Konsorcjum COSMO w IMGW-PIB

W latach 90. XX wieku nastąpiły zasadnicze zmiany dotyczące koncepcji rozwoju i zastosowania metod prognozowania pogody w IMGW-PIB. Instytut w obliczu tych wyzwań dokonał tytanicznego wysiłku i w ciągu zaledwie jednej dekady dzięki zaangażowaniu, wiedzy i doświadczeniu pracowników stał się pełnoprawnym członkiem międzynarodowej społeczności modelarzy pogody.

AUTORZY:
Andrzej Wyszogrodzki, IMGW-PIB
Jan Parfiniewicz, IMGW-PIB
Andrzej Mazur, IMGW-PIB
Michał Ziemiański, IMGW-PIB
Grzegorz Duniec, IMGW-PIB
Witold Interewicz, IMGW-PIB
Marek Lazanowicz, IMGW-PIB
Joanna Linkowska, IMGW-PIB
Zbigniew Piotrowski, IMGW-PIB
Bogdan Rosa, IMGW-PIB
Damian Wójcik, IMGW-PIB
Adam Jaczewski, IMGW-PIB

Prowadzone przez lata prace własne ekspertów IMGW-PIB zostały zwieńczone uruchomieniem w 1994 roku modelu RADMET, będącego narzędziem do interpretacji wielkoskalowych prognoz numerycznych dostępnych przez sieć GTS. Przy wdrażaniu tego systemu pracował samodzielny zespół w składzie: Jan Parfiniewicz, Andrzej Kadłubowski, Leszek Herman-Iżycki, Marek Lazanowicz i Andrzej Chmielewski. RADMET był dostosowany do dostępnych w tym czasie komputerów klasy PC i nie mógł konkurować z innymi modelami prognostycznymi rozwijanymi w czołowych europejskich ośrodkach, takich jak brytyjski Met Office, Météo-France czy DWD w Niemczech.

Z chwilą uruchomienia w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania (ICM) UW (1993/1994) superkomputera Cray Y-MP/EL98 podjęto decyzję o aplikacji na tym systemie nowoczesnego modelu lokalnego. Wybór padł na model Met Office. Zadanie to zostało wykonane przez Bogumiła Jakubiaka (ówczesnego kierownika Zakładu Prognoz Długoterminowych) i Leszka Herman-Iżyckiego. Równolegle w Krakowie zespół pod kierunkiem Marka Jerczyńskiego uruchomił francuski model lokalny (ARPEGE/ALADIN), którego obliczenia były prowadzone w centrum komputerowym Cyfronet. W wyniku braku dwustronnego porozumienia pomiędzy IMGW a Met Office (jednym z powodów były wysokie koszty licencyjne) model UK-Met został w 1997 roku przejęty przez ICM, gdzie jest stosowany do tej pory.

SMOK i konsorcja numerycznych modeli prognoz pogody. W wyniku powodzi stulecia z 1997 roku IMGW znalazł się w krytycznej sytuacji niedoboru wiarygodnych modeli prognostycznych, mogących w przyszłości efektywnie przeciwdziałać podobnym katastrofom naturalnym. W efekcie w 1999 roku, w ramach nowego projektu SMOK (System Monitoringu i Osłony Kraju) współfinansowanego z funduszy Banku Światowego, zaplanowano implementację modelu niehydrostatycznego nowej generacji. W tym czasie, tj. pod koniec lat 90., powstało w Europie kilka międzynarodowych konsorcjów rozwijających modele prognoz pogody, np. HIRLAM, ALADIN, UKMO. Konsorcja te wymieniały się doświadczeniami na spotkaniach SRNWP (Short Range Numerical Weather Prediction) odbywających się pod agendą EUMETNET.

Na sympozjum SRNWP w Offenbach (25-27 października 1999), w którym udział wzięli Jan Parfiniewicz i Leszek Herman-Iżycki (reprezentujący już wtedy ICM), nawiązano kontakt z Detlevem Majewskim, kierującym zespołem numerycznego modelowania pogody w DWD. Organizacja ta była wówczas zainteresowana rozbudową własnego konsorcjum NWP i wyraziła zgodę na dostęp IMGW do produktów modelu globalnego GME i modelu prognostycznego o dużej rozdzielczości (HRM/DWD) sprzężonego z węzłem telekomunikacyjnym Instytutu. System ten został wdrożony w IMGW przez Jana Parfiniewicza, Marka Lazanowicza i Jana Orłowskiego. Otrzymano także pakiet graficzny GrADS (wersja brazylijska, w języku portugalskim) umożliwiający zdekodowanie wyników modelu HRM, uzyskiwanych w formacie GRIB, i otrzymanie (jak na ówczesne możliwości) wysokiej jakości produktów graficznych.

W 2000 roku podczas wizyty Majewskiego w Polsce uzgodniono i podpisano umowę dwustronną pomiędzy DWD i IMGW – „Agreement on the delivery/release of simulation software development at the DWD for scientific/operational duty purposes, 21 March 2000”. Równolegle trwały prace w ramach projektu SMOK, polegające na instalacji nowego superkomputera (SGI 3800) i wdrożeniu numerycznego mezoskalowego modelu prognostycznego LM. Ten został uruchomiony jesienią 2001 roku, a w 2002 roku wdrożono go do pracy operacyjnej w Instytucie.

IMGW-PIB członkiem COSMO. Konsorcjum określane jako COSMO formalnie powstało w 1999 roku – memorandum w sprawie międzynarodowej współpracy naukowej w dziedzinie modelowania niehydrostatycznego zostało podpisane w marcu tego roku przez dyrektorów krajowych służb meteorologicznych: MeteoSwiss (Szwajcaria), UGM/ARPA-SIM (Włochy), HNMS (Grecja) i DWD (Niemcy). Ostateczna umowa regulująca współpracę, a także wewnętrzne i zewnętrzne relacje konsorcjum została podpisana wiosną 2001 roku.

Ogólnym celem COSMO jest opracowanie, rozwój i utrzymanie niehydrostatycznego modelu prognoz meteorologicznych wysokiej rozdzielczości, który ma być używany zarówno do zastosowań operacyjnych, jak i badawczych przez kraje członkowskie konsorcjum. Początkowo opierało się ono na modelu Lokal-Modell (LM) DWD z odpowiednim systemem asymilacji danych. Partnerzy konsorcjum są zobowiązani do aktywnego wkładu w rozwój modelu poprzez zapewnienie zasobów kadrowych i udziału we współpracy badawczej. Od każdego partnera wymagana jest aktywność na poziomie minimum dwóch pełnych etatów w obszarach badawczo-rozwojowych.

COSMO od momentu powstania było otwarte na współpracę z innymi zespołami rozwijającymi modele prognoz pogody, instytutami badawczymi i uniwersytetami, jak również na akces nowych członków. Korzystając z tej sposobności, we wrześniu 2000 roku IMGW złożył formalny wniosek o członkostwo. W uroczystości podpisania deklaracji, która odbyła się 4 lipca 2002 roku, wzięli udział przedstawiciele instytucji członkowskich COSMO: Massimo Capaldo, przewodniczący komitetu sterującego i zastępca dyrektora włoskiego Głównego Urzędu Meteorologii (UGM), Udo Gärtner, prezes Niemieckiej Służby Pogodowej (Deutscher Wetterdienst, DWD), Gerhard Adrian, kierownik Działu Badawczo-Rozwojowego DWD, Chryssoula Gagaoudaki, zastępca dyrektora Greckiej Narodowej Służby Meteorologicznej (HNMS), i Georges Sakellarides, szef Działu Badawczo-Rozwojowego HNMS. Ze strony polskiej przedstawicielem Państwowego Komitetu Badań Naukowych był Jan Calak. W skład zespołu odpowiedzialnego za współpracę w ramach konsorcjum w pierwszych latach członkostwa wchodzili Jan Parfiniewicz, Zbigniew Sorbjan, Witold Interewicz, Marek Lazanowicz, Katarzyna Starosta, Błażej Krzemiński, Joanna Linkowska, Jerzy Achimowicz i Andrzej Mazur. W kolejnych latach konsorcjum nadal intensywnie się rozwijało na arenie międzynarodowej, a do jego struktur dołączyły kolejne kraje: Rosja, Rumunia i Izrael.

Prace w strukturach konsorcjum. Pracownicy IMGW-PIB są zobowiązani do aktywnego wspierania działań konsorcjum, zarówno w prowadzonych na bieżąco projektach naukowo-badawczych, jak i w formalnych strukturach organizacyjnych, takich jak grupy robocze (working groups, WG) i komitet sterujący (steering committee, STC). Delegowani pracownicy IMGW, a w szczególności Zakładu COSMO, reprezentowali Instytut w pracach STC: Ryszard Klejnowski/Jan Parfiniewicz/Andrzej Mazur/Zbigniew Sorbjan (do 2006), Michał Ziemiański/Andrzej Mazur (2007-2011), Rafał Bąkowski/Andrzej Mazur (2012-2013), Andrzej Wyszogrodzki/Andrzej Mazur (od 2014).

W 2017 roku na dwuletnią kadencję przewodniczącego konsorcjum (chairman of the steering committee) wybrany został reprezentant IMGW-PIB Andrzej Wyszogrodzki. Funkcja ta wiąże się z podejmowaniem kluczowych decyzji odnośnie do działalności konsorcjum, w tym aprobowaniem nowych projektów naukowych (priority task, priority project) i organizowaniem walnych zgromadzeń krajów członkowskich (COSMO General Meetings). W zakresie kompetencji przewodniczącego leży także aprobowanie wniosków wymagających wykorzystania funduszy, jakie konsorcjum posiada ze sprzedaży praw licencyjnych i usług. Duża część tych funduszy jest przeznaczana na wspomaganie działalności naukowej w postaci refundacji wyjazdów konferencyjnych i opłat za publikacje.

COSMO General Meetings w Polsce. Jednym z zobowiązań krajów członkowskich konsorcjum jest coroczna organizacja COSMO General Meetings. Spotkania te służą wymianie informacji o postępach w projektach organizowanych przez grupy robocze, raportowaniu wyników i planowaniu prac na następny rok. Oprócz spotkań grup roboczych (WG) odbywają się spotkania komitetu sterującego (STC). Na sesjach plenarnych prezentowane jest podsumowanie działań w ramach projektów i grup roboczych. Kraje członkowskie ponoszą solidarnie wysiłek cyklicznej organizacji spotkań; pierwsze zostało zorganizowane w 1999 roku w Bolonii we Włoszech.

Pierwsze walne zgromadzenie COSMO zorganizowane przez IMGW (a czwarte w ogóle) odbyło się w Warszawie w dniach 25-27 września 2002 roku. Było to niezwykle stymulujące spotkanie z wieloma interesującymi prezentacjami i dyskusjami, na których poruszono szereg tematów związanych z konkretnymi projektami prowadzonymi w ramach konsorcjum. Spotkanie rozpoczął dyrektor IMGW Jan Zieliński wraz z zastępcą dyrektora IMGW ds. prognoz Ryszardem Klejnowskim. Ze strony COSMO przewodniczący komitetu sterującego Massimo Capaldo przedstawił opis prac STC, natomiast kierownik naukowy (SPM) Günther Doms (DWD) podsumował działania i projekty prowadzone w roku poprzedzającym walne zgromadzenie.

Dziesiąty COSMO General Meeting również został zorganizowany w Polsce. Wydarzenie, które odbyło się 15-19 września 2008 roku w Krakowie, dobrze odzwierciedlało sukces rozwoju i wykorzystania modelu COSMO, a także owocną współpracę w ramach konsorcjum. Na przestrzeni pierwszych 10 lat spotkania systematycznie się rozwijały: od dwudniowego spotkania z listą uczestników mieszczącą się na jednej kartce papieru po całotygodniowe wydarzenie z równoległymi sesjami, w których uczestniczyło nawet 100 osób. Walne zebrania organizowane w krajach członkowskich to także możliwość zacieśniania nieformalnych więzi pomiędzy uczestnikami; dla przykładu od wielu lat żeńska część konsorcjum wybiera Mr COSMO i wręcza laureatowi tytułu specjalne insygnia. Jest to także okazja do zapoznania się z kulturą i historią danego regionu – i tak podczas spotkania w Krakowie uczestnicy zwiedzili kopalnię soli w Wieliczce.

Siedem lat później, w 2015 roku, COSMO General Meeting zawitał do Wrocławia. W wydarzeniu, które odbyło się w dniach 7-10 września, wzięło udział około 90 osób, w tym pierwszy raz delegacja kraju aplikującego do konsorcjum – Izraela. Uczestnicy konferencji mieli okazję zwiedzić Zamek Książ w okolicach Wałbrzycha.

Kamienie milowe w rozwoju modeli COSMO w IMGW-PIB

Implementacja i rozbudowa systemu asymilacji danych pomiarowych. Jedno z zadań projektu KLIMAT, prowadzonego w latach 2008-2012, nosiło nazwę „Rozwój metod prognozowania i systemów ostrzegania przed groźnymi zjawiskami hydrologicznymi i meteorologicznymi oraz wykorzystanie ich do osłony kraju” i było koordynowane przez Michała Ziemiańskiego. Polegało na wdrożeniu do działalności operacyjnej systemu asymilacji danych w modelu regionalnym COSMO. Nad zadaniem pracował zespół w składzie: Andrzej Mazur, Witold Interewicz, Joanna Linkowska, Piotr Drzewiecki, Marek Lazanowicz, Grzegorz Duniec i Rafał Kielar.

System ten opiera się na cyklu analizy i asymilacji danych (CAAD) umożliwiającym poprawę jakości pól analizy używanych do inicjalizacji modelu i prowadzącym do zmniejszenia błędu prognozy w sensie statystycznej weryfikacji. Działanie CAAD polega na cyklicznym wykonywaniu (między głównymi terminami liczenia prognozy modelu COSMO) krótkich, kilkugodzinnych przebiegów prognostycznych z uwzględnieniem lokalnych danych obserwacyjnych i pomiarowych. Pierwszy przebieg jest zasilany polem analizy pochodzącym z modelu globalnego. Kolejne przebiegi CAAD są już zasilane polami analizy pochodzącymi z poprzedniego, krótkiego przebiegu modelu regionalnego i uwzględniającymi najświeższe dane obserwacyjne pochodzące z depesz: PILOT, TEMP, SYNOP, AMDAR, BUOY i SHIP, otrzymywanych z sieci GTS/WMO.

W modelu COSMO do asymilacji danych stosuje się metodę zwaną nudgingiem, polegającą na wprowadzeniu do równań modelu dodatkowego członu odpowiedzialnego za wymuszenie (czyli dopasowanie lub dosłownie nagięcie wartości prognozowanych do danych obserwacyjnych). Człon ten jest odpowiednio uzależniony od asymilowanych danych pomiarowych. Zasadniczym elementem umożliwiającym działanie CAAD jest zakupiony komercyjnie system Sky Globus (Basler + Partner GmbH), służący do akwizycji i konwersji danych pomiarowych do formatu BUFR, a następnie do formatu NetCDF, zgodnego z systemem asymilacji danych pomiarowych modeli COSMO.

Budowa nowego rdzenia dynamicznego COSMO-EULAG. We wrześniu 2008 roku w Krakowie, podczas deszczowego spotkania w ramach COSMO General Meetings, podjęto decyzję o rozpoczęciu nowego programu badawczego w celu wypracowania i implementacji przyszłego rdzenia dynamicznego dla modelu COSMO. Na początku 2009 roku uruchomiono odpowiedni priorytetowy projekt konsorcjum, Conservative Dynamical Core (CDC), silnie wspierany przez nowy zespół IMGW tworzony przez młodych naukowców z Instytutu Geofizyki UW: Marcina Kurowskiego, Zbigniewa Piotrowskiego i Bogdana Rosę, współpracujących z Michałem Ziemiańskim. Podczas długoterminowej zagranicznej wizyty naukowej Zbigniewa Piotrowskiego do zespołu dołączył Damian Wójcik, absolwent fizyki i informatyki UW. Marcin Kurowski natomiast po kilku latach pracy w zespole przeniósł się do Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie.

Zespół zajmował się implementacją w modelu COSMO badawczego rdzenia dynamicznego EULAG, opracowanego w Narodowym Centrum Badań Atmosfery (NCAR) w USA przez Piotra Smolarkiewicza, współpracującego z Wojciechem Grabowskim, Andrzejem Wyszogrodzkim i wieloma innymi naukowcami. Zespół IMGW korzystał z doświadczeń amerykańskich partnerów poprzez bieżące konsultacje, w wyniku czego anelastyczna wersja EULAG-a została z sukcesem wprowadzona do modelu COSMO na przełomie 2014 i 2015 roku. W zespole podjęto też prace nad dostosowaniem EULAG-a do nowych architektur superkomputerowych, w tym opartych na kartach graficznych. Nawiązano w tym celu współpracę z naukowcami z Politechniki Częstochowskiej i Poznańskiego Centrum Superkomputerowo-Sieciowego (PCSS). Rozszerzono także współpracę z MeteoSwiss, który w tym czasie był pionierem rewolucji w użyciu tego typu architektur superkomputerowych do operacyjnej produkcji prognoz numerycznych.

Tymczasem Piotr Smolarkiewicz ze współpracownikami opracował nową wersję EULAG-a, opartą na ściśliwych równaniach ruchu, a prace nad praktyczną aplikacją tej metody do modelu pogody podjął zespół w ECMWF w Reading. W ślad za tym COSMO zaproponowało zespołowi IMGW implementację ściśliwego EULAG-a do modelu COSMO wraz z przygotowaniem w pełni operacyjnej wersji takiego modelu. Powstała wówczas interesująca sytuacja, kiedy wprowadzeniem nowego typu rdzenia dynamicznego do numerycznych modeli pogody zajmowały się równolegle dwa zespoły – jeden w ECMWF, dla zastosowań globalnych, i drugi w IMGW, dla prognoz regionalnych – zachowujące podstawowy kontakt umożliwiający wymianę idei i doświadczeń.

Zadanie konsorcjum zostało zrealizowane i od 2020 roku model COSMO ze ściśliwym EULAG-iem pracuje operacyjnie w IMGW-PIB. Warszawski zespół udowodnił przy tym, że ściśliwy rdzeń dynamiczny EULAG ma szczególne właściwości zwiększające dokładność prognoz i zapewniające wysoką odporność numeryczną obliczeń. Model ten jest także ważnym narzędziem do prowadzenia prac rozwojowo-badawczych w Instytucie oraz implementacji prognoz pogody o bardzo wysokiej rozdzielczości (nawet z krokiem siatki poziomej rzędu 100 m) w obszarach o realistycznej orografii.

Warto podkreślić, że prowadzone w IMGW-PIB prace nad implementacją EULAG-a do modelu COSMO miały istotne szersze znaczenie dla Instytutu: pozwoliły na poszerzenie i pogłębienie współpracy naukowej, w tym ze światowej rangi ośrodkami badawczymi, miały wpływ na rozwój naukowy kadry Instytutu (m.in. na habilitacje i doktoraty), umożliwiły też udział IMGW-PIB w zewnętrznych projektach badawczych. Kontynuacja tych prac powinna przynieść Instytutowi dalszy rozwój naukowy i korzyści operacyjne.

Dalszy rozwój modeli regionalnych wysokiej rozdzielczości. Od 2015 roku konsorcjum podejmowało wysiłki w celu zastąpienia COSMO nowym modelem będącym lokalną wersją globalnego modelu ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) pracującego na siatce niestrukturalnej. Główną zaletą ICON-LAM (Local Area Model) w porównaniu z COSMO jest elastyczna opcja dwukierunkowego zagnieżdżania siatki i zwiększona stabilność numeryczna obliczeń w wysokiej rozdzielczości horyzontalnej w obszarach o stromej topografii, co w wypadku wysokich Alp oznacza możliwość zwiększenia rozdzielczości siatki horyzontalnej znacznie poniżej 1 km. W kolejnych latach poczyniono zdecydowane postępy w poprawie jakości prognoz ICON-LAM, co zaowocowało w 2019 roku wprowadzeniem tego modelu do działalności operacyjnej DWD i udostępnieniem go do zastosowania w pozostałych krajach członkowskich COSMO. W celu kontynuowania prac nad rozwojem modelu ICON-LAM w marcu 2020 roku podpisano nową umowę partnerską pomiędzy DWD a COSMO. DWD reprezentuje w tej umowie instytucje, które oryginalnie rozwijały globalną wersję modelu ICON: Deutscher Wetterdienst (DWD), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M) i Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ) w Hamburgu. Na mocy porozumienia kraje członkowskie COSMO otrzymały prawo na niewyłączne, bezpłatne i nieograniczone korzystanie z modelu ICON do niekomercyjnych badań i rozwoju, jak również do zadań statutowych.

W listopadzie 2021 roku przygotowano i udostępniono ostatnią oficjalną wersję modelu COSMO (v6.0), zawierającą wszystkie dotychczasowo rozwijane algorytmy i parametryzacje. Wersja ta pozostanie zamrożona, w następnych latach przewiduje się jedynie wprowadzanie poprawek (do) napotkanych błędów i wsparcie organizacyjne dla użytkowników wykorzystujących model COSMO na całym świecie (p. mapa).

Kraje używające dotychczas modelu COSMO będą stopniowo przechodzić na nowy, stabilniejszy ICON-LAM z udoskonalanymi parametryzacjami fizycznymi. Na najbliższe lata planowane są dalsze działania mające na celu rozwój modelu ICON-LAM, a zespół kierowany przez Michaela Baldaufa (DWD) pracuje obecnie nad kolejną, nowoczesną wersją rdzenia dynamicznego. IMGW-PIB zaś zamierza rozwijać perspektywiczną wersję modelu COSMO-EULAG, który umożliwia prowadzenie stabilnych i dokładnych obliczeń numerycznych dla obszarów o stromej topografii z wykorzystaniem bardzo gęstych siatek obliczeniowych o poziomym kroku siatki rzędu 100 m.

---

Oprac. Andrzej Wyszogrodzki, Jan Parfiniewicz, Andrzej Mazur, Michał Ziemiański, Grzegorz Duniec, Witold Interewicz, Marek Lazanowicz, Joanna Linkowska, Zbigniew Piotrowski, Bogdan Rosa, Damian Wójcik, Adam Jaczewski | Centrum Modelowania Meteorologicznego, IMGW-PIB.
Zdjęcie główne: v2osk | Unsplash.