность выполненной работы.

Цель диссертационной работы и основные задачи исследования

Целью работы являлось создание оптимальной, с точки зрения качества воспроизведения наблюдаемого климата и затрат вычислительных ресурсов, версии модели общей циркуляции атмосферы, с помощью которой возможно проводить длительные численные эксперименты и готовить метеорологические данные для различных экологических задач.

Для достижения этой цели было необходимо решение следующих задач:

1. Провести анализ и подготовить эталонные наборы данных, необходимые для оценки адекватности воспроизведения современного климата моделями ОЦА.

2. Создать систему анализа результатов моделирования ОЦА.

3. Оценить воспроизведение современного климата с помощью двух версий спектральной модели ОЦА.

4. Усовершенствовать версии модели для проведения экспериментов по изучению изменения климата.

5. Получить оценки чувствительности модели ОЦА к изменению внутренних и внешних параметров.

6. Исследовать влияние различных свойств подстилающей поверхности (температуры поверхности океана и свойств суши) на характеристики ОЦА.

7. Создать и испытать методы интерпретации результатов крупномасштабного моделирования и исследовать возможности различных методов.

8. Испытать метод динамической детализации численных прогнозов с помощью региональной модели.

9. Разработать принципы построения системы подготовки метеорологических данных для задач дальнего переноса долгоживущих примесей в атмосфере полусферного и регионального масштабов с использованием модели ОЦА и специальных процедур детализации метеорологических элементов.

10. Создать систему подготовки метеорологических данных для задачи расчета краткосрочного источника загрязнения в верхних слоях атмосферы.

11. Создать и внедрить процедуру трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений.

Основным методом исследования является математическое моделирование.

Использование в исследовании изменения климата и во всех системах подготовки метеорологических данных для задач переноса примеси в атмосфере единой спектральной гидродинамической модели, проверенной и настроенной в результате многочисленных длительных экспериментов, определяет общую целостность диссертации.

Достоверность и обоснованность

Все результаты диссертационной работы обоснованы путем сравнения с эталонными данными и с аналогичными исследованиями отечественных и зарубежных авторов. В частности, все эксперименты с моделью ОЦА, проведенные по протоколу AMIP-1 и AMIP-2 (Atmospheric Models Intercomparison Project - проект сравнения моделей атмосферы 1 и 2 стадии) сравниваются с результатами участвовавших в нем моделей, и, кроме того, с данными климатических архивов и реанализов за тот же временной интервал.

В результатах систем подготовки метеорологических данных для задач переноса примесей оценивалось качество подготовленных параметров атмосферы путем сравнения с эталонами, а результаты расчетов по моделям переноса примесей путем сравнения с данными измерений на реперных пунктах.

Основные научные результаты и их новизна

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Реализована процедура вариационного согласования температуры, геопотенциала и влажности в климатических архивах;

• Проведено сравнение температуры и трендов температуры, а также влажности в свободной атмосфере по данным реанализа с аэрологическими данными для получения оценок пространственной и временной однородности результатов реанализов;

• Проведено сравнение результатов многолетнего моделирования по двум версиям спектральной модели ОЦА;

• Проведен анализ характеристик снежного покрова в Российских

моделях ОЦА;

• Оценена чувствительность спектральной модели ОЦА к изменению ряда внутренних (например, концентрация углекислого газа), и внешних (например, температура поверхности океана и свойства поверхности суши) параметров модели;

• Внедрена параметризация гидрологических процессов на суше, описывающая в явном виде сток рек;

• Предложен, разработан и испытан гибридный метод детализации температуры и влажности воздуха, использующий данные измерений в точке и расчеты по модели теплового и водного балансов;

• Внедрен для оперативных испытаний в Гидрометцентре России динамический метод детализации численных прогнозов с помощью региональной модели;

• Внедрена процедура трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений, позволяющая радикально улучшить учет осадков для задачи вымывания примеси в воздухе.

• Созданы системы подготовки метеорологической информации для моделей переноса примесей в атмосфере различного временного и пространственного масштабов.

Практическая значимость исследования

а) Использование процедуры вариационного согласования полей геопотенциала, температуры и влажности позволило исправить ряд недостатков климатических архивов.

б) Анализ степени временной и пространственной однородности результатов реанализов позволил определить области и интервалы их надежного использования в качестве эталонов при проверке крупномасштабных гидродинамических моделей на историческом ряде метеорологических данных.

в) Внедрение параметризации с явным описанием стока рек позволило анализировать воспроизведение гидрологических характеристик для регионов водосборов, проводить исследование влияния изменения климата на сток основных рек и в будущем, при совместном моделировании атмосферы и океана учитывать сток рек как дополнительный источник пресной воды в океанах.

г) Разработка и реализация методов интерпретации результатов крупномасштабных моделей позволила детализировать численные прогнозы различного масштаба. В рамках этой части диссертации в Гидрометцентре России проходит оперативные испытания метод динамической детализации численных прогнозов погоды с помощью региональной модели ММ5. Результаты этой части работы нашли целый ряд практических примененений. В частности, по ее результатам в течении 2005 года в г.Пятигорске проводится составление медицинских прогнозов для пяти городов - курортов

Минеральных вод. С помощью прогностических полей ветра в свободной атмосфере осуществляется прогноз переноса примеси из Европы в Сибирь. Кроме того, совместно с Петербургским филиалом института океанологии РАН, ведутся экспериментальные прогнозы ветровых нагонов в Финском Заливе, Невской Губе и на Ладожском озере.

е) Разработана и внедрена система подготовки метеорологических данных для Метеорологического Синтезирующего Центра Восток (ЕМЕП). Разработка этой системы позволила вести оценки загрязнения воздуха Европейского региона на регулярной основе в течение 10 лет с целью обеспечения информацией правительств Европейских стран.

ж) Другая система подготовки метеорологических данных с использованием спектральной модели ОЦА для быстро выводимых из атмосферы примесей позволила рассчитать метеорологические данные для определения зон выпадения остатков топлива при 82 запусках ракет на Семипалатинском полигоне.

з) Процедура трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений внедрена в систему подготовки метеорологических данных для задач переноса примеси в атмосфере и позволила радикально улучшить расчеты вымывания долгоживущих примесей в атмосфере.

Реализация результатов

Полученные в работе результаты используются для решения большого числа исследовательских и прикладных работ. В настоящее время проводится цикл исследований влияния новых параметризаций снежного покрова на климат (Рубинштейн и др, ФАО 2006 (принята к публикации); Хан, и др., ФАО, сдана в печать, 2006), влияние неоднородности силы тяжести на свойства общей циркуляции атмосферы (Макоско и др. МИГ, 2006, № 2 - принята к публикации) и в других. Их проведение стало возможным только после реализации проверенной и подготовленной версии спектральной модели ОЦА.

Внедрение результатов динамической детализации прогноза погоды для экспериментальных расчетов нагонов в Финском заливе, расчетов медицинских прогнозов на курортах Минеральных вод, исследовании переноса примеси из Европы в Сибирь подтверждается соответствующими документами, приведенными в приложении.

Реализация прикладных задач описана в последней главе работы. Одной из них является система обеспечения метеорологическими данными моделей трансграничного переноса примеси для полусферы и Европейского региона и второй - расчет переноса и осаждения остатков топлива из ракет над Семипалатинским полигоном. Их реализация также подтверждается соответствующими документами, приведенными в приложении.

Апробация работы

Диссертантом всего опубликовано 74 научные работы.

Результаты диссертационной работы изложены в 38 публикациях, список которых приведен в заключение автореферата.

Из них в журналах Известия АН РАН, серия Физика атмосферы и океана - 3, Метеорология и Гидрология - 14, Оптика атмосферы и океана - 1, Вычислительные Технологии - 3, международных изданиях - 6, тематических сборниках - 4, в трудах Гидрометцентра СССР, Гидрометцентра России и ВНИИГМИ-МЦЦ-6.

Результаты диссертации неоднократно докладывались на Российских и зарубежных конференциях и семинарах:

XI Всесоюзном совещании по актинометрии (Таллин, 1980), Всесоюзной конференции "Моделирование климата, его изменений и колебаний" (Ленинград, 1980);

XX Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза (1995, Гамбург, Германия);

Геофизическом Союзе Мексики (1997, Пуэрто - Ваярта, Мексика);

Второй международной конференции по климату и воде, (1998, Эспоо, Финляндия);

Международной конференции по моделированию загрязнения в атмосфере, (1998, Париж, Франция);

Международной конференции «Проблемы гидрометеорологии и окружающей среды на пороге XXI века» (1999, Санкт-Петербург, Россия);

Четвертой международной конференции по моделированию изменений глобального климата и изменчивости, (1999, Гамбург, Германия);

Второй международной конференции по реанализам, (1999, Рединг, Англия);

Шестой международной конференции по атмосферным наукам и приложениям к качеству воздуха (2000, Тайпей, Тайвань);

Конференции молодых ученых, посвященной 80-летию отдела динамической метеорологии Главной геофизической обсерватории, (2001, Санкт-Петербург);

Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам как средствам снижения загрязнений на городском и региональном уровне, ENVIROMIS-2002,2004 (2002,2004 Томск);

Втором международном симпозиуме по физико-математическим проблемам, связанным с климатическим моделированием и прогнозом, (2002, Китай, Шанхай);

Международной конференции по моделированию Систем Земли, (2003, г.Гамбург, Германия);

Пятой международной конференции по городской климатологии, (2003, Польша, гЛодзь);

Третьей Международной Конференции "Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов ",(2003, Кисловодск);

Всемирной конференции по изменению климата, (2003, Москва);

Восьмой международной конференции по атмосферным наукам (2003 г.Цукуба, Япония);

Совещании - семинаре «Специализированное гидрометеорологическое обеспечение туризма и отдыха: состояние и перспективы», (2005, Кисловодск);

Первой международной научной конференции по климату и криосфере,(2005, Пекин, Китай).

Результаты работы регулярно докладывались на заседаниях секций Ученого совета Гидрометцентра России и его научных семинарах.

Работа прошла апробацию на совместном заседании семинара по долгосрочным прогнозам погоды и семинара по среднесрочным и краткосрочным прогнозам погоды (секции численных прогнозов) ГУ «Гидрометцентра России»

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 394 страниц текста, из них 112 иллюстраций, 27 таблиц. Библиография насчитывает 275 источников. В приложении приведены копии справок о внедрениях результатов, полученных в диссертации.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводится краткая история моделирования ОЦА в России и за рубежом, сформулированы цели и задачи диссертации и кратко излагается содержание отдельных глав диссертации.

Глава 1. Анализ и подготовка эталонных данных для

настройки крупномасштабных моделей циркуляции атмосферы

Одной из важнейших задач при моделировании циркуляции атмосферы является подбор оптимальных параметров модели и анализ результатов экспериментов, позволяющий убедиться, что модель воспроизводит современное состояние атмосферы адекватно наблюдениям. Процесс проведения длительных экспериментов, их анализа, подбор оптимальных параметров и конфигурации модели в соответствии с выводами анализа в дальнейшем называем термином «валидация модели».

При валидации модели отдельной, в большой мере определяющей результат, задачей является выбор эталонных данных. Развитие моделирования циркуляции атмосферы дало заметный импульс в создании глобальных однородных наборов данных. Пионерские работы по моделированию общей циркуляции атмосферы в США Дж. Смагоринского [Smagorinsky, 1964]

сопровождались весьма сложной и также пионерской работой по созданию первого однородного климатического аэрологического архива \Oort, НаБвтшзоп, 1971]. Значительным мировым достижением в современной метеорологии можно рассматривать создание рядов реанапизов.

В данной главе описывается решение задач, связанных с анализом и подготовкой эталонных эмпирических данных о климате свободной атмосферы. Принципиально важно осознавать, что эмпирические эталоны, особенно в регулярной сетке, с которыми сравниваются результаты крупномасштабного моделирования, не являются данными непосредственных наблюдений, а являются результатом обработки наблюдений по некоторой технологии. При их получении могут нарушаться связи между метеорологическими величинами, такие, например, как закон квазистатического равновесия и другие.

Далее показано, что в ряде климатических архивов температуры, геопотенциала и влажности в свободной атмосфере, используемых в качестве эталонных для анализа результатов моделирования ОЦА, не выполнялось уравнение статики.

В четырех первых параграфах описана предложенная и реализованная процедура вариационного согласования температуры, геопотенциала и влажности, обеспечивавшая выполнение уравнения статики и перересчета распределения вертикальной статической энергии.

Изложим предлагаемый алгоритм согласования геопотенциала, температуры и влажности. В нем использованы идеи влажного конвективного приспособления, развитого в работах [МапаЬе е/ а!., 1965].

Кратко суть метода состоит в следующем:

Пусть в столбе атмосферы на N изобарических поверхностях заданы Н, и 7), 1=1, ..., Ы, а на /V, изобарических поверхностях - значения ,у = 1, ..., N1. Тогда согласованные значения минимизируют функционал

при условии (2), где /= 1, ..., 1, <7,=0 при /># и

± [ср{т, -7;) + я(н, - Я,)] + £¿(<7, -<?,)= 0 (2)

¿ = 1 1-1

Условие (2) обеспечивает сохранение влажной статической энергии в столбе атмосферы.

Для отыскания минимума функционала (1) можно было бы использовать стандартную технику вариационного исчисления, однако это привело бы к необходимости решать систему нелинейных алгебраических уравнений (в силу нелинейности (1)), что сопряжено с определенными трудностями. В связи с тем, что поправки невелики, оказалось возможно линеаризовать соотношение (1), относительно самих величин, пренебрегая произведениями поправок.

Пусть АН, = Н,-Н,, ДГ,=Г,-7;,

дя,+1-дя(+дя,+1-я,=

Тогда г- ь

= X, ,+11(7-, + ДТ,)(1 + 0,605 0,605Ад,+

+ (^+1 +Д7)+1)(1 + 0,6059ж)+7;+10,605Д^+1] (3)

Вариационная задача (1), (2) в новых терминах может быть сформулирована в виде:

Ф = 1£[а,(ДЯ,)2+Г((ДГ,)2]+1£М —™ (4)

при условиях (5), где 1=1, ТУ, а дляи

¿(с,ДГ1+£ДЯ,)+ ¿(¿Дд,)=0 (5)

Вместо условного экстремума функционала ищется безусловный экстремум функционала (4) Здесь Г - температура, Н- геопотенциальная высота и <7-удельная влажность на изобарических поверхностях, ...,

N-1 и <р - множители Лагранжа.

Температуры, величины геопотенциальных высот и влажность на изобарических поверхностях климатических архивов, использованные далее в работе, были согласованы с помощью разработанной процедуры.

Было показано, что средняя по всему полю поправка составляла 1,022°С, и в отдельных точках не превышала 2-3 градусов. Средняя для всего поля геопотенциала на уровне 500 гПа поправка составляла 0,097 дам и в отдельных точках не превышала 3,5 дам.

Распределение по вертикали среднего модуля невязки в климатических архивах приведены в табл. 1.

Таблица 1

Средний по слоям атмосферы модуль невязки в климатических аэрологических архивах (Ю-1 дам)

Цттт слоя, гПа Архив А1 Архив АН

Июль Январь Июль Январь

100/200 31,6 18,1 32,3 29,0

200/300 18,13 14,1 18,4 12,9

10,6 12,4 12,1 12,01

500/700 8,1 6,3 8,09 11,1

5,6 6,7 5,6 8,9

Во второй части той же главы приводятся результаты сравнения температуры и влажности в свободной атмосфере с данными аэрологического зондирования.

Известно, что основным свойством реанализа является единая технология обработки данных для всего срока. Тем не менее, в результатах реанализов всегда наблюдается значительная временная и пространственная неоднородность, связанная с географией использовавшихся измерений и изменчивостью их поступления в схему усвоения. Значительную изменчивость поступления данных, использованных в реанализах, иллюстрирует рис. 1. Видно, что количество использованных зондов изменялась от 700 до 1700.

Рис 1 Среднее по годам число наблюдений за сутки, использованных в проекте реанализа NCAR/NCEP, за период 1962-1998 гг

Нижняя кривая (прозрачные квадраты) - шаропилотные сообщения Верхняя кривая (зачерненные ромбы) - радиозондовые сообщения

Во второй части первой главы диссертации приведены результаты исследования степени пространственной и временной неоднородности двух элементов реанализа - температуры и влажности в свободной атмосфере.

Для анализа степени пространственной и временной однородности результатов реанализов проведено сравнение их результатов с данными наблюдений. В качестве станционных статистик для сравнения с результатами реанализа NCAR/NCEP использовались статистики, полученные по данным Аэрологического Массива Данных (CARDS). Для анализа были выбраны четыре континентальные области земного шара: Северная Америка, Европа, Северная Азия и Австралия.

Методика сопоставления месячных значений в узлах сетки с пространственным разрешением 2,5 градуса по данным реанализа NCAR/NCEP и месячных значений величин в точках станций состояла в следующем. Для

конкретного месяца М (январь или июль) и года У вычислялись невязки между месячными значениями метеовеличин Хмс"\у,м на станции Б и интерполированными с помощью билинейной интерполяции из окружающих узлов массива реанализа в точку станции Б месячными значениями X А\у,м:

°Л5,у,М_л в.У.М-Л в.У.М

При вычислении невязки проверялось условие наличия на станции двух третей от возможного числа наблюдений. Для выбранной географической области по невязкам каждой из рассматриваемых величин рассчитывались следующие статистики: МЕАЫу>м - среднее для года У значение 8Х8,у,м, \1EANm - среднее для всех лет значение 8ХЗ У,м N1^ - среднее по годам число случаев при вычислении невязки 5Х8д,м по множеству лет и станций, рм -угловой коэффициент линейного тренда ряда значений МЕАЫу м

Пространственная неоднородность температуры и влажности представлены в табл. 2 и 3, соответственно. Из них видно, что невязки температуры в Австралии выше, чем в остальных регионах в 2-3 раза. Наибольшие невязки влажности наблюдались летом в Северной Азии.

Таблица 2

Статистики разностей между значениями температуры Т, со станций и интерполированными в точки станций данных реанализа ЫСАК/ЫСЕР

Область Уровень, • - гПа Т.ягаарь Т, вдоль

МЕАЫм 0М МЕАЫм Рм

Европа 850 0.193 -0.92 0.223 -2.30

500 0.208 ■Ш 0.130 ММ

100 0.152 0 87 0.061 1.95

Северна* Америка 850 0.317 -0.07 0.031 -0.02

500 0.189 -1.12 0.085 0.04

100 -0.312 -095 0.213 -0.55

Северная Азия 850 0.162 -0.60 0.055 -0.09

500 0.114 -0.15 0.117 0.69

100 -0.244 0.04 0.521 -0.33

Австралия 850 ИМИ ■ н 133

500 -0.035 0.33 -0.088 0.98

100 Ш1 ЯШ .£01

Примечание. МЕАМм - среднее разности (град С), Рм - угловой коэффициент линейного тренда разностей (град. С*/10 л).

Таблица 3

Статистики разностей между значениями удельной влажности О, со станций и интерполированными в точки станций по данным реанализа ЫСАЯ/ЫСЕР

Обяяея» Уровень, • гПа • / (3, январь О.шоль

МЕАЯм 0м МЕАЫм Рм

Европа 850 0.096 -0.20 0.020 -0.80

300 0.014 -0.13 -0.003 -0.02

Северная Америка. 850 ИИ -0 02 МШИ ■ш шШШШ

300 0.021 0.01 -0.062 002

Северная Азия 850 0.032 -0.18 шит -0.20

300 0.022 -0.04 -0.001 -0.05

Австралия 850 0.011 -0.02 — 0.18

300 -0.078 -0.22 0.005 -0.09

МЕАЫм - срение разности (г/кг),рм - угловой коэффициент линейного тренда разностей (г/кг/10л).

Из таблиц видно, что средние невязки для температуры в нижней тропосфере всюду положительные, что означает, что температура в реанализе в среднем ниже, чем по данным станционных статистик.

В работе анализируется временная неоднородность невязок для каждой из четырех областей и для всех уровней. Кроме того, на ряде примеров сравнения временного хода приземной температуры показано, что температура на высоте 2 м реанализа отражает основные тенденции наблюдаемых изменений (рис. 2), в то же время анализ временного хода и трендов осадков, полученных в реанализе, не подтверждается наблюдениями (рис.3). Таким образом, показано, что необходимо проявлять определенную осторожность при анализе локального временного хода осадков в реанапизах.

В последних разделах главы приведено сравнение вертикального распределения трендов температуры в свободной атмосфере по данным реанализов и радиозондовым измерениям. На рис. 4 приведены вертикальные сечения зональных значений линейных трендов за 1979-1998 гг. для полосы от 70 ю.ш. до 80 с.ш. по данным реанализа и радиозондирования. •

Выполненное в главе 1 сопоставление вертикальных профилей линейных трендов температуры по данным реанализа МСАЛ/МСЕР и радиозондирования позволяет сделать вывод о совпадении их знаков и, качественно, их '

вертикального распределения, то есть о возможности с определенной осторожностью использовать тренды температуры в свободной атмосфере как одного из критериев адекватности модели наблюдениям.

Годы

Рис. 2. Ряды средней годовой температуры и тренды, наблюдаемой на станции Москва - ВДНХ (тонкая линия) и температуры интерполированной в точку станции Москва - ВДНХ по данным реанализа ЫСАЛ/ЫСЕР (толстая линия).

Рис 3 Ряды годовых сумм осадков (мм) и их трендов, наблюдавшихся на станциях Москва - ВДНХ и Москва - Небольсина (тонкие линии) и осадков интерполированных в точку станции Москва ВДНХ по данным реанализа ЫСАК/ЫСЕР (толстая линия)

Радиозондовые данные, 1979-1998

Рис 4 Вертикальные сечения зональных значений линейных трендов по данным реанализа ЫСАИ/ЫСЕР (слева) и радиозондирования (справа).

Глава 2. Модель общей циркуляции атмосферы и методы

параметризации физических процессов

Во второй главе диссертации приводится описание спектральной модели общей циркуляции атмосферы, даны параметры конкретной реализации версии модели, использованной для проведения базовых экспериментов, и определяются методы параметризации физических процессов, в ней использованных.

Спектральная модель ОЦА основана на интегрировании системы уравнений гидротермодинамики бароклинной атмосферы. Слагаемые в правых частях уравнений характеризуют воздействие на исследуемые движения физических процессов, не учитываемых в приведенных уравнениях - таких как процессы в облаках, конвекция, и так далее. Эти процессы учитываются в модели с помощью процедур параметризации. Библиотека модулей с параметризациями, используемыми в базовой версии модели, содержит описание следующих процессов: линейной горизонтальной диффузии 4-го порядка, вертикальной диффузии в приземном и пограничном слоях, крупномасштабную конденсацию, влажную глубокую конвекцию, процессов на поверхности суши и в почве, радиацию и облачность.

Следует отметить, что практически все существующие схемы параметризации физических процессов недостаточно точно отражают явления, которые они предназначены моделировать. К числу наиболее неопределенных проблем можно отнести параметризацию влажной конвекции. В связи с этим в работе анализу методов параметризации конвекции уделяется больше внимания, чем остальным методам. В ней приведен обзор основных методов

параметризации конвекции. Показано, что методики параметризации можно сравнивать, по крайней мере, по трем различным критериям. Во-первых, важно пытаться оценивать реалистичность гипотез, лежащих в основе параметризации, что и было проделано в представленном обзоре. Отмечается, что не менее важно сочетание точности или детальности определенного вида параметризации с описанием остальных физических процессов в модели. Но к настоящему моменту нет отчетливого формализованного представления о физике взаимодействия процессов различных масштабах. Нет также и общих требований к алгоритму включения физического процесса в модель, и часто при создании модели решает вкус исследователей. Во-вторых, возможным способом сравнения параметризации является анализ результатов численных экспериментов, полученных с использованием той или иной методики. Сопоставление результатов, полученных с помощью различных моделей, является делом весьма спорным, так как на результаты может повлиять множество характеристик модели, никак не связанных, например, с конвекцией. Представляет интерес изучение различных методик, примененных в одной модели с одними начальными данными. Ряд примеров такого сравнения приведено в работе в главе 4. И, наконец, третьим возможным направлением сравнения методик параметризации является применение различных методик в диагностических исследованиях и сравнение данных зондирования атмосферы. Таких работ, к сожалению крайне мало. В приведенном во второй главе обзоре, показано, что существует ряд методов параметризации конвективных процессов, отличающихся различной степенью детализации в описании групп кучевых облаков. Уже первые результаты моделирования, использовавшие конвекцию по гипотезе СТБК (конвективная неустойчивость второго рода), дали достаточно реалистичную и разумную картину общей циркуляции атмосферы. Применение более сложных и детальных методов параметризации не обязательно приводит к лучшим результатам, что естественно. С ростом детальности, а следовательно, и сложности метода параметризации увеличивается число параметров, определяющих характеристики групп облаков и их влияние на крупномасштабные процессы. Если при применении более простых методов для получения более реалистичных характеристик модели достаточно несколько изменить критерии начала конвекции или профиль нагревания, особенно не задумываясь над физическим обоснованием такого изменения, то попытки подобной коррекции в более сложных методах потребуют изменения целого ряда параметров, влияние каждого из которых не слишком хорошо известно. В связи с этими аргументами в базовом эксперименте использовалась модифицированная параметризация по гипотезе СЕ5К.

Сказанное, однако, не означает, что при моделировании атмосферных процессов не следует стремиться применять новые методы параметризации, ибо они дают возможность изучить физические процессы при взаимодействии разномасштабных явлений.

Кроме конвекции во второй главе приводится описание остальных процедур параметризации физических процессов в базовой версии модели.

Во второй главе работы приведены также параметры базовых экспериментов. Базовые эксперименты проводились с помощью двух версий спектральной модели - Т21Ы5 и Т42Ы5. Обозначение означает Т -треугольное усечение 21 и 42 гармоник и Ь - количество уровней (в обоих случаях 15) по вертикали. Уравнения модели записаны в ст-системе координат. Вертикальная структура базовой версии дана в табл. 4.

Таблица 4

N 15 14 13 12 И 10 8 8

а 0,99 0,96 0,91 0,85 0,77 0,68 0,59 0,5

N 7 6 5 4 3 2 1 -

о 0,45 0,34 0,26 0,19 0,15 0,07 0,05 -

В заключении главы приведены карты начальных значений и краевых условий, использовавшихся в базовых экспериментах.

Глава 3. Валидацня спектральной модели общей циркуляции

атмосферы

В третьей главе диссертации изложена методика и результаты разностороннего контроля и настройки двух версий спектральной модели ОЦА. В соответствии с развитием понимания свойств климатической системы атмосфера-океан-суша-криосфера и ростом вычислительных возможностей, растут требования к результатам моделирования ОЦА. Если первые результаты моделирования оценивали, в основном, сравнением средних характеристик в экспериментах со средними климатическими величинами, то от современных моделей требуется воспроизведение адекватной наблюдениям изменчивости многих переменных. Кроме того, проводится анализ не только основных переменных модели, таких как скорости ветра, температура и влажность в свободной атмосфере, но и свойств подстилающей поверхности и таких характеристик, как, например, снежный покров. В работе приведены оценки сравнения средних величин в базовых экспериментах, их изменчивость и ряд дополнительных более тонких характеристик, как, например, амплитудно-фазовые свойства годового хода приземной температуры воздуха или интегральные характеристики снежного покрова.

Процесс валидации модели требует проведения десятков, если не сотен, экспериментов. В третьей главе приводятся некоторые результаты этой многолетней работы.

Одним из главных свойств системы атмосфера - океан - суша является периодичность граничных условий. В первых разделах третьей главы показано, что в базовых экспериментах удается удовлетворительно воспроизвести годовой ход температуры и термическую структуру тропосферы. Тем не менее,

из анализа средней термической структуры следует, что в результатах экспериментов наблюдается систематическое выхолаживание в верхней тропосфере - нижней стратосфере, что связано с недостатками использовавшейся радиационной схемы. В работе показано, что подобный характер расхождения с наблюдениями проявлялся в большинстве зарубежных моделей сравнимого класса. Из анализа структуры полей влажности в тропосфере можно видеть, что в зимнем полушарии влажность в экспериментах переносилась к полюсам в меньшем количестве, чем по климатическим данным. Летом в северном полушарии распределение влажности получилось удачнее, чем зимой. Анализировались вертикальные профили средних по полушариям значений аналога кинетической энергии (и*и+у*у)/2 для лета » с.п./зимы ю.п. по климатическим данным и результатам экспериментов.

Показано, что для всей атмосферы в обоих сезонах и в обоих полушариях, значения энергии, полученные в эксперименте, выше эмпирических. Высоты расположения струйных течений обоих полушарий близки к климатическим.

Несмотря на равномерное вращение Земли, годовой ход приземной температуры воздуха в природе не является синусоидальным. На отклонения его от синусоидальности влияет множество факторов - от неравномерности распределения суши, океанов и льдов по поверхности до переменности полей облачности. Все это приводит к целесообразности анализа адекватности воспроизведенного не только годового хода (ГХ) приземной температуры, а также его амплитудных и фазовых характеристик. Для этого рассчитывались и анализировались следующие характеристики:

• амплитуда годового хода Т%1 годовой гармоники,

• амплитуда годового хода Т,л полугодовой гармоники,

• момент 0-фазы ГХ (момент, когда текущая температура равна среднегодовому значению в процессе ее роста),

• момент тг-фазы ГХ (момент, когда текущая температура равна среднегодовому значению в процессе ее уменьшения),

• интервал превышения (интервал внутри года, когда температура

выше среднегодового значения).

Сравнение перечисленных характеристик, полученных по результатам моделирования с данными реанапизов приведены на рис. 5. По ним видно, что модели, воспроизводящие более высокую среднегодовую температуру над сушей воспроизводят также меньшие, чем по наблюдениям, среднеполушарные значения Г,,, Т$г и недооценивают межгодовое значение среднеквадратических отклонений амплитуд годовой и полугодовой гармоник. Над сушей внетропических широт, кроме того, они характеризуются запаздыванием и

относительно данных наблюдений и недооценивают межгодовое

среднеквадратических отклонений моментов 0- и л-фазы годового хода приповерхностной температуры. Для экспериментов с моделью ГМЦ

увеличение пространственного разрешения модели и более адекватный учет вариаций морского льда улучшает точность расчета АФХ ГХ Тл: пространственное СКО для версии ГМЦ-Т42 относительно обоих реанализов систематически меньше, чем для версии ГМЦ-Т21.

Модели, лучше воспроизводящие среднюю по интервалу эксперимента среднегодовую температуру воздуха над сушей, в целом лучше воспроизводят и характеристики пространственных вариаций средних значений и межгодового СКО амплитуд годовой и полугодовой гармоник Те (рис. 5). Подобного соответствия для моментов 0- и я-фаз и интервала превышения установить не удается.

в)

I bhkkb I hbkLh

"JL_ ......... _ — _____ or ''------------

jjlhirtlilliii

lllll

f- 9> Ш

1 e Ь

Рис. 5 Пространственные средние (слева) и среднеквадратическое отклонение от средних (справа) АФХ ГХ Т, над сушей, рассчитанных по результатам моделей, относительно реанализов ERA (светло-серые колонки) и NCEP/NCAR (темно-серые колонки) для 1979-1993 гт а - среднегодовой температуры, 6 - ее временного среднеквадратического отклонения, в - средние значения амплитуды годовой и д -полугодовой гармоник и г и е их межгодовых среднеквадратических отклонений.

Далее в третьей главе анализируется воспроизведение в экспериментах муссонной циркуляции. Показано, что в экспериментах удовлетворительно воспроизводятся основные элементы азиатской и африканской муссонной циркуляции и осадков над Индостаном и Африкой. Приведено сравнение, с

результатами экспериментов по АМ1Р-1 протоколу большого количества моделей. Пример сравнения результатов приведен на рис. 6. Видно, что временной ход нормированного индекса осадков в экспериментах со спектральной моделью ОЦА по амплитуде и фазе ближе к эмпирическому индексу, чем у многих зарубежных моделей.

Рис. 6. Изменение со временем нормированных индексов осадков, над Индостаном, осредненных за июнь, июль, август, сентябрь' Верхний график - для базового эксперимента с версией Т211Л5 (пунктир) и наблюдениий (сплошная) Нижний график - для моделей, участвовавших в АМ1Р-1 (с маркерами) и наблюдений (жирная линия)

Аномалии осадков, нормированные на дисперсию осадков над Индостаном, осредненные для 4 месяцев (июнь, июль, август, сентябрь) из экспериментов с 13 моделями, участниками AMIP-1 (рис. 6 - нижний) взяты из работы [Sperber and Palmer, 1995].

В этой же главе приведен анализ характеристик изменчивости приземной температуры воздуха, полученных в численных экспериментах. Сравнение зональной структуры приземной температуры воздуха в базовых экспериментах модели ОЦА с эмпирическими данными и с результатами зарубежных моделей приведено на рис. 7.

а б

Рис. 7. Широтное изменение разности зональных среднегодовых температур приземного воздуха (Тн - Т„) по данным модельных экспериментов (Тм) и по данным наблюдений (Т„). а) Т„ - по данным экспериментов T2I6, и Т426, Т„ - данные реанализа NCAR/NCEP за 1979-1998 гг б) Тм - по данным экспериментов HadCM2, GFDL, HAM3L. Т„ - данные [Legates,2001]. Линии с точками - границы интервала ±о.

Судя по рис. 7 а, температура приземного воздуха в обоих экспериментах (Т21 и Т42) отличается от климатической в большинстве широтных зон не более чем на а. Максимальные отличия наблюдаются в эксперименте Т21 над Антарктикой (2,3 величины а). Можно отметить, что приземная температура воздуха в эксперименте Т42 ближе к средней климатической температуре, чем в Т21. По рис. 76 видно, что различия в воспроизведении приземной температуры вэкспериментах HAM3L и HadCM2 не превосходят а, а с моделью GFDL различия в пределах 2-3 ст. Во всех экспериментах в районе Антарктики отличия от наблюдений максимальны и достигают 15°С (до пяти значений ст). *

Из многих публикаций известно, что модели, ОЦА как и реанализ, как правило, занижают величину изменчивости, по сравнению с наблюдаемыми величинами. На рис. 8 приведены результаты расчета изменчивости температуры приземного воздуха над сушей в экспериментах с версиями Т21 и Т42, изменчивость температуры в реанализе. На рис. 8а представлен годовой ход среднеквадратичекого отклонения (СКО), осредненного по континентам Северного полушария. Видно, что СКО температуры над сушей в эксперименте Т426 достаточно близка к СКО в реанализе во всех месяцах, кроме зимних. В

эксперименте Т21 изменчивость приземной температуры завышена в течение всего года. Аналогичная картина наблюдается и для Южного полушария (рис. 86). Наибольшие расхождения между Т42 и реанализом также наблюдаются в зимние (Южного полушария) месяцы года, а в летние месяцы значения изменчивости близки между собой. Сравнение результатов Т21, Т42 для Южного полушария позволяют сделать выводы, аналогичные выводам по Северному полушарию.

полушарий СКО средней месячной температуры приземного воздуха по данным экспериментов Т21, Т42 и реанализа ЫСАЯ/ЫСЕР

Далее анализируются интегральные характеристики снежного покрова в базовых экспериментах с моделью.

Зимний снежный покров играет заметную роль в глобальном гидрологическом балансе и является важным элементом динамики криосферы. Практически во всех гидродинамических моделях так или иначе учитываются процессы, связанные с образованием и таянием снега. В каждой модели имеются, по крайней мере, две процедуры, описывающие осадки. Одна из них -это параметризация крупномасштабных осадков, и вторая - мелкомасштабной конвекции с осадками. Каждый вид осадков при определенных термических условиях может превращаться в снег. В различных моделях этот процесс описывается по-разному. В наших экспериментах критерием наличия снега (при крупномасштабных и конвективных осадках) является нулевая или отрицательная температура подстилающей поверхности. Одним из важнейших процессов, связанных со снегом, является тепловая изоляция почвы от процессов в атмосфере. Известно, что в высоких широтах в отсутствии снега возникает угроза вымерзания растительности. Теплоизоляционные свойства в большой мере зависят от толщины и вертикальной структуры снега. В базовой версии модели ОЦА не решается уравнение теплопроводности при наличии слоя снега, а принимается более упрощенное представление о теплофизических свойствах слоя. При описании таяния снега в большинстве параметризаций исходят из соображения, что температура снега не может превышать 0°С, и процесс снеготаяния начинается при достижении слоя снега и верхнего слоя почвы температуры 0°С. Изменения водного эквивалента {()зп) снежного покрова описывается в моделях следующим уравнением:

дQsn/дt = Рхп-Е,„-М, где величины Р,„, Ет и Мхарактеризуют скорость выпадения, испарения и таяния снега соответственно.

Одно из важнейших свойств подстилающей поверхности, на которое снег оказывает радикальное влияние, является изменении альбедо. Это влияние учитывается, естественно, во всех моделях. Практически во всех рассматриваемых моделях влияние снега на альбедо заснеженной поверхности рассчитывается на основе уравнения А =А0 + (АЛ„-А0) * £>.т/((Зяп + ()хпсг) где (}$и - водный эквивалент снежного слоя, А0 - альбедо бесснежной поверхности, а параметр Озпсг и альбедо снега А,„ выбраны для каждой модели свои. Был проведен ряд предварительных экспериментов по определению чувствительности приземной температуры и осадков к изменению параметров этой формулы и выбраны величины для базовых экспериментов. В них альбедо заснеженной поверхности суши Ат=0,75.

| Средняя масса снега

Рис. 9 Средняя за (1980-1988 гг.) масса снежного покрова (а) и относительные ошибки ее расчетов (б), в Евразии и Северной Америке, полученные в экспериментах типа АМ1Р-2 с 3 российскими моделями общей циркуляции атмосферы и данные климатологии (вОС).

Исследованию результатов воспроизведения свойств снежного покрова в гидродинамических моделях в России практически не уделялось внимания. Это исследование проведено автором впервые. В работе анализируются средние за 20 лет расчетов характеристики снежного покрова в Евразии и Северной Америке (эксперименты по протоколу АМ1Р-2). Показано, что в базовых экспериментах со спектральной моделью ОЦА лучше воспроизводятся характеристики снежного покрова Евразии, чем Северной Америки, и с меньшими ошибками воспроизводится площадь снежного покрова, чем масса.

Результаты анализа интегральных характеристик снежного покрова приведены на рис. 9. В качестве эталона используется климатология снега (SDC - Snow Data Climate - из работы Foster et al, 1996).

Из сравнения результатов AMIP - экспериментов трех российских моделей ОЦА (Гидрометцентра России, ИВМ РАН и ГТО им. Воейкова) ближе всего к данным эталона масса снега воспроизведена в экспериментах со спектральной моделью ГМЦ.

Показано, что в модели ГМЦ осенне-зимний процесс установления снежного покрова описывается ближе к эталонам, чем весенний процесс снеготаяния. Географическое расположение максимумов снежного покрова для февраля в Северной Америке и Евразии наиболее близко к наблюдениям воспроизведена в экспериментах с моделью ГМЦ, хотя величины максимумов несколько преувеличены.

Глава 4. Численные эксперименты по определению чувствительности модели ОЦА к изменению параметров подстилающей поверхности и концентрации углекислого газа

Первые параграфы четвертой главы диссертации посвящены анализу чувствительности модели ОЦА к изменению температура поверхности океана. Предварительно в ней приводятся сравнения средних за 20 лет расчетов приземной температуры и осадков в численных экспериментах с климатологическими данными. Результаты сравнения приведены на рис. 10.

Из анализа рис. 10 видно, что результаты экспериментов со спектральной моделью ОЦА по этим осредненным показателям вполне близки к результатам большинства моделей подобного класса и к данным наблюдений.

В работе показано, что учет межгодовых изменений температуры поверхности океана заметно улучшает результаты моделирования в тропиках и незначительно отражается на воспроизведении аномалий температуры и осадков в средних широтах.

Далее приводится описание метода параметризации гидрологических процессов на суше, основанного на квази-эмпирических зависимостях. Алгоритмически предлагаемая схема построена на расчете локальных и региональных балансовых соотношений. При расчете локального баланса влаги учитываются следующие процессы: перехват осадков растительностью; I формирование поверхностного стока; формирование подпочвенного стока;

Впитывание воды в почву испарение влаги с почвы и транспирация растительностью; диффузионный обмен воды между слоями почвы; * пополнение запасов влаги в почве из рек в низовьях и районах активного

искусственного орошения. Метод позволяет учитывать в явном виде стоки рек. Сравнение результатов моделирования с различными методами параметризации гидрологических процессов на суше показывает, что внедренные схемы параметризации гидрологических процессов не значительно изменяет глобальный водный баланс, но позволяет реалистично описать

сезонный ход стока рек и региональный водный баланс различных климатических зон мира.

мм/сут. 4.5 -

____±

— пса1' I

3-5 ■ ^— + + ^Ч

0,иУ\ Гпг£.---X

3 - / ие1 ^ 1тЗ>у \

2.5 2

1.6 ■ 1 -

9 10 11 12 13 14 15 18 17 18тс

Рис. 10. Средняя за период 1980-1989 глобальная температура приземного воздуха и интенсивность осадков по результатам моделирования и данным наблюдений для версии T21L15 спектральной модели Гидрометцентра России.

Сравнение годового хода стока сибирских рек с наблюдениями, а также составляющие водного баланса бассейнов сибирских рек приведены на рис. 11. В том же разделе показано, что результаты моделирования чувствительны к методам описания гидрологических процессов на суше. В России явное описание стока рек в моделях ОЦА реализовано автором впервые.

Благодаря внедрению в расчеты параметризации гидрологии на суши с детальным описанием свойств подстилающей поверхности (типов почвы и видов растительности) возникла возможность проведения численных экспериментов по оценке влияния изменения землепользования на характеристики ОЦА. Сравнение результатов численных экспериментов с измененными свойствами подстилающей поверхности (заменой зон лесов в Сибири на травяное покрытие и, соответственные, изменения типов почв) показало, что водный баланс в модели весьма чувствителен к этим характеристикам, и возможно проводить исследование влияния изменения экологических систем на локальный и глобальный климат. Показано, также, что в результате эксперимента заметно изменился водный баланс в водосборах сибирских рек и бассейнов рек, впадающих в Каспийское море - Волги, Урала и Терека.

Приводится сравнение характеристик снежного покрова в бассейнах крупных сибирских рек, полученных в реанализах NCAR/NCEP и ERA, а также в численных экспериментах с Российскими моделями ОЦА.

/ UCl jr^ м ( X -L-+- М _ + lit il 1 ' 1 + _ тп IrrfrSy \ епг+ \ \

у cTob^g^i \ un'm-h. ест + 4-4^ ГУ Т 1 _|_mpi obs uiu

Секты!шдcroup 06н Смоюшймдстоир Лап Озетишйюдсгоир Еяяа!

CnonMf идкмрсяиаосинси Сяомивлмюирями осади» Семмы1зд кадрами осадив

Рис.11. Сезонный ход стока воды в океан Сибирских рек (1) - полученные в численном эксперименте с моделью ОЦА, (2) - средние многолетние данные наблюдений, (3) - максимальные данные наблюдений, (4) - минимальные данные наблюдений, а также стоки полученные в численных экспериментах (5) - по моделе [Sausen el al, 1994] и (6) - по модели [Лiiller et al, 1997].

В следующих параграфах четвертой главе анализируются характеристики снежного покрова в бассейнах крупных сибирских рек, полученные в реанализах NCAR/NCEP и ERA, а также в численных экспериментах с моделями ОЦА типа AMIP-2 ГМЦ, и ИВМ РАН и ГТО им. А.И.Воейкова. Показано, что средние за 20 лет эксперимента изменения площади снежного покрова в регионах сибирских рек Оби, Енисея и Лены воспроизводятся всеми моделями вполне реалистично. В осеннее-зимний период формирования

снежного покрова результаты всех моделей близки друг к другу, а в весенний период активного таяния снега - в эксперименте с моделью ГМЦ ближе к результатам реанализов чем в экспериментах ИВМ и ГТО. Эти результаты приведены на рис. 12.

Обь

400 т

S 2 = 200 S " в til 100

EBMCti

Лева

-RHMC

-INM

♦ MOO —Щ—ERA À NCHP(RA2)

-Сток

Рис. 12 Средние за 20 лет годовые изменения площади снежного покрова (левая шкала) по реанализам ERA, NCAR/NCEP и -по моделям ГМЦ, ИВМ и ITO, а также сток рек (правая шкала) для бассейнов рек Оби, Енисея и Лены.

В работе приводится сравнение скорости таяния снега с интенсивностью весеннего роста стока сибирских рек. Это сравнение, совместно с интервалом снеготаяния, являются критериями реалистичности воспроизведения снежного покрова и его таяния в моделях.

В заключительных разделах четвертой главы работы анализируются результаты экспериментов по определению влияния на приземную температуру и осадки изменений концентрации углекислого газа.

Первоначально были проведены так называемые равновесные численные эксперименты с удвоенной и учетверенной концентрацией углекислого газа. Расчеты равновесного климата дают возможность определить реакцию атмосферы на заданное внешнее воздействие, а также упрощают сравнительный анализ результатов различных моделей. Результаты исследования влияния изменений концентрации углекислого газа на характеристики атмосферной циркуляции показали, что под влиянием удвоения концентрации в так называемом равновесном численном эксперименте средняя приземная температура атмосферы увеличилась на 0,6-1,7°С. На рис. 13 приведена диаграмма Ховмеллера разностей между среднезональной температурой в базовом и равновесном эксперименте с удвоенной концентрацией углекислого газа.

Месяцы

0.1 0.2 О.З 0.4 о.5 1 2

1 Широты

Рис. 13. Годовой ход средних за 20 лет расчетов среднезональных величин разности приземной температуры воздуха в экспериментах с удвоенной концентрацией СОг и приземной температурой из базового эксперимента для точек, принадлежащих суше

Видно, что максимальные отличия наблюдались летом в средних широтах и достигали в среднем 1,2°С, а в тропиках наблюдалось выхолаживание порядка -0,4-0,6°С.

Кроме равновесных экспериментов были проведены эксперименты и проанализирован отклик характеристик циркуляции атмосферы на транзитивное (1% в год) увеличение концентрации С02 (сценарий 1РСС 1892а). Для этой цели было проведено два эксперимента.

Первый эксперимент проведен с базовой версией Т42 спектральной модели ОЦА, в котором температура поверхности океана задавалась равной температуре, полученной в эксперименте совместной (атмосфера-океан) модели ИВМ с современной концентрацией С02. Во втором эксперименте использовалась температура поверхности океана, из эксперимента модели ИВМ с изменением концентрации С02. При этом изменения концентрация С02 в спектральной модели точно соответствовало концентрации в совместной модели. Анализировалась разница в характеристиках этих экспериментов. Максимальное потепление по расчетам со спектральной моделью ОЦА ГМЦ происходит на северо-западе Северной Америки и составляет 2°С, что меньше максимального отклика в эксперименте ИВМ, который составлял 3,5°С и характерен для центра Евразии. В ноябре-апреле по расчетам с моделью ГМЦ теплеет сильнее (на 2,5°С), чем в других месяцах. Такая же тенденция прослеживается и по данным расчетов эксперимента ИВМ, но там отклик выше по своему абсолютному значению.

Таблица 5

Отклик различных моделей ЫСАЯ и модели ГМЦ

Модель PCTM 1.29

CCSM 1.05

CSM 1.47

PCM 1.32

ГМЦ (глобус) 0.90

ГМЦ (суша) 1.70

ECHAM4/OPYC3 (суша) 1.90

Сокращения. CSM Climate System Model, PCM - Parallel Climate Model, PCTM -PCM/CSM Transition Model, CCSM - Community Climate System Model.

Из анализа карт изменения температуры можно сделать вывод, что в целом регионы максимумов/минимумов схожи, а также, что температурный отклик спектральной модели ОЦА на увеличение концентрации углекислого газа несколько меньше, чем отклик модели ИВМ. Из анализа временного хода температурного отклика спектральной модели ОЦА на увеличение концентрации углекислого газа в эксперименте и сравнения его с совместными моделями, участвующими в CMIP (Climate Model Intercomparison Project),

следует, что чувствительность спектральной модели ОЦА ниже. Результаты анализа приведены в табл. 5.

Глава 5. Интерпретация результатов крупномасштабного

моделирования

Пятая глава диссертации посвящена разработке, внедрению и методов интерпретации результатов крупномасштабного моделирования.

Известно, что, несмотря на стремительный рост мощностей вычислительной техники, крупномасштабные модели не воспроизводят локальные особенности метеорологических параметров. Для получения локальных характеристик по результатам крупномасштабных гидродинамических моделей разрабатывают и используют специальные процедуры, основанные на статистических, гидродинамических, вариационных и гибридных методах.

В работе приводятся результаты различных подходов к интерпретации результатов крупномасштабного моделирования. В частности, был разработан и реализован алгоритм детализации температуры приземного воздуха, основанный на методе множественной регрессии. Реализованный алгоритм испытан для точки с координатами г.Москвы. Испытание детализации ансамблей сезонных прогнозов приземной температуры по двум гидродинамическим моделям Канадского Климатического центра показало, что с помощью этого алгоритма для ряда сезонов удавтся заметно уменьшить систематические ошибки гидродинамического прогноза приземной температуры в точке Москвы. Для той же точки была использована статистическая модель, которая позволила восстановить среднюю температуру со среднеквадратичной ошибкой 2.0°С, на отдельных метеостанциях г.Москвы.

Автором был предложен, реализован и испытан новый гибридный метод детализации температуры и влажности, основанный на расчетах по модели теплового и водного баланса и статистических данных. Суть метода заключается в следующем. На первом этапе по рядам синоптических данных измерений настраивается локальная модель теплового и водного баланса. Нами в расчетах использована модель, разработанная в ИГ РАН А.Б. Шмакиным. Вторым этапом является подготовка детальных характеристик почв и растительности в окружении интересующей точки. Третьим этапом работы является использование результатов расчетов по гидродинамической модели для расчетов с помощью балансной модели для каждого участка с определенным типом почвы и растительности в окрестности пункта, для которого определены параметры модели. Испытания метода для региона северной тайги показали, что при одних и тех же метеорологических условиях с помощью предложенного метода удается получить реалистическую картину разнообразия температуры подстилающей поверхности и влажности почвы для различных ландшафтов (комбинаций типов почвы и растительности) региона. Статистические характеристики модельной температуры в верхнем слое почвы

на различных ландшафтах северной тайги в районе г.Печора приведены в табл. 6.

Таблица 6

Характеристики модельной температуры (°С) в верхнем слое почвы на различных ландшафтах в районе г.Печора

Ландшафт Сред. »И» Шйзг Дисперсия

Пойменный луг на суглинистой аллювиальной дерновой и дерново-глеевой почве 9,14 -1,7 24,7 4,42

Редколесье на песчаной подзолистой почве 16,26 9,5 22,6 3,78

Березовый лес на песчаной подзолистой почве 16,97 10,2 22,8 3,78

Березовый лес на суглинистой глееподзолистой почве 17,06 10,3 22,8 3,76

Далее излагаются результаты детализации численных прогнозов погоды с помощью внедренной региональной гидродинамической модели ММ5 (Пенсильванский Университет). Модель проходит оперативные испытания в Гидрометцентре России с начала 2005 г. В настоящее время детализация численных прогнозов проводятся для пяти областей России: Европейского региона (54 км), вложенных в него центрального административного региона России (18 км), региона Северного Кавказа (18 км), и Северо-запада России (18 км). Все регионы рассчитываются с шагом в 18 км. Кроме того, ведутся расчеты для Сибири (54 км). Расчеты ведутся 2 раза в сутки на срок до 120 часов. По вертикали используется 41 уровень. В работе, в качестве примера, приведены прогнозы приземной температуры, скорости ветра и приземного давления для г.Кисловодска и г.Минеральные Воды. В связи с тем, что регион Северного Кавказа является сложной гористой местностью, были введены орографические поправки в прогноз температуры и приземного давления. Суть поправок заключалась в следующем. Для каждого пункта прогноза рассчитывалась разность реальных и модельных высот местности, и температура в пункте прогноза правилась в соответствии с влажно -адиабатическим градиентом. Давление правилось с помощью барической ступени. Показано, что введенные процедуры орографической коррекции приземной температуры и давления позволяют заметно уменьшить систематические ошибки прогноза, связанные с разностью высот в узлах сетки и реальным расположением пунктов прогнозов. Этот эффект для температуры демонстрируется на рис. 14.

Наблюдения ПрагнО! на 1 сутки Прогноз на 2 суток Прогаоз на 3 суток Прогноз на 4 суток

Рис. 14. Временной ход наблюдавшейся и прогнозируемой температуры приземного воздуха различной заблаговременное™ за 6-12 марта 2005 в Кисловодске до орографической коррекции (слева) и после коррекции (справа).

Глава 6. Разработка методики и реализация систем обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примеси в атмосфере на основе модели обшей циркуляции атмосферы

В шестой главе приведены методические основы и результаты использования спектральной модели общей циркуляции атмосферы для двух прикладных экологических задач, масса снега

Первая задача - это обеспечение метеорологическими данными моделей трансграничного переноса долгоживущих примесей. На основе разработанных автором подходов была реализована система обеспечения метеорологическими данными моделей трансграничного переноса примеси. Система функционировала более десяти лет для масштаба Северного полушария и Европейского региона.

Вторая задача - расчет загрязнения почвы и пограничного слоя атмосферы остатками топлива при запусках ракет на Семипалатинском полигоне. Были проведены расчеты для 82 случаев запусков ракет, что позволило определить возможные ареалы распространения вредных выпадений топлива веществ на Алтае.

библиотека !

СЯеи*%рг {

#е т «г 4

и располагался в верхних слоях атмосферы. Из этого вытекали заметные отличия в создаваемых системах обеспечения метеорологическими данными. Так, для первой задачи были необходимы годовые наборы данных с временным разрешением не более 6 часов, в то время как для второй задачи требовались интервалы в 3 суток около срока запуска, и с 10 минутным шагом по времени. Первая задача использовала в качестве вертикальной координаты « сигма» систему, а вторая Z. В первой системе выброс и, соответственно перенос осуществлялся, в основном, в пограничном слое атмосферы, а во втором выброс происходил в стратосфере. Поэтому, можно считать, что было создано две различные системы. Единственное, что их объединяло априори, это требование создания наборов данных за определенные, но произвольные, иинтервапы и технологически их объединяло то, что ядром обоих систем являлась спектральная гидродинамическая модель ОЦА.

3. Расчеты краткосрочных прогнозов с помощью спектральной модели ОЦА;

4. Подготовка метеорологической информации для региона Северного полушария в географической сетке с шагом 2,5 градуса; 5. Подготовка метеорологической информации для Европейского региона на стереографической поверхности с шагом 50 км с помощью специальных процедур интерпретации прогнозов (вариационного для согласования ветра с рельефом, статистического для согласования приземной температуры и влажности, процедуры локального пограничного слоя для замыкания величин у поверхности и в свободной атмосфере); 6. Коррекция трехмерных полей осждаемой влаги по данным измерений осадков. Температура поверхности океана и распределение морского льда в рамках нынешней конфигурации модели не рассчитываются, а задаются извне в соответствии с данными наблюдений. Для анализа качества подготовленных системой данных проведено сравнение характеристик ветра для Европы, полученного с помощью разработанной системы с ветром из данных NCAR/NCEP реанализа. Сравнение показало, что в течение 1996 года перенос на уровне 850 гПа описан близко к данным реанализа.

Сравнение структуры осадков и их годового хода для той же области продемонстрировало вполне удовлетворительное совпадение с эталонными данными.

На основе приведенных в работе результатов сделан вывод, что подготовленные данные близки к эталонным. Иллюстрацией их пригодности для использования в задаче моделирования переноса примеси в атмосфере в масштабе северного полушария может служить сравнение с данными наблюдений расчеты по переносу свинца и серы, приведенные в

многочисленных отчетах МСЦ - "В" (сайт:

http://www.msceast.org/Russian/publications.htniO. отразившие близость результатов расчета с измерениями.

Далее приведено описание разработанного и внедренного в систему подготовки данных чрезвычайно эффективного алгоритма коррекции модельных осадков по данным наблюдений. Разработанный алгоритм состоял из трех этапов. На первом этапе данные о наблюдениях за осадками разбивались на равные интервалы. Необходимость этой задачи связана с тем, что в практике измерения осадков, они часто относятся к совершенно различным интервалам времени. Этот этап был реализован Ю. В. Алферовым Вторым шагом была разработана схема объективного анализа осадков. Схема объективного анализа осадков создана и реализовна М. Д. Цырульниковым и А. Н. Багровым. Последний этап непосредственной коррекции осадков заключался в сравнении модельных осадков с результатами объективного анализа и исправлением вертикального профиля конденсации влаги. Этот оригинальный алгоритм предложен и реализован автором диссертации. Один из результатов разработанной схема продемонстрирован для коррекции данных за 1996 г. Сравнение полученных полей выпавших осадков с наблюдениями на реперных станциях (рис. 15), не использовавшихся при анализе осадков, показывает радикальное улучшение модельных осадков с помощью разработанной процедуры. Для ряда станций можно видеть изменение знака корреляции с отрицательной до высоких положительных величин (станции 3 и 6).

В последних параграфах шестой главы приведены принципы создания и анализ результатов системы расчетов метеорологических данных с помощью модели ОЦА для задачи переноса топлива при запусках ракет для региона Семипалатинского полигона. Система была реализована. В ней также были использованы разработанные специально для ее реализации процедуры детализации прогностических полей. С ее помощью были рассчитаны ареалы возможного распространения горючего на поверхности (пример на рис. 16) для 82 запусков ракет.

1 * 1 г! и И г! га ] п 9 — 1 и I ЛЬ (1

1 2 Г 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Номера станций

□До коррекции и После коррекции

Рис. 15. Коэффициенты корреляции месячных сумм модельных и корректированных осадков с наблюдениями для 14 реперных станций Европы

Рис 16 Изолинии плотности осажденного топлива для осеннего пуска ракеты 26.09.96.

В заключении работы перечислены основные результаты диссертации, подводятся итоги исследований, излагается видение автором продолжения исследований, а также того, насколько результаты работы соответствуют первоначально поставленным целям, и намечаются задачи, требующие своего решения в развитие работ.

В результате выполнения работы получены следующие результаты:

1. Впервые предложена и реализована процедура вариационного согласования температуры, геопотенциала и влажности в климатических архивах, обеспечивавшая выполнение уравнения статики и перераспределения вертикальной статической энергии.

2. Разработан метод анализа однородности результатов реанализа, для определения степени доверия к нему при использовании в сравнении результатов численных экспериментов по протоколу программы АМ1Р.

3. Разработана методика и проведен анализ многолетних численных экспериментов с двумя версиями спектральной модели общей циркуляции атмосферы. Проведено сравнение результатов моделирования ОЦА с лучшими зарубежными моделями того же класса. Показано, что спектральная модель удовлетворительно воспроизводит характеристики годового хода и муссонной циркуляции. Показано также, что версия модели с более высоким разрешением реалистичнее воспроизводит изменчивость приземной температуры.

4. Впервые в России проведен анализ интегральных характеристик снежного покрова, Российскими моделями общей циркуляции атмосферы. Он показал, что спектральная модель ГМЦ воспроизводит интегральные характеристики снежного покрова в Евразии лучше, чем многие российские и зарубежные модели и процессы становления снега воспроизводятся реалистичнее, чем процессы снеготаяния.

5. Впервые проведены численные эксперименты с моделированием стока рек в явном виде и с определением чувствительности характеристик циркуляции к изменению свойств подстилающей поверхности в Сибири.

8. Предложен и испытан новый оригинальный гибридный метод детализации численных прогнозов, основанный на использовании рядов данных синоптических наблюдений и расчетах с помощью балансной модели.

9. Разработана и реализована методика метеорологического обеспечения задач переноса долгоживущих примесей в атмосфере для полусферы и Европейского региона.

10. Впервые предложена и реализована процедура трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений. Показано, что использование предложенной процедуры заметно улучшают величины осадков, используемые в моделях переноса примеси.

11. Реализована процедура подготовки метеорологических данных для переноса выбросов ракетного топлива над Алтаем для 82 запусков, позволившая рассчитать ареалы возможного оседания загрязнений на почве. Поставленные в работе задачи, перечисленные во введении, выполнены. Все изложенные в работе подходы и методы, могут, по мнению автора, получить дальнейшее научное развитие и прикладное применение.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1 Тепловой баланс тропосферы низких широт в модели зональной циркуляция атмосферы, Метеорология и Гидрология, 1977, № 7,20 - 29

2 Опыт вертикального согласования климатических полей температуры и геопотенциала с помощью уравнения статики. -Труды Гидрометцентра СССР, 1981, вып 259, с 60-71 (Соавтор Шиляев В Б)

3 Методика вариационного согласования климатических полей температуры и геопотенциала по вертикали. - Метеорология и гидрология, 1981, № 10, с 26-33 (Соавтор Шиляев В Б)

4 Вертикальное вариационное согласование температуры, геопотенциала и водяного пара. -Труды ВНИИГМИ МЦД, 1983, Доклады 10 конференции молодых ученых с 9 -21 (Соавтор Шиляев В )

5 Ошибки оптимальной интерполяции метеорологических элементов различных наблюдательных сетей, Метеорология и Гидрология, 1987, № 9,26-33, (соавтор В Б Шиляев)

6 Система Диагноза нижних слоев Атмосферы для моделей переноса примесей в Атмосфере. Метеорология и Гидрология, 1997, № 4, S-1S (Соавторы Фролов А, Важник А, Астахова Е, Розинкина И, Кикгев Д., Алферов Ю)

7 Система Диагноза нижних слоев Атмосферы для моделей переноса примесей в Атмосфере. Метеорологи* и Гидрология, Основные алгоритмы Метеорологи* н Гидрологи*, 1997, № 5, с 5-13 (Соавторы Фролов А., Важник А, Астахова Е, Розинкина И, Кикгев Д, Алферов Ю.)

8 Система Диагноза нижних слоев Атмосферы для моделей переноса примесей в Атмосфере., Осадки и облачность Метеорология и Гидрология, 1997, N6,5-15 (Соавторы Фролов А, Важник А, Астахова Е, Розинкина И, Кикгев Д, Алферов Ю)

9 Diagnostic System of Atmosphere Lower - Layer for Pollution Transfer Modeling, Rev Int Contam Ambient 1997,13(1), p 23-34 (Соавторы Фролов А В, Важник А И, Астахова Е H, Розинкина И А, Кикгев Д Б, Алферов Ю)

10 Оценки сезонного хода крупномасштабного речного стока в глобальной модели обшей циркуляции Гидрометцентра России - Метеорология и гидрология 1999 № 5 с 31-48 (Соавтор Шмакин АБ)

11 Оценка воспроизведения годового хода характеристик атмосферы и суши моделью общей циркуляции атмосферы Труды ГМЦ 2000 вып 333 с 41-98 (Соавтор Егорова Е Н)

12 Региональные изменения гидрологического баланса на суше и в атмосфере при уничтожении Сибирских лесов (результаты численных экспериментов с моделью ОНА Гидрометцентра России). Проблемы гидрометеорологии и окружающей среды на пороге XXI века Труды международной теоретической конференции Санкт-Петербург, Гидрометиздат, 2000, стр 200-215 (Соавтор Егорова ЕН, Шмакин А Б)

13 Comparison of Free Atmosphere Temperature and Humidity Data of CARDS with the NCAR/NCEP Reanalysis Monthly Data for 1958-1998. Proc 25 Annual Climate Diagnostics and Prediction Workshop, 2000, NOAA, p 86-89 (соавтор Стерин A M)

14 Влияние межгодовой аномалии температуры поверхности океана на изменчивость атмосферы (Результаты численных экспериментов с моделью Общей Циркуляции Атмосферы Гидрометцентра России). - Метеорология и Гидрология 2001 №2 е 5-16 (Соавтор Егорова Е Н )

15 Влияние температуры поверхности океана на свойства азиатского муссона (анализ результатов экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России) Метеорология и гидрология 2001 №8 с 18-27 (Соавторы Игнатов Р Ю, Егорова Е Н)

16 Two Approaches to Meteorological data supplying for pollution transfer modeling, Rev Int Contain Ambient, 17(1), 2001, 37-45

17 The new principle« of system of Meteorological Data Supplying for Regional Pollution Transfer Modeling, Proceedings of Second International Symposium on Air Quality Management at Uiban, Regional and Global Scales, 2001, Turkey, pp 380-387, (Соавтор - Д Б Киктев)

18 Influence of Anthropogenic Faetón on Climatic Trends of Temperature and precipitations within the Moscow Agglomeration, Proceedings of Second International Symposium on Air Quality Management at Urban, Regional and Global Scales, 2001, Turkey, pp 54-61, (Соавтор - А С Гинзбург)

19 Сравнение оценок загрязнения Северного полушария тяжелыми металлами (свинцом), полученных с помощью двух версий моделей дальнего переноса и разных версий Системы Диагноза Атмосферы. Труды всесоюзной конференции молодых ученых Гидрометслужбы Санкг-Питербург, июль 2001г, С-П, 2002, Гидрометеоиздат, с 301-306 (Соавторы Гусев А В, Травников О Ю)

20 Сравнительный анализ месячных данных реанализа NCAR/NCEP и месячных аэрологических наблюдений по Южному полушарию. Труды всесоюзной конференции молодых ученых Гидрометслужбы Санкт-Питербург, июль 2001 г, С-П, 2002, Гидрометеоиздат, с 173-182 (Соавторы Хан В М, Стерин AM)

21 Свойства африканского и азиатского муссонов в численных экспериментах с моделью обшей циркуляции атмосферы Гидрометцентра России. Труды всесоюзной конференции молодых ученых Гидрометслужбы Санкт-Петербург, июль 200Ir, С-П, 2002, Гидрометеоиздат, с 285-291 (Соавторы Игнатов РЮ., Егорова Е.Н.)

22 Comparison Systems of the Atmospheric Lower-Layer Diagnostic System (SDA) for Pollution Transfer Modeling Of MSC-E (Moscow) and MSC - West (Oslo). Global Change Biology, November, 2001, p 1733. (Соавтор Киктев Д Б)

23 Сравнение результатов реанализа с аэрологическими данными. Известия АН Физика атмосферы и океана, 2002, том 38 № 3, с 301-315 (соавтор Стерин AM)

24 Принципы создания системы обеспечения метеорологической информацией моделей дальнего переноса примеси в атмосфере и анализ некоторых результатов, Метеорологии и Гидрология, 2002, № 9, cip 34-50

25 Коррекция трёхмерных полей прогностических осадков по данным наблюдений для обеспечения информацией моделей переноса примеси в атмосфере, Метеорология и Гидрология, 2002, № 10, стр. 44-56 (Соавторы Цырульников М Д, Багров АН., Алферов Ю. В),

26 Оценки изменений температуры воздуха и количества осадков в крупных городах (на примере Москвы и Нью-Йорка), Метеорология и Гидрология, 2003, № 2,29-38 (Соавтор А С Гинзбург);

27 Детализация крупномасштабного поля приземной температуры для Московского региона. Метеорология и гидрология, 2003, № 7, с 19-29 (Соавторы Дмитриев Е В, Чавро А.И)

28 Оценки трендов температуры в свободной атмосфере по данным NCAR/NCEP реанализа и по радноюндовым наблюдениям Метеорология и гидрология, 2003, № 12 с (соавторы Хан В М, Стерин А)

29 Амплнтудно - Фазовые характеристики годового хода приповерхностной температуры: Сравнение расчетов по моделям обшей циркуляции атмосферы с данными реанализов, Известия РАН, Физика Атмосферы и Океана, 2004, т 40, № 4,435-449 (соавторы А В Елисеев, М С Гусева, И.И Мохов)

30 Atmospheric and Coupled Model Intercomparisoe in Terms of Amplitude - Phase Characteristics of Surface Air Temperature Annual Cycle, Advances m Atmospheric Sciences, v 21, N 6,2004,837-847 (Соавторы А Елисеев, И И Мохов, M С Гусева)

31 Динамическая детализация краткосрочных численных прогнозов с помощью региональной численной модели на примере курортного региона Минеральные Воды, МЕТЕОСПЕКТР, № 3, 2005 с 817 (Соавторы Игнатов Р Ю, Гранберг И Г .Гусева М С .Новикова ИВ)

32 Математическая оценка зон загрязнения поверхности земли ракетным топливом при падении отделяющихся частей ракет носителей, Оптика Атмосферы и Океана, 2005, № 5, с 22-34 (Соавторы Климова Е Г .Мороков Ю Н, Ривин Г С, Бородулин А И, Десятков Б М, Котпярова С С, Зыков С В .Игнатов)

33 Воспроизведение характеристик снежного покрова в моделях общей циркуляции атмосферы - Изв АН Физика Атмосферы и Океана, 2005,т № принята к публикации, (Соавтор Громов С С)

34 Валидация динамико-статистического метода детализации метеорологических параметров. Труды Гидрометцентра России, № 341, 2005, Труды Гидрометцентра России, вып 341, 2005, стр 8-34 (Соавтор Шмакин А.Б)

35 Испытание метода статистической детализации сезонного прогноза погоды для региона Москвы, Труды Гидрометцентра России, вып 341,2005, с 22-34 (Соавтор Новикова И Н)

36 Формирование н Таяние Снежного покрова в бассейнах великих сибирских рек по результатам численных экспериментов, данным наблюдений и реанализов Труды Гидрометцешра России, вып 341,2005, с 22-34 (Соавторы Громов С С, Хан В М, Игнатов Р Ю)

37 Adaptation of the PSlñNCAR ММ5 for high-resolution weather prediction over Russia Researc Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling, report N 35, APRIL 2005, WMO, p 202-205 (Соавторы Беркович JIВ, Игнатов Р Ю, Калугина Г М, Кричак С О, Цедулко М В, Захаров И Е)

38 Comparison of Free Atmosphere Temperature and Humidity Data of CARDS with the NCAR/NCEP Reanalysis Monthly Data and with Numerical Experiment Results (1979-1988). Second WCRP Conference on Reanalyses 2002, WCRP-109, WMO/TD-NO 985, p 38-42 (соавторы Стерин A M, Эскридж P)

»25925

РНБ Русский фонд

2006-4 28511

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Рубинштейн, Константин Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ. к

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ПОДГОТОВКА ЭТАЛОННЫХ ДАННЫХ ДЛЯ НАСТРОЙКИ

МОДЕЛЕЙ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

1.1. Данные климатических архивов в задаче валдации численных моделей циркуляции атмосферы.

1.2. Формулировка проблемы вертикального согласования температуры и геопотенциала в виде вариационной задачи.

1.3 Результаты согласования температуры и геопотенциала.

1.4. Учет виртуальной поправки при согласовании температуры и геопотенциала.

1.5. Алгоритм согласования температуры, геопотенциала и влажности.

1.6. Анализ временной и пространственной однородности результатов реанализов для валидации численных моделей циркуляции атмосферы.

1.7. Сравнение температуры, влажности и осадков в реанализе со станционными данными.

1.8. Анализ возможностей использования трендов температуры в свободной атмосфере для валидации климатических моделей.

1.9. Результаты анализа трендов температуры в свободной атмосфере.

Выводы из главы 1.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ И • МЕТОДЫ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Исходные уравнения модели.

2.2. Краевые условия модели.

2.3. Вертикальная дискретизация уравнений.

2.4. Параметризация физических процессов в модели ОЦА.

2.5. Параметризация горизонтальной макротурбулентности в модели.

2.6. Вертикальные турбулентные потоки в модели.

2.7. Крупномасштабная конденсация.

2.8. Влажная конвекция в базовой версии.

2.9. Процессы на подстилающей поверхности.

2.10. Радиация.

Выводы из главы 2.

ГЛАВА 3. ВАЛИДАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ

ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

I 3.1. Оценка воспроизведения средних характеристик атмосферы и суши моделью общей циркуляции атмосферы (ОЦА).

3.2. Анализ годового хода температуры тропосферы.

3.3. Вертикальная структура температурных полей.

3.4. Зонально-осредненные температуры для зимнего и летнего сезонов.

3.5. Географическое распределение температур воздуха для зимы и лета на поверхностях 850 и 200 гПа.

3.6. Анализ распределения влажности в атмосфере.

3.7. Вертикальное распределение средней по полушариям кинетической энергии.

3.8. Анализ результатов моделирования характеристик подстилающей поверхности.

3.9. Широтное распределение среднезональных величин осадков.

3.10. Широтное распределение разности среднезональных величин осадков и испарения.

3.11. Широтное распределение зонально-осредненного давления на уровне моря.

3.12. Анализ амплитудно-фазовых характеристик годового хода приповерхностной температуры.

3.13. Сравнение АФХ в результатах реанализов и численных экспериментах с моделями ОЦА.

3.14. Особенности амплитудно-фазовых характеристик годового хода ф температуры в различных регионах.

3.15. Анализ воспроизведения характеристик азиатского муссона.

3.16. Анализ воспроизведения характеристик муссонной циркуляции.„.

3.17. Анализ свойств африканского муссона в численных экспериментах с моделью общей циркуляции атмосферы.

3.18. Воспроизведение приземной температуры воздуха и ее изменчивости.

3.19. Анализ изменчивости приземной температуры.

3.20. Оценка воспроизведения интегральных характеристик снежного покрова в моделях общей циркуляции атмосферы.

3.21. Анализ интегральных характеристик снежного покрова в моделях.

Выводы из главы 3.

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МОДЕЛИ ОЦА К ПАРАМЕТРАМ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И АЭРОЗОЛЯ.

4.1. Анализ экспериментов по чувствительности характеристик ОЦА к изменению ТПО.

4.2. Постановка численных экспериментов по анализу влияния ТПО на циркуляцию атмосферы и методика анализа результатов.

4.3. Анализ влияния ТПО на средние характеристики атмосферы.

4.4. Анализ влияния ТПО на характеристики изменчивости атмосферы.

4.5. Исследование чувствительности модели к параметризации гидрологии суши и оценки сезонного хода крупномасштабного речного стока.

4.6. Параметризация процессов обмена влагой и речного стока, w основанная на полуэмпирических закономерности.

4.7. Описание численных экспериментов по изучению влияния параметризации гидролгических процессов на характеристики ОЦА.

4.8. Региональные изменения гидрологического баланса на суше и в атмосфере при сценарии уничтожения сибирских лесов.

4.9. Формирование и таяние снежного покрова в бассейнах великих сибирских рек.

4.10. Влияние изменения углекислого газа и аэрозоля на характеристики атмосферной циркуляции.

4.11. Отличия в региональных характеристиках изменчивости атмосферы полученные в экспериментах по удвоению углекислого газа.

4.12. Исследование чувствительности модели ОЦА Гидрометцентра России к транзитивному увеличению концентрации углекислого газа в экспериментах с ТПО из совместной модели атмосферы и океана.

4.13. Исходные данные и методика проведения численных экспериментов.

4.14. Сравнение интегрального отклика модели ОЦА на увеличение концентрации углекислого газа с аналогичным откликом участников MIP.

4.15. Сравнение географического распределения изменения приземной температуры в двух моделях при увеличении концентрации СОг.

Выводы из главы 4.

ГЛАВА 5. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

КРУПНОМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

5.1. Статистические методы детализации прогнозов.

5.2. Реализованный метод множественной регрессии.

5.3. Детализация температуры с использованием метода решения обратных задач.

5.4. Гибридный метод детализации приземных метеополей.

5.5. Описание метода детализации температуры и влажности почвы.

5.6. Ландшафтные и метеорологические параметры региона.

5.7. Анализ результатов расчетов для различных ландшафтов.

5.8. Анализ изменения влажности почвы для различных ландшафтов.

5.9. Динамическая детализация крупномасштабных численных прогнозов с помощью региональной модели.

Выводы из главы 5.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

6.1. Принципы создания системы обеспечения метеорологической информацией моделей дальнего переноса примеси в атмосфере.

6.2. Основные подходы к созданию Системы Диагноза Атмосферы (СДА).

6.3. Априорное сравнение версий СДА-94 и СДА-99.

6.4. Основные этапы подготовки данных в системе СДА 99.

6.5. Расчеты краткосрочных прогнозов с помощью спектральной модели ОЦА и контроль исходной информации.

6.6. Подготовка метеорологической информации для модели переноса примеси по северному полушарию (Регион 1).

6.7. Сравнение оценок загрязнения северного полушария тяжелыми металлами (свинцом), полученных с помощью двух версий моделей дальнего переноса и разных версий системы диагноза атмосферы.

6.8. Результаты анализа расчетов переноса свинца, полученных с помощью двух систем подготовки метеорологических данных.

6.9. Коррекция трёхмерных полей прогностических осадков по данным наблюдений для обеспечения информацией моделей переноса примеси в атмосфере.

6.10. Контроль качества станционных измерений осадков и приведение их к равным интервалам по времени.

6.11. Объективный анализ выпавших атмосферных осадков для произвольного пространственного разрешения.

6.12. Коррекция вертикального распределения модельных осадков.

6.13. Результаты коррекции осадков за 1996 г.

6.14. Система обеспечения метеорологической информацией задач переноса примесей для региона в рамках СДА-99.

6.15. Расчеты параметров внутри пограничного слоя.

6.16. Процедура согласования ветра с рельефом по региону.

6.17. Создание наборов метеорологических данных для региона западной Сибири за период 1980-2002 гг. с помощью модели ОЦА для моделирования загрязнения ракетным топливом приземного слоя атмосферы.

6.18. Анализ полученных метеорологических полей для Западной Сибири.

6.19. Проверка расчетов загрязнения для республики Алтай.

Выводы из главы 6.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей"

Исследования изменения современного климата является одной из важных задач в современном обществе, прежде всего в связи с растущим антропогенным воздействием на окружающую среду. Происходящие в климатической системе процессы оказывают существенное влияние на различные отрасли экономики и на многие сферы социальной жизни.

Основным современным инструментом прогноза погоды и исследования изменения климата является гидродинамическое моделирование климатической системы, компонентами которой являются - атмосфера, океан и криосфера, с учетом физических . процессов трансформации энергии между различными масштабами движения и свойств гидрологии суши.

Гидродинамическое моделирование всегда подразумевает под собой решение следующих научных задач: Формулировка и создание модели и подбор пространственной оптимальной конфигурации позволяющей проводить многолетние эксперименты; Определение методов описания физических параметров; Анализ и подготовка эмпирических эталонов для исследования результатов работы модели; Постановка, проведение и анализ большого числа экспериментов с моделью; Анализ чувствительности модели к внутренним и внешним параметрам; проведение так называемых, сценарных экспериментов; Интерпретация результатов моделирования для областей особого интереса; и, после решения перечисленных выше задач, использование модели для решения разнообразных прикладных задач.

Работа по анализу и подготовке эталонов для сравнения с результатами моделей общей циркуляции атмосферы, разработке методики проверки моделей и получению наиболее близких к наблюдениям результатов, оценке чувствительности и проведению сценарных экспериментов, интерпретации результатов моделей представляют собой большую часть представляемой работы.

Кроме исследований изменения климата, для которых, в первую очередь, предназначены модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА), они могут использоваться для получения специальных наборов данных за произвольные сроки по определенным регионам мира. Наиболее яркими проектами, в которых именно таким образом используются наиболее развитые модели ОЦА, являются проекты реанализа. Более подробная информация о них имеется во второй части первой главы работы. Результаты реанализов используются, в основном, для научных задач. Существует, однако, целые ряд прикладных экологических задач, для которых необходимы данные о циркуляции атмосферы, часто за длительный период времени. Разработке методик создания рядов метеорологических данных на основе модели общей циркуляции атмосферы для обеспечения метеорологическими данными экологических задач, является прикладной частью данной диссертации. Результаты этой работы представлены в последней главе работы.

Модели общей циркуляции атмосферы основаны на гидродинамической теории крупномасштабных атмосферных движений развитой трудами многих ученых в России и за рубежом. Основы гидродинамической теории были сформулированы в работах А.А. Фридмана, Н.Е. Кочина, И.А. Кибеля. Развитие гидродинамических методов связано с именами Россби, A.M. Обухова, Ю.Чарни, Дж. Смагоригнского, А. Манабе, Г.И. Марчука, которые заложили основы современного численного моделирования циркуляции атмосферы.

Большой вклад в развитие численного гидродинамического прогноза погоды и моделирования общей циркуляции атмосферы внесли российские ученые. Трудами Е.Н. Блиновой, В.П. Дымникова, В.П. Садокова, И.В. Тросникова, В.П. Мелешко и других были проведены обширные исследования в области теории и построения гидродинамических моделей циркуляции атмосферы.

Исследования физических процессов в атмосфере и на подстилающей поверхности, определяющих методы параметризации физических процессов в моделях, были выполнены М.И. Будыко, К.Я. Кондратьевым, Г.В. Груза, А.С. Мониным, Е.М. Фейгельсон и их учениками. Эти исследования способствовали созданию параметризационных алгоритмов, предназначенных для адекватного воспроизведения современного климата.

Представляемая работа посвящена решению следующих задач:

• Созданию методики анализа эталонных данных для валидации крупномасштабных моделей циркуляции атмосферы;

• Формулировке, реализации и анализу результатов процедуры вариационного согласования полей температуры, геопотенциала и влажности;

• Разработке методики и реализации анализа результатов реанализов, для использования их в задаче проверки и оптимизации моделей общей циркуляции атмосферы;

• Создание методики анализа и подбора оптимальных параметров и конфигурации модели общей циркуляции атмосферы, позволяющей оценить воспроизведение средних характеристик циркуляции атмосферы, годового хода и его амплитудно - фазовых характеристик, широтного распределения, воспроизведения сезонных характеристик Азиатского и Африканского муссонов, изменчивости приземной температуры воздуха и интегральных характеристик снежного покрова;

• Исследованию чувствительности модели Общей Циркуляции Атмосферы к изменению ряда внутренних и внешних параметров, таких как температуры поверхности океана, изменениям схемы параметризации гидрологических процессов на суше, изменения свойств подстилающей поверхности, изменениям концентраций парниковых газов и неоднородности распределения силы тяжести;

• Формулировке и апробации средств интерпретации результатов крупномасштабных гидродинамических моделей на основе статистических, динамических и гибридных методов;

• Разработка методики и реализации систем обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примеси на основе модели общей циркуляции атмосферы;

• Формулировке алгоритма и реализация процедуры коррекции модельных осадков по данным наблюдений, для использования в системах обеспечения метеорологическими данными о вымывании примеси на высотах;

Работа состоит из введения, шести глав, заключения.

Во введении дается краткая характеристика объекта исследования, дается некоторая информация об истории создания моделей ОЦА в России и за рубежом, и перечисляются задачи диссертации. Кроме того, приводится содержание отдельных глав диссертации.

В первой главе работы исследуются источники эмпирических данных о климате свободной атмосферы. Анализируется выполнение уравнения статики в климатических архивах температуры, геопотенциала и влажности в свободной атмосфере, используемых в качестве эталонных при валидации и анализе результатов крупномасштабных моделей циркуляции атмосферы. В ней описана предложенная автором и реализованная процедура вариационного согласования температуры, геопотенциала и влажности, обеспечивавшая выполнение уравнения статики и перераспределение вертикальной статической энергии. Архивы средних климатических характеристик, использованные далее в работе, были согласованы с помощью разработанной процедуры.

В той же главе приводятся результаты разработанной методики анализа однородности данных реанализов NCAR/NCEP в свободной атмосфере для использования их в валидации крупномасштабных моделей общей циркуляции атмосферы. Показано, что наиболее однородные ряды температуры и влажности в реанализах для хорошо освященных информацией регионов северного полушария и Австралии в среднем близки данным наблюдений, и их можно использовать в качестве эталонов. Аналогичные выводы сделаны и для вертикальных разрезов временных трендов температуры свободной атмосферы. С другой стороны, показапо, что необходимо проявлять определенную осторожность при анализе трендов осадков.

Во второй главе диссертации приводится формулировка модели общей циркуляции атмосферы, параметры конкретной реализации модели, использованной для проведения базовых экспериментов, и определяются методы параметризации физических процессов, в ней использованных. Наибольшее внимание уделяется описанию конвективных процессов в численных моделях.

В третьей главе диссертации изложена методика разносторонней валидации двух версий модели ОЦА. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит годовой ход температуры и термическую структуру тропосферы. Наблюдается систематическое выхолаживание нижней тропосферы на 1-2°С. Выхолаживание, наблюдавшееся в экспериментах в верхней тропосфере - нижней стратосфере, связано, скорее всего, с недостатками использовавшейся радиационной схемы. Отклонения результатов моделирования от эталонов в распределении влажности в атмосфере, а также скорости ветра в нижней тропосфере говорят, скорее всего, о необходимости совершенствовать параметризацию пограничного слоя в модели. Сравнение термической структуры атмосферы, полученной в экспериментах, с результатами других моделей близкого класса, показывает, что полученные в эксперименте отклонения от климата характерны для моделей этого класса. При сравнении с данными реанализов было выявлено, что над сушей высоких широт северного полушария отмечены максимумы средних значений амплитуды годовой и полугодовой гармоник приповерхностной температуры, а также их временной изменчивости. Эти особенности частично воспроизводятся спектральной моделью ОЦА.

Показано также, что модель удовлетворительно воспроизводит основные элементы азиатской и африканской муссонной циркуляции, сравнимо, а в ряде характеристик, лучше многих зарубежных моделей аналогичного класса; Учет изменчивости ТПО влияет на величины средней июльской интенсивности осадков в муссонной области, но почти не сказывается на структуре средне годового поля осадков. В третьей главе работы показано также, что модель ОЦА лучше воспроизводит характеристики снежного покрова Евразии, чем Северной Америки, и с меньшими ошибками воспроизводится площадь снежного покрова, чем массу. Показано также, что осенне-зимний процесс установления снежного покрова описывается ближе к наблюдениям, чем весенний процесс снеготаяния. География распределения снежного покрова для февраля в северной Америке и Евразии наиболее близко к наблюдениям воспроизведена в экспериментах в модели ГМЦ по сравнению с остальными Российскими моделями ОЦА в географическом расположении максимумов, хотя величины максимумов несколько преувеличенны.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу чувствительности модели ОЦА к изменению ряда внутренних и внешних параметров модели, таких как температура поверхности океана, различные методы описания гидрологии почвы, изменение свойств (типа растительности и типов почв) подстилающей поверхности Сибири, изменению концентрации углекислого газа. Показано, что учет межгодовых изменений ТПО заметно улучшает результаты моделирования в тропиках и незначительно отражается на воспроизведении аномалий температуры и осадков в средних широтах.

Сравнение результатов моделирования с различными методами параметризации гидрологических процессов показывает, что внедренная схема параметризации позволяет описать сезонный ход стока рек различных климатических зон мира вполне удовлетворительно. Результаты модели чувствительны к методам описания гидрологических процессов на суше. Включенная в численную модель схема параметризации гидрологических процессов позволяет получить оценки региональных составляющих водного баланса, и сток пресной воды в устьях крупных рек, который может быть использован при совместном моделировании океана и атмосферы как дополнительный, (наряду с осадками), источник пресной воды при воспроизведении термогалинной циркуляции океана. Модель ОЦА позволяет удовлетворительно воспроизвести основные термические и циркуляционные характеристики атмосферы с недостатками типичными для моделей подобного пространственного разрешения. Сравнение результатов численных и экспериментов с измененными свойствами подстилающей поверхности (заменой зон лесов в Сибири на травяное покрытие и соответственное изменение типов почв) показало, что водный баланс в модели весьма чувствителен к этим характеристикам, и возможно проводить исследование влияния изменения землепользования на локальный и глобальный климат.

В третьей главе анализируются характеристики снежного покрова в бассейнах крупных сибирских рек, полученные в реанализах NCAR/NCEP и ERA, а также в численных экспериментах с моделями ОЦА типа AMIP-2 ГМЦ, и для сравнения в аналогичных экспериментах с моделями ИВМ РАН и ГГО им. А.И. Воейкова. Показано, что средние за 20 лет эксперимента изменения площади снежного покрова в регионах сибирских рек Оби, Енисея и Лены воспроизводятся всеми моделями. В осенне-зимний период формирования снежного покрова результаты всех моделей близки друг к другу, а в весенний период активного таяния снега - в эксперименте с моделью ГМЦ ближе к эталону, чем в остальных российских моделях.

Результаты исследования влияния изменения концентрации углекислого газа на характеристики атмосферной циркуляции показали, что под влиянием удвоения концентрации в, так называемом, равновесном численном эксперименте, средняя приземная температура атмосферы увеличилась на 0,6-1,7°С. Величины осадков в экспериментах с моделью в среднем уменьшаются.

Проанализирован отклик модели Гидрометцентра России на транзитивное (1% в год) увеличение концентрации СО2 в экспериментах с использованием данных ТПО из аналогичного эксперимента с совместной моделью атмосферы и океана ИВМ РАН. Максимальное потепление по расчетам с моделью ГМЦ происходит на северо-западе Северной Америки и составляет 2 К, что меньше максимального отклика в эксперименте ИВМ, который составляет 3,5 К и характерен для центра Евразии. В ноябре-апреле по расчетам с моделью ГМЦ теплеет сильнее (на 2,5 К), чем в мае-октябре (на 1 К). Такая же тенденция прослеживается и по данным расчетов эксперимента ИВМ, но там отклик выше (приблизительно на 1 К) по своему абсолютному значению. Из анализа карт изменения температуры можно сделать вывод, что в целом локализация максимумов/минимумов близка, за исключением некоторых регионов. Температурный отклик модели ГМЦ на увеличение концентрации углекислого газа меньший, чем отклик модели ИВМ. Из анализа временного хода температурного отклика модели ГМЦ на увеличение концентрации углекислого газа в эксперименте и сравнению его с совместными моделями, участвующими в проекте сравнению аналогичных экспериментов с совместными - атмосфера, океан моделями - CMIP, следует, что чувствительность в описанном эксперименте ниже остальных.

Пятая глава диссертации посвящена разработке и анализу методов интерпретации результатов крупномасштабного моделирования. Известно, что, несмотря на быстрый рост мощностей вычислительной техники, крупномасштабные модели не воспроизводят локальные особенности метеорологических параметров. В пятой главе работы приводятся результаты различных подходов к интерпретации результатов крупномасштабного моделирования. В частности был разработан и реализован алгоритм детализации температуры приземного воздуха, основанный на методе множественной регрессии. Реализованный алгоритм испытан для точки с координатами г.Москвы. Испытание на ансамблях прогноза приземной температуры по двум гидродинамическим моделям Канадского Климатического центра показало, что с помощью этого алгоритма для ряда сезонов удаётся заметно уменьшить систематические ошибки сезонного гидродинамического прогноза приземной температуры. Для той же точки была построена статистическая модель, которая позволила восстановить температуру в Московском регионе со среднеквадратичной ошибкой 2.09°С, т.е. восстановить 57% от изменчивости среднесуточной температуры на метеостанциях г.Москвы.

Был предложен, реализован и испытан новый гибридный метод интерпретации результатов, основанный на расчетах по локальной модели теплового и водного баланса и статистических данных для региона г.Печоры. Показано, что при одних и тех же метеорологических условиях с помощью предложенного метода удается получить реалистичную картину разнообразия температуры подстилающей поверхности и влажности почвы для различных ландшафтов региона. Таким образом, можно считать, что процедура валидирована для региона г.Печора, для температуры и влажности.

Получены результаты детализации численных прогнозов погоды с помощью испытываемой в оперативной практике Гидрометцентра России мезо-метеорологической не гидростатической модели ММ5 (Пенсильванский университет, США). Приведены примеры прогнозов приземной температуры, скорости ветра и приземного давления для г.Кисловодска и г. Минеральные Воды. Показано, что орографическая коррекция приземной температуры и давления позволяет заметно уменьшить систематическую ошибку прогноза, связанную с разностью высот в узлах сетки и реальным расположением пунктов прогнозов.

В последней, шестой главе работы, приведены методические основы и результаты использования модели общей циркуляции атмосферы для двух прикладных экологических задач. Первая задача - это обеспечение метеорологическими данными моделей трансграничного переноса долгоживущих примесей. На основе разработанных автором подходов была реализована система обеспечения метеорологическими данными моделей трансграничного переноса примеси. Система функционировала более десяти лет для масштаба Северного полушария и Европейского региона.

В реализации обоих систем использовались единые подходы, но метеорологические данные обеспечивали расчеты принципиально разных пространственных и временных масштабов. Основные отличия систем заключалось в необходимости обеспечения выбросов от различных источников. Если для ЕМЕП важно было рассчитать переносы и осаждения от постоянно действующих источников на земле распределенных в пространстве, то для задачи выброса ракетного топлива - источник действовал очень короткое время и располагался в верхних слоях атмосферы. Из этого вытекали заметные отличия в создаваемых системах обеспечения метеорологическими данными. Так, для первой задачи были необходимы годовые наборы данных с временным разрешением не более 6 часов, в то время как для второй задачи требовались интервалы в 3 суток около срока запуска, и с 10 минутным шагом по времени. Первая задача использовала в качестве вертикальной координаты «сигма» систему, а вторая Z. В первой системе выброс и, соответственно перенос осуществлялся, в основном, в пограничном слое атмосферы, а во втором выброс происходил в стратосфере. Поэтому, можно считать, что было создано две различные системы. Единственное, что их объединяло априори, это требование создания наборов данных для определенных, но произвольных, интервалов и технологически их объединяло то, что ядром обоих систем являлась спектральная гидродинамическая модель ОЦА.

Первая задача - это обеспечение метеорологическими данными моделей трансграничного переноса примесей и вторая задача - расчет загрязнения почвы и пограничного слоя остатками топлива при запусках ракет на Алтае.

В диссертации сформулированы основные принципы создания системы обеспечения метеорологической информацией моделей переноса примесей в атмосфере. Описаны основные технологические этапы подготовки информации для северного полушария (шаг 2,5 км) и Европейского региона (шаг 50км). Проведено сравнение характеристик ветра для Европы, полученного с помощью системы с ветром из реанализа. Сравнение показало, что в течение 1996 года перенос на поверхности 850 гПа описан в СДА близко к данным реанализа. Сравнение структуры осадков и их годового хода для той же области продемонстрировало вполне удовлетворительное совпадение с эталонными данными. На основе приведенных результатов сделать вывод, что подготовленные данные вполне пригодны для использования в задаче моделирования переноса примеси в атмосфере в масштабе северного полушария.

В шестой главе приведено описание алгоритма коррекции модельных осадков по данным наблюдений. Разработанная схема использована для коррекции данных за 1996 г. Оценка качества анализа выпавших осадков методом перекрёстной проверки показала заметное повышение точности описания распределения осадков после коррекции по сравнению с первым приближением (модельными осадками). Сравнение полученных полей выпавших осадков с наблюдениями на реперных станциях, не использовавшихся при анализе, показывает приближение модельных осадков к данным наблюдений.

В последних параграфах главы приведены принципы создания и анализ результатов системы расчетов метеорологических данных с помощью модели ОЦА для задачи переноса топлива при выпусках ракет для региона Алтая. Система была создана и испытана, и можно констатировать, что система получения метеорологической информации совместно с моделью переноса и влажного осаждения вылитого горючего позволяет получить вполне реалистическую картину выпадения горючего и перенос его в атмосфере и осаждение.

В заключении перечислены основные результаты диссертации, подводятся итоги исследований, излагается видение автором развития исследований, а также того, насколько результаты работы соответствуют первоначально поставленным целям, и намечаются задачи, требующие своего решения в развитие работ.

Работа на различных этапах выполнялась в рамках тем Федеральной Службы по Гидрометеорологии и Мониторингу Окружающей Среды, где автор был ответственным исполнителем тем и отдельных разделов.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Рубинштейн, Константин Григорьевич

Личный вклад автора

Основные выносимые на защиту положения и результаты работы были получены и сформулированы диссертантом лично. Из 38 публикаций по теме диссертации 4 опубликовано без соавторов.

В работах в соавторстве вклады авторов распределись следующим образом:

А). Процедура вариационного согласования полей температуры, влажности и геопотенциала была реализована совместно с Б.М. Шиляевым, анализ результатов реанализов выполнен совместно с В.М. Хан и A.M. Стериным, расчет базовых экспериментов с моделью ОЦА совместно с Е.Н. Егоровой, анализ муссонной циркуляции с Р.Ю. Игнатовым. Параметризация гидрологического блока с описанием стоков рек с А.Б. Шмакиным, анализ амплитудно - фазовых характеристик годового хода с И.И. Моховым,

A.И. Елисеевым, М.С. Гусевой статистическая интерпретация с И.В Новиковой и.

B.В. Оганесян, динамическая детализация с помощью модели ММ5 - Р. Ю. Игнатов, И.В. Новикова, М.С. Гусева.

Автору диссертации в этом цикле работ принадлежит постановка задачи, внедрение в модель общей циркуляции атмосферы, постановка, проведение экспериментов с моделью ОЦА, подготовка данных для валидации, и во всех работах анализ и описание результатов.

Б) В создании системы обеспечения метеорологическими данными задачи трансграничного переноса примеси: На первом этапе в работе над системой принимали участие. А.В. Фролов, А.И. Важник, Е.Н. Астахова, И.А. Розинкина, Ю.В. Алферов и Д.Б. Киктев. В разработке последней версии системы, результаты которой приведены в диссертации, принимали участие Д.Б. Киктев, Ю.Д. Реснянскй, А.П. Зеленько, Е.Н. Круглова, Е.Н. Егорова, Р.Ю.Игнатов, И.Н. Куликова, М.Ю. Бардин, А. Н. Фокин, схема коррекции модельных осадков была выполнена совместно с. Ю.В. Алферовым, А.Н Багровым., М.Д. Цырульниковым

Автору диссертации в этой части работ принадлежит общая организация работ, формулировка полной схемы системы, программирование и реализация отдельных блоков, разработка методики анализа, проведение анализа и описание результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты и их новизна

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Проведено сравнение результатов многолетнего моделирования по двум версиям спектральной модели ОЦА;

• Проведен анализ характеристик снежного покрова в Российских моделях ОЦА;

Оценена чувствительность спектральной модели ОЦА к изменению ряда внутренних например, концентрация углекислого газа), и внешних (например, температура поверхности океана и свойства поверхности суши) параметров модели;

Внедрена параметризация гидрологических процессов на суше, описывающая в явном виде сток рек;

Внедрен для оперативных испытаний в Гидрометцентре России динамический метод детализации численных прогнозов с помощью региональной модели;

Внедрена процедура трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений, позволяющая радикально улучшить учет осадков для задачи вымывания примеси в воздухе.

Созданы системы подготовки метеорологической информации для моделей переноса примесей в атмосфере различного временного и пространственного масштабов.

Практическая значимость исследования а) Использование процедуры вариационного согласования полей геопотенциала, температуры и влажности позволило исправить ряд недостатков климатических архивов. б) Анализ степени временной и пространственной однородности результатов реанализов позволил определить области и интервалы их надежного использования в качестве эталонов при проверке крупномасштабных гидродинамических моделей на историческом ряде метеорологических данных. в) Внедрение параметризации с явным описанием стока рек позволило анализировать воспроизведение гидрологических характеристик для регионов водосборов, проводить исследование влияния изменения климата на сток основных рек и в будущем, при совместном моделировании атмосферы и океана учитывать сток рек как дополнительный источник пресной воды в океанах. г) Разработка и реализация методов интерпретации результатов крупномасштабных моделей позволила детализировать численные прогнозы различного масштаба. В рамках этой части диссертации в Гидрометцентре России проходит оперативные испытания метод динамической детализации численных прогнозов погоды с помощью региональной модели ММ5. Результаты этой части работы нашли целый ряд практических применений. В частности, по ее результатам в течении 2005 года в г.Пятигорске проводится составление медицинских прогнозов для пяти городов - курортов Минеральных вод. С помощью прогностических полей ветра в свободной атмосфере осуществляется прогноз переноса примеси из Европы в Сибирь. Кроме того, совместно с Петербургским филиалом института океанологии РАН, ведутся экспериментальные прогнозы ветровых нагонов в Финском Заливе, Невской Губе и на Ладожском озере. е) Разработана и внедрена система подготовки метеорологических данных для

Метеорологического Синтезирующего Центра Восток (ЕМЕП). Разработка этой системы позволила вести оценки загрязнения воздуха Европейского региона на регулярной основе в течение 10 лет с целью обеспечения информацией правительств Европейских стран. ж) Другая система подготовки метеорологических данных с использованием спектральной модели ОЦА для быстро выводимых из атмосферы примесей позволила рассчитать метеорологические данные для определения зон выпадения остатков топлива при 82 запусках ракет на Семипалатинском полигоне. з) Процедура трехмерной коррекции модельных осадков по данным наблюдений внедрена в систему подготовки метеорологических данных для задач переноса примеси в атмосфере и позволила радикально улучшить расчеты вымывания долгоживущих примесей в атмосфере.

Реализация результатов

Полученные в работе результаты используются для решения большого числа исследовательских и прикладных работ. В настоящее время проводится цикл исследований влияния новых параметризаций снежного покрова на климат [Рубинштейн и др., ФАО, 2006, принята к публикации; Хан и др., ФАО, 2006, сдана в печать], влияние неоднородности силы тяжести на свойства общей циркуляции атмосферы [Макоско и др., МИГ, 2006, № 2, принята к публикации] и в других. Их проведение стало возможным только после реализации проверенной и подготовленной версии спектральной модели ОЦА.

Все изложенные в работе подходы и методы, могут, по мнению автора, получить дальнейшее развитие.

Так, например, в настоящее время проходит испытание новый метод параметризации снежного покрова, и он испытывается на основе моделирования общей циркуляции атмосферы, и, в дальнейшем, предполагается использование его в сценарных экспериментах для развития описания возможных тенденций изменения климата и изучения характера изменения снежного покрова в Евразии. Эти разработки стали возможны только после того, как были подобраны параметры модели ОЦА, позволяющие реалистично воспроизводить наблюдаемый климат, и было показано, что интегральные характеристики снежного покрова в Евразии и Северной Америке, а также в регионах Сибирских рек воспроизводятся сравнимо с лучшими современными моделями.

В шестой главе диссертации приведен пример того, что система обеспечения метеорологической информацией задачи трансграничного переноса примеси может также развиваться и использоваться для целого ряда других, не менее важных для общества задач, связанных с атмосферной циркуляцией.

В связи с этим можно считать, что работа служит определенным этапом в развитии численного моделирования характеристик общей циркуляции атмосферы и задач, связанных с переносом примесей в атмосфере.

Апробация работы

Диссертантом всего опубликовано 74 научные работы.

Из них в журналах Известия АН РАН, серия Физика атмосферы и океана - 3, Метеорология и Гидрология - 14, Оптика атмосферы и океана - 1, Вычислительные Технологии - 3, международных изданиях — 6, тематических сборниках — 4, в трудах Гидрометцентра СССР, Гидрометцентра России и ВНИИГМИ-МЦД - 6.

Результаты диссертации неоднократно докладывались на Российских и зарубежных конференциях и семинарах:

XX Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза (1995, Гамбург, Германия);

Геофизическом Союзе Мексики (1997, Пуэрто - Ваярта, Мексика);

Второй международной конференции по климату и воде, (1998, Эспоо, Финляндия);

Международной конференции по моделированию загрязнения в атмосфере, (1998, Париж, Франция);

Второй международной конференции по реанализам, (1999, Рединг, Англия);

Международной конференции по моделированию Систем Земли, (2003, г.Гамбург, Германия);

Пятой международной конференции по городской климатологии, (2003, Польша, г.Лодзь);

Всемирной конференции по изменению климата, (2003, Москва);

Восьмой международной конференции по атмосферным наукам (2003 г.Цукуба, Япония);

Первой международной научной конференции по климату и криосфере, (2005, Пекин, Китай).

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Рубинштейн, Константин Григорьевич, Москва

1. Александров Э.Л. О поведении капель ракетного топлива в атмосфере. Метеорология и гидрология, 1993, № 4, с. 36-45.

2. Алексеев В.А., Володин Е.М., Галин В.Я., Дымников В.П., Лыкосов В.Н. Моделирование современного климата с помощью атмосферной модели ИВМ РАН. Препринт ИВМ N. 2086-В98 М., Институт вычислительной математики РАН, 1998, 180 с.

3. Алибегова Ж.Д. Пространственно-временная структура полей жидких осадков. Л., Гидрометеоиздат, 1985,230 с.

4. Алферов Ю.В. О восстановлении значений 6-часовых сумм осадков по данным синоптических наблюдений. Тр. Гидрометцентра России, 2000, вып. 334, стр. 44-51.

5. Аракава А. Параметризация кучевой конвекции. В кн.: Труды второго Токийского симпозиума по численным методам прогноза погоды 26 ноября - 4 декабря 1968 г. Л., Гидрометеоиздат, 1971, с. 225-233.

6. Арутюнян Р.В., Беликов В.В., Головизнин В.М. и др. Модели распространения радиоактивных загрязнений в окружающей среде. Известия Академии Наук. Энергетика № 1 1999 г.

7. Атлас климатических характеристик температуры, плотности и давления воздуха, ветра и геопотенциала в тропосфере и нижней стратосфере Северного полушария, вып. 1, М„ Гидрометеоиздат, 1975.

8. Атлас теплового баланса. Изд.2-е. Под. ред. Будыко М.И. Л., Гидрометеоиздат, 1963.

9. Белинский В. А. Динамическая метеорология. Гостехиздат, 1948, 703 с.

10. Белоусов С. Л. и др. Обработка оперативной метеорологической информации с помощью электронных вычислительных машин. Л., Гидрометеоиздат, 1968.

11. Блинова Е.Н. Гидродинамическая теория волн давления и центров действия атмосферы. ДАН СССР, 1943, - Том 39, - № 7, с. 284-287.

12. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1956, 255 с.

13. Будыко М.И. Изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 38 с.

14. Вильфанд P.M., Садоков В.П., Тищенко В.А. О связи границы снежного покрова с интенсивностью циклонической деятельности в Северном полушарии. Метеорология и Гидрология, 2002, № 9, с. 32-39.

15. Володин Е.М. Численная модель совместной циркуляции гдобальной атмосферы и тропиков тихого океана, Известия АН, Физика Атмосферы и океана, 2002, т. 38, № 1, с. 5-19.16

Информация о работе

Рубинштейн, Константин Григорьевич
доктора физико-математических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.30

Диссертация

Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы