F. Johannes Plenio on Unsplash.

Written by 09:00 Meteo, Modele Meteorologiczne

Numeryczna prognoza pogody w ICM UW. Unified Model UKMO

Leszek Herman-Iżycki
Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM), Uniwersytet Warszawski

Unified Model (UM) jest jednym z pierwszych numerycznych modeli prognozy pogody uruchomionych w Polsce, regularnie dostarczającym prognozę pogody aż do dzisiaj. Został opracowany przez brytyjską służbę meteorologiczną Met Office (UKMO), gdzie operacyjnie działa od 1991 roku.

W latach 60. ubiegłego wieku prognozowanie numeryczne pogody i klimatu było traktowane rozdzielnie. I o ile w obszarze zagadnień klimatycznych od samego początku rozumiano konieczność globalnego podejścia, o tyle modele pogody były w tym czasie liczone na krótki okres i na ograniczonym obszarze.

Pierwszy globalny model prognozy pogody powstał pod koniec lat 70. XX wieku i był wzorowany na modelu klimatu, z którego wykorzystał zaawansowane parametryzacje procesów fizycznych; na nowo jednak został wówczas opracowany schemat całkowania umożliwiający szybkie obliczenia. W rezultacie w latach 80. w brytyjskiej służbie meteorologicznej Met Office używano dwóch globalnych modeli – klimatu i pogody. Dodatkowo w użyciu operacyjnym był niehydrostatyczny lokalny model obejmujący obszar Wielkiej Brytanii. Modele te rozwijano osobno, ponieważ stawiano im inne cele.

Modele globalne zostały napisane w języku specyficznym dla komputera CDC CYBER 205. Ze względu na koszty i czas przenoszenia kodu na nowe maszyny obliczeniowe konieczna okazała się unifikacja modeli. Ostatecznym impulsem, który spowodował podjęcie tej decyzji, było wycofanie się Control Data Corporation z dostarczenia następcy superkomputera CYBER 205[i]. W takich okolicznościach w ciągu dwóch lat powstał Unified Model, z którego użyciem możliwe było prognozowanie zarówno klimatu, jak i pogody – w konfiguracji globalnej i na ograniczonym obszarze. Model napisano w języku Fortran z niewielkim dodatkiem specyficznych dla maszyny instrukcji niskiego poziomu. Konfiguracja modelu była definiowana w plikach kontrolnych w ten sposób, że różne do tej pory modele używały różnych ustawień i jednego kodu. UM został uruchomiony operacyjnie w wersji globalnej w czerwcu 1991 roku, a w wersji mezoskalowej – na ograniczonym obszarze – wystartował pod koniec 1992 roku[ii].

Narodziny numerycznej prognozy pogody (NPP) w Polsce. W tym samym czasie, a więc na początku lat 90., w Polsce nie dysponowano jeszcze numeryczną prognozą pogody w wersji mezoskalowej. W opracowaniu „System Numerycznych Prognoz Pogody IMGW w oparciu o kod źródłowy Unified Model modelu brytyjskiego Meteorological Office”[iii] napisano: „Problem rozwoju własnego systemu numerycznych prognoz pogody jest wyzwaniem, jakie stoi przed Instytutem, i należy dołożyć wszelkich starań, by je zrealizować możliwie szybko i na odpowiednim poziomie”, a także: „W IMGW podstawowym argumentem niepodejmowania prac w dziedzinie NWP był brak odpowiedniego komputera do obliczeń”.

Próby budowy systemu NWP (numerycznych prognoz pogody) w Instytucie podjął się dr Bogumił Jakubiak, kierownik Zakładu Prognoz Długoterminowych IMGW. Wykorzystał on fakt powstania nowej jednostki na Uniwersytecie Warszawskim – Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM UW), gdzie zainstalowano pierwszy w Polsce superkomputer. Był to 8-procesorowy Cray EL-98. Jakubiak dla potrzeb systemu numerycznych prognoz wybrał model UM. Istotną okolicznością było to, że superkomputer dla ICM dostarczyła firma Cray, która wyposażyła w swoje komputery Cray YMP-8 i Cray C90 również Met Office. Ułatwiło to późniejszą instalację kodu: wersja UM uruchomiona w 1997 roku na maszynie Cray YMP-4E została skompilowana na Cray C90 w Met Office.

Kaseta z taśmą magnetyczną z kodem modelu UM dostarczona przez Met Office w 1994 roku (fot. archiwum autora).
Kaseta z taśmą magnetyczną z kodem modelu UM dostarczona przez Met Office w 1994 roku (fot. archiwum autora).

Uruchomienie modelu UM w ICM UW. W czerwcu 1994 roku w porozumieniu z Met Office dr Jakubiak zainstalował model UM w wersji 3.2 na komputerze ICM. W październiku uzyskano licencję na wersję mezoskalową dla celów badawczych, jednakże wersja globalna musiała zostać użyta jako źródło warunków brzegowych i warunku początkowego dla modelu mezoskalowego. Model globalny został uruchomiony w wersji N144 (siatka 288×217, rozdzielczość około 90 km na średnich szerokościach) na 19 poziomach na okres 36 godzin. Model regionalny był liczony na siatce z obróconym biegunem, tak że równik przecinał środek domeny obliczeniowej. Siatka miała rozmiar 92×92 w poziomie i 30 poziomów wysokościowych. Oczko siatki było kwadratem o boku 0,15 stopnia, zatem rozdzielczość pozioma wynosiła około 17 km. Współrzędna pionowa była hybrydowa. Poziomy modelu podążały za powierzchnią terenu do pewnej wysokości, a pozostałe poziomy były na stałej wysokości nad poziomem morza. Równania modelu były w przybliżeniu hydrostatycznym.

Do połowy 1996 roku trwały testy modelu, które obejmowały okres 25-28 stycznia 1993 roku. Wyniki eksperymentu były obiecujące, następnym krokiem więc było testowe uruchomienie modelu w trybie quasi-operacyjnym. Model regionalny nad Polską był zasilany przez model liczony w Met Office. Dane brzegowe i początkowe były codziennie przesyłane z Met Office do ICM łączem internetowym. Wyniki modelu publikowano w Internecie, na specjalnie do tego stworzonej stronie. Test w trybie quasi-operacyjnym trwał trzy miesiące (od listopada 1996 do stycznia 1997). Prognoza była liczona raz na dobę, na 36 godzin do przodu.

Opracowanie wyników testów modelu UM.
Opracowanie wyników testów modelu UM.

Eksperyment pokazał techniczne możliwości uruchomienia w IMGW systemu numerycznych prognoz we współpracy z partnerem zagranicznym przy wykorzystaniu infrastruktury ICM. W tym czasie w ICM został już zainstalowany nowy komputer Cray YMP-4E, na którym również uruchomiono model UM. Mimo tych pozytywnych doświadczeń nie doszło do dwustronnego porozumienia między Met Office i IMGW. Jednym z powodów fiaska budowy systemu NWP z wykorzystaniem modelu UM były zapewne koszty licencyjne, jakie musiałby ponieść Instytut. W tej sytuacji dyrektor ICM, prof. Marek Niezgódka, angażując zespół z IMGW, podjął się liczenia prognoz numerycznych we współpracy z Met Office.

Maj 1997, ponowne uruchomienie modelu. Po modyfikacji ustawień Unified Model zaktualizowano do wersji 4.0. Domena obliczeniowa modelu została powiększona o obszar Bałtyku. Nowa siatka obliczeniowa miała rozmiar 144×116 przy dotychczasowej rozdzielczości 0,15 stopnia oczka siatki. Model został uruchomiony wraz z asymilacją danych obserwacyjnych, dzięki czemu wykorzystywał on własną prognozę, zmodyfikowaną w wyniku asymilacji jako pole startowe. Przyczyniło się to do poprawy wyników prognoz. Dane obserwacyjne były dostarczane osiem razy na dobę, przez co model był uruchamiany ośmiokrotnie w ciągu doby w cyklu asymilacyjnym. Długość prognozy została wydłużona do 48 godzin. Dostarczane warunki brzegowe pochodziły z modelu regionalnego z godziny 18 UTC, który był drugim modelem w kaskadzie modeli. Model ten był zagnieżdżony w modelu globalnym N144 z godziny 12 UTC. Otrzymywane warunki brzegowe zawierały prognozę od T+3 do T+54 z krokiem 3-godzinnym, aby pokryły okres asymilacji danych zarówno od 3. godziny przed nominalnym startem prognozy, jak i 48-godzinną prognozę.

W lutym następnego roku zmieniono model prowadzący. Został nim model globalny N216 na siatce 432×325 o rozdzielczości około 60 km na średnich szerokościach geograficznych. Warunki brzegowe zostały wydłużone o 24 godziny, by ewentualne problemy z transmisją nie blokowały policzenia kolejnej prognozy. Dostarczano prognozę od T+9 do T+84 z krokiem 3-godzinnym. Te wydłużone warunki brzegowe pozwoliły na stopniowe uruchamianie w następnych miesiącach prognoz startujących o innych niż 00 UTC godzinach.

Poster z 1998 roku. Na schemacie widoczne jest zapasowe łącze telefoniczne (ISDN) ICM z Met Office (w tym czasie przepustowość łączy internetowych do Met Office była bardzo słaba).
Poster z 1998 roku. Na schemacie widoczne jest zapasowe łącze telefoniczne (ISDN) ICM z Met Office (w tym czasie przepustowość łączy internetowych do Met Office była bardzo słaba).

Publikacja wyników numerycznej prognozy pogody była w owym czasie nowością. Początkowo dostępne były tylko mapy wybranych elementów pogody. Później serwis uzupełniono o pierwsze w Polsce meteorogramy, a także mapy przeglądowe pokazujące kilka elementów jednocześnie. Został udostępniony film w formacie MPEG pokazujący prognozę godzina po godzinie. Prognoza była publikowana w „Gazecie Wyborczej” i prezentowana w formie dynamicznej w TVP, w programie śniadaniowym „Kawa czy Herbata”.

Pierwsza strona internetowa, na której publikowano wyniki prognoz modelem UM. Na stronie widnieje jeszcze logo IMGW (1997).
Pierwsza strona internetowa, na której publikowano wyniki prognoz modelem UM. Na stronie widnieje jeszcze logo IMGW (1997).
Poster z 1998 roku prezentujący zawartość strony WWW. Były już na niej dostępne meteorogramy i zbiorcze mapy. Zobrazowania dokonywano przy użyciu programów Vis5d i AVS Express.
Poster z 1998 roku prezentujący zawartość strony WWW. Były już na niej dostępne meteorogramy i zbiorcze mapy. Zobrazowania dokonywano przy użyciu programów Vis5d i AVS Express.

Współpraca z IMGW. Od początku istnienia zespołu meteo w ICM kontakty z Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej były podtrzymywane z różną intensywnością. Mimo że potencjalnie działalność obu jednostek mogłaby być komplementarna, a prognozy z modelu UM wykorzystywane przez IMGW do bieżącej oceny sytuacji meteorologicznej, porozumienie w tej kwestii zawarto dopiero w grudniu 2016 roku. Na przełomie wieków działalność zespołu meteo postrzegana była raczej jako konkurencja w zakresie prognozowania meteorologicznego. Jednocześnie przedstawiciele IMGW byli zwolennikami stosowania francuskiego modelu ALADIN, z którego użyciem opracowano pierwsze numeryczne prognozy w Instytucie w 1998 roku. ICM UW kontynuowało prace na modelu brytyjskim. Z uwagi na to, że IMGW nie zgadzało się, aby ICM UW korzystało ze sformułowania „prognoza pogody”, zespół meteo.pl stosował nazewnictwo „numeryczna prognoza pogody” („numeryczna prognoza pogody” nie miała akceptacji merytorycznej synoptyków IMGW).

Pod koniec lat 90. XX wieku w Polsce wystąpiły silne opady powodujące powodzie, skutkujące ofiarami w ludziach i ogromnymi stratami materialnymi. Niektóre NPP opracowywane wówczas przez ICM UW charakteryzowały się wysoką sprawdzalnością, inne się nie sprawdziły. Po jednej z takich nietrafionych prognoz IMGW zamieścił komunikat podpisany przez zastępcę dyrektora IMGW ds. prognoz meteorologicznych Ryszarda Klejnowskiego (obecnie jednego z synoptyków w ICM), w którym „informuje, że nie bierze odpowiedzialności za rzeczywiste i potencjalne skutki prognoz i ostrzeżeń opracowywanych i przekazywanych przez […] ICM UW władzom państwowym, samorządowym i instytucjom oraz publikowanych w mediach i Internecie”[iv]. Niewątpliwie podejmowane ówcześnie przez ICM próby zainteresowania władz państwowych budową „systemu wczesnego ostrzegania, w którym informacje uzyskane z modelu pomagałyby w podejmowaniu decyzji” – jak pisał w odpowiedzi na komunikat IMGW dyrektor ICM UW – nie były dobrze przyjmowane przez dyrekcję Instytutu i skutkowały brakiem współpracy pomiędzy jednostkami przez kolejnych kilkanaście lat.

Nietrafione prognozy stały się impulsem do uzupełnienia serwisu o komentarz synoptyka. W zamyśle miała to być synoptyczna weryfikacja opublikowanej numerycznej prognozy pogody, jednak z czasem komentarz ewoluował w kierunku synoptycznej oceny aktualnej i prognozowanej pogody. Obecnie komentarz jest nie tylko szerszą analizą prognozy, ale również cennym źródłem wiedzy na temat zjawisk meteorologicznych.

W grudniu 2016 roku ówcześni dyrektorzy ICM UW i IMGW-PIB, prof. Marek Niezgódka i dr Przemysław Łagodzki, podpisali porozumienie dotyczące współpracy „w celu stałego dążenia do poprawy jakości osłony meteorologicznej”. Na bazie tego porozumienia ICM UW dostarcza do IMGW-PIB bieżące prognozy z modelu UM o rozdzielczości 4 km w trybie operacyjnym w celu wykorzystania prognoz do statutowych działań Instytutu.

Model UM w XXI wieku. W następnych latach prognoza była opracowywana częściej niż raz na dobę i ostatecznie – od lipca 2001 roku – przygotowywano ją cztery razy na dobę. Na początku 2003 roku jej długość została wydłużona do 60 godzin. Model UM w wersji hydrostatycznej, z ciągłą asymilacją danych, był eksploatowany w ICM do 7 października 2008 roku. W chwili wyłączania modelu UM był on w przestarzałej wersji. W Met Office już w 2002 roku został uruchomiony model w wersji 5.x (operacyjna wersja to 5.2), w którym wprowadzono „nową dynamikę” (new dynamics). Była to dynamika semi-Lagrange’owska w sformułowaniu niehydrostatycznym. Jednocześnie w modelu zmieniono wiele parametryzacji fizycznych.

W ICM model z nową dynamiką uruchomiono w wersji 6.0, a później w wersji 8.5. Najistotniejszą modyfikacją konfiguracji była zmiana rozdzielczości modelu z 17 km na 4 km i zwiększenie rozdzielczości w pionie do 38 poziomów. System liczenia prognoz został całkowicie przebudowany. Wyłączona została asymilacja danych obserwacyjnych, co spowodowało, że każda prognoza wymagała dostarczenia pola startowego przez model prowadzący. Generacja warunków brzegowych została przesunięta z Met Office do ICM. Warunek początkowy i brzegowy użyty do symulacji pochodził z tej samej prognozy z modelu prowadzącego.

Poprzednio warunki brzegowe były zmieniane raz na dobę, teraz były dostarczane cztery razy na dobę. Każda prognoza stała się niezależnym procesem, do którego dane dostarczał model prowadzący uruchamiany w Met Office. Asymilacja danych była prowadzona jedynie do modelu prowadzącego. Takie ustawienie obliczeń miało negatywny wpływ na jakość pierwszych kilku-, kilkunastu godzin prognozy, zwłaszcza na poprawność prognozowania opadów konwekcyjnych. W 2012 roku model UM zaczął używać dodatkowych pól w przeznaczonej mu rozdzielczości. Są to temperatura wody (SST, sea surface temperature), pokrywa lodowa morza, pokrywa śnieżna lądu i parametry wilgotnościowe gruntu. Dane te pochodzą z modeli liczonych w Met Office – OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analisis) i SURF (Land Surface Data Assimilation). W takim ustawieniu model działa do dzisiaj.

Model dostarczający dane do narzędzia ICM zmieniał się w zależności od rozdzielczości modelu globalnego i zagnieżdżonych w nim modeli regionalnych w Met Office. Poniżej przedstawiono daty uruchomienia modeli globalnych w brytyjskiej służbie wraz z ich rozdzielczościami przestrzennymi:
>> 2005, model globalny N320 na siatce 640×480 (~40 km) i 50 poziomach;
>> 2009, zmiana liczby poziomów na 70;
>> 2010, model N512 na siatce 1024×769 (~25 km);
>> 2014, model N768 na siatce 1536×1152 (~17 km);
>> 2017, model N1280 na siatce 2560×1920 (~10 km), działający w tej rozdzielczości do chwili obecnej.

Model UM w ICM prowadził model globalny albo model regionalny NAE (North Atlantic & European) liczony początkowo w rozdzielczości 20 km, a od 2005 roku w rozdzielczości 12 km. Obecna konfiguracja modelu UM liczonego w ICM jest wzorowana na EURO4, który ma rozdzielczość około 4 km (podobną do rozdzielczości modelu w ICM) i jest uruchamiany w Met Office również bez asymilacji. Kolejnym modelem UM uruchomionym w ICM był model w nowej rozdzielczości 1,5 km w środku domeny obliczeniowej, 4 km na jej brzegu i 38 poziomach wysokościowych. Siatka modelu ma rozmiar 1472×1024. Domena obliczeniowa nowego modelu jest taka sama jak modelu 4 km. Model także jest zasilany tymi samymi danymi, z wyjątkiem dodatkowych pól, które otrzymuje we właściwej sobie rozdzielczości. Model na zmiennej siatce jest obecnie liczony operacyjnie dwa razy na dobę na 78 godzin do przodu dla startu w godzinach 00 i 12 UTC.

Konsorcjum Unified Model Partnership. Członkowie: Bureau of Meteorology/CSIRO (Australia), MoES/NCMRWF (Indie), NEA/MSS/CCRS (Singapur), NIWA (Nowa Zelandia), KMA (Korea Południowa), Met Office (Wielka Brytania). Członkowie stowarzyszeni: ICM (Polska), SAWS (Republika Południowej Afryki), US Air Force (USA).
Konsorcjum Unified Model Partnership. Członkowie: Bureau of Meteorology/CSIRO (Australia), MoES/NCMRWF (Indie), NEA/MSS/CCRS (Singapur), NIWA (Nowa Zelandia), KMA (Korea Południowa), Met Office (Wielka Brytania). Członkowie stowarzyszeni: ICM (Polska), SAWS (Republika Południowej Afryki), US Air Force (USA).

W 2014 roku UM otrzymał nowe jądro dynamiczne (UM 10.x) – tzw. Even New Dynamics – ENDGame. W ICM nowa wersja weszła do użytku w 2017 roku. Jednocześnie modele UM (zarówno 4 km, jak i 1,5 km) zaczęły być liczone w rozdzielczości pionowej 70 poziomów przy zachowanej wysokości atmosfery do 40 km. Latem 2019 roku została wydłużona długość prognozy. Obecnie model w rozdzielczości 4 km jest liczony dwa razy na dobę (o godzinie 00 i 12 UTC) na 120 godzin. Wyniki wydłużonych prognoz dostępne są na stronie mapy.meteo.pl.

Model UM jest używany jako operacyjny przez wiele służb meteorologicznych i innych. Jest on uruchamiany zarówno w wersji globalnej, jak i na ograniczonym obszarze (Limited Area Model, LAM) lub tylko LAM (tak jak w ICM). W wypadku wersji LAM modelem prowadzącym z reguły jest również model UM (w wersji globalnej), choć może być stosowany inny model, np. ECMWF (tak jak ma to miejsce w Singapurze w MSS). Organizacje używające model UM są członkami konsorcjum Unified Model powołanego przez Met Office[v]. Od 2015 roku ICM jest jego członkiem stowarzyszonym (associate partner).

[i] https://doi.org/10.1007/978-3-642-84020-3_8.
[ii] http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-D-12-00018.1.
[iii] B. Jakubiak, 1996, System numerycznych prognoz pogody IMGW w oparciu o kod źródłowy Unified Model modelu brytyjskiego Meteorological Office, [w:] Materiały na Kolegium w Podkowie Leśnej 8 sierpnia 1996 oraz na sesje Rady Naukowej, 28-29 X 1996.
[iv] „Gazeta Wyborcza”, 29 lipca 1998.
[v] https://www.metoffice.gov.uk/research/approach/collaboration/unified-model/partnership.


Zdjęcie główne: Johannes Plenio | Unsplash.

(Visited 1 331 times, 1 visits today)
Close