Kis skálájú fizikai folyamatok parametrizációja Zsebeházi Gabriella Az ECMWF modellezői és előrejelzői továbbképzései MMT Légkördinamikai Szakosztály 2017.05.03.
Tartalom 1. Motiváció 2. Órarend 3. Néhány parametrizációs módszer 4. Tapasztalatok 2
Motiváció Miért vettem részt a tréningen? 1. Jelenleg a numerikus modellezés egyik legnagyobb kihívása a parametrizációs sémák fejlesztése 2. A parametrizációs sémák ismerete hozzájárul a modelleredmények mélyebb kiértékeléséhez, a hibák okainak feltárásához és a modellfejlesztéshez 3. A Klímamodellező Csoportban nincs parametrizációval foglalkozó szakember 3
Parametrizáció Numerikus modellek = dinamika + fizika Dinamika: a modell rácstávolságánál 2-7x nagyobb karakterisztikus skálájú fizikai folyamatok leírása a hidrotermodinamikai egyenletrendszer megoldása A kis skálájú fluktuációk hatással vannak a rácsponti átlagos mennyiségekre figyelembe kell venni az előrejelzésben Fizika: a kis skálájú folyamatok közelítő leírása a modell prognosztikus változóival kifejezve 4
ELTE A parametrizációval való kapcsolatom Force-Restore módszer a talajbeli hővezetés leírására Monin-Obukhov-féle hasonlósági elmélet Lezárási probléma K-elmélet MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 5
ELTE A parametrizációval való kapcsolatom Force-Restore módszer a talajbeli hővezetés leírására Monin-Obukhov-féle hasonlósági elmélet Lezárási probléma K-elmélet 2016/2017 tanévtől oktatás a Numerikus előrejelzés I. c. kurzus keretében is MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 5
ELTE A parametrizációval való kapcsolatom Force-Restore módszer a talajbeli hővezetés leírására Monin-Obukhov-féle hasonlósági elmélet Lezárási probléma K-elmélet 2016/2017 tanévtől oktatás a Numerikus előrejelzés I. c. kurzus keretében is OMSZ: városi felszín-légkör kölcsönhatásának modellezése a SURFEX felszíni modellel MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 5
Órarend délelőtt 6
Órarend délelőtt 1. előadás: általában a kapcsolódó fizikai folyamatok elméleti áttekintése 2. előadás: parametrizációs módszerek ismertetése 3. előadás: a parametrizáció hatása a modelleredményekre (validáció) 6
Órarend délután 7
Órarend délután Gyakorlat 7
Órarend délután Gyakorlat modellezés: IFS Single Coloumn Model (adatfeldolgozás és megjelenítés: MetView) klasszikus példafeladatok megoldása 7
Órarend délután Gyakorlat ismerkedés modellezés: IFS Single Coloumn Model (adatfeldolgozás és megjelenítés: MetView) klasszikus példafeladatok megoldása + ice breaking (poszter szekció) 7
Fizikai, matematikai alapok amit szerencsére az egyetemen nagyrészt megszereztünk MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 8
Fizikai, matematikai alapok amit szerencsére az egyetemen nagyrészt megszereztünk Numerikus előrejelzés Dinamikus meteorológia Légköri sugárzástan Felszín-légkör kölcsönhatás Dinamikus modellezés Atomfizika Mikrometeorológia Mezoszinoptika MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 8
Fizikai, matematikai alapok amit szerencsére az egyetemen nagyrészt megszereztünk 3DVar 4DVar Numerikus előrejelzés Dinamikus modellezés Határréteg jellemzői Numerikus módszerek Mikrometeorológia Légköri sugárzástan Atomfizika Konvekció, termodinamikai diagramok MMT LDSZO előadóülés Rayleigh és Mie szórás Felszín-légkör kölcsönhatás Dinamikus meteorológia Mezoszinoptika Sugárzás átvitel Gázok sugárzás elnyelése és kibocsátása Hő- és vízvezetés a talajban Felhőelemek, csapadékelemek képződése 2017.05.03. 8
Fizikai, matematikai alapok A fizikai folyamatok alapos ismerete A parametrizáció nem valami ad-hoc folyamat A parametrizációs séma működésének és a hibák okainak megértése, fejlesztés MMT LDSZO előadóülés 2017.05.03. 9
Néhány tanult módszer 10
Felhőborítottság (Richard Forbes) felhő Valószínűségi alapú séma: A változók szubgrid-skálájú fluktuációja A sűrűségfüggvény fizikailag megalapozott mérésekkel validálható Felhőborítottság 11
G( q t ) Felhőborítottság (Richard Forbes) C 1-C q t Triangular: Smith QJRMS (90) (ARPEGE) q t Uniform-delta: Tiedtke (1993) (ECMWF) q s ARPEGE (diagnosztikus séma): Kritikus RH, amit meghaladva felhő képződik (függ a magasságtól és a horizontális felbontástól) ECMWF (prognosztikus séma) Felhőmentes rész: egyenletes eloszlású nedvesség Felhős rész: homogén 12
Magasság (km) Felhőrétegek elhelyezkedése (Robin Hogan) Maximum-véletlen átfedés Exponenciális-véletlen átfedés (α = 0,6) Felhő borítottság Felhőn belül: maximális átfedés Különálló felhők véletlenül fedik egymást Gyakran alkalmazzák Felhő borítottság Felhőn belül: az átfedés korrelál a felhővastagsággal Különálló felhők véletlenül fedik egymást ECMWF 13
Magasság (km) Felhőrétegek elhelyezkedése (Robin Hogan) Maximum-véletlen átfedés Exponenciális-véletlen átfedés (α = 0,6) Mérések ezt mutatjak Felhő borítottság Felhőn belül: maximális átfedés Különálló felhők véletlenül fedik egymást Gyakran alkalmazzák Felhő borítottság Felhőn belül: az átfedés korrelál a felhővastagsággal Különálló felhők véletlenül fedik egymást ECMWF 13
Felhőrétegekek elhelyezkedése (Robin Hogan) Mennyire számít ez? Felhők rövidhullámú sugárzási kényszere inhomogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Inhomogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés 14
Felhőrétegekek elhelyezkedése (Robin Hogan) Mennyire számít ez? Felhők rövidhullámú sugárzási kényszere inhomogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Inhomogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Inhomogén vs homogén horizontális nedvesség-eloszlás 14
Felhőrétegekek elhelyezkedése (Robin Hogan) Mennyire számít ez? Felhők rövidhullámú sugárzási kényszere inhomogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Inhomogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Inhomogén vs homogén horizontális nedvesség-eloszlás A horizontális nedvesség-eloszlás hatása kb. kétszeres a függőleges elhelyezkedéshez képest 14
Felhőrétegekek elhelyezkedése (Robin Hogan) Mennyire számít ez? Felhők rövidhullámú sugárzási kényszere inhomogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Inhomogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, maximum átfedés Homogén horizontális nedvességeloszlás, realisztikus átfedés Inhomogén vs homogén horizontális nedvesség-eloszlás bizonytalan A horizontális nedvesség-eloszlás hatása kb. kétszeres a függőleges elhelyezkedéshez képest 14
Konvekció (Peter Bechtold) Az IFS bulk mass-flux sémája Kapcsolat a mikrofizikával Beszívás, kiáramlás Sekély vagy mélykonvekció Tömegfluxus a felhő alján - lezárás leáramlás Csapadék keletkezése és hullása Hol van konvekció? 15
Konvekció (Peter Bechtold) 2017.05.03. 16 MMT LDSZO előadóülés p s e c L Q Q R ) ( 1 p q L e c L Q ) ( 2 p v Q h 3 A konvekció hőt, nedvességet és momentumot szállít Hőforrás Nedvesség-nyelő Momentum forrás A konvenció hatása nagyskálán
Konvekció (Peter Bechtold) 2017.05.03. 16 MMT LDSZO előadóülés p s e c L Q Q R ) ( 1 p q L e c L Q ) ( 2 p v Q h 3 A konvekció hőt, nedvességet és momentumot szállít Hőforrás Nedvesség-nyelő Momentum forrás A konvenció hatása nagyskálán Felhő-modell
Konvekció (Peter Bechtold) 2017.05.03. 16 MMT LDSZO előadóülés p s e c L Q Q R ) ( 1 p q L e c L Q ) ( 2 p v Q h 3 A konvekció hőt, nedvességet és momentumot szállít Hőforrás Nedvesség-nyelő Momentum forrás A konvenció hatása nagyskálán Felhő-modell Mass-flux séma
Konvekció (Peter Bechtold) A konvekció hőt, nedvességet és momentumot szállít Q 1 Q R L( c e) s p Hőforrás Q 2 L( c e) v h Q3 p q L Nedvesség-nyelő p Momentum forrás A konvenció hatása nagyskálán Felhő-modell Mass-flux séma? 16
A Mass-flux séma (Peter Bechtold) Cumulus terület: a a A Terület-arány Rácscellán belüli átlagos fluxust felbontjuk: c 1 e Teljes terület: A c e 17
A Mass-flux séma (Peter Bechtold) Cumulus terület: a a A Terület-arány Rácscellán belüli átlagos fluxust felbontjuk: c 1 e Teljes terület: A c e M c gm c c g c w c 17
Konvekció (Peter Bechtold) Hol lesz konvekció? first guess: perturbáljunk meg egy felszíni légrészt és vizsgálódjunk a termodinamikai diagramon! 18
Konvekció (Peter Bechtold) Hol lesz konvekció? first guess: perturbáljunk meg egy felszíni légrészt és vizsgálódjunk a termodinamikai diagramon! Részletes módszertan 18
Konvekció (Peter Bechtold) Hol lesz konvekció? first guess: perturbáljunk meg egy felszíni légrészt és vizsgálódjunk a termodinamikai diagramon! Részletes módszertan Amit később a gyakorlatban ki is próbáltunk 18
Konvekció gyakorlat (P. Bechtold & R. Forbes) 19
Lezárási probléma (Irina Sandu) Lezárás az IFS modellben: Stabil felszíni réteg Instabil felszíni réteg K-elmélet Kevert réteg Felszíni réteg 20
Lezárási probléma (Irina Sandu) Lezárás az IFS modellben: Stabil felszíni réteg Instabil felszíni réteg ' w' K M z K-elmélet Kevert réteg Felszíni réteg 20
Lezárási probléma (Irina Sandu) Lezárás az IFS modellben: Stabil felszíni réteg Instabil felszíni réteg ' w' K M z K-elmélet Kevert réteg Felszíni réteg 20
Lezárási probléma (Irina Sandu) z i ED/MF z cb Kevert-réteg z i M M M 1 száraz PBL Stratocumulus Shallow cumulus Deep cumulus 21
Lezárási probléma (Irina Sandu) w K M=ρaw u z a M ( u ) z i ED/MF z cb Kevert-réteg z i M M M 1 száraz PBL Stratocumulus Shallow cumulus Deep cumulus 21
Lezárási probléma (Irina Sandu) w K M=ρaw u z a M ( u ) ezt az átmenetet nehéz meghatározni z i ED/MF z cb Kevert-réteg z i M M M 1 száraz PBL Stratocumulus Shallow cumulus Deep cumulus 21
Határréteg folyamatok - gyakorlat Hadley cella leszálló ága: stratocumulus cumulus átmenet A modell gyakran hibázik, ugyanis a folyamat nagyon érzékeny a termodinamikai állapotokra (pl. SST) Shallow cumulus stratocumulus 22
Határréteg folyamatok - gyakorlat Hadley cella leszálló ága: stratocumulus cumulus átmenet A modell gyakran hibázik, ugyanis a folyamat nagyon érzékeny a termodinamikai állapotokra (pl. SST) Shallow cumulus stratocumulus A gyakorlat menete: 1. Az elméleti órán részletesen átvettük a kormányzó folyamatokat (különböző határréteg típusok jellemzői) 2. Single Coloumn modell segítségével tesztkísérletek, pl. Nagy skálájú leáramlás erőssége Csapadékképződés 23
Határréteg folyamatok - gyakorlat Hadley cella leszálló ága: stratocumulus cumulus átmenet A modell gyakran hibázik, ugyanis a folyamat nagyon érzékeny a termodinamikai állapotokra (pl. SST) Shallow cumulus stratocumulus A gyakorlat menete: 1. Az elméleti órán részletesen átvettük a kormányzó folyamatokat (különböző határréteg típusok jellemzői) 2. Single Coloumn modell segítségével tesztkísérletek, pl. Nagy skálájú leáramlás erőssége Csapadékképződés Hangsúly az eredmények értékelésén 23
Tapasztalatok Egy hetes képzés rendkívül tág témakör Az elméleti alapokat az egyetemen megtanultuk Használható és kamatoztatható tudást kaptunk: A parametrizációs módszerek részletesen elmagyarázva Az elméleti előadáson tanultakat a gyakorlati órán teszteltük (Az előadások diáit minden óra előtt megkaptuk) A programozási nehézségeket kiküszöbölték Szívélyes vendéglátás 24
ECMWF STRATEGY 2016-2025 EARTH SYSTEM APPROACH ENSEMBLE MODELLING AND ASSIMILATION. GOAL: 5KM SCALABILITY ACROSS WHOLE NWP CHAIN 25
Köszönöm szépen a figyelmet! 26