1 czerwca 2020 roku w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej PIB wdrożono do pracy operacyjnej nową wersję regionalnego modelu COSMO dla krótkoterminowej prognozy pogody. Kolejne edycje modelu są regularnie przygotowywane przez konsorcjum COSMO, do którego należy również Polska, i wdrażane w krajach członkowskich. Nie byłoby więc w tym wydarzeniu nic szczególnego, gdyby nie to, że w najnowszej operacyjnej wersji modelu dla Polski zastosowano innowacyjny rdzeń dynamiczny opracowany przez zespół IMGW-PIB.
AUTOR: Michał Ziemiański, IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego
Numeryczne modele pogody są podstawowym narzędziem obliczeniowym wspomagającym synoptyków w przygotowywaniu prognoz i ostrzeżeń. Działanie modelu polega na rozwiązywaniu matematycznych równań fizyki (jak II zasada dynamiki Newtona) opisujących ewolucję atmosfery. Operacje te są realizowane w sposób przybliżony na siatce numerycznej, której poziome oczko ma obecnie w modelu COSMO rozmiar 2,8 km. Obliczeniowym sercem modelu jest jego rdzeń dynamiczny, którego zadanie polega na wykonaniu kolejnych kroków czasowych, czyli określeniu stanu atmosfery w chwili t0 + Δt na podstawie informacji o jej stanie w chwili t0. Rdzeń dynamiczny ściśle współpracuje z parametryzacjami fizycznymi, które odwzorowują efekty procesów fizycznych, takich jak tworzenie się chmur i opadów, transfer ciepła za pomocą promieniowania, wymiana ciepła i wilgoci z podłożem oraz mieszanie wynikające głównie z procesów turbulencyjnych.
Rdzeń dynamiczny jest odpowiedzialny za zachowanie dokładności i stabilności obliczeń modelu w najtrudniejszych nawet warunkach, jak duża zmienność, a nawet nieciągłość parametrów meteorologicznych (np. pola opadów), silne i zmienne prądy pionowe (np. w burzach) czy duża zmienność właściwości podłoża (np. wysokie i strome góry). Zachowanie tych podstawowych właściwości staje się trudne wraz ze wzrostem przestrzennej dokładności modelu, wynikającej ze zmniejszania poziomego rozmiaru oczka sieci obliczeniowej. Ten postęp jakościowy zawdzięczamy stopniowemu wzrostowi dostępnych mocy obliczeniowych. Oczekuje się, że rozmiar siatki obliczeniowej osiągnie wkrótce 1 km, a w dalszej przyszłości będzie jeszcze mniejszy. Sprawna praca rdzenia dynamicznego zapewnia stabilne i dokładne obliczanie prognozy, a jej praktyczna jakość zależy w znacznym stopniu od dokładności parametryzacji fizycznych, które w zasadniczy sposób wpływają np. na prognozowane temperatury, wilgotność, chmury i opady.
W ramach podziału prac pomiędzy partnerami konsorcjum COSMO w Instytucie powstał zespół odpowiedzialny za przygotowanie nowoczesnego rdzenia dynamicznego, który zapewniłby modelowi COSMO wysoką dokładność i stabilność obliczeniową dla siatek obliczeniowych o rozmiarach nawet 100 m. W skład zespołu, od 2009 roku, wchodzili Marcin Kurowski, Zbigniew Piotrowski, Bogdan Rosa, Damian Wójcik i Michał Ziemiański. Ich prace polegały na dostosowaniu i wprowadzeniu do struktury obliczeniowej modelu COSMO nowoczesnego rdzenia dynamicznego EULAG, konstruowanego oryginalnie dla potrzeb symulacji badawczych różnego rodzaju przepływów – nie tylko atmosferycznych, ale także oceanicznych, geofizycznych czy nawet gwiazdowych. Rdzeń dynamiczny EULAG powstał w Narodowym Centrum Badań Atmosfery (NCAR) w USA. Jego głównym autorem jest Piotr Smolarkiewicz, współpracujący w tej dziedzinie z innymi naukowcami z NCAR, Los Alamos National Laboratory, ECMWF, DLR i Instytutu Geofizyki UW. EULAG stosował przybliżenie równań hydrodynamiki, szczególnie pomocne w symulacjach atmosferycznych na ograniczonym obszarze (przybliżenia anelastyczne).
W ostatnich latach rozwój rdzenia EULAG był kontynuowany przez Piotra Smolarkiewicza i jego współpracowników w Europejskim Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), gdzie rozszerzono konstrukcję modelu tak, aby obejmowała wszystkie skale ruchu w atmosferze przy wykorzystaniu ściśliwych równań hydrodynamiki. W wyniku tych prac powstała uniwersalna wersja rdzenia dynamicznego o dużej odporności numerycznej i wydajności obliczeniowej. Jest on potencjalnym następcą używanego obecnie rdzenia dynamicznego globalnego modelu pogody IFS działającego operacyjnie w ECMWF.
Prace w Instytucie rozpoczęto od dostosowania i implementacji anelastycznego rdzenia EULAG w strukturę regionalnego modelu COSMO. Wyniki skonstruowanego prototypu były na tyle zachęcające, że konsorcjum COSMO zaproponowało kontynuowanie prac w celu włączenia ściśliwej wersji EULAG w strukturę swojego modelu. Z sukcesem zakończono kolejny etap i rozpoczęto testy m.in. dla standardowych przepływów wyidealizowanych oraz realistycznych prognoz pogody. Szczególnie istotne były testy pogodowe nad alpejską domeną obliczeniową ze stromymi i wysokimi zboczami. Próby wykonano dla siatek obliczeniowych z oczkami o rozmiarach od 2 km do 100 m. Następnie porównano sprawdzalność prognoz z modelu COSMO używającego rdzenia EULAG ze sprawdzalnością standardowej wersji modelu przy zachowaniu tych samych parametryzacji procesów fizycznych. Testy udowodniły, że nowy produkt jest wyjątkowo stabilny obliczeniowo dla oczek siatki o wielkości do 100 m, a najprawdopodobniej także dla znacznie mniejszych. Pozwala on również podnieść sprawdzalność prognoz dla większości parametrów meteorologicznych, mimo że jest to trudne wobec silnej zależności wyników sprawdzalności od parametryzacji fizycznych.
Otrzymane wyniki pozwoliły w 2019 roku na skonstruowanie półoperacyjnej wersji COSMO-EULAG dla regionu Polski i jej otoczenia. Po blisko rocznych testach 1 czerwca 2020 roku model włączono do pracy operacyjnej w IMGW-PIB. Instytut stał się w ten sposób pierwszym ośrodkiem, który do prowadzenia operacyjnych numerycznych prognoz pogody wykorzystuje nowoczesny innowacyjny rdzeń dynamiczny EULAG. Rezultaty tego projektu są też przykładem możliwości wynikających z dobrej, ścisłej współpracy Instytutu z europejskimi konsorcjami modelowania numerycznego oraz ze światowej klasy ośrodkami badawczymi, takimi jak NCAR i ECMWF.
Zdjęcie główne: Maximalfocus | Unsplash
