Numeryczny system prognozy pogody w Polsce – element systemu SMOK

1. Numeryczny system prognozy pogody w Polsce – element systemu SMOK Andrzej Mazur, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Warszawa

2. Treść • Prezentacja • Wyposażenie i oprogramowanie • Modele meteorologiczne • Plan działań na przyszłość • Potrzeby, możliwości, problemy • Wnioski i pytania • Podsumowanie

3. Prezentacja • Cel: Wdrożenie meteorologicznych modeli prognostycznych do praktyki operacyjnej • Cel: Wdrożenie meteorologicznych modeli prognostycznych do praktyki operacyjnej w ramach systemu SMOK • zakup, implementacja i uruchomienie superkomputera, na którym liczone byłyby operacyjnie odpowiednie modele meteorologiczne • pozyskanie, implementacja i uruchomienie meteorologicznych modeli prognostycznych • operacyjna praca modeli, udostępnianie wyników zainteresowanym użytkownikom, a zwłaszcza służbie hydrologicznej i meteorologicznej

4. Wyposażeniei oprogramowanie(elementy kluczowe) Platforma sprzętowa:SGI 3800 100CPU (100GFlops)SGI 3200 8CPU Modele pogodowe:COSMO-LM + ALADIN Dane we/wy Produkty modeli OS + programy narzędziowe

5. Modele meteorologiczne Celem prognoz pogody jest jak najwierniejsze odtworzenie procesów fizycznych w atmosferze i ich możliwego dalszego przebiegu. Rozwijane od wielu lat modele numeryczne starają się coraz bardziej zbliżyć wartości prognozowane do faktycznie występujących, a także próbują wydłużyć okres wiarygodnej prognozy. Numeryczne modelowanie procesów atmosferycznych z każdym rokiem odgrywa w życiu współczesnych społeczeństw coraz większą rolę. Transport, rolnictwo, gospodarka wodna, energetyka, obronność, czy wreszcie turystyka i sport to najważniejsze przykłady sfer ludzkiej aktywności silnie zależnych od warunków pogodowych, dla których wiarygodna prognoza ma pierwszorzędne znaczenie. Wysokie nakłady niezbędne dla stworzenia zaawansowanych modeli meteorologicznych powodują, że międzynarodowy podział pracy na polu numerycznego prognozowania stał się koniecznością.

6. Modele meteorologiczne W chwili obecnej w Ośrodku Głównym IMGW w Warszawie w trybie operacyjnym pracuje model lokalny, jako efektywny produkt współpracy IMGW w ramach Konsorcjum Modelowania Mezoskalowego COSMO (Consortium for Small Scale Modelling), pozyskany i uruchomiony dzięki kooperacji z Deutscher Wetter Dienst. Ten niehydrostatyczny, mezoskalowy model meteorologiczny zaimplementowany został w roku 2001 na superkomputerze SGI 3800 w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie. Jest to adaptacja na potrzeby Polski modelu LM/DWD (Lokal Modell - Deutscher Wetter Dienst – model lokalny Niemieckiej Służby Meteorologicznej). W związku z przystąpieniem IMGW do konsorcjum COSMO model ten nosi obecnie nazwę COSMO-LM). Nad rozwojem modelu oraz przy jego utrzymaniu w działalności operacyjnej pracuje obecnie dziewięć osób (Ośrodek Rozwoju Numerycznych Prognoz Meteorologicznych).

7. Modele meteorologiczne Model numeryczny ALADIN jest elementem systemu prognostycznego, obejmującego również 2 inne modele: globalny IFS, rozwijany i eksploatowany przez Europejskie Centrum Prognoz Średnioterminowych oraz regionalny Arpege, rozwijany i eksploatowany przez Meteo – France. Wszystkie modele systemu są modelami spektralnymi - w przypadku ALADINa zastosowano rozwinięcie bi-fourierowskie z obcięciem eliptycznym, a w celu redukcji szumów numerycznych zastosowano bi-periodyzację pól Machenhauera. Z innych charakterystyk modelu należy wymienić zastosowanie schematów semi-lagranżowskich dla rozwiązywania równań adwekcji czy inicjalizację metodą cyfrowej filtracji Lyncha. ALADIN powstał jako model hydrostatyczny, ale aktualnie dostępna jest również wersja niehydrostatyczna.

8. Modele meteorologiczne Model COSMO-LM jest eksploatowany w Ośrodku Głównym IMGW od 2001 roku. W ramach eksploatacji realizowane są dwa przebiegi modelu: dla danych wejściowych z godziny 00 i 12. Dane te pozyskiwane są z DWD, jako wyniki modelu globalnego GME. Dla potrzeb operacyjnych wykorzystywana jest następująca konfiguracja modelu: • domena: 2702 km x 2254 km • rozmiar siatki: 193x161x35 • rozdzielczość: 14 km • krok czasowy: 80 s • horyzont: 78 godzin

9. Modele meteorologiczne Model ALADIN jest operacyjnie eksploatowany od kilku już lat w IMGW OKk w sieci CYFRONET. W ramach eksploatacji realizowane są dwa przebiegi modelu: dla danych wejściowych z godziny 00 i 12. Dane te pozyskiwane są z serwerów Meteo-France. Dla potrzeb operacyjnych wykorzystywana jest następująca konfiguracja modelu: • domena: 2270 km x 2270 km • rozmiar siatki: 169x169x31 • rozdzielczość: 13.5 km • krok czasowy: 600 s • horyzont: 48 godzin

10. Modele meteorologiczne

11. Modele meteorologiczne

12. Modele meteorologiczne

13. Modele meteorologiczne Wynikiem obliczeń są pola elementów meteorologicznych spakowane formatem GRIB (zgodnym ze standardem WMO). Do celów prezentacji, prognoz, meteogramów itp. w ramach tzw. post-processingu wyprowadzane są rozmaite pola elementów meteorologicznych (np. ciśnienie, opady, zachmurzenie, temperatura, wiatr, linie prądu, mapy górne 300 i 850 hPa i inne).

14. Modele meteorologiczne

15. Modele meteorologiczne

16. Modele meteorologiczne Na stronie internetowej IMGW (www.imgw.pl) przygotowywane są interaktywne numeryczne prognozy pogody, zawierające wyniki modeli COSMO-LM i ALADIN.

17. Modele meteorologiczne Produkowane są również meteogramy prognostyczne dla wybranych miast Polski. Te przetworzone elementy dostępne są bądź w postaci plików binarnych (GRIB, BIN), bądź w postaci map w jednym z powszechnie stosowanych formatów graficznych, zarówno dla odbiorców zewnętrznych (przekaz bezpośredni, SOK), jak i dla użytkowników w ramach IMGW (bezpośrednio, SOK, serwer plików).

18. Plan działań na przyszłość COSMO-LM jest na bieżąco usprawniany i modernizowany. Po pomyślnym wprowadzeniu parametryzacji lodu chmurowego przewidziane są dalsze prace nad schematem tke oraz nowym układem współrzędnych. Przewidywane są również działania w zakresie wprowadzenia operacyjnej asymilacji, nudgingu i weryfikacji danych i wyników . Od paru lat trwają prace nad następcą obecnego modelu, ALADIN-2. To model nowej generacji, pozwalający na modelowanie procesów atmosferycznych z rozdzielczością 2 kilometry, i większą. Wejdzie do eksploatacji w drugiej połowie obecnej dekady. ALADIN-2 pozwoli na wiarygodną prognozę takich zjawisk, jak katastrofalne ulewy, mgła i niskie chmury warstwowe - czyli zjawisk, z prognozowaniem których nie radzą sobie zbyt dobrze współczesne modele mezoskalowe.

19. Potrzeby, możliwości, problemy • Potrzeby • produkcja danych dla Służby H-M • produkcja danych dla innych użytkowników i klientów • Możliwości • przygotowanie prognoz numerycznych z wyprzedzeniem co najmniej na 24 h, w rozdzielczości czasowej przynajmniej 3 h, w czasie nie dłuższym niż 2 h • przygotowanie przetworzonych (dedykowanych) wyników w ustalonym formacie, dla zadanego okresu i określonej domeny, dla różnych aplikacji • Problemy i zadania na przyszłość • procedury alternatywne w przypadku ograniczonego dostępu do danych wejściowych • ... czy w przypadku awarii

20. Wnioski i pytania • Wnioski • produkcja danych dla Służby H-M Model działa jako jeden z wielu elementów systemu prognostycznego – wraz z siecią pomiarową HM, radarami i danymi z satelitów meteorologicznych. Nie jest samodzielną i jedyną bazą do przygotowywania prognoz meteo- czy hydrologicznych. Prognoza wprost z modelu, bez weryfikacji i skonfrontowania jej (przez synoptyka, hydrologa) z innymi danymi może być kompletnie myląca i przez to bezużyteczna. • produkcja danych dla Służby H-M ...jednak jego rola jest bardzo znacząca dla przygotowania prognoz z zakresu SHM... • produkcja danych dla innych użytkowników i klientów Mnogość i różnorodność wymagań wymusza konieczność pracy w trybie on-line oraz elastyczność systemu zarówno względem horyzontu czasowo-przestrzennego (przetwarzanych) wyników, jak i formatów plików wyjściowych. • procedury alternatywne W chwili obecnej podejmowane są działania z zakresu uruchamiania zapasowego centrum obliczeniowego. Nadal pozostaje otwarta kwestia alternatywnego źródła danych wejściowych.

21. Podsumowanie Numeryczny model meteorologiczny jest podstawowym źródłem danych wejściowych dla współczesnych aplikacji - modeli dyspersji zanieczyszczeń, gleby, hydrologicznych itp. itd. Aplikacje takie działają najlepiej, jeśli są bezpośrednio sprzężone z operacyjnym modelem meteorologicznym. Symulacje modelowe są czasem (np. dyspersja substancji niebezpiecznych) jedynym źródłem informacji o przebiegu zdarzenia. Ale przede wszystkim - model meteorologiczny jest źródłem danych dla stworzenia prognozy

22. Zmiany stężenia opisuje równanie adwekcji-dyfuzji w postaci strumieniowej: Przykład - dedykowany model dyspersji Pozyskiwanie danych wejściowych i obliczenia modelowe: Przygotowywanie danych wejściowych (meteorologia, emisje) do modelu. Dwu- i trójwymiarowa interpolacja optymalna (krigging) i model granicznej warstwy atmosfery (PBL). Ustalanie początkowego pola stężeń dla każdego kroku obliczeń (emisje). Rozwiązywanie równania transportu (adwekcji-dyfuzji). Obliczenia przemian chemicznych i ubytku masy (depozycji).

23. START Odczyt parametrów „MODEL.INI” Dane meteorologiczne i emisyjne Emisja i depozycja Obliczenia Adwekcja Zapis wyników Dyfuzja Przemiany substancji (opcjonalne) STOP Dedykowany model dyspersji - cd. Przykładowy zestaw parametrów meteorologicznych i pochodnych wiatr - składowe u, v (, w) temperatura powietrza natężenie opadu zachmurzenie współczynnik dyfuzji turbulentnej prędkość suchej depozycji współczynnik wymywania wysokość słońca nad horyzontem

24. Przykłady symulacji Hipotetyczne awarie w europejskich elektrowniach jądrowych Hipotetyczne awarie w Polsce (substancje niebezpieczne) European Tracer Experiment - ETEX(archiwalne dane ECMWF) Awaria w Czernobylu (archiwalne dane NCDC)

25. Dziękuję za uwagę