Гидродинамический долгосрочный прогноз для территории Танзании с использованием мезомасштабной модели WRF-ARW
|
Введение
1 Проблема прогноза осадков для Танзании
1.1 Географическое положение Танзании
1.2 Климатические особенности Танзании
1.3 Режим увлажнения на территории Танзании
1.4 Проблема прогноза осадков в Танзании
2 Методы прогноза осадков, используемые Метеорологическим
Агентством Танзании (Tanzania Meteorological Authority - TMA)
2.1 Эмпирические (Статистические) методы сезонного прогноза
2.1.1 Пакет SEAFORDS
2.1.2 Инструмент прогнозирования климата (IRI Climate Predictability Tool (CPT))
2.1.3 Регрессионный анализ с использованием инструмента прогнозирования климата (Climate Forecasting Tool (CFT))
2.1.4 Регрессионный анализ с использованием инструмента прогнозирования климата (Climate Forecasting Tool (CFT))
2.2 Гидродинамические методы (включая модель WRF-ARW, которая используется в отделе численного прогнозирования погоды в TMA)
3 Потенциальные предикторы долгосрочного прогноза осадков
Танзании
3.1 Выбор предикторов для долгосрочного прогноза осадков Танзании
3.2 Оценка прогностического потенциала предикторов для
долгосрочного прогноза осадков Танзании
3.2.1 Явление Эль-Ниньо (Ла-Нинья) и Южное колебание
3.2.2 Диполь Индийского океана (IOD - Indian Ocean Dipole)
3.2.3 Квазидвухлетняя цикличность в стратосферной циркуляции
экваториальной зоны
4 Описание численных экспериментов
4.1 Описание численной гидродинамической мезомаштабной модели
WRF
4.2 Система уравнений модели WRF-ARW
5 Анализ и оценка результатов численных экспериментов
Заключение
Список использованных источников
Приложение
1 Проблема прогноза осадков для Танзании
1.1 Географическое положение Танзании
1.2 Климатические особенности Танзании
1.3 Режим увлажнения на территории Танзании
1.4 Проблема прогноза осадков в Танзании
2 Методы прогноза осадков, используемые Метеорологическим
Агентством Танзании (Tanzania Meteorological Authority - TMA)
2.1 Эмпирические (Статистические) методы сезонного прогноза
2.1.1 Пакет SEAFORDS
2.1.2 Инструмент прогнозирования климата (IRI Climate Predictability Tool (CPT))
2.1.3 Регрессионный анализ с использованием инструмента прогнозирования климата (Climate Forecasting Tool (CFT))
2.1.4 Регрессионный анализ с использованием инструмента прогнозирования климата (Climate Forecasting Tool (CFT))
2.2 Гидродинамические методы (включая модель WRF-ARW, которая используется в отделе численного прогнозирования погоды в TMA)
3 Потенциальные предикторы долгосрочного прогноза осадков
Танзании
3.1 Выбор предикторов для долгосрочного прогноза осадков Танзании
3.2 Оценка прогностического потенциала предикторов для
долгосрочного прогноза осадков Танзании
3.2.1 Явление Эль-Ниньо (Ла-Нинья) и Южное колебание
3.2.2 Диполь Индийского океана (IOD - Indian Ocean Dipole)
3.2.3 Квазидвухлетняя цикличность в стратосферной циркуляции
экваториальной зоны
4 Описание численных экспериментов
4.1 Описание численной гидродинамической мезомаштабной модели
WRF
4.2 Система уравнений модели WRF-ARW
5 Анализ и оценка результатов численных экспериментов
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Изменчивость осадков воздействует на многие социально-экономические секторы жизни человеческого общества и, в первую очередь, на сельское хозяйство, на работу гидроэлектростанций, водные ресурсы, транспорт от которых во многом зависит экономика Танзании. Поэтому улучшение методов долгосрочного прогноза осадков в целях смягчения последствий изменений климата в Танзании является задачей, несомненно, актуальной.
Осадки в Танзании являются определяющим климатическим фактором вследствие засух и наводнений. Экономика Танзании в значительной степени зависит от сельского хозяйства, которое весьма уязвимо и сильно зависит от распределения осадков. Кроме того, количество, характер и продолжительность дождей оказывают большое влияние на флору и фауну, а также на работу гидроэлектростанций и дорожное хозяйство.
На территории Танзании наблюдается два режима осадков, а именно унимодальный и бимодальный режимы осадков. В бимодальных районах (в северной части страны и на восточном побережье) бывает два сезона дождей: длинные дожди (с марта по май) и короткие дожди (с октября по декабрь). В унимодальных районах (в южных, западных и центральных районах) бывает один сезон, который приходится на ноябрь - апрель. Эти сезоны дождей обычно определяют урожайность в сельскохозяйственных районах страны. Годовые значения количества осадков меняются в пределах от 500 мм в центральной части Танзании и до более 1500 мм на некоторых южных частях страны [1].
Распределение и изменчивость осадков обусловлены множеством факторов, включая восточноафриканский муссон, Эль-Ниньо (Ла-Нинья) Южное Колебание (ЭНЮК), западные ветры из Конго, тропические циклоны, внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) и многие местные факторы.
Миграция ВЗК на север и юг через экватор является одним из основных факторов, влияющих на распределение и изменчивость осадков в Танзании и во всей Восточной Африке. Исследования показали, что существует связь между сезонными осадками и квазидвухлетней цикличностью атмосферы (квазидвухлетнее колебания, КДК), значениями температуры поверхности океана (ТПО) и дипольным режимом Индийского океана [2].
Эти особенности обуславливают климатические различия (от влажных тропических до засушливых) районов Восточной Африке, где метеорологические засухи или малое количество осадков определяют серьезные риски для развития и оказывают негативное воздействие на экономику, окружающую среду, здоровье и средства к существованию [3]. С сентября по декабре 2021 на востоке Африки наблюдаются засушливые периоды, что привело к серьезным экономическим и гуманитарным последствиям.
Актуальность данного исследования заключается в чрезвычайной важности долгосрочного прогноза осадков по территории Танзании для многих отраслей народного хозяйства и экономики.
Для описания эволюции атмосферных процессов на территории Танзании и прогнозирования осадков в данной работе была применена гидродинамическая мезомасштабная модель WRF-ARW. Точность прогноза при помощи гидродинамической модели зависит от многих факторов. Из них самыми важными являются: точность и детальность начальных данных, разнообразие физических процессов, которые описываются уравнениями модели, соответствующие физические параметризации и возможность усвоения данных измерений в расчетах модели.
Целью данной диссертационной магистерской диссертации является: оценка потенциальных предикторов и повышение качества долгосрочных методов прогноза осадков на территории Танзании.
...
Осадки в Танзании являются определяющим климатическим фактором вследствие засух и наводнений. Экономика Танзании в значительной степени зависит от сельского хозяйства, которое весьма уязвимо и сильно зависит от распределения осадков. Кроме того, количество, характер и продолжительность дождей оказывают большое влияние на флору и фауну, а также на работу гидроэлектростанций и дорожное хозяйство.
На территории Танзании наблюдается два режима осадков, а именно унимодальный и бимодальный режимы осадков. В бимодальных районах (в северной части страны и на восточном побережье) бывает два сезона дождей: длинные дожди (с марта по май) и короткие дожди (с октября по декабрь). В унимодальных районах (в южных, западных и центральных районах) бывает один сезон, который приходится на ноябрь - апрель. Эти сезоны дождей обычно определяют урожайность в сельскохозяйственных районах страны. Годовые значения количества осадков меняются в пределах от 500 мм в центральной части Танзании и до более 1500 мм на некоторых южных частях страны [1].
Распределение и изменчивость осадков обусловлены множеством факторов, включая восточноафриканский муссон, Эль-Ниньо (Ла-Нинья) Южное Колебание (ЭНЮК), западные ветры из Конго, тропические циклоны, внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) и многие местные факторы.
Миграция ВЗК на север и юг через экватор является одним из основных факторов, влияющих на распределение и изменчивость осадков в Танзании и во всей Восточной Африке. Исследования показали, что существует связь между сезонными осадками и квазидвухлетней цикличностью атмосферы (квазидвухлетнее колебания, КДК), значениями температуры поверхности океана (ТПО) и дипольным режимом Индийского океана [2].
Эти особенности обуславливают климатические различия (от влажных тропических до засушливых) районов Восточной Африке, где метеорологические засухи или малое количество осадков определяют серьезные риски для развития и оказывают негативное воздействие на экономику, окружающую среду, здоровье и средства к существованию [3]. С сентября по декабре 2021 на востоке Африки наблюдаются засушливые периоды, что привело к серьезным экономическим и гуманитарным последствиям.
Актуальность данного исследования заключается в чрезвычайной важности долгосрочного прогноза осадков по территории Танзании для многих отраслей народного хозяйства и экономики.
Для описания эволюции атмосферных процессов на территории Танзании и прогнозирования осадков в данной работе была применена гидродинамическая мезомасштабная модель WRF-ARW. Точность прогноза при помощи гидродинамической модели зависит от многих факторов. Из них самыми важными являются: точность и детальность начальных данных, разнообразие физических процессов, которые описываются уравнениями модели, соответствующие физические параметризации и возможность усвоения данных измерений в расчетах модели.
Целью данной диссертационной магистерской диссертации является: оценка потенциальных предикторов и повышение качества долгосрочных методов прогноза осадков на территории Танзании.
...
Точные сезонные прогнозы осадков жизненно важны для многих секторов Танзании. Танзания, как и другие страны Восточной Африки, является регионом, который очень уязвим к изменчивости осадков, поскольку постоянное количество осадков жизненно важно для сельскохозяйственных культур и домашнего скота. Экстремальные явления имеют серьезные последствия для общества и экономики. Таким образом, сезонное прогнозирование этих событий, если оно сделано умело, может предоставить пользователям информацию для смягчения последствий или предотвращения гуманитарных катастроф.
Для решения задачи долгосрочного прогноза осадков на территории Танзании создана база пространственно осредненных месячных и годовых сумм осадков за период с 1961 по 2020 гг. и проведен климатический анализ режима осадков Танзании, который показывает 5 месяцев засушливого периода и 7 месяцев влажного периода.
Согласно характеристикам линейного тренда количества осадков в Танзании видно уменьшение количества осадков с 1961 по 2020 год. Это может быть связано с изменением климата, которое влияет на механизм образования осадков (для подтверждения этого необходимы дополнительные исследования). Анализ также показывает, что количество осадков в сезоны МАМ уменьшается больше, чем в сезоны ОНД.
Хотя точность сезонных прогнозов погоды в Танзании в последние годы продолжает повышаться, все же существуют проблемы, которые препятствуют этому прогрессу. Самая большая проблема, которая присутствует и в других странах Африки, - это отсутствие данных наблюдений из-за низкой плотности метеостанций. Наблюдаемые данные о погоде используются не только в прогнозе погоды, но и для калибровки и проверки численных моделей. Отсутствие данных по некоторым регионам также сказывается на исследованиях. Другие проблемы включают в себя возможность предоставления сезонных прогнозов в уменьшенном масштабе до районного уровня для всей страны и точность прогнозирования внутрисезонных характеристик (начало, окончание сезона, влажные и засушливые периоды). Это очень важно для планирования в большинстве секторов, особенно в сельскохозяйственном секторе.
Для долгосрочного прогноза осадков на территории Танзании можно использовать эмпирические (статистические) методы.
В качестве потенциальных предикторов долгосрочного прогноза осадков в Танзании рассматривались следующие предикторов :
- явление Эль-Ниньо (Ла-Нинья), Южное колебание и индекс NINO 3,4;
- Диполь Индийского океана (IOD);
- Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ) стратосферной циркуляции в тропическойзоне.
Прогностический потенциал долгосрочных предикторов осадков в Танзании был оценен с помощью корреляции Пирсона между предикторами и предиктантами (сезонные осадки).
На основе анализа явления Эль-Ниньо и диполя Индийского океана установлено, что эти предикторы могут быть использованы для прогнозирования сезонных дождей в течение сезона ОНД над большей частью территории Танзании, но в течение сезона MAM существует небольшая взаимосвязь между NINO 3.4, IOD и сезонными осадками MAM. Анализ показывает, что КДК имеет связь с сезонными дождями на некоторых станциях, но эта связь незначительна. Это означает необходимость поиска дополнительных предикторов для долгосрочного прогноза осадков в Танзании, особенно для сезона МАМ.
...
Для решения задачи долгосрочного прогноза осадков на территории Танзании создана база пространственно осредненных месячных и годовых сумм осадков за период с 1961 по 2020 гг. и проведен климатический анализ режима осадков Танзании, который показывает 5 месяцев засушливого периода и 7 месяцев влажного периода.
Согласно характеристикам линейного тренда количества осадков в Танзании видно уменьшение количества осадков с 1961 по 2020 год. Это может быть связано с изменением климата, которое влияет на механизм образования осадков (для подтверждения этого необходимы дополнительные исследования). Анализ также показывает, что количество осадков в сезоны МАМ уменьшается больше, чем в сезоны ОНД.
Хотя точность сезонных прогнозов погоды в Танзании в последние годы продолжает повышаться, все же существуют проблемы, которые препятствуют этому прогрессу. Самая большая проблема, которая присутствует и в других странах Африки, - это отсутствие данных наблюдений из-за низкой плотности метеостанций. Наблюдаемые данные о погоде используются не только в прогнозе погоды, но и для калибровки и проверки численных моделей. Отсутствие данных по некоторым регионам также сказывается на исследованиях. Другие проблемы включают в себя возможность предоставления сезонных прогнозов в уменьшенном масштабе до районного уровня для всей страны и точность прогнозирования внутрисезонных характеристик (начало, окончание сезона, влажные и засушливые периоды). Это очень важно для планирования в большинстве секторов, особенно в сельскохозяйственном секторе.
Для долгосрочного прогноза осадков на территории Танзании можно использовать эмпирические (статистические) методы.
В качестве потенциальных предикторов долгосрочного прогноза осадков в Танзании рассматривались следующие предикторов :
- явление Эль-Ниньо (Ла-Нинья), Южное колебание и индекс NINO 3,4;
- Диполь Индийского океана (IOD);
- Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ) стратосферной циркуляции в тропическойзоне.
Прогностический потенциал долгосрочных предикторов осадков в Танзании был оценен с помощью корреляции Пирсона между предикторами и предиктантами (сезонные осадки).
На основе анализа явления Эль-Ниньо и диполя Индийского океана установлено, что эти предикторы могут быть использованы для прогнозирования сезонных дождей в течение сезона ОНД над большей частью территории Танзании, но в течение сезона MAM существует небольшая взаимосвязь между NINO 3.4, IOD и сезонными осадками MAM. Анализ показывает, что КДК имеет связь с сезонными дождями на некоторых станциях, но эта связь незначительна. Это означает необходимость поиска дополнительных предикторов для долгосрочного прогноза осадков в Танзании, особенно для сезона МАМ.
...
