Слева: схематическое изображение структуры икосаэдрической сетки ICON
Справа: пример сетки ICON с зоной уточнения над Европой

DWD - одна из четырнадцати метеорологических служб в мире, использующая модель глобального численного прогнозирования погоды (ЧПП). Все другие метеорологические службы, работающие по собственной прогнозной модели, в настоящее время ограничиваются моделями ограниченного района, ориентируясь на их конкретную область интересов. Такие модели зависят от боковых граничных условий, предоставляемых глобальной моделью во всем диапазоне прогнозов.

Предшественник ICON по имени GME, который начал серийное производство в декабре 1999 года, был первой в мире действующей моделью ЧПП с использованием икосаэдрической сетки. Эта базовая структура сетки была сохранена для ICON. По сравнению с традиционными подходами, такими как сетка широта-долгота, икосаэдрические сетки обеспечивают почти однородный охват земного шара. Это позволяет избежать так называемой проблемы полюсов, связанной со сходимостью меридианов в решетках широты, что создает серьезные проблемы для реализации с вычислительной эффективностью.
Генерация сетки начинается с икосаэдра, вписанного в сферу. Соединение 12 вершин икосаэдра с геодезическими линиями дает 20 равносторонних сферических треугольников с длиной ребра около 7054 км. Затем итеративное подразделение (например, деление пополам, трисекция) ребер треугольника дает сетку модели с требуемым пространственным разрешением. Эффективный размер сетки нашей модельной сетки определяется как квадратный корень из средней площади сферических треугольников. В текущей рабочей версии глобальная сетка ICON имеет 2949120 треугольников, что соответствует средней площади 173 км² и, следовательно, эффективному размеру сетки около 13 км . Все скалярные прогностические переменные модели (например, температура, плотность, количество влаги) расположены в окружном центре треугольников, тогда как компоненты краевого нормального ветра расположены в краевых средних точках.

ICON орография с размером ячейки 13 км для западной части Европы.

В соответствии со средней площадью ячеек треугольной сетки 173 км² все модельные переменные, такие как плотность, температура, ветер, влажность, облачность, облачный лед, дождь и снег, должны рассматриваться как средние по площади ячейки 173 км² . Это также относится к внешним параметрам, таким как орография (см. Рисунок орографии Европы). В то время как большие горные хребты могут быть представлены достаточно хорошо при размере ячеек 13 км, захват отдельных горных хребтов или долин требует еще более мелких ячеек. Однако разрешение таких функций может быть важным для некоторых аспектов, например, для прогнозирования направления потока воздуха низкого уровня в долине Рейна. Таким образом, DWD работает в дополнение к модели ограниченного пространства с высоким разрешением КОСМО-ДЭ с размером ячейки 2,8 км.

Наиболее важными прогностическими переменными ICON являются плотность воздуха и виртуальная потенциальная температура (что позволяет диагностировать давление), горизонтальная и вертикальная скорость ветра, влажность, облачная вода, облачный лед, дождь и снег. Эти переменные рассчитываются для всех ячеек сетки на 90 уровнях модели, следующих за ландшафтом, простирающихся от поверхности до высоты 75 км, что в общей сложности составляет около 265 миллионов точек сетки. Над землей решаются дополнительные прогностические уравнения для температуры почвы и содержания воды в почве для 7 уровней почвы. При наличии снежного покрова дополнительно прогнозируется эквивалент снежной воды и плотность снега. Температура поверхности моря над свободными ото льда поверхностями океана анализируется один раз в день на основе наблюдений и поддерживается постоянной в течение прогноза ICON. Для покрытых льдом частей океанов фракция морского льда анализируется один раз в день по наблюдениям, тогда как толщина льда и температура поверхности льда прогнозируются с помощью простой модели морского льда.

Схематическое представление процессов, включенных в ICON

Помимо горизонтальных и вертикальных транспортных процессов (так называемых адиабатических процессов) в атмосфере, диабетические процессы, такие как излучение, турбулентность, образование облаков и осадки, играют важную роль для ЧПП. Описание этих процессов, происходящих в гораздо меньших горизонтальных масштабах, чем размер модели, является задачей физические параметризации ,

В рамках рабочего процесса ICON необходимо различать цикл ассимиляции данных и режим прогноза. Цель цикл усвоения данных заключается в определении оптимального начального условия для прогона прогноза. С этой целью трехчасовой прогноз, начиная с предыдущего анализа (так называемое первое предположение), объединяется со всеми наблюдениями, действительными для трехчасового временного окна, центрированного на дату анализа, с использованием метода трехмерной вариационной ассимиляции. Прогнозы выполняются четыре раза в день, диапазон прогнозов составляет 180 ч для прогнозов, начинающихся в 00 и 12 UTC, и 120 ч для прогнозов, начинающихся в 06 и 18 UTC.

В существующей конфигурации ICON требуется около 8 минут времени ожидания в режиме ожидания на суперкомпьютере DWD и выдает около 900 ГБ данных на 7-дневный прогноз . Выходные данные записываются ежечасно в течение первых 78 часов прогноза, чтобы обеспечить боковые граничные условия для КОСМО-ЕС после этого выходная частота снижается до трехчасовой. Помимо вышеупомянутых прогностических переменных, на каждом шаге вывода рассчитывается множество дополнительных диагностических величин и предоставляется пользователям.
Кроме того, прогнозы ICON обеспечивают основу для программ последующей обработки, таких как глобальные Модель лагранжевой дисперсии который предоставляет прогнозы по требованию в случае ядерных или химических аварий, а также модель океанской волны ,
Помимо этих внутренних DWD-приложений, многие внешние пользователи нуждаются в прогнозах ICON в качестве основы для своих продуктов. Например, региональные гидрологические управления используют поля осадков для прогнозирования паводков, а Федеральное морское и гидрографическое агентство использует поля ветра для прогнозирования штормовых нагонов. Кроме того, более 30 национальных метеорологических служб, в том числе COSMO (Консорциум по маломасштабному моделированию) является партнером Италии, Польши, Румынии и России, а также многих развивающихся и развивающихся стран, таких как Ботсвана, Бразилия, Израиль, Кения, Мозамбик, Намибия, Нигерия, Оман, Пакистан, Филиппины, Танзания, Объединенный Арабский Эмираты и Вьетнам используют прогнозы ICON в качестве боковых граничных условий для прогнозов в ограниченной области.

Похожие