Анализ качества прогноза мезомасштабных конвективных систем на Западном Урале с помощью модели WRF и спутниковых данных MODIS

Ежегодно по данным спутниковых и радиолокационных наблюдений над территорией Западного Урала фиксируется несколько случаев прохождения мезомасштабных облачных систем глубокой конвекции, сопровождающихся сильными ливнями, градом и шквалистым усилением ветра. Прогноз формирования и эволюции мезомасштабных конвективных систем (МКС), а также интенсивности связанных с ними опасных явлений (ОЯ) представляет большой интерес для практики. Для сверхкраткосрочного прогноза конвективных ОЯ применяются как экстраполяционные методы на основе данных радиолокаторов и метеорологических спутников, так и мезомасштабные гидродинамические модели, способные непосредственно воспроизводить глубокую конвекцию без использования ее параметризации. Одной из наиболее совершенных мезомасштабных моделей, используемых как в исследовательских целях, так и в оперативной практике, является модель WRF.
Настоящее исследование посвящено оценке качества прогноза формирования и эволюции МКС с опасными явлениями погоды над территорией Западного Урала с помощью модели WRF/ARW (версии 3.6.1). Всего было рассмотрено 20 случаев возникновения мезомасштабных конвективных комплексов и линий шквалов за период 2004-2015 гг. Расчеты выполнены на сетке с шагом по пространству 4 км, в режиме прямого моделирования конвекции. Модель запускалась в диагностическом режиме, в качестве начальных условий использованы данные реанализа CFS.
Оценка достоверности результатов моделирования производилась путем их сопоставления с данными Terra/Aqua MODIS (измерения температуры ВГО), а также метеорологического радиолокатора МРЛ-5. При этом применялся упрощенный вариант объектно-ориентированного метода оценки качества прогнозов, описанного в работах Н.Ф. Вельтищева. Объектно-ориентированный метод предполагает сопоставление фактического (определяемого по данным спутниковых наблюдений и МРЛ) и прогностического положения МКС и зон опасных явлений погоды. Критериями оценивания являются расстояние между центрами тяжести объектов по фактическим данным и по результатам моделирования, а также максимальные значения оцениваемых переменных (высота и температура верхней границы облаков, интенсивность осадков, скорость шквала).
Если характеристики интенсивности МКС (температура и высота верхней границы облаков, максимальное значение радиоэха) воспроизводятся моделью с достаточной достоверностью, то качество прогноза пространственного положения в половине случаев оказывается неудовлетворительным. Ошибки в прогнозе положения МКС, как правило, обусловлены влиянием начальных условий, т.е. данных глобальной модели. Характерным является смещение фактического положения зон активной конвекции на 100-150 км относительно их прогностического положения. Кроме того, модель часто не воспроизводит возникновение МКС во внутримассовых ситуациях, когда отсутствует выраженная барическая ложбина с фронтом. При вынужденной конвекции на хорошо выраженных атмосферных фронтах достоверность прогноза пространственного положения МКС (и, как следствие, места и времени развития опасного явления погоды) существенно повышается.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 14-05-96000–р-Урал-а) и Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере (Проект № 4323ГУ1/2014).