Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Модификация схемы параметризации турбулентности устойчивого ПСА по результатам сравнительного анализа ошибок гидродинамического моделирования атмосферы

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Модификация схемы параметризации турбулентности устойчивого ПСА по результатам сравнительного анализа ошибок гидродинамического моделирования атмосферы"

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (РГГМУ)

0046174 г1

Атласкин Евгений Македонович

МОДИФИКАЦИЯ СХЕМЫ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

УСТОЙЧИВОГО ПСА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ОШИБОК ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

АТМОСФЕРЫ

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1 6 Д£[{

2010

004617471

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Российский Государственный Гидрометеорологический Университет»

Научный руководитель'.

доктор физико-математических наук, профессор

Смышляев Сергей Павлович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Генихович Евгений Львович Кандидат географических наук

Цепелев Валерий Юрьевич Ведущая организация

Гидрометцентр России

Защита диссертации состоится 23 декабря 2010 г. в 15 часов 15 мин на заседании диссертационного совета Д212.197.01 при Российском Государственном Гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан <у%з» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор географических наук, профессор

А. И. Угрюмов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современный прогноз состояния пограничного слоя атмосферы на основе гидродинамических моделей прогноза погоды (ГМПП) при наблюдаемом холодном устойчивом пограничном слое атмосферы (УПС) сопровождается значительными ошибками. Величина ошибки прогноза приземной температуры (Т2м) при наблюдаемом УПС может превышать 10 °С. Особенностями УПС являются: анизотропия термодинамической и радиационной структур, чувствительность к орографии и элементам поверхности, отсутствие турбулентности или ее перемежаемость, внутренние гравитационные волны, которые могут доминировать в УПС или взаимодействовать с турбулентностью, существенное влияние потоков длинноволновой (ДВ) радиации, которое может доминировать над турбулентными потоками тепла.

В силу данных особенностей, УПС плохо поддается математическому описанию. Проблема является комплексной. Основными процессами в УПС являются длинноволновое излучение, которое, в свою очередь, зависит от облачности и концентрации парниковых газов, турбулентность, а также процессы на поверхности. Эти процессы в моделях описываются соответствующими схемами параметризаций. Таким образом, точность модельного описания потоков тепла, влаги и количества движения в УПС, в конечном итоге, зависит от точности различных параметризационных схем.

Решение проблемы моделирования формирования и эволюции УПС подразумевает как нахождение новых математических формулировок, основанных на более точном приближении, так и использование больших вычислительных ресурсов. Разработки, направленные на решение проблемы, активно ведутся национальными и международными центрами, развивающими модели и предоставляющими данные синоптическим службам. Например, в работе Сукорианского и др. (2005) построена теория квазинормаль;

исключения масштаба возмущения (КНИМ) для описания турбулентности в условиях устойчивости и слабой неустойчивости, на основе которой получены формулировки для безразмерных функций стратификации для тепла и количества движения. Модели с различной степенью точности могут воспроизводить процессы, определяющие структуру УПС. Непонятно, насколько хорошо различные алгоритмы способны воспроизводить структуру УПС, и связана ли ошибка также и с недостаточным горизонтальным или вертикальным разрешением.

Сама методика сравнения результатов моделирования с данными измерений в условиях УПС также является нетривиальной задачей. При усилении устойчивой стратификации растет влияние локальных факторов на турбулентные потоки и потоки радиации, а, следовательно, на температуру. Поэтому в условиях УПС измеренная температура является репрезентивной величиной только для ограниченной территории в окрестности станции наблюдений с однородными по пространству свойствами поверхности. В свою очередь, спрогнозированная моделью величина Т2м представляет собой среднее значение в пределах ячейки регулярной сетки, которая может покрывать различные типы поверхности. Сравнение точечных наблюдений с данными модели, осредненными в пределах ячейки сетки, содержит, таким образом, ошибку, связанную с пространственной изменчивостью, которая растет с усилением устойчивой стратификации. Эту ошибку можно назвать методологической. Методологическая ошибка порождает неопределенность в оценке точности моделей.

Комплексная сравнительная оценка точности воспроизведения приземной температуры современными оперативными гидродинамическими моделями прогноза погоды применительно к УПС является актуальной задачей. Полезно более подробно высветить роль различных процессов и факторов и разработать рекомендации по дальнейшим направлениям развития моделей. Результаты анализа будут также, безусловно, полезны при принятии решения дежурными синоптиками. При проведении анализа важно понять, какой вклад в ошибку

прогноза вносит методологическая ошибка, а какой - собственно ошибка моделирования.

Актуальными являются также включение новых теоретически обоснованных математических формулировок в схемы физических параметризаций моделей для условий УПС и апробация соответствующих алгоритмов. На основе формулировок для функций стратификации, полученных в работе Сукорианского и др. (2005), могут быть модифицированы схемы параметризации турбулентности в ГМПП.

Цели диссертационной работы

1. Комплексный сравнительный анализ ошибок прогнозов по различным оперативным гидродинамическим моделям для условий холодного устойчивого пограничного слоя атмосферы с использованием различных видов измерений.

2. Модификация блоков турбулентного замыкания для приземного и пограничного слоев атмосферы в модели прогноза погоды с использованием спектральных функций устойчивости; исследование чувствительности результатов моделирования к модификациям блоков турбулентного замыкания. Для выполнения поставленных целей в диссертационной работе были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:

а) оценка точности воспроизведения ночной приземной температуры в зимний период различными оперативными моделями прогноза погоды для территории Европы и европейской части России на основе данных стандартных измерений (БУМОР);

б) создание автоматической системы сбора, обработки и архивации данных измерений Арктического Научно-Исследовательского Центра Финского Метеорологического Института (АНИЦ ФМИ) в Соданкюля, северная Финляндия;

в) оценка точности воспроизведения температурной структуры приземного подслоя различными моделями с использованием данных комплексных метеорологических наблюдений АНИЦ ФМИ, Соданкюля;

г) оценка ошибок модельного воспроизведения приземной температуры при фильтрации локальной изменчивости по данным мезомасштабной сети метеорологических наблюдений "Helsinki Testbed";

д) модификация блоков турбулентного замыкания для приземного и пограничного слоев атмосферы в гидродинамической модели прогноза погоды с использованием спектральных функций устойчивости;

е) оценка чувствительности температуры, скорости ветра и турбулентных потоков в приземном и пограничном слоях к выполненным модификациям по данным эксперимента BASE.

Научная новизна

Получены новые комплексные оценки воспроизведения термической структуры приземного подслоя в УПС различными ГМПП с использованием различных видов измерений, включая исследования по фильтрации локальной изменчивости. Впервые выявлена относительная роль ошибок, связанных с горизонтальным и вертикальным разрешением моделей. Получены новые оценки чувствительности результатов моделирования к модификации блоков параметризации турбулентности с использованием формулировок теории квазинормального исключения масштаба возмущения. Разработаны рекомендации по дальнейшему развитию моделей для более точного воспроизведения процессов в УПС. Все указанные этапы исследования, посвященного сравнительному анализу ошибок моделирования термической структуры УПС моделями IFS, HIRLAM, AROME, ARPEGE, GFS, а также модификация и апробация блока турбулентного замыкания в модели HIRLAM выполнены впервые.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты комплексного сравнительного анализа ошибок прогнозов по различным гидродинамическим моделям прогноза погоды в условиях холодного устойчивого пограничного слоя атмосферы с использованием различных видов измерений; анализ относительной роли ошибок, связанных с горизонтальным и вертикальным разрешением моделей;

2. Модификация блоков турбулентного замыкания гидродинамической модели прогноза погоды с использованием новых формулировок для функций устойчивости;

3. Результаты численных экспериментов по чувствительности модельных профилей температуры, скорости ветра и турбулентных потоков к модификациям схемы параметризации турбулентности.

Обоснованность н достоверность результатов

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается согласованностью с оценками, полученными в независимых исследованиях, а также сравнением с данными измерений.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы

Теоретическая и практическая значимость результатов работы состоит в определении направлений решения проблемы моделирования устойчивого пограничного слоя атмосферы и в рекомендациях разработчикам моделей.

Научный интерес также представляет собой обзор по проблеме моделирования Т2м на основе современных оперативных моделей прогноза погоды в условиях устойчивого пограничного слоя в зимний период.

Практическую ценность представляет созданная в процессе работы автоматическая система сбора, обработки и архивации данных измерений Арктического Научно-Исследовательского Центра Финского Метеорологического Института (АНИЦ ФМИ) в Соданкюля, северная Финляндия. Данные свободно доступы для использования с сайта http://litdb.fmi.fi. Оценки воспроизведения низкой приземной температуры прогностическими моделями могут использоваться при принятии решения дежурными синоптиками.

В блок турбулентного замыкания прогностической модели высокого разрешения НШЬАМ внедрена методика вычисления функций устойчивости. Результаты численных экспериментов по чувствительности модели НГЯЬАМ к включению этой методики представляют собой научный интерес и практическую значимость.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертационной работе результаты получены автором самостоятельно.

Апробация работы

Основные результаты представленной диссертационной работы были представлены на международной конференции и школе молодых ученых по теме «Пограничные слои атмосферы над сложными поверхностями и растительностью» (Соданкюля, Финляндия, 2005 г.), ежегодном семинаре разработчиков и пользователей системы НШЬАМ (София, Болгария, 2006 г.), третьем международном семинаре «Верификация мезомасштабных моделей прогноза погоды» (София, Болгария, 2006 г.), конференции и школе молодых ученых «Негидростатическая динамика и ассимиляция данных с высоким разрешением» (Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.), летней школе молодых

ученых «Взаимодействие атмосферы и океана» (Хельсинки, Финляндия, 2006 г.), международном семинаре «Облачный пограничный слой» (Тулуза, Франция, 2007 г.), школе молодых ученых «Геофизическая турбулентность и пограничные слои: природа, теория и роль в системах Земли» (Хельсинки, Финляндия, 2007 г.), научном семинаре в университете Хельсинки (Хельсинки, Финляндия, 2007 г.), восемнадцатом международном симпозиуме американского метеорологического общества по пограничным слоям и турбулентности, (Стокгольм, Швеция, 2008 г.), ежегодном собрании Европейского метеорологического общества и Европейской конференции по практической климатологии (Амстердам, Нидерланды, 2008 г.), итоговой сессии ученого совета РГТМУ (Санкт-Петербург, 2008 г.), ежегодном семинаре разработчиков и пользователей систем HIRLAM и ALADIN (Утрехт, Нидерланды, 2009 г.).

Основные результаты по теме диссертации представлены в 4 печатных работах; материалы изложены в двух научно-исследовательских отчетах по грантам для студентов, аспирантов, молодых учёных, молодых кандидатов наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2008 и 2009 г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из Л? наименований и одного приложения. Общий объем работы составляет страниц, включая 30 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор, посвященный современным исследованиям в области физики процессов в УПС и проблемам их модельного воспроизведения. Проблема УПС стала наиболее актуальной в последние десятилетия, когда оказалось, что при увеличении численного разрешения моделей, которое привело к существенному увеличению точности воспроизведения многих процессов, включая конвекцию и осадки, моделирование физики УПС сопровождается значительными ошибками. Очевидно, что используемого численного разрешения недостаточно для воспроизведения физики УПС, которая имеет тонкую и слабо-уловимую природу. Область применимости математических формулировок, используемых для параметризации физических процессов в ПСА, также ограничена его слабоустойчивым режимом.

Основным процессом, отвечающим за формирование УПС, является выхолаживание поверхности путем излучения ДВ радиации. Температурная инверсия, с одной стороны, подавляет турбулентные потоки, с другой -усиливает градиент скорости ветра. В зависимости от точки баланса силы статической устойчивости и силы динамической неустойчивости в УПС могут наблюдаться такие процессы как перемежающаяся турбулентность, внутренние гравитационные волны, катабатические течения, струйные течения низкого уровня, плотностные потоки, а также отделение атмосферы от поверхности. Последний процесс представляет собой прекращение обмена теплом между атмосферой и поверхностью за счет подавления вертикальных турбулентных потоков. Адекватное описание приведенных выше процессов в ГМПП затруднено из-за высоких требований моделей к пространственному разрешению и, следовательно, вычислительным ресурсам. Задача усложняется при учете свойств поверхности. Излучательная способность поверхности

зависит от ее свойств, которые, как правило, заметно варьируются в пространстве. Турбулентные потоки в УПС наиболее чувствительны к орографическим элементам поверхности. Описание физических и динамических свойств УПС, таким образом, является нетривиальной задачей и требует как теоретического и экспериментального изучения свойств УПС, так и больших вычислительных ресурсов.

Основной трудностью при вычислении радиационных потоков является определение коэффициентов пропускания и поглощения парниковых газов, которые имеют очень большое количество полос поглощения и пропускания. В вычислениях данных коэффициентов используются различные статистические модели. Параметризация турбулентных потоков в гидродинамических моделях, используемых для оперативного прогноза, основана на теории подобия Монина-Обухова. Основной проблемой турбулентного замыкания является невозможность определить точный аналитический вид безразмерной функции от параметра стратификации, не прибегая к каким-либо дополнительным гипотезам.

Во второй главе приведен обзор, посвященный результатам исследований по сравнительному анализу результатов гидродинамического моделирования для условий УПС. Исследования, посвященные этой проблеме, проводились 4-12 лет назад. Выводы, сделанные различными авторами относительно природы ошибок и методов их решения отличаются друг от друга. Авторы приходят к разным выводам: что основным аспектом ошибки моделирования является относительно грубое разрешение вертикальной и горизонтальной сеток моделей, что проблема ошибок моделирования пограничного слоя в УПС может быть связана с ошибками физических параметризаций длинноволновой радиации и турбулентных потоков, что модели довольно реалистично воспроизводят температурную инверсию у земли, однако недооценивают тенденцию температуры на поверхности растительного покрова. Однако исследования выполнены для ограниченной территории, короткого интервала времени, для территории США, где климат

умеренный, для осеннего сезона. Моделирование выполнялось не в оперативном режиме, а с так называемым "холодным" стартом.

В третьей главе выполнен комплексный сравнительный анализ ошибок моделирования температурной структуры УПС и оценен вклад ошибки моделирования Т2м и методологической ошибки в ошибку прогноза Т2м. Сравнительный анализ выполнялся для оперативных моделей: IFS (ECMWF), HIRLAM (консорциум северных стран Европы), AROME (консорциум Франции и стран восточной Европы ALADIN), ARPEGE (метеослужба Франции) и GFS (NCEP).

Ошибки моделей анализируются за зимы с 01.12.2008 по 01.03.2009 и с 01.12.2009 по 01.03.2010. В работе основное внимание уделено анализу приземной температуры и температуры на нижнем модельном уровне. Для оценок использовались данные синоптических наблюдений SYNOP, данные комплексных измерений Арктического Научно-Исследовательского Центра Финского Метеорологического Института (АНИЦ ФМИ), Соданкюля, данные 36 станций мезомасштабной сети метеорологических наблюдений "Helsinki Test bed". Для сбора, обработки, архивации и предоставления комплексной информации пользователям мною была разработана автоматизированная система сбора и обработки данных. Данные находятся в свободном доступе на сайте http://litdb.fmi.fi в разделе "SMS data".

Срок прогноза для сравнения - 00:00 УКВ и 12:00 УКВ, период прогноза -24 ч. Для сравнения с данными SYNOP, модельные данные, представленные на регулярной сетке, были проинтерполированы в точки расположения станций наблюдений с использованием метода билинейной интерполяции. При сравнении модельных данных с данными измерений АНИЦ ФМИ использовались данные ближайшего узла регулярной сетки модели. Для вычисления вертикального градиента температуры в слое 2-32м смоделированная температуры была проинтерполирована на уровень 32 м. Мезометеорологическая сеть наблюдений "Helsinki Testbed" имеет такую густоту, что обычно в пределах ячейки сетки модели расположено несколько

измерительных станций. Это позволяет оценить относительный вклад в ошибку прогноза ошибки моделирования и методической ошибки, имеющей место из-за пространственной изменчивости. Ошибка воспроизведения Т2м в ячейке регулярной сетки модели при фильтрации локальной изменчивости вычислялась путем осреднения измеренной температуры в пределах ячейки сетки модели. По сути, она представляет собой ошибку моделирования. Локальная изменчивость в пределах ячейки сетки рассчитывалась как максимальная абсолютная разница измеренной температуры. Сравнение ошибки моделирования с локальной изменчивостью выполнено путем вычисления относительной ошибки моделирования, равной

А Г„.

|А ТоЬ

(1)

где |ДГостах пространственная изменчивость в ячейке сетки.

Сравнительный анализ результатов гидродинамических моделей на основе данных синоптических наблюдений подтвердил (рисунок 1), что проблема больших ошибок модельного прогноза Т2м при низких температурах не решена ни в одной модели. Значения Т2м систематически завышаются всеми моделями при низких значениях Т2м. На основе данных измерений температуры на 48-метровой мачте АНИЦ ФМИ показано, что низкие приземные температуры, которые плохо прогнозируются моделями, наблюдаются при устойчивой стратификации, сформировавшейся в условиях слабого ветра, отсутствии или слабой адвекции температуры, а также при отсутствии или малом количестве облачности нижнего яруса. На рисунке 2 представлены диаграммы зависимости ошибки воспроизведения Т2м моделями от величины наблюдаемого вертикального градиента температуры. Сильно устойчивая термическая стратификация недооценивается всеми моделями. Анализ эволюции приземной температуры в модельных циклах «анализ-прогноз» показал, что, эволюция термической структуры ПСА в модельных

а) ШЭ

б) НШЬАМ

О

о

гч Н

йшамз?! Ыя ■ Вш йагя

т___\

......I 1

т-1

г I"1

~4~

и

О

О!

н

_ 5 В 1 ш а\«еаге сЫя

? - .

т Т г1 л Л

**

4 V Г.1 ы

1

Измеренная Т2м, °С в) АЯОМЕ

Измеренная Т2м, °С г)

О

21

н

а

л

«

и Ч

1 1 ЗШЕМИ £1з?П Вт г^яаге сЫа ж и 1 . 1 _ ХЙЙОЕЗ сЬйа !

га' Н § 1 0

л !

Г .. 1 -1 X Й ч> -тТ

Ф £ о ? -30 -40 \

* \

-40 -50 -20

40 -30 -20 -10

Измеренная Т2м, °С д) АКРЕОЕ

О

О 2"1

Я

н 1) ч о

2

5 !

*-[ Е 31 В'ЛЩ е Лу:; *

1 1 £ "

! г

1 *

Измеренная Т2м, °С

температуры; • среднее значение модельной Т2м в интервале значений наблюдаемой Т2м, равном 4 "С;

Н стандартное отклонение модельной темпертуры в интервале 4 °С.

Измеришая Т2м (°С)

Рисунок 1 - Диаграмма рассеяния модельной температуры и наблюдаемой температуры на станциях 8У\ОР 14

2 гл Н

_ 1 1 ...

- • • '

• • »

- п □ -

- 1111 |

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.35 0.3 035 0.4

О

О

а"

Н

ю к

а о

сПУсЬ,,аблюдо,™. °С/м в) АЯОМЕ

- -

в

• И» * г ® V

- 1 рЬ'® ГеРв « Чз • -

в □ "

1 1 □ | ( 1 1

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 02 £25 0.3 0.35 0.4

(УТ/дХиабтадення. °С/м д) АКРЕОЕ

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 03 0.35 0.4

(1ТМ/||УПЛЮЛС11ИЯ С/м г) виз

о а" н

о а с

<0 Ьй

ю

3

с]1/с!/и;10л[и']с1[ия °С/м

— линеиная регрессия;

о -20 °С < Т2мизмерения < -10 °С;

• Т2ми

, < -20 °С;

(1ТМг11абшодения. °С/м

Рисунок 2 - Диаграмма рассеяния ошибки прогноза Т2м и вертикального градиента температуры в слое 3-32м, наблюдаемого на 48-м мачте АНИЦ

ФМИ, Соданиоля

вычислениях более инертна по сравнению с наблюдаемой. Большие ошибки воспроизведения температурной структуры ПСА у земли имеют место также в начальных данных модельных циклов, что указывает на ошибки процедуры анализа данных наблюдений. Т2м является диагностической величиной, она вычисляется по значениям температуры на поверхности и температуры на нижнем модельном уровне. Она близка к температуре поверхности и, следовательно, определяется в основном балансом тепла на поверхности. Недооценка моделями величины устойчивой стратификации связана непосредственно с недооценкой степени выхолаживания поверхности. Модельный обмен теплом между атмосферой и поверхностью происходит интенсивнее, чем фактический. Эволюция теплового баланса на поверхности в модельных вычислениях более инертна по сравнению с наблюдаемой.

Анализ, выполненный по данным мезомасштабной сети «Helsinki Testbed» показал, что ошибка моделирования Т2м так же как и ошибка прогноза на станциях, имеет тенденцию к увеличению при понижении температуры. При этом ошибка моделирования Т2м доминирует над величиной пространственной изменчивости (рисунок 3) при низких температурах (с учетом того, что для моделей HIRLAM и AROME характерна отрицательная ошибка, которая нивелируется при низких значениях наблюдаемой температуры). Следовательно, роль горизонтального разрешения моделей при воспроизведении турбулентности и потоков ДВ радиации применительно к УПС над слабо изменяющейся в пространстве орографией незначительна. Это, в частности, подтверждается результатами модели AROME, которая имеет малые пространственные размеры горизонтальной сетки (2.5км) и негидростатический динамический блок.

В четвертой главе приведено описание модификации схем турбулентного замыкания модели HIRLAM для приземного и пограничного слоев атмосферы с использованием безразмерных функций от стратификации, предложенных в работе Сукорианского и др. (2005). Выражения для вертикальных потоков в слое постоянных потоков имеют следующую форму:

6) HIRLAM "I-Г

Наблюдаемая Т2м>ч (°С)

в) AROME ~г

Наблюдаемая Т2мач (°С) д) ARPEGE

. 1 -I— 1 \ \ 1 1

\ -

1______—1'

1 1 1 1 1

-is -ю

Наблюдаемая Т2мяч (°С)

Наблюдаемая Т2м,ч (°С) г) GFS

и

о

о

н

<1

S гч

н

<3

Наблюдаемая Т2мяч (°С) ДТ2миод/|ДТоЬ5|т„ - относительная ошибка моделирования Т2м; ДТ2мм0Я - ошибка моделирования Т2м; Наблюдаемая Т2м яч - средняя в ячейке сетки наблюдаемая Т2м; Верхняя граница прямоугольников -средняя относительная ошибка моделирования в интервале, равном 4 °С; — квадратическая аппроксимация, соответствующей статистической зависимости.

Рисунок 3 - Зависимость относительной ошибки моделирования Т2м от средней по ячейке модельной сетки величины Т2м, измеренной на станциях

сети "Helsinki Testbed"

м>'/ = СгАГ\Ук\, (2)

где и>'/ - средний вертикальный кинематический поток свойства у; у соответствует скорости ветра, температуре, удельной влажности; Ст соответствует коэффициенту сопротивления потока количества движения, или коэффициентам вертикального переноса тепла и влаги; Лу - разница между значением параметра у на нижнем модельном уровне и его значением на поверхности; | | - модуль скорости ветра на нижнем модельном уровне.

В базовой версии модели ШЯЬАМ коэффициенты переноса количества движения Су определяются по схеме Льюиса (1979, 1982). Выражения для коэффициентов переноса количества движения Су и тепла Си, полученные на основе спектральной модели КНИМ, имеют следующий вид:

¿2

С =—-— (3)

где Ч*|[7| - безразмерная функция от стратификации для количества движения, - безразмерная функция от стратификации для тепла, влаги и количества движения. Для случая нейтральной и устойчивой стратификации они определены равными:

4'M=ln(?/i-o)+2.25(ff-ffe)(l-0.09ff) (4)

Ч», =Pr0{ln(?/fo)+2(^-?0)[l + 1.022 + 0.0745 -2.5^ + 2.5ff-1.25® (5)

где Рг0 - число Прандтля для безразличной стратификации, ^ = ~ —

безразмерная функция стратификации в приземном слое; ^о = = —^ -

безразмерная функция стратификации ниже уровня шероховатости; го -параметр шероховатости для количества движения; £ - масштаб Монина-Обухова. Замыкание системы уравнений для пограничного слоя атмосферы в модели НШЬАМ основано на решении прогностического уравнения для кинетической энергии турбулентности и диагностического уравнения для турбулентного пути смешения. Традиционно моменты первого порядка выражаются через коэффициент турбулентного обмена Ку и градиент среднего значения прогностической скалярной величины у, а именно

В базовой версии модели Н1ЯЬАМ К7 рассчитывается по формулам, предложенным Кужо и др. (2000) и Лендеринка и Хольтслага (2004). Модифицированная схема турбулентного замыкания для пограничного слоя атмосферы также основана на использовании прогностического уравнения для КЭТ и диагностического уравнения для пути смешения. Выражение для коэффициентов турбулентной вязкости и диффузии имеет следующий вид:

где с0=0.55, аг - безразмерная функция стратификации, / - путь смешения, рассчитывается на основе пути смешения для устойчивого случая и пути смешения Блакадара (1968) для безразличной стратификации. Путь смешения для устойчивого случая вычисляется на основе формулировок, используемых в модели НЖЬАМ. Для устойчивого режима функции стратификации для количества движения и тепла (влаги) определены, соответственно, равными:

(6)

Кг =с0аг1^/Ё

(7)

1 + 8Д/2

(8)

а.

1'1 .1 + 2.3Я/ + 35ЯГ

_1.4-0.0Ш + 1.29Д>2 "та~ 1+2.44Я; + 19.8Кг2

где Ri - градиентное число Ричардсона. Для тестирования модифицированной схемы и исследования чувствительности модели к модификации проведены численные эксперименты на основе одномерной версии модели HIRLAM. Одномерная модель рассчитывает эволюцию крупномасштабных физических характеристик при заданных значениях горизонтальной и вертикальной адвекции. Задаваемые параметры называются управляющими параметрами, их значения могут определяться на основе данных измерений. В качестве начальных и граничных условий использовались данные эксперимента BASE. В качестве эталонных профилей, с которыми сравнивались результаты численных экспериментов, использовались результаты моделей, разрешающих мелкую турбулентность (LBS).

Для исследования чувствительности базовой и модифицированной схем к разрешению по вертикали были проведены эксперименты с высоким и с грубым разрешением - приблизительно 8 и 60 метров. Высота нижнего модельного уровня при данных разрешениях составляет приблизительно 3.5 и 31 метр, соответственно. Расчеты показали хорошую согласованность профилей температуры (рисунок 4), скорости ветра (рисунок 5) и турбулентных потоков, полученных на основе модифицированной схемы, с соответствующими эталонными профилями при высоком разрешении. При грубом разрешении наблюдается отклонение профилей, для температуры - в сторону холодных температур, для скорости ветра - в сторону более низких значений. Было выявлено, что схема Льюиса (базовая схема) не чувствительна к изменению вертикального разрешения в условиях устойчивого пограничного слоя, что не логично с точки зрения физики, так как организация УПС имеет очень тонкую структуру. Схема, модифицированная на основе теории КНИМ, чувствительна к изменению вертикального разрешения. Это логично с точки зрения физики, но не удобно с точки зрения практических приложений, так как

— эталонный профиль — старая схема —х— новая схема

Рисунок 4 - Расчетные вертикальные профили потенциальной температуры

.— эталонный профиль — старая схема —новая схема

Рисунок 5 - Расчетные вертикальные профили скорости ветра

высокое разрешение требует больших вычислительных затрат.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в

исследовании.

1. По стандартным измерениям оценена точность воспроизведения приземной температуры в зимний период оперативными моделями прогноза погоды IFS, HIRLAM, AROME, GFS и ARPEGE для территории Европы и европейской части России. Показано систематическое завышение всеми моделями величины приземной температуры при температурах ниже -10 С.

2. Оценена точность воспроизведения температурной структуры ПСА у земли с использованием данных комплексных метеорологических наблюдений АНИЦ ФМИ, Соданкюля. Показана значительная зависимость ошибки прогноза приземной температуры от величины наблюдаемой устойчивой термической стратификации. Выявлена существенная ошибка воспроизведения моделями термической структуры ПСА в слое у земли.

3. Выполнен сравнительный анализ эволюции термической структуры ПСА у земли в модельных циклах «анализ-прогноз». Показано, что рассматриваемые модели способны воспроизводить только слабо устойчивый режим, но не способны воспроизводить сильно устойчивый режим. Большие ошибки воспроизведения температурной структуры ПСА у земли имеют место также в начальных данных модельных циклов, что указывает на ошибки процедуры анализа данных наблюдений. Модельный обмен теплом между атмосферой и поверхностью происходит интенсивнее, чем наблюдаемый, а эволюция теплового баланса на поверхности в модельных вычислениях более инертна по сравнению с наблюдаемой.

4. Оценена точность воспроизведения приземной температуры по данным мезомасштабной сети метеорологических наблюдений «Helsinki Testbed». Показано, что при фильтрации локальной изменчивости наблюдаемой температуры в пределах ячейки модельной сетки ошибка моделирования Т2м , также, как и ошибка, рассчитанная по станциям, систематически растет при понижении температуры. Также показано, что ошибка моделирования

доминирует над пространственной изменчивостью наблюдаемой температуры. Это означает, что роль горизонтального разрешения над слабо изменяющейся орографией незначительна.

5. Выполнена модификация блока параметризации турбулентности с использованием теоретически обоснованных формулировок для безразмерных функций стратификации, предложенных Сукорианским и др., (2005) в одномерной модели ШЯЬАМ для единичного столба воздуха. Показано, что профили температуры, скорости ветра и турбулентных потоков лучше воспроизводятся модифицированной схемой, особенно при высоком разрешении. Базовая схема нечувствительна к увеличению разрешения. Таким образом, решение проблемы моделирования УПС подразумевает использования высокого разрешения по вертикали наряду с применением более точных математических формулировок.

Атласкин Е. М. Исследование чувствительности гидродинамической модели прогноза погоды к изменению функций стратификации в блоке параметризации турбулентности // Ученые записки РГГМУ. - 2010 № 15, С. 69-81. Atlaskin Е., Kangas М. Sodankyla data utilization for HIRLAM verification and ID model studies // HIRLAM newsletter. - 2006 № 51, P. 103-112. Блакитная П. А., Смышляев С. П., Атласкин Е. М., Шаарийбу Г. Модельное исследование влияния солнечной активности на газовый состав и тепловой режим атмосферы // Ученые записки РГГМУ - 2010 № 12, С. 25-37. Смышляев С. П., Галин В. Я., Атласкин Е. М., Блакитная П. А. Моделирование непрямого влияния одиннадцатилетнего цикла солнечной активности на газовый состав атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океайа - 2010 -№ 5, Т. 46, С. 672-684. ft

Список публикаций по теме работы

Подписано в печать 22.11.2010. Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 530

Отпечатано в типографии ООО «Адмирал»

199048, Санкт-Петербург, В. О., 6-я линия, д. 59 корп. 1, оф. 40Н

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Атласкин, Евгений Македонович

Введение

1 Современные исследования процессов в УПС и проблема их 12 модельного воспроизведения

2 Результаты исследований по сравнительному анализу 18 результатов гидродинамического моделирования

3 Комплексный сравнительный анализ ошибок моделирования 21 температурной структуры УПС

3.1 Основные особенности анализируемых моделей

3.11 Модель IFS

3.1.2 Модель HIRLAM

3.1.3 Модель AROME

3.1.4 Модель ARPEGE

3.1.5 Модель GFS

3.2 Данные, используемые для анализа

3.2.1 Результаты моделирования

3.2.2 Данные синоптических наблюдений

3.2.3 Система комплексных метеорологических измерений АНИЦ 35 ФМИ, Саданкюля

3.2.4 Мезомаштабная сеть метеорологических измерений «Helsinki 43 Testbed»

3.2.5 Контроль качества данных измерений

3.3 Методика сравнительного анализа

3.4 Погодные условия, наблюдаемые в рассматриваемые периоды

3.5 Сравнительный анализ результатов различных гидродинамических моделей на основе данных синоптических наблюдений

3.6 Сравнительный анализ результатов гидродинамических моделей 67 на основе данных измерений АНИЦ ФМИ, Соданкюля

3.6.1 Оценка точности воспроизведения моделями термической 67 структуры ПСА у земли по результатам прогнозирования с заблаговременностью 24 часа

3.6.2 Сравнение эволюций модельной и измеренной температуры в 76 условиях формирования и разрушения УПС

3.7 Сравнительный анализ результатов гидродинамических моделей 85 при фильтрации локальной изменчивости температуры на основе данных мезомаштабной сети «Helsinki Testbed» 4 Модификация схем параметризации турбулентности модели 101 HIRLAM и исследование чувствительности к ней результатов моделирования

4.1 Базовая схема турбулентного замыкания модели

4.1.1 Схема замыкания для приземного слоя атмосферы

4.1.2 Схема замыкания для пограничного слоя атмосферы

4.2 Модификация схемы турбулентного замыкания с применением 113 спектральных функций устойчивости

4.2.1 Модификация схемы замыкания для приземного слоя

4.2.2 Модификация схемы турбулентного замыкания для 116 пограничного слоя

4.3 Одномерные численные эксперименты для единичного столба 117 воздуха на основе данных эксперимента BASE

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Модификация схемы параметризации турбулентности устойчивого ПСА по результатам сравнительного анализа ошибок гидродинамического моделирования атмосферы"

Современный прогноз погоды создается на базе гидродинамических моделей. Несмотря« на интенсивное развитие гидродинамических моделей прогноза- погоды. (ГМПП), существуют условия, при которых ошибки прогноза остаются высокими. Такие условия возникают, в том числе, в холодном устойчиво-стратифицированном пограничном слое атмосферы. Абсолютная ошибка прогноза температуры на уровне два метра- (Т2м) в условиях наблюдаемого устойчивого погранслоя может превышать 10 °С.

Пограничным слоем атмосферы (ПСА) называется нижний слой тропосферы, взаимодействующий с подстилающей поверхностью. ПСА отвечает за перенос тепла и влаги между поверхностью и* атмосферой. Устойчиво-стратифицированный пограничный слой атмосферы (УПС) представляет собой температурно-инверсионный слой, сформировавшийся над холодной поверхностью. Холодный устойчивый пограничный слой формируется над поверхностью суши, снега, или льда в зимнее время в результате выхолаживания поверхности путем излучения длинноволновой радиации. Основными условиями, при которых формируется УПС, являются отсутствие облаков нижнего яруса, слабый ветер и отсутствие солнечной радиации. Данные условия наблюдаются, как правило, в области высокого давления с его малым горизонтальным градиентом у подстилающей поверхности. УПС напрямую связан с ночными заморозками.

Особенностями УПС являются: анизотропия термодинамической и радиационной структур, чувствительность к орографии и элементам поверхности (данная особенность является причиной локальной циркуляции), отсутствие турбулентности или ее перемежаемость, внутренние гравитационные волны, которые могут доминировать в УПС или взаимодействовать с турбулентностью, существенное влияние потоков ДВ радиации, которое может доминировать над турбулентными потоками тепла.

В силу данных особенностей, УПС плохо поддается* математическому описанию. Проблема является комплексной. Основными процессами в УПС являются-длинноволновое излучение, которое, в свою очередь, зависит от облачности и концентрации, парниковых газов, турбулентность, а также* процессы на поверхности. Эти процессы в> моделях описываются соответствующими' схемами параметризаций. Таким образом,, точность модельного описания потоков тепла, влаги и количества движения» в УПС, в конечном итоге, зависит от точности каждой схемы-параметризации.

Решение проблемы моделирования формирования и эволюции УПС подразумевает как нахождение новых математических формулировок, основанных на более точном приближении, так и использование больших вычислительных ресурсов. Разработки, направленные на решение проблемы, активно^ ведутся* национальными- и международными центрами, развивающими модели и предоставляющими данные синоптическим службам. Например, в работе [1] построена теория квазинормального исключения масштаба возмущения (КЛИМ) для описания турбулентности в условиях устойчивости и слабой неустойчивости, на основе которой получены формулировки для безразмерных функций стратификации для тепла и количества движения. Модели с различной степенью точности могут воспроизводить процессы, определяющие структуру УПС. Непонятно, насколько хорошо различные алгоритмы способны воспроизводить структуру УПС, и связана ли ошибка также и с недостаточным горизонтальным или вертикальным разрешением.

Сама методика сравнения результатов моделирования с данными измерений в условиях УПС также является- нетривиальной задачей. При усилении устойчивой стратификации растет влияние локальных факторов на турбулентные потоки и потоки радиации, а, следовательно, на величину измеренной температуры. Поэтому в условиях УПС измеренная температура является репрезентативной величиной только для ограниченной территории в окрестности станции наблюдений с однородными по пространству свойствами^ поверхности. В свою очередь, спрогнозированная моделью, величина Т2м представляет, собой; среднее • значение в пределах регулярной; сетки, которая может покрывать различные типы, поверхности;. Сравнение-точечных" наблюдений? с данными модели, осредненными в пределах, ячейки, сетки, содержит, таким: образом, ошибку,, которая растет: с усилением? устойчивой стратификации;' Эту ошибку можно; назвать, методологической. Методологическая ошибках порождает неопределенность; в оценке: точности:: моделей. .

Актуальность работы;

Комплексная сравнительная оценка точности воспроизведения-приземной температуры современными оперативными гидродинамическими моделями; прогноза погоды применительно к УПС является актуальной задачей. Результаты- такого анализа будут, безусловно^ полезны при принятии решения дежурными синоптиками. Полезно также более подробно высветить роль различных процессов и факторов и разработать рекомендации по дальнейшим направлениям развития в его моделировании. При. проведении анализа важно? понять, какой вклад в ошибку прогноза вносит методологическая; ошибка, а, какой? — собственное ошибка моделирования.,'

Актуальными являются также включение новых теоретически обоснованных, математических формулировок, в. схемы: физических параметризаций моделей для условий УПС и апробация соответствующих алгоритмов:. Функции; полученные в работе [1], могут быть использованы при решении задачи турбулентного замыкания в ГМПП. Таким образом, целью>диссертационногоздсследования?является:.

• • сравнительный анализ, ошибок: прогнозов по различным' оперативным гидродинамическим моделям для> условий холодного устойчивого пограничного слоя атмосферы;

• модификация- блоков турбулентного замыкания? для приземного;» и пограничного слоев, атмосферы в модели прогноза; погоды, с; . использованием; спектральных функций устойчивости; исследование: чувствительности« результатов? моделирования) к модификациям блоков:турбулентиого замыкания. Для выполнения? поставленных; целей в диссертационной работе были? сформулированышшоследовательно решены следующие задачи:

• оценка точности воспроизведения:, ночной; приземной температуры- в зимний период различными оперативными моделями прогноза- погоды; для^территорииШвропыш европейской; частшРоссииша; основе данных стандартных, измерений: (SMN®E);;

• создание: автоматической: системы сбора, обработки и архивации? данных измерений Арктического Научно-Исследовательского Центра Финского Метеорологического Института (АМГЩ ФМИ) в Соданкюля, северная Финляндия; v / оценка точности воспроизведения температурной! структуры; приземного подслоя с использованием данных комплексных метеорологических наблюдений АНИЦ ФМИ (Соданкюля);

• оценка ошибок модельного воспроизведения приземной; температуры при; фильтрации локальной изменчивости: с использованием- данных ' мезомас штабной сети метеорологических наблюдений «Helsinki Testbed»;

• модификация блоков турбулентного замыкания для» приземного? и пограничного слоев> атмосферы в гидродинамической модели; прогноза , погоды с использованием; спектральных функций;устойчивости;;

• оценка чувствительности температуры, скорости ветра и турбулентных потоков; в приземном и пограничном слоях к выполненным модификациям с использованием данных эксперимента BASE. Основными; методами исследования-являются* статистический анализ1 и моделирование. Для решениям задач исследования выполнены сбор- и обработка данных прогноза Т2м, данных синоптических наблюдений; создана система1 автоматического сбора, обработки и архивации данных комплексных метеорологических наблюдений- АНИЦ ФМИ, Соданюоля, Северная Финляндия; выполнен сбор1 и обработка данных мезомасштабной сети метеорологических наблюдений- «Helsinki Testbed»; проведены численные эксперименты с использованием одномерной модели HIRLAM.

Научная новизна состоит в:

• > изучении термической! структуры УПС у земли путем, проведения комплексного сравнительного анализа ошибок его воспроизведения различными современными оперативными гидродинамическими моделями прогноза погоды с использованием различных видов измерений, включая исследования по фильтрации локальной изменчивости;

• оценке вклада методологической ошибки и ошибки ¡моделирования в ошибку прогноза в условиях УПС;

• исследовании относительной роли ошибок, связанных с горизонтальным и вертикальным разрешением моделей; модификации и тестировании схемы, параметризации турбулентности с использованием новых теоретически-обоснованных формулировок для безразмерных функций стратификации.

Получены новые оценки воспроизведения термической структуры приземного подслоя в УПС пятью различными ГМПП, новые оценки влияния ошибок физических параметризаций, горизонтального и вертикального разрешения моделей; получены новые оценки чувствительности результатов моделирования к изменению блоков параметризации турбулентности. Разработаны рекомендации по дальнейшему развитию моделей для более точного воспроизведения процессов в УПС.

Все указанные этапы исследования, посвященного сравнительному анализу ошибок моделирования термической структуры УПС моделями IFS1, HIRLAM2, AROME3, ARPEGE4, GFS5, а также модификация и апробация блока турбулентного замыкания «в модели HIRLAM выполнены впервые.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. результаты сравнительного анализа ошибок прогнозов по различным гидродинамическим моделям прогноза погоды в условиях холодного устойчивого пограничного слоя атмосферы и рекомендации по дальнейшему развитию моделей;

2. модификация блоков турбулентного замыкания гидродинамической модели прогноза погоды с использованием; новых формулировок для функций устойчивости;

3. результаты численных экспериментов. по тестированию модифицированной схемы параметризации турбулентности.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается согласованностью с оценками, полученными в независимых исследованиях, а также сравнением с данными измерений.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы состоит в! определении направлений решения проблемы моделирования УПС и в выработке рекомендаций разработчикам моделей. Все результаты статистической обработки данных наблюдений, данных оперативных прогностических моделей, а также результаты моделирования являются новыми, непротиворечивыми и согласуются с фундаментальными особенностями формирования и эволюции устойчивого пограничного слоя атмосферы.

1IFS - интегрированная прогностическая сисетма.

2 HIRLAM - региональная модель высокого разрешения

3 AROME — региональная модель высокого разрешения

4 ARPEGE - глобальная модель

5 GFS - глобальная прогностическая система

Научный интерес также представляет собой: обзор по» проблеме моделирования Т2м на основе современных оперативных, моделей прогноза погоды в условиях устойчивого пограничного слоя в зимний период.

Практическую^ ценность представляет созданная, в процессе: работы., автоматическая : система; сбора, обработки? и архивации» данных-' измерений! Арктического Научно-Исследовательского Центра Финского Метеорологического? Института (АНИЦ ФМИ) в Соданюоля, северная Финляндия: Данные свободно- доступы для использования1 с . сайта:. http://litdb.fmi.fi. Оценки воспроизведения; низкой? приземной температуры прогностическими моделями могут использоваться при принятии решения дежурными синоптиками.

В* блок, турбулентного^замыкания* прогностическощ модели высокого) разрешения ШШ^АМ внедрена-методика вычисления функций устойчивости. Результаты численных экспериментов по чувствительности модели НШТАМ к включению этой методики представляют собой научный интерес и практическую значимость.

Работа прошла апробацию на:

- Международной конференции и школе молодых ученых по теме ■ . «Пограничные слои атмосферы над сложными поверхностями и растительностью», Соданкюля, Финляндия, 2005 г.

- Ежегодном семинаре разработчиков и пользователей, системы ШЕВАМ; София* Болгария; 2006 г. ; •

- Третьем; международном, семинаре «Верификация мезомасштабных. моделей прогноза погоды», София.; Болгария; 2006 г. Конференции и школе молодых ученых «Негидростатическая динамика и ассимиляция' данных с высоким разрешением», Санкт Петербург, Россия, 2006 г.

- Летней школе: молодых: ученых «Взаимодействие атмосферы и океана», Хельсинки, Финляндия, 2006 г.

- Международном семинаре «Облачный пограничный слой», Тулуза, Франция, 2007 г.

- Школе молодых ученых «Геофизическая турбулентность и пограничные слои: природа, теория и роль в системах Земли», Хельсинки, Финляндия, 2007 г.

- Научном семинаре в университете Хельсинки, Хельсинки, Финляндия, 2007 г.

- Восемнадцатом международном симпозиуме американского метеорологического общества по пограничным слоям и турбулентности, Стокгольм, Швеция, 2008 г.

- Ежегодном собрании Европейского метеорологического общества и Европейской конференции по практической климатологии, Амстердам, Нидерланды, 2008 г.

- Итоговой сессии ученого совета РГГМУ, 2008 г.

- Ежегодном семинаре разработчиков и пользователей систем НЖЬАМ и АЬАБШ, Утрехт, Нидерланды, 2009 г.

Основные результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах; материалы изложены в двух научно-исследовательских отчетах по грантам для студентов, аспирантов, молодых учёных, молодых кандидатов наук вузов и академических институтов, расположенных на территории г. Санкт-Петербург в 2008 и 2009 гг.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Атласкин, Евгений Македонович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современный- прогноз состояния пограничного слоя-» атмосферы на основе гидродинамических моделей прогноза погоды. (ГМПП) при наблюдаемом холодном устойчивом' пограничном слое атмосферы (УПС) сопровождается значительными ошибками. При этом в ошибку прогноза могут вносить вклад как ошибка модёлирования, так и методологическая ошибка, связанная с пространственной изменчивостью измеренной температуры в пределах ячейки модельной сетки, которая усиливается при усилении устойчивости. Комплексная- сравнительная^ оценка точности воспроизведения приземной* температуры- современными- оперативными, гидродинамическими моделями* прогноза погоды применительно? к УПС является^ актуальной4 задачей. При проведении анализа важно понять, какой вклад в ошибку прогноза- вносит методологическая ошибка, а какой — собственно ошибка моделирования. Решение проблемы моделирования1 формирования и эволюции УПС подразумевает как нахождение новых математических формулировок, основанных на* более точном приближении, так и использование высокого разрешения.

В ходе проведенного исследования были выполнены следующие задачи и сформулированы следующие результаты и выводы.

1. По стандартным измерениям оценена точность воспроизведения приземной температуры в зимний период оперативными моделями прогноза погоды IFS, HIRLAM, AROME, GFS и ARPEGE для территории Европы и i европейской- части России. Показано систематическое завышение всеми моделями величины приземной температуры при температурах ниже -10 С.

2. Оценена точность воспроизведения- температурной структуры ПСА у земли с использованием данных комплексных метеорологических наблюдений АНИЦ ФМИ, Соданюоля. Показана значительная зависимость ошибки прогноза приземной температуры от величины наблюдаемой устойчивой термической' стратификации. Выявлена существенная ошибка воспроизведения моделями термической структуры ПСА в: слое у земли.

3. Выполнен сравнительный анализ эволюции термической структуры ПСА у земли в. модельных циклах, «анализ-прогноз». Показано; что рассматриваемые модели способны, воспроизводить только слабо устойчивый режим, но не: способны воспроизводить сильно; устойчивый режим:. Большие?ошибки воспроизведения®температурной структуры ПСА у. земли: имеют место» также в начальных: данных модельных циклов;, что указьшает на ошибки: процедуры анализа; данных наблюдений. Модельный , обмен теплом; между атмосферой и поверхностью происходит интенсивнее, чем наблюдаемый, а эволюция теплового: баланса на поверхности, в модельньшвычислениях более инертна по сравнению с наблюдаемой:

4. Оценена- точность воспроизведения-; приземной температуры* по данным мезомасштабной сети метеорологических наблюдений "Helsinki Testbed". Показано;, что при фильтрации локальной изменчивости: наблюдаемой температуры в пределах ячейки модельной сетки ошибка моделирования? Т2м , также, как; и ошибка, рассчитанная по станциям, систематически растет при: понижении; температуры. Также* показано;, что ошибка моделирования; доминирует над пространственной; изменчивостью наблюдаемой температуры. Это означает, что роль горизонтального разрешения над слабо изменяющейся.орографией незначительна.

5. Выполнена модификация блока, параметризации турбулентности; с использованием теоретически обоснованных формулировок для безразмерных функций стратификации в одномерной.модели HIRLAM для единичного столба воздуха. Показано, что1 профили температуры, скорости ветра и турбулентных потоков, лучше воспроизводятся« модифицированной схемой,.особенно при высоком разрешении:. Базовая схема нечувствительна к увеличению разрешения.

Рекомендацией .при разработке моделей применительно к УПС является, прежде всего, увеличение их вертикального разрешения. Также важны нахождение и разработка более точных алгоритмов описания турбулентности, ДВ радиации и процессов на подстилающей поверхности. Для более точного прогноза Т2м в оперативной практике при ассимиляции данных БУМЭР для условий УПС необходимо меньшее доверие оказывать фоновому полю и большее - данным измерений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Атласкин, Евгений Македонович, Санкт-Петербург

1. Sukoriansky, S. A quasinormal scale elimination model of turbulent flows with stable: stratification Text.; / S. Sukoriansky, B. Galperin, I. Staroselsky // PHysics of Fluids-2005—Yoli, 17.-P.085 — 107.

2. Mahrt, L.,Nocturnal boundarylayer regimes Text.-/L. Mahrt, J. Sun, W. Blumen, T. Delany, S. Oncely // Boundary-Layer; Meteorol.-1998.-Vol: 88.-P.255 -288.

3. Steeneveld, G.-J: Understanding and predicting of stable atmospheric boundary layers over land. Text. / G.-J. Steeneveld:. Dissertation monograph.— Wageningen Universitet, 2007.-199 p.

4. Garrat; J:R. The atmospheric; boundary layer.- Cambridge, Great Britain: University Press, 1992—316 p. .

5. Mahrt L. Stratified atmospheric. boundary layers Text. / L. Mahrt II Boundary-Layer Meteorol.-1999.-Vol. 90.-P.375 396.

6. I-Ioltslag, A. A. M. Scaling the Atmospheric Boundary Layer Text. / A. A. M Holtslag, F. T. M. Nieuwstadt // Boundary-Layer Meteorol.- 1986-Voli 36.-P.201 -209.

7. Derbyshire, S. Nieustadt's stable boundary layer revised Text. // S. Derbyshire // Q.JiR. Meteor. Soc.—1990i—Vol. H6.-P.127 158.

8. Zilitinkevich, S. Third-order transport due to internal -gravity waves and non-local turbulence in the stably stratified surface layer Text.'/ S. Zilitinkevich // Q.J.R. Meteor. Soc,-2002.-Vol. 128.-P.913 -925.

9. Savijarvi, H. Radiative and turbulent heating rates in the clear-air boundary layer Text. / H. Saviarvi // Q. J. R. Meteorol'. Soc.- 2006.-Vol. 132.-P.147 -161

10. Van de Wiel, B. J. H'. Intermittent turbulence in the stable boundary layer over land. Part III Text. / B. J. H. Van de Wiel, A. F. Moene, O.K. Hartogensis, H. A. R. De Bdurin, A. A. M. Holtslag // J. Atmos. Sci.- 2003.-Vol. 60.-P.25092522

11. H.JT. Вызова, B.H. Иванов, E.K. Гаргер. Турбулентность в пограничном слое атмосферы.-Jl.: Гидрометеоиздат, 1989:-264 с.

12. Sukoriansky., S. Anisotropic turbulence and internal gravity waves in stably stratified flows (QNSE theory) Text. / S. Sukoriansky, B. Galperin // Phys. Scr.-2008.-Vol. 132.-014036.-8 p.

13. Derbyshire, S. Boundary-layer decoupling over cold surfaces as a physical boundary instability Text. / S. Derbyshire // Boundary-Layer Meteorol-1999-Vol. 90.-P.297-325.

14. Sun, J. Intermittend turbulence associated with a density current passage ' in the stable boundary layer Text. / J. Sun, S. PI Burns, D. H. Lenschow, R. Banta,

15. R. Newsom; R. Coulter, S. Frasier, T. Ince, C. Nappo, J. Cuxart et al. // Boundary-Layer Meteorol.-2002.-Vol. 105 .-P. 199 219.

16. Monti, P. Observations of flow and turbulence in the nucturnal boundary layer over slope Text. / P. Monti, H. J. S. Fernando, M. Princevac., W. C. Chan, T. A. Kowalewski, E. R. Pardyjak // J. Atmos. Sci.-2002.-Vol: 59.-P.2513 2534.

17. Soler, M. R. Observations of nucturnal drinage flow in a shallow gully Text. / M. R. Soler, C. Infante, P. Buenestado // Boundary-Layer Meteorol-2002.-VoL 105.-P.253-273.

18. IFS Documentation СуЗЗгГ. Operational implementation 3 June 2008; Part: IV: PhysicaFprocesses Electronic resource. // European, Center for MediumRange. Weather Forecast; / EGMWF-Reading, England—Point of access: http://www.ecmwf.intv

19. Savijarvi, S. Fast radiation parameterization schemes for mesoscale and shortrange forecast.models^ Text., / S; Savijarvi?-// JvApplt- Meteorol:-1990lWVolt 20.-P.437-447.

20. Монин; A. С., А. МгЯглом: Статистическая; гидромеханика. Том* 1-СПб: Гилрометеоиздат, 1992.-697 с.

21. Baas, Pi Exploringselfr correlation^flux-gradient¡relationship for. stably stratified*conditions Text. / P. Baas, G.-J. Steeneveld, B: J. H. van de Wiel, A. A. Mi Holtslag:// Ji Atmos. Scn^006:-Vol; 63.-P.3045-3053i;

22. Klipp, C. L. Flux-gradient relationship, sell-correlation and intermittency in: the'stable: boundary layer Text. / С. L. Klippj L. Mahrt:// Q:J:Rl MeteoroloU. Soc.-2004:-Vol. 130l^P: 2087 -2103:

23. Grachev, A. A. On the turbulent Prandtl number in the stable atmospheric boundary layer Text. / A. A. Grachev, E. L. Andreas, C. W. Fairall, P. S. Guest, P. Ola, G. Persson // Boundary-Layer Meteorol.-2007.-Vol. 125.-P329 341.

24. Schmid, FI.P: Source areas, for scalars: and scalar fluxes Text., / H: P. Schimd // Boundary-Layer Meteorol:-1994.-Vol: 67.-P.293 318.

25. Rannik, U. Footprint analysis for measurements over, a heterogeneous forest Text. /. U Rannik, M. Aubinet, O. Kurbanmuradov, К. K. Sabelfeld, T. Markkanen; T. Vesala // Boundary-Layer Meteorol.-2000.-Vol. 97.-P. 137 -166.

26. Hanna, S. R: Evaluations of mesoscale models' simulations of« near surface winds, temperature gradients and mixing depths Text. / S. R. Hanna, R. Yang // J. Appl. Meteor—200lv-Vol. 40.-P. 1095 1104.

27. Zhong, S. Am evaluation of the MM5, RAMS, and Meso-Eta' Models at subkilometer resolution using'VTMX field campaign data in the Salt. Lake valley Text.V S. Zhong, J: Fast«// Mon. Wea. Rev.-2003.-Vol: 131.-P.1301 1322.,

28. Morcrette, J.-X. Impact of a new radiation package; McRad; in the ECMWF integrated forecasting system Text. / J:-J. Morcrette; H. Barker., J., Cole., M. Iacono,. R. Pincus // Mon. Wea. Rev.-2008.-Vol. 136, a-P.4773 -4798. . .

29. Lott, F. A new subgrid-scale orographic drag parametrization: Its formulation and testing Text. / F. Lott, M. J. Miller // Q. J. R. Meteorol. Soc-1997.-Vol. 123.-P.101 127.

30. Blackadar, A. K. The vertical distribution of wind and turbulent exchange in a neutral atmosphere Text. / A. K. Blackadar // J. Geophys. Res.-1962.-Vol. 67.-3095-3102.

31. Tiedtke, M. A comprehensive mass flux scheme for cumulus parameterization in large-scale models Text. / M. A. Tiedtke // Mon. Wea. Rev-1989-Vol. 117.-P.1779 1800.

32. Sundqvist, H. A parameterization- scheme for non-convective condensation including prediction of cloud water content Text. / H. Sundqvist / Q. J. R. Meteorol. Soc.-1978.-Vol. 104.-P.677 690.

33. Kuo, H. L. A quasi-one-dimensional cumulus cloud model and parametrization of cumulus heating and mixing effects Text. / H. L. Kuo, W. H. Raymond//Mon. Wea«. Rev.-1980.-Vol. 108.-P.991 1009.

34. Tiedtke, M. Representation* of clouds in large-scale models Text. / M. Tiedtke // Mon. Wea. Rev.-1993.-Vol. 121.-P.3040 3061.

35. Richards, L. A. Capillary conduction of liquids through porous mediums Text. / L. A. Richard // Physics.-Vol. 1.-P.318 -333.

36. Jarvis, P. J. The interpretation of the variations in leaf-water potential and stomatal conductance found in canopies in the field Text. / P. J. Jarvis // Phil. Trans. R. Soc. London.-Vol. B723.-P.385 610.

37. Louis, J.F. A parametric model oT vertical eddy fluxes in?the atmosphere Text. / J. F. Louis // Boundary-Layer Meteorol.-1979.-Vol. 17.-187 202.

38. Rontu, L., K. Sattler, R. Sigg. Parametrization of subgrid-scale orography effects in H1RLAM Electronic resource. // HIRLAM Technical Report.-2002.-№56 / Norrköping, Sweden; 2002,-Point access: http://hirlam.org

39. Cuxart, J. A turbulence scheme allowing for mesoscale and large-eddy simulations Text. / J. Cuxart, P. Bougeault, J. L. Redelsperger // Q. J. R. Meteorol. Soc.-2000.-Vol. 126.-P.1 -30.

40. Rasch, P. J. A comparison of the CCM3 model climate using diagnosed and predicted condensate parameterizations Text. / P. J. Rasch, J. E. Kristjásson // J. Climatol.-1998.-VoL 11.-P.1587 1614.

41. Noilhan, J: A simple parameterization of land surface processes for meteorological models Text. / J. Noilhan, S. Plantón // Mon. Wea. Rev.—1989.— Vol. I17.-P.f536 549.

42. Noilhan, J. The ISBA land surface parameterization scheme Text. / J. Noilhan, J.-F. Mahfouf// Global and Plan. Change.-1996.-Vol. 13.-P. 145 159.

43. Giard, D. Implementation of a New Assimilation^ Scheme for Soil and Surface Variables in a Global- NWP Model Text. / D. Giard, E. Bazile // Mon. Wea. Rev.-2000.-Vol. 128.-P.997 1015.

44. The AROME modelling system Electronic resource^ / CNRM-Toulouse, France-Point of access: http ://www. cnrm .meteo. fr/arome/ *

45. Meso-NH model Electronic resource. / Laboratoire d'Aérologie-Toulouse, France-Point of access: http://mesonh.aero.obs-mip.fr/mesonh/

46. Fouquart, Y. Ccpmputations of solar heating of the earth's atmosphere: A new parameterization Text. / Y. Fouquart, B. Bonnel // Beitr. Phys. Atmos — 1980-Vol. 53.-P.35-62.

47. Morcrette J.-J. RadiationT and cloud radiative properties in the European Center for Medium Range* Weather Forecast. Forecasting system Text. / J'.-J. Morcrette // J. Geophys. Res.-1991.-Vol. 96D.-P.9121 9132.

48. Bougeault, PÜ Parameterization, of orography-induced turbulence in- a meso-beta scale model Text. / P. Bougeault, P. Lacarrére // Mon. Wea. Rev-1989—Vol. 117.-1872- 1890.

49. The Meso-NH atmospheric simulation system: Scientific documentation. Part III: Physics Electronic resource. // Centre National De* La Recherche Scientifique / Meteo-France.—Toulouse, France-Point of access: http.7/mesonh.aero.obs-mip.fi'/mesonh/

50. Pinty, J. P., P. Jabouille.A mixed-phased cloud parameterization for use in a mesoscale non-hydrostatic model: simulations of a squall line and of

51. Kessler, E. On the distribution and- continuity of water substance in-atmospheric circulations Text. / K. Kessler // Dissertation monographs.-American Meteorological Society, Boston, USA, 1969-Vol. 10.-84 p.

52. Geleyn, J.-F. A statistical approach for sedimentation inside a micro-physical precipitation scheme Text. / J.-F. Geleyn, B. Catry, Y. Bouteloup, and R. Brozkova // Tellus.-2008.-Vol. 60A.-P.649 662.

53. Masson, V. A physically-based scheme for the urban energy budget in atmospheric models Text. / V. Masson // Boundary-Layer Meteorol.-2000.-Vol. 94.-P.357-397.

54. Geleyn, J.-F. Interpolation of wind, temperature and humidity values from model levels to the height of measurements Text. / J.-F. Geleyn // Tellus-1998.-Vol. 40A.-P.347 —351.

55. Catry, B. A new sub-grid scale lift formulation in a mountain drag parameterization scheme Text. / B. Catiy, J.-F. Geleyn, F. Bouyssel, J. Cedilink, R. Brozkova, M. Derkova, R. Mladek // Meteorologische Zeitschrift.-2008.-Vol. 17-№ 2—P. 193 -208.

56. Bechtold, P. A rnass-flux convection scheme for regional and global models Text. / P. Bechtold, E. Bazile, F. Guichard, P. Mascart, E. Richard // Q. J. R. Meteorol. Soc.-2001.-Vol. 127.-1. 573.-P.869 886.

57. Bougeault, P. A simple1 parameterization of the large-scale effects of cumulus convection Text. / P. Bougeault // Mon. Wea. Rev.-1985.-Vol. 113-P.2108 -2121.

58. Bouteloup, Y. Improvements of Lopez's prognostic large-scale cloud1 and precipitation scheme Text. / Y, Bouteloup, F. Bouyssel, P. Marquet // ALADIN Newsletter, Meteo-France, Toulouse, France.-2005.-Vol. 28.-P.66 73.

59. Lopez, P. Implementation and validation of a new prognostic large-scale cloud and precipitation scheme for climate and data assimilation purposes Text. / P. Lopez // Q. Jt R. Meteorol. Soc.-2002.-Vol. 128.-P.229 257.

60. Chou, M.-D. Parameterizations for the absorption of solar radiation! by 02 and €02 with application to climate studies / M.-D. Chou // J. Climate-1990-VoL2.-P.209- 217.

61. Chou, M.-D. A solar radiation model for use in climate studies Text. / M.-D. Chou // J. Atmos. Sci.-1992.-Vol. 49.-P.762 772.

62. Chou, M.-D.* Parameterizations for the absorption of solar radiation by water vapor and ozone Text. / M.-D.' Chou // J. Atmos. Sci.-1996.-Vol. 53.-I. 8-P:i203 -1208.

63. Kiehl, J. T. The national* center for atmospheric research community climate model CCM3 Text. / J. T. Kiehl, J. J. Hack, G. B. Bonan, B. A. Boville, D. L. Williamson, P. J. Rasch//J. Climate.-1998.-Vol. 11.-P. 1131 1149.

64. The GFS atmospheric model Electronic resource . // U.S. Department of Commerce National Oceanic and Atmospheric Administration National Weather

65. Grell, G. A. Prognostic evaluation of assumptions used by cumulus parameterizations Text. / G. A. Grell // Mon. Wea. Rev.-1993.-Vol. 121.-P.764 -787.

66. Pan, H.-L., W.-S. Wu. Implementing a Mass Flux Convection Parameterization Package for the NMC Medium-Range Forecast Model Text. // NCEP-Washington, USA.-l995.^0 p.

67. Arakawa, A. Interaction of a cumulus cloud1 ensemble with* the large-scale environment, part I Text. / A. Arakawa, W. H. Schubert // J. Atmos. Sci-1974-Vol. 31.-I. 3.—P.674 — 701.

68. ZhaOj Q. Y. A prognostic cloud scheme for operational NWP models Text. / Q. Y. Zhao, F. H. Carr // Mon. Wea. Rev.-1997.-Vol. 125.-P.1931-1953; .

69. Winton, Ml A reformulated three-layer sea ice model Text. / M: Winton // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology-2000-Vol. 15.-P.525 531.

70. Atlaskin E. Sodankyla^dataiutilizatiomfo^ ID? model studies Electronic resource. / E. Atlaskin, M. Kangas // IilRLAM Newsletter, Norrkoping, Sweden:—2006.—№5 l .r-P; 103 — 112'.

71. Louis, J. F., M. Tiedtke, J>F. Geleyn. A short history of the operational PBL parametrization at ECMWF // Proceedings of the EGMWF Workshop on Boundaiy Layer Parametrization, Reading, England, November 1981 / ECMWF.-Reading, England.-1981.-P.59 80.

72. Blackadar, A. Asymptotic similarity in neutral barotropic planetary boundary layers Text. / A. Blackadar, Hi Tennekes // J. Atmos. Sci.-1968.-Vol. 25.-P.1015-1020.

73. Kosovic, B. A large eddy, simulation study of a quasi-steady, stably stratified atmospheric; boundary layer Text. / B. Kosovic, J. Curry // J; Atmos. Sci.-2000—Vol. 57.-P. 1052- 1068.

74. Stoll, R. Large-Eddy Simulation of the Stable Atmospheric Boundary Layer using Dynamic Models with Different Averaging Schemes Text. / R. Stoll, F. Porte-Agel / Boundary-Layer Meteorol.-2008.-Vol. 126.-P.1 28.