ВЛИЯНИЕ СХЕМ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И ВЛАГИ В ПОЧВЕ НА РЕЗУЛЬТАТЫ КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ REGCM4
|
Введение 4
Глава 1. Региональная климатическая модель RegCM4 7
1.1. Общие сведения о модели 7
1.2. Конфигурация модели 10
1.2.1. Список dimparam 10
1.2.2. Список geoparam 11
1.2.3. Список terrainparam 13
1.2.4. Список boundaryparam 14
1.2.5. Список globdatparam 15
1.2.6. Список timeparam 16
1.3. Постановка вычислительного эксперимента 16
1.4. Модели переноса тепла и влаги в почве 18
1.4.1. Схема BATS 18
1.4.2. Схема CLM 19
1.4.3. Схема CLM 4.5 20
1.5. Результаты главы 22
Глава 2. Анализ результатов моделирования 23
2.1. Архив CRU 23
2.2. Реанализ ERA5 24
2.3. Приземная температура воздуха 25
2.4. Суммарная годовая интенсивность осадков 32
2.5. Поток тепла из почвы, влажность, эвапотранспирация . . 39
2.6. Результаты главы 40
Заключение 45
Приложение A. Скрипт для обработки данных CRU и ERA5 47
Литература 50
Глава 1. Региональная климатическая модель RegCM4 7
1.1. Общие сведения о модели 7
1.2. Конфигурация модели 10
1.2.1. Список dimparam 10
1.2.2. Список geoparam 11
1.2.3. Список terrainparam 13
1.2.4. Список boundaryparam 14
1.2.5. Список globdatparam 15
1.2.6. Список timeparam 16
1.3. Постановка вычислительного эксперимента 16
1.4. Модели переноса тепла и влаги в почве 18
1.4.1. Схема BATS 18
1.4.2. Схема CLM 19
1.4.3. Схема CLM 4.5 20
1.5. Результаты главы 22
Глава 2. Анализ результатов моделирования 23
2.1. Архив CRU 23
2.2. Реанализ ERA5 24
2.3. Приземная температура воздуха 25
2.4. Суммарная годовая интенсивность осадков 32
2.5. Поток тепла из почвы, влажность, эвапотранспирация . . 39
2.6. Результаты главы 40
Заключение 45
Приложение A. Скрипт для обработки данных CRU и ERA5 47
Литература 50
Актуальность проблемы. Идея использования региональных климатических моделей для изучения характеристик современного климата и будущих климатических изменений для отдельных территорий зародилась в конце 1980-х годов [1,2]. Тогда же появилась первое поколение моделей, созданных в Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR, National Center for Atmospheric Research) и основанных на мезомасштабной модели MM4 (Mesoscale Model). Опыт их многолетнего использования привел к созданию нового поколения моделей, среди которых можно выделить региональную климатическую модель RegCM4 (Regional Climatic Model version 4), созданную в Международном центре теоретической физики им. Абдуса Салама (ICTP, Триест, Италия) [3-5].
В последние несколько лет роль региональных климатических моделей в исследованиях уменьшилась, на первое место выходят глобальные модели. Обусловлено это тем, что глобальные модели циркуляции атмосферы достигли высокого пространственного и временного разрешения, что долгое время не позволяло их использовать для установления характера климатических изменений в отдельных регионах. Однако, роль региональных моделей по уточнению результатов и предсказаний глобальных моделей все еще достаточно высока.
Численная модель RegCM4 включает десятки модулей для параметризации основных физических процессов, протекающих в атмосфере и почве, в планетарном приповерхностном слое и над поверхностью океана и др. Например, для описания переноса излучения в атмосфере имеется три схемы, для описания конвективных (кучевых) облаков — семь схем, три схемы планетарного приповерхностного слоя, шесть схем пограничного слоя, три схемы переноса тепла и влаги в почве и др. Такое многообразие схем параметризаций тянет за собой десятки параметров «тонкой» настройки модели и требует проведения большого числа вычислительных экспериментов по установлению оптимальной конфигурации модели для конкретного региона.
В работе исследуется влияние схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4. При заданной конфигурации модели проведено три вычислительных эксперимента с использованием схем переноса тепла и влаги в почве BATS (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) [6], CLM (Community Land Model version 3) [7]и CLM 4.5 (Community Land Model version 4.5) [8,9]. Слово «схема» в контексте работы отражает тот факт, что данные модели интегрированы в комплекс RegCM4, а не используются в виде самостоятельных моделей.
Целью работы является установление влияния схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4.
Решаемые задачи:
1. Конфигурация и сборка модели RegCM4. Постановка вычислительных экспериментов.
2. Проведение расчетов с использованием схем переноса тепла и влаги в почве BATS, CLM и CLM 4.5.
3. Анализ структуры и формата данных глобального архива CRU [10], а также базы реанализа ERA5 [11]. Подготовка данных для совместного анализа.
4. Анализ результатов моделирования. Сопоставление с данными глобального архива CRU и реанализа ERA5.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения и приложения. Объем работы 53 страницы.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена изучению структуры и назначения основных блоков региональной климатической модели RegCM4. Проводится конфигурация модели для проведения расчетов с использованием данных реанализа NCEP-DOE Reanalysis 2 для задания начальных и граничных условий при численном интегрировании уравнений динамики атмосферы и подстилающей поверхности. Обсуждаются схемы переноса тепла и влаги в почве, интегрированные в программный комплекс RegCM4. Расчеты проводятся для трех схем: BATS, CLM и CLM 4.5.
Во второй главе обсуждаются результаты сопоставления основных климатических переменных, полученных по данным модели RegCM4, с данными глобального архива CRU, а также базы реанализа пятого поколения ERA5. Проводится сравнение результатов расчетов приземной температуры воздуха, суммарных осадков, потока тепла из почвы, влажности, эвапотранспирации.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложении показан пример скрипта, разработанного для интерполяции и перепроецирования данных CRU и ERA5 с регулярной сетки на сетку модели RegCM4.
В последние несколько лет роль региональных климатических моделей в исследованиях уменьшилась, на первое место выходят глобальные модели. Обусловлено это тем, что глобальные модели циркуляции атмосферы достигли высокого пространственного и временного разрешения, что долгое время не позволяло их использовать для установления характера климатических изменений в отдельных регионах. Однако, роль региональных моделей по уточнению результатов и предсказаний глобальных моделей все еще достаточно высока.
Численная модель RegCM4 включает десятки модулей для параметризации основных физических процессов, протекающих в атмосфере и почве, в планетарном приповерхностном слое и над поверхностью океана и др. Например, для описания переноса излучения в атмосфере имеется три схемы, для описания конвективных (кучевых) облаков — семь схем, три схемы планетарного приповерхностного слоя, шесть схем пограничного слоя, три схемы переноса тепла и влаги в почве и др. Такое многообразие схем параметризаций тянет за собой десятки параметров «тонкой» настройки модели и требует проведения большого числа вычислительных экспериментов по установлению оптимальной конфигурации модели для конкретного региона.
В работе исследуется влияние схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4. При заданной конфигурации модели проведено три вычислительных эксперимента с использованием схем переноса тепла и влаги в почве BATS (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) [6], CLM (Community Land Model version 3) [7]и CLM 4.5 (Community Land Model version 4.5) [8,9]. Слово «схема» в контексте работы отражает тот факт, что данные модели интегрированы в комплекс RegCM4, а не используются в виде самостоятельных моделей.
Целью работы является установление влияния схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4.
Решаемые задачи:
1. Конфигурация и сборка модели RegCM4. Постановка вычислительных экспериментов.
2. Проведение расчетов с использованием схем переноса тепла и влаги в почве BATS, CLM и CLM 4.5.
3. Анализ структуры и формата данных глобального архива CRU [10], а также базы реанализа ERA5 [11]. Подготовка данных для совместного анализа.
4. Анализ результатов моделирования. Сопоставление с данными глобального архива CRU и реанализа ERA5.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения и приложения. Объем работы 53 страницы.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена изучению структуры и назначения основных блоков региональной климатической модели RegCM4. Проводится конфигурация модели для проведения расчетов с использованием данных реанализа NCEP-DOE Reanalysis 2 для задания начальных и граничных условий при численном интегрировании уравнений динамики атмосферы и подстилающей поверхности. Обсуждаются схемы переноса тепла и влаги в почве, интегрированные в программный комплекс RegCM4. Расчеты проводятся для трех схем: BATS, CLM и CLM 4.5.
Во второй главе обсуждаются результаты сопоставления основных климатических переменных, полученных по данным модели RegCM4, с данными глобального архива CRU, а также базы реанализа пятого поколения ERA5. Проводится сравнение результатов расчетов приземной температуры воздуха, суммарных осадков, потока тепла из почвы, влажности, эвапотранспирации.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложении показан пример скрипта, разработанного для интерполяции и перепроецирования данных CRU и ERA5 с регулярной сетки на сетку модели RegCM4.
Основные результаты выпускной квалификационной работы заключаются в следующем.
1. C использованием глобальных архивов данных реанализов NCEP- DOE Reanalysis 2 и ERA5, архива климатических данных CRU, глобальных топографических данных и данных модели CLM, а также собранной и сконфигурированной модели RegCM4, создана вычислительная среда моделирования климата для территории Западной Сибири для периода 1980-2015 гг с использованием трех схем переноса тепла и влаги в почве: BATS, CLM и CLM 4.5.
2. С целью установления влияния схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4 проведены три вычислительных эксперимента.
3. Проведен анализ результатов моделирования, полученных в трех вычислительных экспериментах. Сопоставление результатов с данными глобального архива CRU и реанализа ERA5 позволило сделать следующие выводы.
• Конфигурация модели RegCM4 для использования схем BATS и CLM приводит к перегреву и переувлажнению региона. Превышение температуры достигает ~ 2.5 Щ 3 °C по сравнению с данными архива CRU. Суммарные осадки (как годовые, так и сезонные) в этих схемах завышены, в большинстве точек зоны анализа разница с архивом CRU достигает ~ 75 ^ 100 мм. Для конфигурации RegCM4/CLM 4.5 установлены умеренные расхождения с данными CRU: по температуре ~ 1 Щ 1.5 °C, по осадкам ~ 50 щ 60 мм.
• Сопоставление значений потока тепла из почвы, влажности и эвапотранспирации, полученных в результате моделирования, с данными реанализа ERA5 для летних сезонов периода 1985¬2015 гг. дает согласованные с предыдущими выводами результаты. Меньшее значение потоков тепла из почвы, повышенная влажность и эвапотранспирация могут быть следствием перегрева и переувлажнения региона в схемах BATS и CLM. Для модели RegCM4/CLM 4.5 установлено большее соответствие результатов моделирования и данных реанализа.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радиофизики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за многолетнее руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.
1. C использованием глобальных архивов данных реанализов NCEP- DOE Reanalysis 2 и ERA5, архива климатических данных CRU, глобальных топографических данных и данных модели CLM, а также собранной и сконфигурированной модели RegCM4, создана вычислительная среда моделирования климата для территории Западной Сибири для периода 1980-2015 гг с использованием трех схем переноса тепла и влаги в почве: BATS, CLM и CLM 4.5.
2. С целью установления влияния схем описания процессов переноса тепла и влаги в почве на результаты климатической модели RegCM4 проведены три вычислительных эксперимента.
3. Проведен анализ результатов моделирования, полученных в трех вычислительных экспериментах. Сопоставление результатов с данными глобального архива CRU и реанализа ERA5 позволило сделать следующие выводы.
• Конфигурация модели RegCM4 для использования схем BATS и CLM приводит к перегреву и переувлажнению региона. Превышение температуры достигает ~ 2.5 Щ 3 °C по сравнению с данными архива CRU. Суммарные осадки (как годовые, так и сезонные) в этих схемах завышены, в большинстве точек зоны анализа разница с архивом CRU достигает ~ 75 ^ 100 мм. Для конфигурации RegCM4/CLM 4.5 установлены умеренные расхождения с данными CRU: по температуре ~ 1 Щ 1.5 °C, по осадкам ~ 50 щ 60 мм.
• Сопоставление значений потока тепла из почвы, влажности и эвапотранспирации, полученных в результате моделирования, с данными реанализа ERA5 для летних сезонов периода 1985¬2015 гг. дает согласованные с предыдущими выводами результаты. Меньшее значение потоков тепла из почвы, повышенная влажность и эвапотранспирация могут быть следствием перегрева и переувлажнения региона в схемах BATS и CLM. Для модели RegCM4/CLM 4.5 установлено большее соответствие результатов моделирования и данных реанализа.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радиофизики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за многолетнее руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.