Гидродинамическое моделирование является одним из важнейших инструментов исследования геофизических процессов, в том числе и метеорологических. Существует много проблем, связанных с моделированием атмосферных процессов. Принципиальной проблемой следует признать наличие так называемого предела предсказуемости состояния самой атмосферы, и этот предел ограничивает применимость дифференциальных моделей такими интервалами времени, за пределами которых в прогностической практике используется термин «долгосрочный», или «длительный». Именно такое разделение интервалов определило название предлагаемой диссертации. В качестве моделей рассматриваются глобальные модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА).
Предел предсказуемости преодолеть невозможно по самому определению. Однако, как заметил в своей классической работе А. С. Монин (Моими А. С., 1969), «оценки пределов предсказуемости следует рассматривать лишь как оценки снизу». Конструктивным решением проблемы долгосрочного прогноза является нахождение тех или иных «характеристик метеорологических полей, являющихся предсказуемыми на эти сроки» {Монин А.С., 1969, с. 151).
Отмеченная А. С. Мониным проблема до сих пор актуальна. Продолжаются активные поиски метеорологических величин (полей, процессов, явлений) и их характеристик (динамических, кинематических или статистических), которые можно было бы использовать при решении методологических и прогностических проблем долгосрочного моделирования.
Среди метеорологических величин естественно отбирать такие, которые обнаруживают «пространственную регулярность» и некоторую временную устойчивость. Десятилетия исследований были посвящены высотам изобарических поверхностей и их пространственно-временным характеристикам, которые представляют главнейшие черты общей циркуляции атмосферы в крупномасштабных и долгопериодных диапазонах атмосферной изменчивости. Естественным методом исследования и модельной реализации такого подхода представляется спектральный метод. При этом предполагается, что «длинноволновые» компоненты «фильтрованных» по времени метеорологических процессов обладают такой устойчивостью, которая позволяет решить (хотя бы отчасти) потребности долгосрочного прогноза погоды.
Известно, что, наряду с более глубоким пониманием происходящих процессов в системе «атмосфера-подстилающая поверхность», сильнейшим стимулом оказалось развитие вычислительной техники, которое позволило строить численные модели, воссоздающие глобальные атмосферные процессы в целом, и позволяющие исследователю производить эксперименты с этой «рукотворной атмосферой».
Возможности использования численных моделей для расчета и прогноза полей метеоэлементов на временных интервалах, превышающих «предел предсказуемости», были продемонстрированы еще в середине 20-го века в СССР Е. Н. Блиновой с сотрудниками (Блинова Е.Н., 1943). За границей первые численные эксперименты по моделированию климата проводили Н. А. Филлипс (Phillips N.A., 1956), Дж. Смагоринский (Smagorinsky J., 1963). Совершенно очевидно, что поиск подходящих элементов и их характеристик сопряжен с обработкой огромного количества информации. Несколько десятков тысяч вычислителей, способных решать такие проблемы в режиме реального времени, о которых говорил Ричардсон (Richardson L. F, 1922) — идеалистические мечтания. Только развитие вычислительной техники позволило решать ранее недоступные для аналитического подхода проблемы.
В списке труднопредсказуемых метеорологических элементов оказываются такие величины, которые сложно представить в виде более или менее гладкого поля. Гладкость поля (непрерывность до определенного порядка) важна при решении дифференциальных уравнений, в которых приходится оперировать пространственными производными.
Такое погодное явление, как осадки, трудно представлять в виде поля, если не прибегать к осреднениям или суммированиям. В последние годы иногда прибегают даже к технике фрактальных множеств, чтобы более или менее адекватно описать «разрывное поле осадков». Это «разрывное поле» трудно представить в виде разложения по гармоническим составляющим (что сравнимо, например, со спектральным представлением поля орографии!). Остается стандартная статистическая пространственно-временная фильтрация на сфере, сводящаяся к осреднениям или суммированиям по «физически однородным» пространственным областям.
В связи со сказанным выше, в моделировании и прогнозировании статистических характеристик непрерывных во времени и пространстве метеорологических полей (например, полей высот изобарических поверхностей, и температуры в свободной атмосфере) к настоящему времени достигнуты заметные успехи, а прогресс в моделировании «поля» осадков на длительных интервалах времени идет гораздо более медленными темпами.
Можно ли разрывное поле осадков превратить в такое «регулярное» поле, как, например, поле геопотенцильной высоты? Для этого надо ответить на несколько вопросов. Что такое осадки и каковы масштабы пространственно-временного осреднения, позволяющие от «фракталов» и «дробных размерностей» перейти к стандартным пространственно-временным дифференциальным разностям?
В чем особенность осадков как метеорологического элемента? В первую очередь, в том, что в их формировании участвуют процессы разных масштабов — от молекулярного вязкого уровня через циклонический перенос к грандиозной глобальной зональной цепи внутритропической зоны конвергенции.
Несмотря на огромные трудности в моделировании, и тем более, предсказании осадков, различные отрасли человеческой деятельности (сельское хозяйство, здравоохранение, жилищное хозяйство, планирование энергозатрат, туризм, страхование) испытывают насущную потребность в долгосрочном прогнозе осадков. Осадки для человечества означают не столько «погодный элемент», сколько условия выживания всего живого на Земле. Величайшие катастрофы в истории человечества связаны с двумя экстремалями этого метеорологического элемента — с засухами и наводнениями, которые остаются основными предметами исследовательской и прогностической деятельности научной общественности.
В настоящее время во всех основных метеорологических центрах мира проводятся испытания методов гидродинамического долгосрочного прогноза осадков. Можно утверждать, что успех в предсказании и моделировании глобальных осадков и их статистических характеристик является критической оценкой качества гидродинамического моделирования в целом. Как говорилось выше, детерминированный гидродинамический прогноз в конкретном месте на конкретный момент времени, основанный на одном интегрировании, ограничен пределом предсказуемости. Этот предел составляет от полутора-двух суток до месяца. Как правило, в качестве предела детерминированной предсказуемости принимают тот срок, который называется «средним" — этот срок составляет 10 суток. (Lorenz E.N., 1969, Ионии А. С., 1984, Chen, W. К, 1989, Дымников В. П., Филатов Л. Н., 1994).
Переход к прогнозу осредненных по некоторому региону и по времени величин с использованием ансамблей интегрирований модели, которые генерируются на основе каких-либо соображений (возмущенные начальные условия, стохастизация физики модели, использование нескольких моделей и т. д.), позволяет увеличить период заблаговременность долгосрочного прогноза статистических характеристик метеорологических величин.
Отметим одно обстоятельство. В практике мировых метеорологических центров наметилась вполне четкая тенденция в использовании класса моделей для двух диапазонов заблаговременности. Если для оперативного среднесрочного прогноза применяется модель некоторого пространственного разрешения, то для долгосрочного прогноза (на месяц — сезон — полугодие) используется, как правило, модель в два раза меньшего разрешения. И это обычно «предыдущая модель» оперативного использования. Так как вычислительная эффективность увеличивается как при переходе между треугольными числами (или квадратами чисел), то экономия в разрешении позволяет реализовать ансамблевый подход. В настоящее время, насколько известно автору работы, долгосрочный прогноз делается исключительно на ансамблях интегрирований! (Кстати, до сих пор не утихают споры: что выгоднее, считать прогноз по самой сложной и точной модели, или же прибегнуть к ансамблю прогнозов, полученных, с помощью более простых моделей.).
Одной из основных гидродинамических моделей, используемых в Гидрометцентре России для среднесрочного и долгосрочного прогнозов, является глобальная спектральная модель циркуляции атмосферы (Кур-баткин Г. П. и др., 1994, Фролов А. В. и Важник А. И., 1999, Фролов А. В. и др., 2004).
Существует несколько вариантов оперативной модели ГМЦ РФ с различным пространственно-временным разрешением. Среднесрочная оперативная модель Гидрометцентра имеет разрешение T85L31 (Фролов А.В. и др., 2004). В целях долгосрочного прогноза осредненных характеристик метеорологических полей используется модель в два раза меньшей размерности (T41L15). Оперативно с месячной дискретностью выдается прогноз среднемесячных полей геопотенциальной высоты Н500 и температуры на уровне высоты Н850 по модели T41L15 и в экспериментальном режиме — осредненные температуры на высоте 2 м и суммы осадков по станциям территории бывшего СССР (около 120 станций).
Основной целью данной работы явилась оценка возможностей спектральной модели Гидрометцентра T41L15 при моделировании и прогнозе аномалий осадков на месячных и сезонных интервалах времени, а также использование полученных результатов для трех принципиальных задач. Первая задача заключается в более детальном понимании потенциальных возможностей модели выбранного класса в целях долгосрочного прогноза крупномасштабных осадков. В отчете о научно-исследовательской работе Гидрометцентра России по теме «Гидродинамическое моделирование и вероятностно-статистический анализ глобальных гидрометеорологических процессов» показано, что спектральная модель ОЦА Гидрометцентра T41L15 с относительно простым пакетом параметризаций и конечноразно-стная полулагранжевая модель SL-AV (горизонтальное разрешение 1.40 625° по долготе, 1.125° по широте- 28 сигма уровней по вертикали) с современными параметризациями (Толстых М.А., 2001) продемонстрировали примерно одинаковый уровень погрешностей моделирования средне-сезонной скорости выпадения осадков. Поэтому представленные в настоящей работе результаты верификации модели T41L15 можно с известной осторожностью считать отражающими возможности современных моделей ОЦА среднего класса в моделировании осадков на длительных интервалах времени. Вторая задача — это критическая оценка схем параметризации осадков (и облачности) в использованной модели. Третья задача — это поиск взаимосвязи характеристик атмосферной циркуляции и полей осадков, которые можно было бы использовать в прогностических целях. Совершенно очевидно, что оценка качества воспроизведения осадков невозможна без анализа систематических особенностей моделирования полей осадков, выявляющихся при осреднении за достаточно длительный период времени. Поэтому первая часть работы состояла в анализе среднемесячных полей осадков, полученных осреднением за 20 лет (1983;2002 гг.) результатов интегрирования модели T41L15 с предписанными реальными значениями полей температуры поверхности океана (Глава 3). Такой анализ позволяет оценить потенциальную предсказуемость аномалий осадков. Результаты расчетов по модели сравниваются с данными глобального архива наблюдений за осадками. Такая оценка проведена для данной модели впервые. Расчет средних полей осадков по 20-летнему интервалу позволяет учесть систематические ошибки модели и оценить улучшение качества моделирования за счет введения коррекции систематических ошибок в модельные поля. Проблема корректировки модельных полей осадков в прогностической практике на таких интервалах интегрирования ставится также впервые.
Для оценки качества воспроизведения среднемесячных аномалий за каждый год интервала 1983;2002 гг. предложена методика, основанная на построении многовходовых таблиц сопряженности с градациями ниже, около и выше нормы. Градации определяются как значения 33 и 66 про-центилей распределения фактических аномалий за период эксперимента в каждой точке сетки. Таким образом учитываются особенности климатического распределения аномалий в конкретной точке. Рассчитываются аномалии с учетом коррекции систематических ошибок модели и без учета. На основе таблиц сопряженности рассчитываются различные оценки качества воспроизведения аномалий в различных регионах. Анализируются распределения этих оценок за каждый год исследуемого периода, и в среднем за все годы, что характеризует возможность гидродинамической модели воспроизводить среднемесячные аномалии осадков при моделировании на месяц вперед с нулевой заблаговременностью. Анализируются процентные разности оценок расчета модельных аномалий осадков с коррекцией и без коррекции, что позволяет оценить эффект учета систематических ошибок модели. Делаются выводы об особенностях годового хода успешности воспроизведения аномалий в различных регионах.
В Главе 3 оценивается потенциальная предсказуемость, поскольку, как указывалось выше, в модели в качестве граничных условий были использованы реальные поля температуры поверхности океана (ТПО). При прогнозе реальные поля ТПО отсутствуют. Для их моделирования используются совместные модели океана и атмосферы, или статистические схемы прогноза полей ТПО, служащих граничными условиями атмосферной модели. Для оценки потенциала таких прогностических схем важно исследовать наличие чувствительности атмосферной модели к изменению граничных условий.
В Главе 4 исследуется чувствительность осадков и связанных с ними циркуляционных характеристик к изменению ТПО, проводится анализ влияния изменения ТПО на элементы атмосферной циркуляции на сезонном интервале времени, а также сравнение полученных модельных данных с данными наблюдений.
В рамках этого исследования разработана схема проведения экспериментов с различными комбинациями полей граничных условий ТПО по данным наблюдений, отражающими наиболее важные характерные состояния ТПО (ТПО конкретного года, климатические поля ТПО, ТПО, характерные для явлений Эль-Ниньо и JIa-Нинья). Данные моделирования сравниваются с данными наблюдений — данными реанализа NCEP-NCAR для полей циркуляции и с данными GPCP (Global Precipitation Climatology Program) для полей осадков.
Отдельное исследование посвящено выделению низкочастотного сигнала влияния ТПО на осадки помощью вейвлет-анализа.
Для оценки масштаба внутренней изменчивости модельных полей проведен эксперимент с использованием ансамблей, построенных на вариациях начальных данных и граничных условий (Глава 5).
Работа выполнялась в рамках тем плана НИОКР Росгидромета 1.1.2.17 («Разработать технологию ансамблевого сезонного прогноза метеорологических полей на основе использования глобальных моделей атмосферы и океана», 1.1.2.3 («Усовершенствовать оперативные технологии долгосрочных прогнозов погоды на базе новых прогностических разработок, обновленного информационного обеспечения, современных средств представления и оценок качества прогностической продукции»), проекта ГНЦ 1.1 («Гидродинамическое моделирование и вероятностно-статистический анализ глобальных гидрометеорологических процессов» Разделы: 1. Исследование процессов блокирования в атмосфере средних широт северного полушария на основе численных экспериментов с моделью общей циркуляции атмосферы- 2. Оценка характеристик энергои массообмена на поверхности океана в моделях общей циркуляции атмосферы на сезонных интервалах времени), проекта РФФИ 02−05−64 655 «Моделирование крупномасштабных атмосферных процессов на основе ансамблей траекторий».
Выводы.
1. Проведено сопоставление основных мировых архивов наблюдений за глобальными осадками и выделены регионы удовлетворительного согласования и регионы крупных различий в характеристиках крупномасштабных осадков.
2. На основе физико-статистических принципов проведено районирование территории СНГ по однородности полей суммарных осадков.
3. Впервые для спектральной модели Гидрометцентра России на основе архива осадков (GPCP) проанализирован «климатический дрейф» при гидродинамическом воспроизведении осредненных сумм осадков за 20-летний период с детализацией годового хода систематической ошибки.
4. Разработана и реализована в программных кодах система оценок качества воспроизведения аномалий осадков с учетом их пространственного распределения.
5. Проведены численные эксперименты и даны оценки чувствительности полей осадков и характеристик общей циркуляции атмосферы к вариациям температуры поверхности океана на сезонном интервале интегрирования.
6. Для выявления взаимосвязи между характеристиками циркуляции (ВАО) и осредненными крупномасштабными осадками (Европа) использованы вэйвлет-фильтры, учитывающие нестационарные особенности временных рядов.
7. Проведены численные эксперименты и даны ранговые оценки качества ансамблевого моделирования полей осадков в зимний сезон.
