Numeryczne modele pogody

Dlaczego IMGW-PIB stosuje różne numeryczne modele pogody.

Opracował: dr Michał Ziemiański, CMM IMGW-PIB

Numeryczne modele pogody stosowane w Instytucie są zaawansowanymi programami komputerowymi. Rozwiązują one równania fizyki, które w sposób matematyczny opisują jak stan pogody i atmosfery zmienia się w czasie i przestrzeni. Rozwiązania te są przybliżone i obliczane tylko dla poszczególnych, oddalonych od siebie, „węzłów” przestrzennej sieci obliczeniowej. Przybliżenia są tak konstruowane, aby nieuniknione błędy modeli były jak najmniejsze, a twórcy poszczególnych modeli stosują różne matematyczne formy tych przybliżeń.

Rysunek przedstawia poziomą konfigurację siatki numerycznej modelu COSMO-EULAG na przykładzie prognozy temperatury na wysokości 2 m (stopnie C, lewy panel) oraz skumulowanego opadu (mm, prawy panel) dla fragmentu północnej Polski na 11 lipca 2022, godz. 1200 UTC. Rozmiar pikseli rastra odpowiada rozmiarowi oczka siatki obliczeniowej, a jej węzły znajdują się w środku poszczególnych pikseli rastra. Pozioma odległość między węzłami siatki numerycznej wynosi 2.2 km. 

Dokładność prognoz numerycznych zależy, między innymi, od gęstości sieci obliczeniowej, czyli od odległości pomiędzy jej poszczególnymi węzłami: im mniejsza odległość, tym gęstsza sieć i lepsze przybliżenie. Gęstość sieci numerycznej zależy od mocy obliczeniowej stosowanych  superkomputerów. Im większa moc, tym więcej operacji można wykonać w ograniczonym czasie przeznaczonym na obliczenie prognozy, a więc tym więcej węzłów może zawierać sieć obliczeniowa modelu i tym mniejsza może być odległość pomiędzy nimi. Obecnie poziome odległości pomiędzy węzłami osiągnęły około 10 km (lub nieco więcej) w modelach globalnych i kilka kilometrów w modelach regionalnych.

Poszczególne procesy atmosferyczne odbywają się w większych lub mniejszych obszarach. Niektóre procesy mają miejsce w tak małych objętościach atmosfery, że nie mogą być bezpośrednio odwzorowane na sieci obliczeniowej modelu. Procesy takie nazywamy podskalowymi. Przykładem są oddziaływania mikrofizyczne związane z kondensacją pary wodnej oraz tworzeniem chmur i opadów, które odbywają się w skalach centymetrowych, a nawet mniejszych. Modele pogody obliczają przybliżone efekty takich procesów za pomocą specjalnych procedur zwanych parametryzacjami. Przybliżają one sumaryczny efekt procesu, zagregowany dla całego oczka sieci obliczeniowej modelu. Poszczególne modele pogody stosują różne metody parametryzacji poszczególnych procesów podskalowych.

W ciągu ostatnich lat, wraz ze zmniejszeniem odległości pomiędzy węzłami sieci modeli regionalnych z około 10 do 1 do 3 km, nastąpiła rewolucyjna zmiana w ich zdolnościach prognostycznych. Mogą one teraz reprezentować wprost na siatce obliczeniowej procesy rozwoju większych chmur konwekcyjnych, związanych z intensywnymi opadami i burzami. Poprzednio, tego typu procesy mogły być tylko parametryzowane.

IMGW-PIB wykorzystuje w swej pracy operacyjnej różne numeryczne modele pogody. Są to modele europejskich konsorcjów ACCORD i COSMO (w pracach których Instytut bierze udział),  oraz model WRF. Modele te mają różniące się konstrukcje numeryczne i systemy parametryzacji, a także stosują różne rozdzielczości, które pozwalają -lub nie- na bezpośrednią reprezentację procesów konwekcyjnych. Modele te mają zatem różne charakterystyki prognostyczne, a analiza ich wyników pozwala z jednej strony na określanie zakresu możliwej ewolucji stanu pogody, a z drugiej na szacowanie nieuniknionych błędów modeli. Błędy te nie są stałe, a zależą od prognozowanej sytuacji pogodowej. 

UDOSTĘPNIJ STRONĘ