1.2 Модель для исследования и прогноза погоды WRF

Модель для исследования и прогноза погоды WRF (Weather Research and Forecast) разработана в Национальном центре атмосферных исследований США [6]. WRF может использоваться при решении широкого круга задач в масштабах от сотен метров до тысяч километров, включая идеализированные течения (например, LES, конвекция, бароклинные волны), для исследования возможности применения различных схем параметризации; для сравнения с данными наблюдений; при численном предсказании погоды в реальном времени. Кроме того, WRF-модель может использоваться как динамическое ядро в компьютерных моделирующих системах, предназначенных для исследования переноса примеси и анализа качества атмосферного воздуха над урбанизированными территориями.

WRF-модель содержит эластические негидростатические уравнения, учитывает неоднородность поверхности. В модели реализована технология организации расчетов во вложенных областях с односторонним или двухсторонним влиянием. Используется зависимая от поверхности система координат, сгущающиеся к поверхности Земли сетки, консервативные разностные схемы 2-го и 3-го порядков аппроксимации для нестационарных членов и 2-6 порядка − для адвективных. Есть параллельная версия для многопроцессорных систем. Показано, что эта модель имеет более высокую производительность, чем MM5 модель.

Основные прогностические уравнения WRF-модели в ()-координатной системе имеют вид:

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

где

;;

;

− источниковые члены в уравнениях (7)-(10).

Давление определяется из диагностического уравнения состояния:

(11)

Возмущения основных термодинамических переменных представляют собой отклонения от инвариантного по времени гидростатического состояния:, и, − ускорение силы тяжести.

Модель WRF предлагает большое количество схем параметризации, которые можно совмещать в любом виде. В этой модели рассматриваются различные схемы представления процессов подсеточного масштаба от простых, эффективных схем до сложных, требующих трудоемких вычислений, от новых развивающихся до хорошо испытанных, которые используются в современных рабочих моделях [7]. Для моделирования микрофизики влаги предлагается восемь схем параметризации, отличающихся областью применения и детализацией представления фазовых состояний атмосферной влаги. Для описания потоков длинноволновой радиации имеются две схемы, коротковолновой − три схемы. Температура и влажность подстилающей поверхности могут рассчитываться на основе одной из трех многослойных моделей тепло- и влагообмена в почве. Для представления параметров планетарного пограничного слоя предлагаются три схемы параметризации. Такое же количество схем реализовано в WRF-модели для параметризации конвективных процессов.

Для географической привязки этих моделей (выбор области исследования, учет рельефа и распределения категорий землепользования подстилающей поверхности) используются глобальные топографические данные различного разрешения – от одного градуса до 30 секунд. Задание первого приближения метеорологических полей реализуется с помощью архивных данных, либо данных предшествующего прогноза. В качестве архивных данных берутся данные реанализа Национального центра охраны окружающей среды США (NCEP) или Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), глобальные данные НЦАИ, прошедшие процедуру усвоения, данные регионального анализа и прогноза. Начальные и граничные условия для локальных метеорологических моделей формируются с использованием данных объективного анализа. Объективный анализ метеорологических полей выполняется на основе обработки начального приближения метеорологических полей и синоптических данных, а также данных о геопотенциале, ветре, температуре и относительной влажности воздуха на изобарических поверхностях.