О прогнозе погоды на сайте POGODA.BY

Что такое численная модель прогноза погоды?

Численная модель атмосферы представляет собой систему дифференциальных уравнений гидротермодинамики атмосферы с соответствующими граничными условиями. Уравнения являются нелинейными и не имеют точного решения, поэтому для их решения используются численные методы. При программной реализации численной модели атмосферы учитываются климатические и географические особенности территории, счет численной модели выполняется по исходным данным несколько раз в сутки. Для обработки огромных наборов данных и выполнения сложных вычислений, необходимых для современного численного прогноза погоды требуются мощные суперкомпьютеры. Численная модель атмосферы позволяет получить расчетные значения метеорологических элементов в заданных точках с определенной заблаговременностью. Необходимо помнить, что существует предел предсказуемости. Численная модель может быть глобальной, покрывающей всю Землю, или локальной, покрывающей отдельный участок планеты.

Чтобы получить прогноз погоды нужно обработать метеопараметры из узлов регулярной сетки (на карте — точками).
Существует 11 основных метеопараметров: температура воздуха, атмосферное давление, влажность, ветер (направление и скорость, а также порывы), количество осадков и 4 вида облаков.
Чтобы спрогнозировать грозу, понадобятся еще 2 дополнительных параметра на 4 уровнях: температура воздуха и температура точки росы на высотах 1.5, 3, 5 и 7.5 км.
Для расчета фазового состояния осадков (дождь или снег) нужно еще 2 параметра: температура воздуха и точка росы на высоте 700 м.
Таким образом, чтобы получить качественный прогноз погоды для любого населенного пункта на территории Беларуси, необходимо запастись данными с 250 узлов сетки. Нужно вычислить 11 метеопараметров у земли и еще по 2 параметра на каждом из 5 уровней атмосферы.

 

Расчет прогностических данных производится по исходным данным за сроки 00 и 12 часам по Всемирному координированному времени (UTC). Расчет прогноза делается для всего полушария на суперкомпьютерах UM (Unified Model) метеорологической службы Великобритании (UKMO - United Kindgom MetOffice) и продолжается несколько часов. Результаты расчетов упаковываются в двоичные GRIB-файлы. GRIB (GRIdded Binary) — математический формат сжатых данных, используемый в метеорологии для хранения исторических и прогнозируемых данных.

GRIB-файл — это массив значений метеопараметров в узлах регулярной сетки, т.е. в определённых точках пространства. В UKMO используется широтно-долготная сетка с шагом 0.56° по широте и 0.83° по долготе.
Модель UKMO позволяет получать прогноз погоды с заблаговременностью 144 часа и временным шагом 6 часов («утро», «день», «вечер» и «ночь»).

Как формируется прогноз погоды на POGODA.BY?

В Белгидромете для получения прогностических данных моделей предоставляется два способа: получение данных в результате счета модели WRF-ARW непосредственно в нашем центре и использование готовых прогностических полей в коде GRIB моделей UKMO, GFS предоставляемых метеорологическими центрами других стран или скачанных с серверов метеоцентров. Настройка численной модели атмосферы WRF выполнена с учетом климатических, географических особенностей и набором параметризаций физических процессов: микрофизики, коротковолнового и длинноволнового излучения, подстилающей поверхности и почвы, планетарного пограничного слоя.
Настройка модели выполнена в соответствии со следующими пространственно-временными характеристиками:
• Проекция Ламберта;
• Модельные eta-уровни – 28;
• Изобарические уровни до 50 гПа (~20 км);
• Дискретность – 1 час. Заблаговременность – 48 часов.
• Домен 1: шаг по горизонтали (Δx, Δy) – 15 км (250 x 240=60000 узлов);
• Домен 2: шаг по горизонтали (Δx, Δy) – 3 км (586 x 586=343396 узлов);

 

На рисунке показаны домены для численной модели атмосферы WRF. Домен 1 выделен красным цветом, домен 2 – синим цветом.

Счет WRF выполняется на вычислительном кластере два раза в сутки для 2-х доменов с горизонтальным разрешением 15км и 3км и заблаговременностью 48 часов. Исходными данными для расчетов являются данные глобальной численной модели GFS с шагом 0.25°, предоставляемые на сайте прогностического центра NCEP (США).

В Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды данные расчетов за 00 UTC начинают поступать в 6 утра. В 08.10 запускается специальное программное обеспечение, которое декодирует GRIB-файлы и производит интерполяцию прогностических данных из регулярной сетки на точку с заданными географическими координатами.

Билинейная интерполяция
Билинейная интерполяция рассматривает квадрат 2×2 точки, окружающие неизвестную точку.
В качестве интерполированного значения используется взвешенное усреднение этих четырёх точек.
Билинейная интерполяция в Википедии.

Результаты интерполяции записываются в базу данных. В течение 5-10 минут прогнозная информация в базе будет обновлена, т.е. произойдёт апдейт базы данных. В 09.30 специальное программное обеспечение запускается вновь. Это делается для того, чтобы «подобрать» во время не поступившие GRIB-файлы.

 

Аналогично, в 20.40, обрабатываются данные расчетов за 12 часов UTC.

Если GRIB-файлов из Met Office недостаточно для формирования прогноза погоды, тогда программное обеспечение сайта загрузит прогноз, рассчитанный на основе данных, поступающих из NCEP, США (компьютерная модель GFS).
Модель GFS имеет пространственное разрешение 0.25° по широте и 0.25° по долготе, заблаговременность 144 часов, временной шаг 3 или 6 часов. Пересчет прогноза происходит 4 раза в сутки: в 00, 06, 12 и 18 ч по UTC.

Каждый раз, при обращении пользователя к страницам сайта, запускается программный модуль, в котором происходит преобразование прогностических полей, хранящихся в базе данных в понятные пользователю температуру воздуха, ветер, облака, осадки и явления погоды.

Сравнить прогнозы, поступающих гидрометеоцентр из различных источников можно здесь: GFS, UKMO и данные компьютерной модели NAVGEM — прогноз погоды для ВМФ США.

Со второй половины 2012 года в гидрометеоцентр поступают данные глобальной компьютерной модели GEM — прогноз CMC, Канада. Модель GEM имеет пространственное разрешение 0.24° по широте и 0.24° по долготе, заблаговременность 144 часа, временной шаг 3 часа.

Для построения карт, графиков и информеров запускается программное обеспечение, работающее на специализированном сервере («карт-сервер»), которое визуализирует метеорологические поля из GRIB-файлов. По мере готовности графическая продукция выкладывается здесь: https://www.meteoinfo.by/maps/ и https://www.pogoda.by/mg/.

С 2013 года в Республиканском центре по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды 3 раза в сутки производится расчет прогноза погоды по численной модели WRF. Прогноз имеет пространственное разрешение 15 км, заблаговременность 48 часов, временной шаг 1 час.

С 2014 года 3 раза в сутки производится расчет прогноза погоды по численной модели WRF. Прогноз имеет пространственное разрешение 3 км, заблаговременность 48 часов, временной шаг 1 час.