Written by 10:31 Nauka

Jak dobry jest model pogody w przypadku zjawisk ekstremalnych?

W dobie zmieniającego się klimatu jednym z największych wyzwań służb hydrologiczno-meteorologicznych na całym świecie jest prognozowanie ekstremalnych zjawisk pogodowych, które występują z coraz większą częstotliwością i stanowią realne zagrożenie dla ludzi, gospodarki, środowiska i infrastruktury. Jeżeli prognozy te zostaną wykonane poprawnie, z wykorzystaniem skomplikowanych symulacji numerycznych i superkomputerów, będzie można uniknąć niepotrzebnych strat, odpowiednio wcześnie informując służby i społeczeństwo o zagrożeniu. Równie ważne jest dokładne badanie ekstremalnych zjawisk po ich wystąpieniu, ponieważ pozwala to doskonalić narzędzia prognostyczne i lepiej rozumieć zjawiska meteorologiczne, szczególnie te o charakterze ekstremalnym, oraz przyczyny występowania takich zdarzeń jak np. tornada czy deszcze nawalne. Mając na uwadze te cele, zespół ekspertów z Centrum Modelowania Meteorologicznego przeprowadził szczegółową analizę jednego z najbardziej intensywnych i niszczycielskich fenomenów pogodowych ostatnich lat w Polsce – potężną burzę wiatrową, która 11 sierpnia 2017 roku w godzinach wieczornych uderzyła w nasz kraj, wyrządzając ogromne szkody i zniszczenia.

Ekstremalne zjawiska pogodowe, w tym mezoskalowe systemy konwekcyjne (MCS), są niezwykle niebezpieczne dla życia i zdrowia ludzi oraz powodują duże straty ekonomiczne. Zarządzanie kryzysowe i działania łagodzące związane z takimi zdarzeniami w dużej mierze opierają się na prognozach pogody, które w przeciągu ostatnich 40 lat stały się coraz bardziej dokładne. Niewspółmierny udział w tej poprawie jakości miały numeryczne modele prognozowania pogody (NWP).

Wśród wielu czynników wpływających na dokładność przewidywania pogody przez model za najważniejsze uznaje się tzw. warunki początkowe, ponieważ nawet niewielkie początkowe różnice między dwoma rozwiązaniami NWP będą z czasem znacznie rosły. Zależności te zostały w ostatnich 20 latach bardzo dobrze udokumentowane przez wielu naukowców zajmujących się tą problematyką. W najnowszym artykule opublikowanym w magazynie MHWM, pt. The impact of initial and boundary conditions on severe weather event simulations using a high-resolution WRF model. Case study of the derecho event in Poland on 11 August 2017, autorzy przedstawili wyniki analizy, która miała dać odpowiedź na pytanie: jakie warunki początkowe modelu najdokładniej przewidzą zjawisko łuku szkwałowego (bow echo).

Warunki pogodowe, które umożliwiły uformowanie się tak niebezpiecznych burz 11 sierpnia 2017 roku, zaczęły rozwijać się już kilka dni wcześniej poza obszarem Polski. Były one związane głównie z powstaniem dwóch układów ciśnienia –  rozległej zatoki niskiego ciśnienia nad Europą Zachodnią i szerokiego klina wysokiego ciśnienia położonego nad Europą Środkową i Wschodnią. Gorące i suche masy powietrza subtropikalnego związane z klinem były oddzielone od znacznie bardziej wilgotnych, położonych na zachód, mas powietrza polarnego pofalowanym frontem chłodnym, który rozciągał się wzdłuż zachodniej granicy Polski. 10 sierpnia niewielka zmiana układu niżów wzmocniła przepływ powietrza tropikalnego z basenu Morza Śródziemnego nad Europę Środkową. Ta dynamika uruchomiła mezoskalowy system konwekcyjny nad terytorium Czech, który w nocy przesunął się nad Polskę.

Parametry meteorologiczne obserwowane na stacji meteorologicznej Chojnice: temperatura powietrza (po lewej, czerwona linia), opady (po lewej, niebieskie słupki), prędkość wiatru (po prawej, zielona linia) i porywy wiatru (po prawej, fioletowe słupki).
Parametry meteorologiczne obserwowane na stacji meteorologicznej Chojnice: temperatura powietrza (po lewej, czerwona linia), opady (po lewej, niebieskie słupki), prędkość wiatru (po prawej, zielona linia) i porywy wiatru (po prawej, fioletowe słupki).

Burze związane z systemem spowodowały wzrost zachmurzenia, co skutecznie ograniczyło nasłonecznienie w południowo-zachodniej Polsce do godzin popołudniowych. Tymczasem nad wschodnią częścią kraju, gdzie panowała słoneczna pogoda, powietrze nagrzewało się. W efekcie uformował się silny gradient termiczny. Linia zbieżności między tymi dwoma systemami ciśnienia przesuwała się na północ, co doprowadziło do powstania wyraźnego pionowego uskoku wiatru. Około godz. 18:00 UTC komórki konwekcyjne, osadzone w rozchodzącym się na północ łuku szkwałowym, przekształciły się w mezoskalowy wir konwekcyjny (MCV). Rozwój i transformację komórek konwekcyjnych w MCV, a w konsekwencji w silną burzę wiatrową (derecho), wspierało pojawienie się tylnego prądu napływu.

Burza osiągnęła punkt kulminacyjny między 20:00 a 21:00 UTC, kiedy linia szkwału miała około 150 km długości. W tym czasie na stacji synoptycznej Chojnice opady przekraczały 13 mm·10 min-1 i towarzyszył im gwałtowny spadek temperatury (z 22,2 do 16,5°C). W tym samym czasie średnia prędkość wiatru przekroczyła 18,4 m·s-1 przy porywach do 31,2 m·s-1 (rys. 1 po prawej). Bardzo silne porywy wiatru odnotowano również na stacjach synoptycznych w Elblągu (42 m·s-1), Chrząstowie (36 m·s-1) i Gnieźnie (35 m·s-1). O 22:30 UTC system konwekcyjny dotarł do wybrzeża Bałtyku i zaczął wyraźnie słabnąć.

Dzięki pozyskanym z sieci pomiarowo-obserwacyjnej IMGW danym meteorologicznym, które posłużyły do weryfikacji wyników modelowania, przeprowadzono symulacje w modelu WRF w określonym warunkach początkowych. W badaniu wykorzystano WRF w wersji 4.2.1, który ma szerokie zastosowanie w atmosferycznym i operacyjnym prognozowaniu pogody. Zaimplementowany model przystosowano do pracy na komputerze o dużej mocy Tryton w Akademickim Centrum Komputerowym w Gdańsku. Do symulacji wykorzystano 568 rdzeni superkomputera, z czego 552 dla modelu WRF i 16 dla operacji I/O (zapisu i odczytu plików). Takie podejście skróciło czas potrzebny do zapisania wyników o współczynnik 10 w porównaniu ze standardowym przebiegiem bez włączonych operacji I/O. Zdarzenie symulowano przy użyciu różnych warunków początkowych i brzegowych uzyskanych z czterech globalnych numerycznych modeli modeli: NCEP/GFS, ECMWF/IFS, GDAS i ERA5.

Symulacje przeprowadzone w wysokiej rozdzielczości czasowej (10 minut) i przestrzennej (0,5 km dla trzeciej domeny) pokazały, jak trudnym zadaniem jest dokładne przewidywanie ekstremalnych zdarzeń konwekcyjnych. Jednym z najistotniejszych problemów jest wrażliwość modelu WRF na wybrane dane mikrofizyczne i wymuszające.

Dla przykładu, linia łuku szkwałowego była wyraźnie widoczna w symulacjach opartych na GFS i IFS oraz częściowo również dla GDAS. Z kolei w symulacjach przeprowadzonych przy użyciu danych ERA5 uzyskano maksymalne pola odbicia bardzo różniące się od obserwowanych. Najbardziej zbliżoną do faktycznej ewolucji bow echo uzyskano na bazie warunków początkowych z modeli GFS i GDAS.

Maksymalny współczynnik odbicia uzyskany z modelu WRF w różnych warunkach początkowych oraz z radaru meteorologicznego. Dane prezentowane dla godzin między 18:30 a 23:00 UTC w odstępach 30-minutowych. Czarne kontury przedstawiają zmierzone wartości. Współczynnik odbicia został wykreślony tylko dla wartości wyższych niż 45 dBz.
Maksymalny współczynnik odbicia uzyskany z modelu WRF w różnych warunkach początkowych oraz z radaru meteorologicznego. Dane prezentowane dla godzin między 18:30 a 23:00 UTC w odstępach 30-minutowych. Czarne kontury przedstawiają zmierzone wartości. Współczynnik odbicia został wykreślony tylko dla wartości wyższych niż 45 dBz.

Wyniki wszystkich symulacji zostały następnie zweryfikowane z danymi obserwacyjnymi i radarowymi. Najbardziej zbliżone wartości uzyskano przy modelach GFS i GDAS oraz dla krótszych czasów inicjalizacji. Najmniej dokładną prognozę uzyskano z  warunków początkowych z reanalizy ERA5. W przypadku inicjalizacji symulacji o godz. 00:00 UTC wszystkie modele przewidywały zjawisko bardziej na zachód niż miało to miejsce w rzeczywistości. Nieco lepsze wyniki uzyskano przy uruchomieniu modeli o godz. 12:00 UTC. Wszystkie modele charakteryzowały się niskim prawdopodobieństwem wykrycia i dużą liczbą fałszywych alarmów prognozujących ekstremalne opady i porywy wiatru.

Jak widać ekstremalne zjawiska pogodowe są bardzo trudne w przewidywaniu, m.in. ze względu na ich bardzo lokalny i krótkotrwały charakter oraz zachodzące zmiany klimatyczne. Dlatego ich prognozowanie z wykorzystaniem numerycznych modeli pogody jest ogromnym wyzwaniem na najbliższe lata i z pewnością przyczyni się dokładniejszego opisu procesów fizycznych w atmosferze oraz metod numerycznych, które pozwolą agregować i wykorzystywać superkomputery, akceleratory graficzne, algorytmikę i sztuczną inteligencję, a w niedalekiej przyszłości również komputery kwantowe. Szerokie spektrum problemów, które będą musiały być w tym zakresie rozwiązane, wymaga przede wszystkim wysoko wykwalifikowanej kadry naukowej rozumiejącej i potrafiącej opisać matematycznie rozwój zjawisk ekstremalnych. Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB współpracuje z naukowcami krajowymi oraz zagranicznymi i aktywnie włącza się w realizację zadań, których celem jest opracowanie metod możliwie wiarygodnego progowania zjawisk ekstremalnych w atmosferze ziemskiej. Fundamentalne znaczenie w tym badaniach mają analizy i symulacje przypadków zjawisk, które występowały w przeszłości, czego dotyczą badania prezentowane w artykule.

Oryginalny artykuł znajdziecie na stronie magazynu https://doi.org/10.26491/mhwm/143877
Zdjęcie główne: Taylor Vick | Unsplash


Magazyn MHWM to przestrzeń wymiany wiedzy, doświadczeń, eksperymentów naukowych i wyników badań. Zapraszamy do niej naukowców, ekspertów, praktyków i ludzi biznesu. Oferujemy szansę wypowiedzenia się na najważniejsze problemy współczesnego świata – wyzwań cywilizacyjnych w obliczu zmian klimatycznych. Dzięki interdyscyplinarnemu podejściu tworzymy forum do dyskusji dla przedstawicieli wielu środowisk naukowych. Zadajemy trudne pytania. Szukamy rozwiązań i odpowiedzi.

Czasopismo stanowi platformę do prezentowania wyników badań i omawiania pojawiających się potrzeb, problemów i oczekiwań dostawców usług meteorologicznych, klimatologicznych i hydrologicznych za pośrednictwem np.: prezentacji nowych teorii, osiągnięć i zastosowań, a także studiów przypadków ilustrujących praktyczne wdrożenia nowych rozwiązań i metodologii badawczych. Badania dotyczą wszystkich aspektów powiązanych usług i ich łańcuchów produkcyjnych, w tym nowych technik obserwacyjnych i rozwoju metod modelowania, przetwarzania i prognozowania.

Magazyn powstał w 2013 roku. Do współpracy z autorami i recenzentami wykorzystujemy elektroniczny system submisji. W 2017 roku magazyn został umieszczony na liście czasopism naukowych Web of Science w kolekcji Emerging Sources Citation Index.

http://www.mhwm.pl/

(Visited 25 times, 1 visits today)
Tagi: , , , Last modified: 23 sierpnia 2023
Close