Океанология, 2020, T. 60, № 6, стр. 831-834

ВВЕДЕНИЕ

Улучшение качества воспроизведения атмосферных и океанских полей в численных моделях при увеличении пространственного разрешения происходит главным образом за счет разрешения субсиноптических и мезомасштабных процессов, а также благодаря учету более достоверной информации о подстилающей поверхности. Увеличение пространственного разрешения позволяет учесть вклад мезомасштабной динамики в приводном слое [5] и более достоверно моделировать облачный покров и радиационный баланс поверхности.

Современные реанализы, такие как ERA-Interim, JRA-55, MERRA-2 и ERA5, далеко не всегда способны достоверно воспроизвести мезомасштабную динамику в силу относительно грубого разрешения и использования гидростатической аппроксимации. Для понимания того, как субсиноптические и мезомасштабные процессы влияют на климат, Институтом океанологии РАН был выполнен долговременный численный эксперимент для атмосферы над Северной Атлантикой, что позволило получить долговременный высокоразрешающий ретроспективный архив данных – NAAD (North Atlantic Atmospheric Downscaling) за период 1979 по 2018 гг.

КОНФИГУРАЦИЯ МОДЕЛИ

База данных NAAD получена при помощи негидростатической модели атмосферы WRF [7] версии 3.8.1. Вычислительная область (рис. 1а) покрывает Северную Атлантику от 10° до 80° с.ш. и от –90° з.д. до 5 в.д. с центром на 45° с.ш. и ‒45° з.д. Начальными и граничными условиями для эксперимента служили данные атмосферного реанализа ERA-Interim, включая данные о температуре поверхности океана. Пространственное разрешение основного эксперимента составило 14 км (NAAD HiRes), вертикальное – 50 сухогидростатических уровней. Вертикальные уровни распределены неравномерно (со сгущением к поверхности) и конфигурировались таким образом, чтобы нижний уровень находился на высоте около 12 м над поверхностью океана, верхний – на высоте 50 гПа (примерно 20 км), при этом около 15 уровней находилось внутри планетарного пограничного слоя (ППС) атмосферы. Помимо основного (высокоразрешающего) эксперимента был проведен эксперимент в относительно низком разрешении (NAAD LoRes, 77 км), который имел схожую конфигурацию с HiRes. Это было сделано для оценки роли высокого разрешения в описании мезомасштабной динамики. Для создания оптимальной конфигурации модели было проведено 32 эксперимента на чувствительность модели к различным параметризациям. Итоговая конфигурация оказалась очень похожей на конфигурацию арктического реанализа ASRv2 [1], где использовалась аналогичная модель. Более полно конфигурация экспериментов NAAD представлена в [2].

Рис. 1.

Вычислительная область NAAD (a). Диагностика полярного мезоциклона 2 марта 2008 г.: цветом показана скорость ветра на 10 м; контуры: приведенное приземное давление (гПа) по данным NAAD HiRes (б), ERA-Interim (в) и ASRv2 (г).

Для минимизации дрейфа модели в экспериментах NAAD во всей области выше слоя ППС использовалась технология “спектрального приспособления” [4]. Конфигурация алгоритма приспособления задавалась согласно работе [6], в которой оптимальной минимальной длиной волны для сохранения синоптической моды без видимого ущерба мезомасштабным процессам считается значение 1100 км. Чтобы определить коэффициент приспособления (обратное время релаксации к фоновому значению), было проведено 18 экспериментов со значениями от 3 × 10^–5 до 3 × 10^–3 с^–1. Эксперименты показали, что оптимальным значением коэффициента является 3 × 10^–4 с^–1 (время релаксации около 1 ч). Это согласуется с региональными климатическими экспериментами других исследователей.

ОПИСАНИЕ МАССИВА NAAD, ВАЛИДАЦИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ

Массив данных, находящийся в свободном доступе (naad.ocean.ru), включает все основные параметры приводного слоя атмосферы, а также характеристики свободной атмосферы на 50 уровнях. База данных NAAD содержит множество прогностических и диагностических переменных как на поверхности, так и в толще атмосферы на сетке с пространственным разрешением 14 и 77 км за период с января 1979 г. по декабрь 2018 г. с шагом по времени 3 ч. Грубое разрешение приводится для более достоверной оценки вклада разрешения в атмосферные климатические процессы. Весь массив занимает около 150 ТБ дискового пространства. Данные предоставляются в формате NetCDF отдельно по каждой переменной. Переменные поверхности предоставляются в годовых файлах размером около 136 MБ (NAAD LoRes) и 3.3 ГБ (NAAD HiRes); переменные в слое атмосферы предоставляются в суточных файлах размером около 19 МБ (NAAD LoRes) и 455 МБ (NAAD HiRes). Доступ к данным осуществляется по адресу http://www.naad.ocean.ru при помощи протокола OPeNDAP (Open Network Data Access Protocol).

С точки зрения задач океанского моделирования массив данных NAAD позволяет получать высокоразрешающие граничные условия для численных экспериментов с моделями циркуляции и динамики ветровых волн в Северной Атлантике. Одновременно с созданием NAAD были выполнены пилотные эксперименты, показавшие существенное улучшение воспроизведения динамики океана в субполярной Атлантике [2]. В частности, было получено более достоверное воспроизведение теплосодержания океана в субполярной Северной Атлантике и более адекватное воспроизведение экстремальных характеристик волнения. С точки зрения процессов взаимодействия океана и атмосферы, данные NAAD позволяют исследовать механизмы, связанные с влиянием циклонической активности на формирование потоков энергии океан–атмосфера, включая экстремальные потоки [8], [3].

Наконец, высокоразрешающие данные NAAD позволяют детально анализировать динамику мезомасштабных процессов в атмосфере Серверной Атлантики. В качестве примера такого анализа на рисунке 1 показан интенсивный полярный мезоциклон 2 марта 2008 года по данным NAAD HiRes (б) и реанализов ERA-Interim (в) и ASRv2 (г). Хорошо видно, что в поле приземного ветра мезоциклон по данным NAAD воспроизводится гораздо более детально, чем в реанализе грубого разрешения ERA-Interim и согласуется (хотя показывает немного более высокие значения) c ASRv2, поскольку они имеет схожее разрешение. Давление в центре циклона по данным NAAD HiRes составляет 978 гПа, что ниже, чем в ERA-Interim (988 гПа), ASRv2 (986 гПа) и даже чем в новейшем ERA5. Это связано с тем, что реанализы в значительной степени полагаются на систему усвоения данных наблюдений, в этом регионе такими данными являются исключительно спутниковые измерения. В условиях высокой скорости ветра достоверность дистанционных измерений существенно снижается. Это приводит к недооценке скорости ветра и, как следствие, завышению давления.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Используемая для получения архива NAAD технология потенциально может быть применена для создания подобных баз данных в другой пространственной конфигурации, в том числе и для территории России. Дальнейшее развитие проекта будет направлено на поддержание и обновление архива NAAD, а также на создание версии, в которой в качестве граничных условий используется наиболее высокоразрешающий реанализ ERA5. Также будут активно развиваться океанологические приложения: высокоразрешающее моделирование океана и волновых процессов. Интересным направлением развития является построение региональных объединенных моделей океана, атмосферы и суши (над территорией Европы), основанной на конфигурации NAAD.

Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ № 05.604.21.0210, идентификационный номер RFMEFI60419X0210.