Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогноз геопотенциала, температуры и ветра в свободной атмосфере и в пограничном слое на основе полушарной прогностической модели

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз геопотенциала, температуры и ветра в свободной атмосфере и в пограничном слое на основе полушарной прогностической модели"

к01мтет по гидрометеорологии и мониторингу окрумщея срвды министерства экологии и пригодных ресурсов российской федерации

гвдк)^етгорологиче(жй чаучно-исслвдовательский цн1тр российской федерации

На пр1 ;ах рукописи УДК 551.503.313

ЕР1ЮВ ДОПШ НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГНОЗ ГЕОПОТЕНЦИАЛА, ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЕТРА В СВОБОДНОЙ АТ?.'ОСОЕР2 И В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НА ОСНОВЕ ПОЛУШАРНОЙ ПРОГНОСТИЧЕСКОЙ ¡¿ОДЕЛИ

Специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кавдздата фнз;:ко-математических наук

Уосква-1992

Работа выполнена в Гидрометеорологическом научно-исследовательском центре Российской Федерации.

Научный руководитель: каадидат физико-математических наук

Официальные оппоненты: дохтор физико-математических наук

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория

Звщита диссертации состоится " 29 " г-ентпбгш 1992 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К 024.05.02 Гидрометеорологического научно-исслздовательскэ-го центра Российской Федерации. (123376, г.Москва, ул. Боль-вевистская, 9-11).

С диссертацие ыслкно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно-исследовательского центра.

БЕРКОВИЧ Л.В.

1ШША Н.П.

кандидат физико-математических наук ШТЕЙНБОК Д.Б.

им. А.И.Воейкова

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат географических наук

---^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' .!

—---"Актуальность темы. Среди множества задач, стоящих перед

метеорологической наукой, одной из наиболее важных и сложных является численный прогноз метеорологических элементов. С практической стороны ее актуальность определяется потребностями оперативной практики по обслуживания различных отраслей экономики. Росгидрометцентр наряду с другими прогностическими центрами призван решать конкретные оперативные прогностические задачи. Часть из них решается на основе прогностической продукции оперативной полусферной модели атмосферы. Успешность прогнозов во много;* определяется качеством информационного обеспечения ь-оделн, а также полнотой и точностью ее физического содержания.

Совершенствование прогностической модели путем более полного и физически обоснованного описания атмосферных процессов позволяет повысить точность численных прогнозов метеорологически полей. При этом становится также возможным увеличение числа прогнозируемых элементов и явлений погоды, а с увеличением производительности ЭВМ - и заблаговременности прогноза. Полнота и обоснованность физической и математической постановки задачи в специфических условиях работы полусферной прогностической модели должна сочетаться с экономичностью вычислительных алгоритмов. Выполнение пооледнего условия совершенно необходимо при оперативном режиме работы модели в жестком лимите времени. Решению ряда этих вопросов посвящена данная работа.

Предлагаемая работа Адготовлена в результате выполнения''' ряда тем НИР по развитию и усовершенствованию оперативной прогностической модели.

Целью данной работы язяяется повышение уровня успеггкостч численных прогнозов метеоэлемеитов в свободной атмосфере и в

пограничном слое, рассчитываемых на основе оперативной полу-сферной прогностической модели Росгидрометцентра". В этой связи автором решены следующие задачи:

- разработан усоверкенствованный алгоритм учета влиянии пограничного слоя атмосферы (ПСА) в численной модели атмосферы;

- осуществлен прогноз температуры и ветра в ПСА с учетом влияния приземного подслоя;

- повышена успешность прогноза температуры в свободной атмосфере путем использования начальных полей температуры из Банка Данных.

Научная новизна работы заключается б разработке и использовании усовершенствованного метода учета турбулентности в пограничном слое с учетом особенностей процессов в приземном подслое и в свободном пограничном слое для включения в оперативную прогностическую модель.

Практическая ценность. Работа направлена на повышение успешности численных прогнозов метеорологических полей в пограничном слое и в свободной атмосфере с целью повышения эффективности метеорологического обслуживания авиации, изучения и мониторинга загрязнения окружающей среды, а ^ахке для решения других прикладных задач. Получено повышение уровня успешности прогнозов геопотенцмала, температуры и ветра по сравнению с текущими оперативными прогнозами. Реализованная в модели схема параметризации ПСА позволяет рассчитывать прогностические вертикальные профиля температуры и ветра в нижнем двухкилометровом слое атмосферы с заданным разрешением по вертикали.

Апробация работы. Диссертационная работа явилась составной частью тем НИР и ОКР Госхомгидромета по развитию и усовероекство ванию оперативной полусферной прогностической модели, выполклв-

о

ихся в Гидрометцентре в течение 1983-1991 гг. Результаты, иэло-энные в диссертации, докладывались на научных семинарах и сес-иях Ученого Совета Гидрометцентра, а также на конференции моло-ых ученых Одесского гидрометеорологического института (Одесса, 887).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы трех отчетах о выполнении тем НИР и в трех статьях, выполнен- о ых в соавторстве с Л.В.Берковичем. Личный вклад е^тора в ука-анных публикациях заключался в разработке и реализации методики араметризации ПСА в прогностической модели и анализе получаемых езультатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, етырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 157 траниц. В работе имеется 14 рисунков и 25 таблиц, из них 15 таб-иц - результаты проведенных расчетов. Список литературы состоит 8 141 наименования, из них 58 - иностранные.

ОСНОЕНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной

ч

)аботы, сформулированы ее цели и задачи, приведена краткая анно-■ация содержания работы.

Первая глава диссертации посвящена краткому историческому »бзору проблемы численного прогнозирования погоды, а также дан >бзор состояния ряда современных прогностических моделей и про-(емонстрирован современный уровень успешности численных прогко->ов лучших зарубежных моделей.

В первом параграфе главы показана эволюция теоретических ^следований в области гидоодинамического прогноза погода. Ва*-

ный шаг по пути практической реализации прогнозов был сделан И.А.Кибелем и К.Россби, предложившими использовать баротропное уравнение вихря скорости для анализа динамики крупномаситабных атмосферных процессов. С появлением первых ЭШ стало возможным осуществить краткосрочный прогноз погоды, а в дальнейшем внедрить в практику выпуск регулярных оперативных прогнозов. Рост производительности ЭВМ позволил совериенствовать прогностические модели, в результате чего геострофические модели прогноза сменились кваэигеострофическими, а те в свою очередь - моделями, осно ванными на использовании полных уравнений гидротермодинамики.

Во втором параграфе первой главы дано краткое описание ряда современных прогностических моделей, которые используются в оперативной практике. Обращается внимание на усовервенствования эти моделей в последние годы (пространственное разрепение, математический аппарат, физическое содержание). В заключение главы приве дены оценки успешности оперативных численных прогнозов некоторых моделей за последние годы и продемонстрирован высокий уровень ус пешности численных прогнозов лучших зарубежных моделей.

Во второй главе приведено описание полусферной прогностичес кой модели атмосферы, включая исходную систему уравнений, их конечно-разностную аппроксимацию, граничные условия, а также верти кальную структуру мод ли. Система уравнений модели основана на использовании полных уравнений гидротермодинаыики с учетом основ них физических процессов. Модель включает уравнения движения, не разрывности, притока тепла, уравнение статики и переноса, влаги. В изобарической системе координат исходные уравнения модели выглядят следующим образом:

^г./"ъи ,7)0) п (3)

и ^ = 0 '

•ВТ "£>Т _ "2>Т\ «н Т

•^-т + т (и— + —— — т =

г „2т» 9 "Эй

= «/(ГГ. . (4)

т-. р "дФ

Т = - I 5? • <6>

л репается при следующих граничных условиях:

а) по вертикали:

три р о 0 а) - 0,' & 6 = 0;

р ■ г$+ = 0 ■ <"

б) на границах пограничного слоя: три Н и гв У« V = 0,

От, В известны из параметризации пограничного слоя, гемпература поверхности Т^ определяется из условия теплового 5аланса над сушей:

б - & - От ~т П = О , (8)

гемпература поверхности моря задана в начальный момент и остает-

ся постоянной со временем; при i - Н ^(^.ty) - QT . Е - 0 ; в) на боковых границах:

- О,

Эдес-.ь U , V - составлявшие скорости ветра по осям а ; р -давление; Р » 1000 rila; £) - вертикальная скорость в иэобарическо! системе координат; t - параметр Кориолиса; t - время; Т - абсолютная температура; <j - ускорение свободного падения; Cf и С ■ удельные теплоемкости при постоянном давлении и объеме; аг.

,^ - турбулентные потоки количества движения по осям ос ,у ¡ jx - коэффициент горизонтального турбулентного обмена; - удельная влажность; Q ■Qr+Qt+Qe - сумма радиационного, турбулентного и конденсационного притоков тепла; V* ш~Ъг/Ъэсь +7)'¿Ъд* ; 0 - эффективный приток коротковолновой радиации; б , U - нисходящий и восходящи потоки длинноволновой радиации; QT, £ - турбулентные потоки тепла и влаги; L - скрытое тепло ковденсации; Л - поток тепла в почву; Z0 - параметр шероховатости; Н - высота пограничного слоя.

В оперативном варианте модели предусматривается исключение температуры Т из уравнения притока тепла при помощи уравнения статики. В результате этого получаем прогностическое уравнение для геопотенциала, которое решается с использованием постоянного на каждом уровне (для соответствующего месяца) вертикального градиента температуры. Ори численном решении данной системы уравнений используется метод центральных разностей по всем переменным, где шаг цо плоскости двух вложенных сеток составляет 300 км, шаг по времени - 6 минут.

В качестве начальных данных в модели используются: а) поля геопотенциала Ф и подл ветра на изобарических по- !

В

верхностях 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150 и 100 гПа; для сравнения результатов с оперативными прогнозами использовались также поля геострофического ветра;

tí) поля температуры на тех же изобарических поверхностях;

в) поля удельной влажности на 7 нижних поверхностях;

г) температура воздуха на уровне 2 метра;

д) температура поверхности воды океана.

Область расчета модели представляет собой квадрат, вписанный в круг пироты G0 п.а. При горизонтальном иаге в 300 км количество узлов на. одном уровне основной сетки составляет 65x65, вспомогательной сетки - 64x64.

Во втором параграфе второй главы подробно изложена методика, на основа которой составлена численная схема и вычислительный ал» горитм параметризации пограничного слоя атмосферы (ПСА) в численной модели. Методика основана на реаенин замкнутой системы уравнений ПСА с учетом приземного подслоя в рвмках "К-теории". При этом Пса рассматривается как слой, состоящий из двух слоев: приземного подслоя, где величины турбулентных потоков мало меняются с высотой, и свободного турбулентного слоя, расположенного между верхней границей приземного подслоя и высотой ПСА. Данная иетоднка, разработанная В.А.Шнайдманом и А.Г.Тарнопольским, обладает рядом преимуществ при решении задачи о параметризации ПСА в прогностических моделях, а именно: I) простота и экономичность вычислительных алгоритмов; 2) использование только стандартной метеорологической шформации. Теоретическая постановка задачи состоит в том, Что ис-юльвуется стационарная, одномерная, бароклинная модель IICAi в ко-i горой поминание системы уравнений осуществяется с помощью уравне-1ия баланса кинетической энергии турбулентности, уравнения для

i 1

скорости диссипации турбулентной энергии в тепло и гипотеза приближенного подобия А.Н.Колмогорова. В приземном подслое применяется теория подобия Обухова-Ыонина. Значения функций на верхней границе приземного подслоя одновременно служач нижним граничным условием для свободного турбулентного слоя. Система уравнений для приземного подслоя а безразмерном виде выглядит так:

для га < 2 £ К

«со =>(хаьт«(»+Уиа) >

= о ,

-1

г- V. г л'

1х«(Н5зГ , Л «О,

УеОН

О ,

о,

для К < 2 6 н

сI I с1и . Й'.поС

(10 (II (12 (13 (14

(15 (16

+ V- ^-Х^г-го) = о , (17

/о, ^ , и (21)

^ = H = z|6=<? , Ь =2 0*.).

Здесь^ = |<0Е , ^0Z0, 2. - вертикальная координата; 0 -потенциальная температура; Я - коэффициент вертикального турбулентного перемепиваиил; £> - кинетическая энергия турбулентности; cL - угол отклонения приземного ветра от геострофического; jL - геострофический коэффициент трения; Хх» - параметры бароклинности; m , £ и 2 - эмпирические коэффициенты, значения которых подобраны с помощью численных экспериментов. В качестве универсальных функций подобия используются функции Бгазингера Ye и Yu •

Граничные условия для данной системы уравнений имеют вид: при Л = k, U -К(М, У - 0, & - S(h ), а «£(Ь ); при Z «И, U -Uj(K), IT - Drj(H), 6 «£-« О, где t/y , U^ - компоненты геострофичсского ветр~. Система приводится к безразмерному виду и решается методом последовательных приближений. Численное решение выписанной системы уравнений на каждом маге по времени во всех точках пространственной сетки ве- . дет к недопустимым затратам ресурсов ЭВМ, поэтому применяются бот лее простые annuoксимационные формулы без потерь тех преимуществ в физической постановке задачи, которыми обладает данная методика. Для этого вводятся два безразмерных параметра: число Россби Ro и параметр стратификации ¡£> :

Ro = JM , (22)

ti о

d - (23)

где(\^| - модуль геострофического ветра, а» _ перепад потенциальной теь'лературы в пределах приземного подслоя, ^ - параметр плавучести.

В частности, зависимости величин "¡/L , , j*о и безразмерной величины пограничного слоя Н выражаются в виде простых полиномиальных зависимостей, найденных на основе модельных расчетов по широкому набору параметров стратификации, бароклин ности и чисел Россби с использованием данных измерений:

Ш<(Х,1Х(|)Хи(Ио>Й , (24)

oC(Ro,S,X*.X¿) = т2(Хх,Х3Кт(Ко. S), (j¡&)

Хбт = а„ + R0)2* t

<*бт = ьо+^й + щъь (26)

(27)

W í i. С , S > <5 ,

~ I i - i.2 lo's^+S10*^ ,

f < ° • S > iS ,

3|десь £fT, o¿6T - баротропные значения % и ,

к 2 м, и Сл- коэффициенты, зависящие от характера стратификации,

Н - Нет (i ~ 0.033Хзс. ~ О.OU Ху) ,

о

где Нбт - баротропные значения безразмерной высоты ПСА, определяемые в зависимости от характера стратификации.

Конечным результатом расчетов по схеме параметризации ПСА в прогностической модели является величина приземного турбулентного потока тепла Q0 и величины составляющих вектора приземного касательного напряжения £о* и t.оу :

= S и;2 Coá (<* , г^ = § гг/ Sin Сое +«*,), (гв)

где 14. я ty^J ^Vj'/Mjo • и W40 ~ компоненты

приземного геострофического ветра, ^ - угол отклонения приземного геострофического ветра от координатной сетки модели, £ -плотность, ¿в я 0.4. Члены уравнений модели, содержащие вертикальные производные ^х. и аппроксимируются конечными разностями в пределах высоты ПСА: £о*/Н , /Н .

Третий параграф второй главы посвящен описанию схемы параметризации процессов радиационного переноса, основанной на использовании вычислительного алгоритма, разработанного Э.Л.Подольской и Л.О.Нееловой. Производится учет трехслойной облачности, а также потоков коротковолновой радиации (отдельно в ультрафиолетовой» видимой и в близкой ИК областях спе..тра) и длинноволновой радиации. В ультрафиолетовой и видимой частях спектра учитывается рассеяние излучения на молекулах воздуха, рассеяние облаками и поглощение озоном. В близкой ИК области спектра учитывается поглощение водяным паром с помощью интегральной функции пропускания, которая с целью повыиения экономичности расчетов аппроксимируется более простой формулой.

Для расчета интегральных потоков длинноволнового излучения

используются уравнения радиационного переноса и интегральные функции пропускания водяного пара и углекислого газа с учетом трехслойной облачности.

В четвертом параграфе приведено краткое описание схемы

учета конденсационных изменений температуры, геопотенциала и

(;

влажности. При превышении влажностью насыцаюцих значений вычисляется количество сконденсированной влаги, которое при суммировании по слоям дает количество выпадающих осадков. Здесь же представлен метод расчета балла облачности по слоям по форцулам Дк.Сыагоринского.

В пятом параграфе главы представлены различные способы расчета прогностических полей температуры в свободной атмосфере. В предыдущих вариантах оперативной полупарной модели температура воздуха в свободной атмосфере непосредственно по уравнению (4) не прогнозировалась. В этих вариантах прогностические значения температуры рассчитывались по соответствующим прогностическим значениям геопотенциала с использованием уравнения статики (6). Аналогично продукцией объективного анализа являются поля температуры на стандартных поверхностях, рассчитанные по проанализированным полям геопотенциала. Поэтому в модели для прогноза температуры на изобарических поверхностях применяется следующая методика.

Вертикальный профиль геопотенциала Ф аппроксимируется многочленом Лагранжа Ьп ():

Ф(1) = иСО = ±'ФСО-1>СО. <30)

¿-о

где п - степень многочлена, ^ • Еп р , р - давление,

Т- (7) = п ^ • (31)

Таким образом, температура рассчитывается по формуле:

иО *

ормула (32) позволяет вычислить п значений Т(ч(к)в зависимос-и от степени На основе сравнения вычисленных значений

^О?*) с данными измерений на аэрологических станциях был выб-ан оптимальный вид

М1).

Применяемая нами методика расчета профилей температуры с оио^ьо полиномов Лагранаа более экономична, чем использование ояайн-аппрокошацни, что очень важно для оперативной модели, ри этой точность обоих методов близка /I/. Если применить пдг.йн-аппроксныацию для расчета прогностических профилей тем-ературы, как в анализе, мы получим определенные различил тем-ерзтур даие в начальный момент вследствие разного набора уров-ей с данными о геопотенциале в модели и в анализе. Так, в поели число счетных уровней изменялось в течение ее развития с 6 о II, а в анализ^ - от 10 до 15. При статистической оценке рогнозов это проявляется в величине систематической ошибки. С елью дальнейшего уменьшение этой ошибки ч повышения точности рогнозов температуры в данной работе вычисления производятся епосредственно по уравнению притока тепла (4), которое при пе-аходе к потенциальной температуре принимает ьид:

Аей- сумма неадиабатических притоков тепла.

В Еестом параграфе второй главы приведен алгоритм расчета

составляющих скорости ветра в приземном подслое. Описанная ваше методика параметризации ПСА позволяет рассчитывать с [ачения тем> пературы и ветра на любом уровне в пределах приземного подслоя по функциям Бюэшгера. Для таких расчетов были выбраны уровни 2 м (уровень метеобудки) и 50 м (верхняя граница приземного под слоя), тогда искомые величины U¿ , VL , Uso, убудут представляться формулами:

ltz~ 1/г= 1^01 Sin(«*+*,), (34)

K^UsJ + (35)

где

U} - ш

«4 = in (r.ln/zon) + Ч. (ггп - zDn)

представляют собой безразмерные величины модулей ветра на уровнях 2 и 50 м, Zon, Í4n » 2ín - безразмерные высоты £0 . 2 и 50 к

В седьмом параграфе второй глаьы дано описание методики прогноза полей температуры в приземном подслое. С этой целью ис пользуются поля объективного анализа приземной температуры на уровне 2 м, поля приземного ветра на том же уровне 2 м и величу на приземного турбулентного потока тепла Qo . Аналогично рассчитывается температура на уровне 50 м, при этом ее начальные значения рассчитываются путем интерполяции между уровнями 2 м t 925 гПа с введением поправки на вертикальный градиент <Г :

где иццекс р означает производную в слое 2-50 м, индекс Н

* i

производную в слое 2м- 925 rila, tf * 0.0033 К-м . Поправка ¡ вводится для придания вертикальному градиенту температуры

большей неустойчивости, чем в среднем в слое до 925 гПа, свойственной нижнему 50-метровому слою. Простая линейная интерполяция затрудняет моделирование ситуаций с неустойчивой стратификацией в приземном подслое. Величина/4 подбиралась на основе численных экспериментов. Уравнения для прогноза температуры на уровнях 2 и 50 м выглядят так:

где С1 и С2 — коэффициенты, отражающие различный вклад 00 в температуру на границах приземного подслоя.

В третьей главе диссертационной работы представлены результаты расчетов прогностических полей метеоэлементов в свободной атмосфере. Анализ проводится на основе сравнения статистических оценок успепности экспериментальных прогнозов с соответствующими оценками оператигчых прогнозов. Оценки прогнозов на 24 ч осреднены по 56 случаям, на 48 ч - по 41 случаю, на 72 ч -по 28 случаям. В сравнении участвуют оценки прогнозов, рассчитанных в период с июля 1991 по февраль 1992 г. Больное число случаев в течение б месяцев расчетов дает основание полагать, что модель проверена в условиях различных режимов циркуляции атмосферы, и полученные выводы носят устойчивый характер.

В первом параграфе третьей главы дан сравнительный анализ успеяности прогнозов геопотенциала, температуры и ветра. Из табл.1, где приведены оценки успеоности прогнозов геопотенциала и приземного давления, видно, что рост успеоности прогнозов полей приземного давления по сравнению с оперативными прогнозами составил по коэффициенту корреляции Я от 6 до 9 пунктов, для

7)050

(37)

(38)

Таблица I

Статистические оценки успешности прогнозов геояотенциала и приземного давления ( р ) в сравнении с оценками оперативных прогнозов

Поверхность и заблаговременность прогнозов R опер эксл Е опер эксп опер д оксп

Ро 24 48 72 0.71 0.54 0.57 0.77 0,73 0.66 0.75 0.82 0.95 0.66 0.72 0.82 52.5 66.9 74.8 48.7 61Л 68.6

Н500 24 48 72 0.85 0.79 0.68 0.87 0.81 0.71 0.58 0.67 0.88 0.55 0.65 0.86 31.5 43.7 50.0 29.6 42.0 47.4

Н250 24 48 72 0.85 0.79 0.65 0.88 0.80 0.68 0.60 0.69 0.92 0.55 0.54 0.90 31.2 41.1 46.0 29.6 39.3 43.3

изобарической поверхности 500 гПа - на 2-3 пункта, для поверхности 250 гПа - на 1-3 пункта. При этом величина относительной оаибки Е сократилась для этих поверхностей соответственно на 913» 2-3 и на 2-5 пунктов. Одновременно сократились величины гра диентной оаибки ( На'нижних счетных уровнях модели рост ка чества прогнозоу обусловлен включением схемы параметризации ПСА В свободной атмосфере этому способствует более совершенный алго ритм расчета радиационных притоков тепла, а также расчет вертикального градиента температуры по ее прогностическим значениям при расчете параметра стратификации вместо постоянного его значения на каждой поверхности, что производится в оперативной мо-

дели. При этом учитывается переменность параметра стратификации как по пространству, так и по времени.

В табл.2 продемонстрирован рост успешности прогнозов температуры в свободной атмосфере, достигнутый за счет использования уравнения притока тепла и исходных полей температуры.

Таблица 2

Статистические оценки успешности прогнозов температуры в сравнении с оценками оперативных прогнозов

Поверхность и эаблаговремен-ность прогнозов Р опер * эксп 1 опер Е эксп < опер рксп опер эксп

Т850 24 48 0.72 0.69 0.77 0.71 0.74 0.70 0.70 0.73 1.5 2.3 1.4 2.2 89 68 93 71

Т500 24 48 0.85 0.80 0.86 0.82 0.60 0.65 0.56 0.63 1.1 1.8 1.0 1.7 96 80 96 81

Т300 24 48 0.65 0.58 0.75 . 0.73 0.84 0.91 0.69 0.74 1.4 2.0 1.2 1.6 90 78 95 87

» Т200 24 48 0.78 0.76 0.83 0.80 0.71 0.73 0.63 0.64 1.3 1.8 1.1 1.6 92 80 95 84

Величина абсолютной ошибки прогноза температуры при про-

гнозе на 48 ч сократилась в среднем на 0.1° в нижней и в средней тропосфере и на 0.2-0.4° в верхней тропосфере. Показатель ^{%) представляет собой оценку успешности прогнозов полей температуры, рекомендованную Международной организацией гражданской авиации (МОГА) для их использования в метеорологическом обслуживании авиации. Величина л) показывает процент обеспеченности прогноза , при котором отклонение прогностического значения

от фактического не иревыпает величину - 3°. По рекомендации МОГА величина л/ не должна быть ниже 90Из табл.2 видно, что прогнозы заблаговременностью 24 ч, в основном используемые в авиации, удовлетворяют этим требованиям.

В диссертации приведены также сравнительные оценки успешности прогнозов полей ветра. Их успешность возросла не столь заметно, как при прогнозе полей геопотенциала и температуры. Рост их успешности объясняется в основном теми же причинами, что и в случае с прогнозами геопотенциала. Несмотря на то, что непосредственно алгоритм прогноза ветра не изменился, рост успешности прогноза других метеоэлементев положительно сказался на прогнозе полей ветра, причем более заметен втот рост в средней и в верхней тропосфере.

Представленные выше результаты были получены с использованием в начальный момент времени полей геострофического ветра.

Во втором параграфе третьей главы дан сравнительный анализ успешности прогнозов при использовании в начальный момент полей объективного анализа реального ветра. Часть оперативных и экспериментальных прогнозов (всего 15 случаев) была рассчитана как с использованием полей геострофического, так и полей реального ветра в период январь-февраль 1992 г. Приведенные в диссертации оценки показали, что при включении в модель начальных полей реального ветра преимущество в качестве экспериментальных прогнозов над оперативными сохраняется. При этом отмечается некоторое повышение успешности прогнозов, в первую очередь, полей геопо-тенциела.

В чзтвертой главе диссертации англизируются результаты про гнозов метеорологических полей в пограничном слое. Оценки приво

дятся для трех областей (табл.3,4): внетроиическая область Северного полуиария (№1), зона ответственности Московского регионального центра зональных прогнозов (№2^, территория Европы (ИЗ). Последняя них представляет собой территорию с наиболее полной исходной информацией.

Таблица 3

Статистические оценки успечности прогнозов полей приземной температуры

Область оценок и заблаговремен-ность прогноза <5 опер 0 абс» эксп опер эксп

I 24 48 2.4 3.3 2.1 3.0 - _

2 24 48 2.6 3.7 2.1 3.0 62 46 67 67

3 24 48 2.9 4.8 1.9 2.8 67 55 72 60

Таблица 4

Статистические оценки успеаности прогнозов полей приземного ветра

Область оценок и забдаговреыен-ность прогноза ^ср» опер м-с"1 эксп 1 опер эксп

I . 24 48 1.6 1.2 -0.7 -0.8 4.0 4.8 3.5 4.5

2 24 48 2.0 1.3 -0.3 -0.4 4.1 4.9 3.4 4.1

3 24 48 2.4 2.2 0.4 -0.4 4.1 4.8 3.2 4.0

Из табл.3 видно, что по сравнению с оперативными прогнозами величина аьсолютной опибки прогноза температуры 8 а£с по области №2 сократилась на 0.5°, а по области №Я - на 1.0°. Прогностические поля приземного ветра (табл.4) показали снижение

величины средней средней ошибки <$._ до величины, не превьшаю-

-I Р

щей I м^с , а также заметное снижение среднеквадратической

ошибки Обращает на себя внимание чувствительность модели

к полноте исходной информации: по области №3 оценки лучив, чем по внешним областям, чего нельзя сказать об оперативных прогнозах.

Во втором параграфе четвертой главы анализируется пространственное и временное распределение приземного турбулентного потока тепла (Оо) и количества движения, выраженного через величину вертикальной фрикционной скорости (иЭ^). По исходным данным '29.06 1991 0 ч были расчитаны прогностические поля £)«, и на 36, 48 и 72 ч. В летних условиях ослабленной атмосферной циркуляции амплитуда значений и^ невелика. Максимальные скорости восходящих движений составляют величину порядка -50-60 гПа/12 ч, максимальные скорости нисходящих движений не более 30 гПа/12 ч. Продемонстрирована хорошая пространственно-временная связь прогностических полей с^р-и приземного давления, состоящая в том, что зоны восходящих движений тяготеют к областям пониженного атмосферного давления, а максимальные значения расположены в районах наиболее высокого горизонтального градиента давления. Зоны нисходящих движений близко соответствуют районам антициклонической циркуляции» либо малоградиентных барических полей. Тры сформация приземного барического поля в течение срока прогноза сопровождается сортветрщгвдгши изменениями в распределении иЭ^

Прогностические поля Оо демонстрируют слабый турбулентный обмен и отсутствие суточного хода в северных ниротах и его рост в южных широтах. Надневной стороне полушария максимальные значения 0о составляют величину, превышающую 100 на

ночной его стороне фон значений 0о заметно ниже. Сделан вывод о том, что факторы динамики и теплообмена, включенные в экспериментальный вариант модели, при прогнозировании процессов крупного масштаба находятся в соответствии с пространственно-временным распределением барического поля и суточным ходом метеорологических элементов.

В третьем параграфе четвертой главы работа схемы параметризации ПСА показана на примере расчетов вертикальных профилей вет- . ра и температуры в отдельных узлах сетки. Такой расчет представляет самостоятельный интерес, но он возможен лишь в ограниченном количестве узлов сетки з фиксированные моменты прогноза. В работе приведены профили, рассчитанные по фактическим данным, поступающим в модель в виде полей объективного анализа, и по прогностическим данным заблаговременность» 24 и 48 ч на момент факта. Один из примеров (4 января 1992 г. Оч) демонстрирует профиль метерэле-ментов, типичный для условий зимнего нейтрально стратифицированного ПСА. Прогностические профили в целом удовлетворительно восстанавливают приземную иаотермию, инверсию вьпзе ПСА, а также правый поворот и усиление ветра с высотой.

На рис.1-4 представлены вертикальные профили температуры и ветра для теплого времени года (апрель, май 1992 г.) в двух узлах сетки модели, ближайших к городам Москве и Волгограду. На рис. I и 2 приведены фактические и прогностические на 24 и48 ч профили температуры в Москве и в Волгограде за 27 апреля 1992 г. 00 СГВ.

РиеЛ. Ыосква 27.04.92 Рис.2. Волгоград 27.04.92

Рис.3. Ыосква 12.05.92 Рис.4. Волгоград 26.05.92

Фактические и прогностические вертикальные профили температуры (рис. I и 2) и ветра (рис. 3 и 4). -фактические данные;---прогноз на 24 ч; -----на 48

В этих примерах высота ПСА составляла 300-500 м. На профилях topoiso видны участки падения температуры с высотой в пределах 1СА, "запирающая" инверсия вьете ПСА и падение температуры вше (фовня 900 м. Различия между прогнозом и фактом на различных фовнлх определяются точностью прогнозов геопотенциала и температуры у поверхности земли и на поверхностях 925 и 850 гПа. В делом прогностические профили температуры хорозо соответствуют крофиляи, рассчитанным по фактическим данным, и правильно вос-троизводят реальный характер стратификации температуры.

На рис.3-4 представлены вертикальные профили величины моду-гя скорости ветра, рассчитанные по реальным и по прогностическим (¡шным в Иоскве за 12 мал 1992 р. 00 СГВ и в Волгограде за 26 гая 1992 г. 00 СГВ. Из рисунков ведко, что при прогнозе на 48 ч рофиль модуля скорости ветра хотя и близок по форме,к фактичес-ому, но заметно занижает скорость ветра. Прогноз г.в на 24 ч хо-оао воспроизводит реальный вертикальный профиль ветра, при этом уклонения не превшшот величину 1,5 м.с~*.

Представленные примеры, взятые из оперативной практики, по-пяызают, что используемая методика позволяет получать достаточ-о точно прогностические вертикальные профили температуры и вет-ат ггстюльзуя продукцию оперативной модели.

В заключении сформулированы основные результаты работы: I* Создана полусфернал прогностическая модель атмосферы, ору-тгиротаннал на оперативное использование в прогностической пра-гике- Ростодрометцентра. В модель включены основные физические эоцессы, необходимые для прогноза метеорологических полей у по-грхностн земли и в свободной атмосфере на ср к до 3 суток.

2« Разработан усовершенствованный алгоритм расчета прогности-ïcxhx полей температуры и ветра у поверхности зегли с учетом

приземного подслоя и в свободной атмосфере. Сравнение большого.^ да оценок экспериментальных и оперативных прогнозов показало пов1 пение успешности прогнозов температуры.

3. Получено повышение успешности прогнозов метеорологисесю полей по сравнении с оперативными прогнозами. Сравнение произво' дилось по большому числу случаев в течение 6 месяцев на операти ных реальных данных.

4. В модель включен экономичный алгоритм параметризации пр цессов в ПСА, отвечающий современным требованиям полноты физиче кого описания взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхнос тью. Алгоритм позволяет рассчитать все необходимые „гарактерист ки турбулентности и приземные потоки для использования в модели

5. Проанализировано географическое и временное распределен прогностических полей метеорологических элементов и турбулентна характеристик: приземного турбулентного потока тепла и вертйка? Ной фрикционной скорости и их связь с прогнозом барического по;

6. Реализована методика расчета прогностических вертикаль! профилей температуры и ветра в ншк&л сдое атмосфера с задании разрешением по вертикали.

Результаты диссертации опуйпкков&ки в сяедуйдрж работах:

1. Прогноз температуры воздуха ка осяовэ полуиар?ой пропс тической модели.-Труды Гидрометцентра СССР, 1991, шп.ЗЮ, с.6

2. Усовершенствованная методика параметризации процессов пограничном слое в полуаариой прогностической модели атмосферы Труды Гидрометцентра СССР, 1991, вып.318, с.3-6.

3. Прогноз геопотенциала, температуры и ветра в свободной мосфере и в пограничном слое на основе полупарной прогностичес

модели. - Деп. в ИЦ ЕНИИПОЫЩД, »10.21, ГИ, 1992 , 33