BADANIA I ROZWÓJ


Instytut prowadzi prace badawcze ukierunkowane na rozwój numerycznego modelu do prognozowania pogody COSMO (ang. Consortium for Small-scale Modeling). Model COSMO jest podstawowym narzędziem używanym w IMGW-PIB do przygotowywania operacyjnych, mezoskalowych prognoz pogody. Model ten jest również używany przez szereg europejskich narodowych instytutów meteorologicznych, w tym między innymi DWD, MeteoSwiss, ITAF, HNMS, NMA oraz IMS.

   Istotnym osiągnięciem zespołu COSMO w IMGW-PIB jest implementacja w modelu COSMO nowego rdzenia dynamicznego, rozwijanego na bazie modelu EULAG, pozwalającego na utrzymanie pożądanej stabilności numerycznej dla siatek obliczeniowych o rozdzielczości poziomej znacznie poniżej 1 km. Udoskonalony model pozwala przede wszystkim zachować realistyczną reprezentację orografii w skalach subkilometrowych oraz ma oczekiwane cechy zachowawczości masy, pędu i energii. Osiągnięcie to jest efektem synergii specjalistycznej wiedzy z dziedziny mechaniki płynów, metod numerycznych i programowania równoległego.

   Modelowanie przepływów atmosferycznych stanowi duże wyzwanie dla współczesnych numerycznych modeli pogody, gdyż cechują się one dużym stopniem złożoności. Wynika to ze sprzęgania się̨ procesów termicznych, dynamicznych i radiacyjnych zachodzących w atmosferze w szerokim zakresie skal czasowych i przestrzennych. Nowy model z prototypowym rdzeniem dynamicznym (COSMO-EULAG) wszedł do działalności operacyjnej IMGW-PIB 1 czerwca 2020 r.

   Innym kluczowym obszarem działalność naukowej Centrum Modelowania Meteorologicznego jest numeryczne badanie mikrofizycznych procesów zachodzących w chmurach. Ilościowa analiza tych zjawisk jest niezbędna do opracowania możliwie dokładnych i realistycznych parametryzacji tych procesów dla mezoskalowych prognoz pogody. Ciągłe udoskonalanie parametryzacji ma istotne znaczenie, ponieważ to właśnie parametryzacje procesów chmurowych są̨ głównym źródłem niepewności prognoz numerycznych.

Wpływ rozdzielczości siatki obliczeniowej na pole prędkości pionowej. Symulacje wykonano za pomocą modelu COSMO-EULAG z użyciem siatek o rozdzielczości poziomej 1.1 km (lewa kolumna) i 0.1 km (prawa kolumna). Sekwencja obrazów ilustruje ewolucję czasową pola prędkości w dniu 19 czerwca 2013 r. Kolejne panele przedstawiają prognozy numeryczne z godziny 9:00 (górny rząd), 12:00 (środkowy rząd) i 15:00 UTC (dolny rząd). Dwuwymiarowe przekroje przeprowadzono przez Dolinę Rodanu pomiędzy górami Bietschhorn i Weisshorn.

   

    W pracach tych występuje szereg poważnych trudności i ograniczeń. Głównymi problemami są tu: nieliniowość procesów fizycznych i opisujących je równań, niejednorodność rozkładów kropelek w chmurach oraz sprzężenia procesów o różnych skalach i czasowych. Ruch kropel, czyli cząstek o niezerowej bezwładności, w atmosferycznych przepływach turbulentnych wpływa na zmianę ich rozłożenia w przestrzeni (grupowanie) oraz częstotliwość zderzeń. Dodatkowo turbulencja powietrza zmienia prędkość opadania kropel, ma wpływ na oddziaływania aerodynamiczne pomiędzy poszczególnymi kropelkami, a także pomiędzy całymi skupiskami kropel. Złożoność tych procesów utrudnia prowadzenie badań i zmusza do stosowania zaawansowanych matematycznie narzędzi obliczeniowych. Od ponad 10 lat w Instytucie rozwijany jest specjalistyczny kod numeryczny do modelowania tego typu przepływów. Pozwala on na badanie statystyk zderzeniowe kropelek chmurowych dla szerokiego zakresu parametrów przepływu występujących w atmosferze. 

Przestrzenny rozkład kropel chmurowych (niebieskie kule) w turbulentnym przepływie atmosferycznym. Czerwone izopowierzchnie odpowiadają stałej wartości wirowości w danej chwili. Podział domeny obliczeniowej na kolumny (czarne linie) ilustruje sposób zrównoleglenia kodu komputerowego. Każdy z wydzielonych obszarów jest przypisany do jednego rdzenia procesora.
Przestrzenny rozkład kropel chmurowych (niebieskie kule) w turbulentnym przepływie atmosferycznym. Czerwone izopowierzchnie odpowiadają stałej wartości wirowości w danej chwili. Podział domeny obliczeniowej na kolumny (czarne linie) ilustruje sposób zrównoleglenia kodu komputerowego. Każdy z wydzielonych obszarów jest przypisany do jednego rdzenia procesora.

UDOSTĘPNIJ STRONĘ