Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, доктор физико-математических наук Рубинштейн, Константин Григорьевич

• Рубинштейн, Константин Григорьевич
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Рубинштейн, Константин Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ. к

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ПОДГОТОВКА ЭТАЛОННЫХ ДАННЫХ ДЛЯ НАСТРОЙКИ

МОДЕЛЕЙ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

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

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

1.3 Результаты согласования температуры и геопотенциала.

1.4. Учет виртуальной поправки при согласовании температуры и геопотенциала.

1.5. Алгоритм согласования температуры, геопотенциала и влажности.

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

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

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

1.9. Результаты анализа трендов температуры в свободной атмосфере.

Выводы из главы 1.

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

2.1. Исходные уравнения модели.

2.2. Краевые условия модели.

2.3. Вертикальная дискретизация уравнений.

2.4. Параметризация физических процессов в модели ОЦА.

2.5. Параметризация горизонтальной макротурбулентности в модели.

2.6. Вертикальные турбулентные потоки в модели.

2.7. Крупномасштабная конденсация.

2.8. Влажная конвекция в базовой версии.

2.9. Процессы на подстилающей поверхности.

2.10. Радиация.

Выводы из главы 2.

ГЛАВА 3. ВАЛИДАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ

ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

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

3.2. Анализ годового хода температуры тропосферы.

3.3. Вертикальная структура температурных полей.

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

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

3.6. Анализ распределения влажности в атмосфере.

3.7. Вертикальное распределение средней по полушариям кинетической энергии.

3.8. Анализ результатов моделирования характеристик подстилающей поверхности.

3.9. Широтное распределение среднезональных величин осадков.

3.10. Широтное распределение разности среднезональных величин осадков и испарения.

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

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

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

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

3.15. Анализ воспроизведения характеристик азиатского муссона.

3.16. Анализ воспроизведения характеристик муссонной циркуляции.„.

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

3.18. Воспроизведение приземной температуры воздуха и ее изменчивости.

3.19. Анализ изменчивости приземной температуры.

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

3.21. Анализ интегральных характеристик снежного покрова в моделях.

Выводы из главы 3.

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

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

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

4.3. Анализ влияния ТПО на средние характеристики атмосферы.

4.4. Анализ влияния ТПО на характеристики изменчивости атмосферы.

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

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

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

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

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

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

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

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

4.13. Исходные данные и методика проведения численных экспериментов.

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

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

Выводы из главы 4.

ГЛАВА 5. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

КРУПНОМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

5.1. Статистические методы детализации прогнозов.

5.2. Реализованный метод множественной регрессии.

5.3. Детализация температуры с использованием метода решения обратных задач.

5.4. Гибридный метод детализации приземных метеополей.

5.5. Описание метода детализации температуры и влажности почвы.

5.6. Ландшафтные и метеорологические параметры региона.

5.7. Анализ результатов расчетов для различных ландшафтов.

5.8. Анализ изменения влажности почвы для различных ландшафтов.

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

Выводы из главы 5.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ.

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

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

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

6.4. Основные этапы подготовки данных в системе СДА 99.

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

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

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

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

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

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

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

6.12. Коррекция вертикального распределения модельных осадков.

6.13. Результаты коррекции осадков за 1996 г.

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

6.15. Расчеты параметров внутри пограничного слоя.

6.16. Процедура согласования ветра с рельефом по региону.

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

6.18. Анализ полученных метеорологических полей для Западной Сибири.

6.19. Проверка расчетов загрязнения для республики Алтай.

Выводы из главы 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование общей циркуляции атмосферы для исследований изменения климата и переноса примесей»

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

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

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

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

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

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

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

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

Представляемая работа посвящена решению следующих задач:

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа состоит из введения, шести глав, заключения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Рубинштейн, Константин Григорьевич

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

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

Личный вклад автора

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

В работах в соавторстве вклады авторов распределись следующим образом:

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты и их новизна

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

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

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

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

• Проведен анализ характеристик снежного покрова в Российских моделях ОЦА;

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

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

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

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

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

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

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

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

Реализация результатов

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

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

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

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

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

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

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

Апробация работы

Диссертантом всего опубликовано 74 научные работы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Рубинштейн, Константин Григорьевич, 2006 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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