Научная статья на тему 'Численные климатические оценки осадков и температуры приповерхностного воздуха для Черноморского региона'

Численные климатические оценки осадков и температуры приповерхностного воздуха для Черноморского региона Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
429
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЧЕРНОМОРСКИЙ РЕГИОН / РЕГИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИМАТА / ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ОСАДКОВ / РЕАНАЛИЗ / BLACK SEA REGION / CLIMATE REGIONAL MODELING / PARAMETERIZATION OF PRECIPITATION / REANALYSIS

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Яровая Д.А., Ефимов В.В.

Численные схемы расчета осадков, используемые в региональной модели RegCM, были адаптированы к Черноморскому региону. Подробно рассмотрены расхождения между результатами моделирования по RegCM и данными реанализа ERA Interim на примере среднемесячных полей осадков и температуры приповерхностного воздуха. Проведены численные эксперименты с целью уменьшить завышение количества осадков над равнинной сушей к северу от Черного моря. Установлено, какие изменения в схемах расчета осадков, выпадающих в Черноморском регионе, в наибольшей степени влияют на их количество. С использованием данных о среднегодовом количестве осадков и испарении с поверхности Черного моря уточнена оценка суммарного расхода воды через Босфорский, Керченский проливы и речной сток.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Numerical climatic estimations of precipitation and surface air temperature for the Black Sea region

Parameterization schemes for calculating precipitation used in the regional model RegCM are adapted to the Black Sea region. The divergences between the results of the RegCM modeling and the ERA-Interim reanalysis data are considered in details on the example of the monthly average fields of precipitation and surface air temperature. The performed numerical experiments are aimed at decreasing overstating of the precipitation amount over the flat land to the north from the Black Sea. It is defined which changes in the schemes for calculating precipitation in the Black Sea region produce the strongest influence upon the RegCM -derived precipitation amount. The data on the annual average precipitation and evaporation in the Black Sea permit to specify the estimate of the total water discharge through the Bosporus and Kerch straits, and river runoffs.

Текст научной работы на тему «Численные климатические оценки осадков и температуры приповерхностного воздуха для Черноморского региона»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРСКИХ СИСТЕМ

УДК 551.58.001.572

Численные климатические оценки осадков и температуры приповерхностного воздуха для Черноморского региона

© 2016 Д.А. Яровая, В.В. Ефимов

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия E-mail: vefim38@mail.ru, daryk777@inbox.ru

Поступила в редакцию 25.11.2015 г.

Численные схемы расчета осадков, используемые в региональной модели RegCM, были адаптированы к Черноморскому региону. Подробно рассмотрены расхождения между результатами моделирования по RegCM и данными реанализа ERA-Interim на примере среднемесячных полей осадков и температуры приповерхностного воздуха. Проведены численные эксперименты с целью уменьшить завышение количества осадков над равнинной сушей к северу от Черного моря. Установлено, какие изменения в схемах расчета осадков, выпадающих в Черноморском регионе, в наибольшей степени влияют на их количество. С использованием данных о среднегодовом количестве осадков и испарении с поверхности Черного моря уточнена оценка суммарного расхода воды через Босфорский, Керченский проливы и речной сток.

Ключевые слова: Черноморский регион, региональное моделирование климата, параметризация осадков, реанализ.

Введение. В настоящее время пространственное разрешение глобальных атмосферных моделей уже достигает 0,7°, однако этого еще недостаточно для полноценного воспроизведения локальных особенностей метеорологических полей. Для этой цели результаты глобального моделирования в некоторой выделенной области пересчитываются на более мелкую сетку при помощи региональной модели атмосферы. При этом создать универсальную региональную модель, которая подходила бы для любого региона Земли, пока не представляется возможным. В большинстве случаев модель нужно настраивать для конкретного региона путем варьирования эмпирических коэффициентов в схемах параметризации, а также использования разных схем параметризации осадков, планетарного пограничного слоя и т. п. При этом результаты регионального моделирования сравниваются с данными наблюдений (данными спутников и метеостанций) или, в случае их отсутствия, с результатами глобальных атмосферных или других региональных моделей. Как правило, региональная модель оценивается по своей способности воспроизводить поля осадков и температуры приповерхностного воздуха.

Цель настоящей работы заключается в настройке региональной модели RegCM [1] и уточнении среднемесячных полей модельных осадков и температуры для Черноморского региона. Эту работу можно рассматривать как продолжение и развитие работы [2], в которой были подробно описаны основные расхождения между результатами моделирования по RegCM и данными ретроспективного анализа (реанализа) ERA-Interim, а также работы [3],

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016 63

посвященной численным оценкам составляющих водного баланса Черного моря. На рис. 2 и 4 работы [2] приведены такие расхождения для летних и зимних полей осадков и приповерхностной температуры в расчетной области 30 - 58° с. ш., 7 - 69° в. д. При сравнении результатов моделирования и реа-нализа наибольшие расхождения были обнаружены над горами и на границе море - суша, что обусловлено различиями в высоте рельефа: горизонтальные разрешения RegCM и ЕЯЛ-ШвИт составляют 25 км и 1,5°, т. е. различаются почти на порядок. И поскольку каждой точке расчетной сетки приписывается средняя по ячейке высота рельефа, меньший размер ячеек позволяет лучше описать высокогорную и прибрежную части рельефа [2]. Кроме того, были обнаружены существенные расхождения в величине осадков также и к северу от Черноморского региона, где гор нет, причем с июня по август количество осадков в модели RegCM в целом занижено, а в остальные месяцы - завышено [2]. Был сделан вывод, что эти различия связаны уже с недостатками самой модели RegCM. В настоящей работе путем проведения численных экспериментов по настройке параметров модели предлагаются способы устранения этих расхождений. Отметим, что в [4] разработчиками модели RegCM были проведены численные эксперименты по чувствительности для различных областей земного шара - Южной Америки, Восточной Азии, Африки и Европы (включая Черное море). Было установлено, в частности, что в Европейском регионе результаты моделирования осадков слабо зависят от выбора схемы параметризации пограничного слоя, но адаптация схем параметризации осадков для Черноморского региона в [4] не проводилась.

Описание модели и входных данных. Модель RegCM достаточно хорошо известна и широко используется для исследования региональных особенностей атмосферной циркуляции, поэтому мы не будем приводить здесь ее общее описание - ниже даны только схемы параметризации, которые адаптировались в численных экспериментах. Область моделирования и рельеф показаны на рис. 1.

Начальные и граничные условия для температуры воздуха, геопотенциальной высоты, скорости ветра и относительной влажности в модели RegCM задавались из реанализа ERЛ-Interim [5]. Температура поверхности моря (ТПМ) при моделировании не рассчитывалась, а задавалась из начальных и граничных условий, т. е. поля ТПМ на входе и выходе модели одинаковы.

Схема расчета неконвективных осадков. Неконвективные (крупномасштабные) осадки в модели RegCM рассчитываются при помощи схемы БиВЕХ [6], в которой облачность определяется через относительную влажность и облака образуются, если относительная влажность превосходит заданную пороговую величину:

где FC - часть ячейки расчетной сетки, покрытая облаками; RHmln - минимальное значение относительной влажности, при котором начинают формироваться облака (RHmm составляет 80% над сушей и 90% над морем).

при Ш > RHr

FC = 0 при Ш < Шг

64

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ № 3 2016

с.ш.

57°

15" 20° 25° 30" 35' 40" 45° 50' 55° 60° Б5° в.д.

I

I

0 50 100 250 500 750 1000 1500 2000 2500 3000 м

Рис. 1. Высота рельефа над уровнем Черного моря (м). Севернее выделена область, по которой проводится осреднение количества осадков

В свою очередь осадки образуются, если удельное содержание облачных капель (0с) превышает пороговую величину г-кг"1), которая рассчитывается по формуле

а

cth " Cacc ' 10

-0,489+0,0134t

где Сасс - эмпирический коэффициент; t - температура в градусах Цельсия. При этом количество образовавшихся осадков (Р, г-кг"1-с"1) рассчитывается

как

P = Cppt (QJ FC - Qctb )FC,

где Срр1 - характерная скорость формирования дождевых капель, в нашем случае она была одинакова над сушей и морем и равнялась 2,5-10"4 с"1.

В схеме БиВЕХ также учитываются увеличение дождевых капель при их прохождении через облако (аккреция) и испарение осадков вне облака в процессе выпадения. Количество осадков, образовавшихся в результате аккреции (Расс), рассчитывается по формуле

P =C Q P

acc acciSc sum '

где Psum (кг-м-3) - суммарное количество осадков на данном уровне модели (с учетом осадков, поступивших с вышележащих уровней); коэффициент Cacc -характерная скорость аккреции, в нашем случае она равна 3 м3-кг-1-с-1. Количество испарившихся осадков (Pevap) рассчитывается как

pvap Cevap (RHmax

где коэффициент Cevap - характерная скорость испарения дождевых капель.

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

65

Также необходимо отметить, что в модели RegCM Черное и Каспийское моря рассматриваются в качестве подстилающей поверхности, относящейся к категории «внутренний водоем» (в отличие от Средиземного моря, которое относится к категории «океан»). В схеме SUBEX для суши и внутреннего водоема используются одни и те же значения коэффициентов Cppt и Cacc, которые в общем случае отличаются от соответствующих значений для океана.

Схема расчета конвективных осадков. В данной работе для расчета конвективных осадков над морем применяется схема MIT, над сушей - схема Grell [6], такое сочетание схем используется в модели по умолчанию и, согласно [4], хорошо подходит для Европейского региона. Как будет показано ниже, в нашем случае требуется провести настройку схемы расчета конвективных осадков именно над сушей, поэтому приведем краткое описание только схемы Grell.

В схеме Grell количество осадков, выпавших в ячейке расчетной сетки, определяется как

P = Im - hm2 ,

где I1 - масса дождевых капель, образовавшихся в восходящем потоке, т. е. при подъеме частицы насыщенного воздуха единичной массы от нижней границы облака к верхней; I2 - масса дождевых капель, испарившихся в нисходящем потоке; mi, m2 - плотность восходящего и нисходящего потоков воздуха соответственно. Предполагается, что в облаке mi и m2 не изменяются с высотой, т. е. нет потока массы через его боковые границы. Величины mi и m2 связаны соотношением

miIiß = m212 >

здесь ß определяется формулой

ß = i - (Ci+ С2 Vshear+C3Vshear+C4Vshear ) ,

где Ci, C2, C3, C4 - некоторые константы; Vshear - вертикальный сдвиг скорости ветра по модулю. Величина ß показывает, какая часть осадков испарится в нисходящем потоке: чем меньше ß, тем больше выпадет осадков вследствие конвекции. Разность 1 - ß называется эффективностью осадков.

Для расчета восходящего потока массы в модели RegCM можно выбрать один из двух методов задания mi :

i CAPE,

mi =--L (i)

i NA r0

или

m = -i- CAPE^- CAPE , (2)

i NA At

где CAPET, CAPEr+Ar - конвективная доступная потенциальная энергия в моменты времени т и т + Ar соответственно; Ar - шаг по времени при моделировании (в нашем случае Ar = 1 мин); т0 - временной масштаб (т0 = 30 мин); NA - скорость изменения CAPE, необходимая для возникновения восходящего потока массы единичной плотности.

66

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 20i6

Результаты расчета осадков. Сравним вначале результаты расчета осадков за 34-летний период (1980 - 2013 гг.) по исходной модели RegCM с данными реанализа ERA-Interim. На рис. 2 показаны расхождения между результатами моделирования и данными реанализа для двух типов осадков: конвективных и неконвективных. Видно, что для Черноморского региона количество конвективных осадков в модели RegCM в целом занижено, а неконвективных - завышено. Интересно отметить, что над Черным морем количество конвективных осадков занижено больше, чем над сушей - это различие связано с тем, что в модели используются разные схемы расчета конвективных осадков над сушей и над морем. Завышение количества осадков в северной части расчетной области было обнаружено при сравнении не только с данными реанализа ERA-Interim, но и, как будет показано ниже, с данными из других источников. На рис. 2, а в летне-осенний период хорошо выделяются области завышенных значений конвективных осадков вблизи Кавказского побережья Черного моря - это связано с тем, что по сравнению с реанализом в модели используется более мелкая пространственная сетка и лучше воспроизводится рельеф гор и связанные с ним региональная атмосферная циркуляция и осадкообразование. Отметим также, что на рис. 2, б расхождения по модулю в количестве осадков для летних месяцев невелики, так как в это время неконвективные осадки в Черноморском регионе незначительны.

Рассмотрим теперь осредненные по пространству величины осадков. На рис. 3, а показаны их среднемесячные значения по данным из разных источников, осредненные по пространству для области, выделенной на рис. 1. Полученные по модели RegCM поля осадков сравнивались с доступными данными наблюдений, а также с данными реанализов, перечисленными в Приложении 1. Реанализы ERA-Interim и MERRA представляют собой результаты глобального атмосферного моделирования, проведенного с ассимиляцией данных наблюдений. Массивы E-OBS и CRU - данные измерений с расположенных на суше метеостанций, интерполированные на равномерные сетки, а ECA&D и NCDC - массивы данных наблюдений непосредственно с отдельных метеостанций. Разумеется, во всех случаях показания берутся с одних и тех же метеостанций, но при этом используются различные методы отбраковки недостоверных данных, различные алгоритмы интерполяции и сглаживания. Как видно из рис. 3, а, в модели RegCM действительно завышено количество осадков над равнинной сушей к северу от Черноморского региона. Интересно отметить, что над самим Черным морем, как следует из рис. 3, б, расхождения результатов моделирования с данными реанализов относительно невелики, несмотря на то что пространственное разрешение модели RegCM в 5 - 6 раз меньше, чем у ERA-Interim и MERRA (см. Приложение 1). Как следует из рис. 2, это малое расхождение объясняется тем, что над морем расхождения в величинах конвективных и неконвективных осадков противоположны по знаку, но близки по модулю. Таким образом, в численных экспериментах необходимо корректировать расчет осадков только над сушей. Кроме того, для корректирования схем расчета осадков над морем данные наблюдений отсутствуют. В настоящее время разработаны методы, позволяющие косвенно оценить количество осадков над морем по спутниковым данным о яркостной температуре облаков или о количестве отраженной сол-МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016 67

нечной радиации. Однако такие данные об осадках либо имеют грубое пространственное разрешение 2,5 х 2,5° (массивы GPCP, CMЛP) и не подходят для региональных исследований климата, либо содержат большие погрешности в районе Черного моря (массивы TRMM, HOЛPS).

56° с.ш.

48°

с.ш.

48°

с.ш.

48°

56 с.ш.

24° 32° 40° +8" 5Б" 24° 32° 40" 48" 5Б" 24° 32° 40° 48° 56" 24" 32" 40" 48" 56°

в.д.

б

Рис. 2. Расхождения среднемесячных значений конвективных (а) и неконвективных (б) осадков, рассчитанных по модели RegCM. Осреднение по времени проводилось за период 1980 -2013 гг.

с.ш.

68

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

55-

50

о 45

% 40

сС

35 30

20

15

•-»МЕР^А •-• ЕР?А—1гйепт

\

...... \ у

б

1 1 III IV V VI VII V II IX X 1 X

Рис. 3. Среднемесячные значения осадков, осредненные по области, выделенной на рис. 1, - а и по Черному морю - б. Осреднение проводилось по данным из различных источников за период 1980 - 2013 гг.

Согласно [7], завышение количества неконвективных осадков в модели RegCM корректировалось путем увеличения эмпирических коэффициентов Сасс и Сетар в схеме расчета таких осадков БиВЕХ. В нашем случае оставлены

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016 69

без изменения значения этих коэффициентов для подстилающих поверхностей, относящихся к категориям «океан» или «внутренний водоем». Согласно [7, 8], схема Grell, используемая для расчета конвективных осадков, наиболее чувствительна к изменению величины ß, а также к способу параметризации восходящего потока массы (формулы (1) или (2)).

Результаты расчета температуры приповерхностного воздуха. При

сравнении среднемесячных полей температуры приповерхностного воздуха (¿2т) из ЕЕЛ-1п(впт и модели RegCM можно увидеть следующие расхождения (рис. 4). Во-первых, занижение температуры над Понтийскими горами, связанное, очевидно, с расхождениями в высоте рельефа: в реанализе ERA-1п(епт горы ниже, чем в модели RegCM. Во-вторых, завышение t2m над сушей к северу от Черного моря летом и занижение зимой, что связано с погрешностями в воспроизведении осадков в этой области, рассмотренными выше.

II III IV

V VI VII VIII

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 4. Разность между среднемесячными значениями температуры приповерхностного воздуха, полученными по модели RegCM и данным реанализа ERЛ-Interim. Осреднение по времени проводилось за период 1980 - 2013 гг.

Представляет интерес выяснить причину теплой аномалии над Аральским морем, поскольку если она связана с погрешностями модели, то достоверность результатов моделирования t2m над Черным морем, находящимся в той же расчетной области, становится сомнительной. Как оказалось, теплая аномалия возникла из-за того, что входные данные модели о температуре воздуха и ТПМ взяты из разных источников. Температура воздуха получена из реанализа ERЛ-Interim, где среднемесячная температура Аральского моря

70 МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

зимой на 10 - 15 К меньше, чем в климатических массивах GISST и OI_WK, которые использовались для задания ТПМ при моделировании. Таким образом, указанная теплая аномалия не связана с погрешностями модели, а обусловлена тем, что в качестве входных данных использовались несогласованные между собой поля температуры воздуха и ТПМ для Аральского моря. Исправить этот недостаток можно, изменив во входных данных температуру поверхности Аральского моря.

Численные эксперименты. Прежде всего необходимо отметить, что схемы расчетов в модели хорошо согласованы: в результате изменения поля осадков соответствующим образом изменяются поля других метеорологических величин - приповерхностных температуры и давления, потока явного тепла от поверхности. В тех областях, где количество суммарных осадков уменьшилось, температура приповерхностного воздуха в целом увеличилась вследствие того, что уменьшилось охлаждение воздуха за счет испарения дождевых капель. И наоборот, области, в которых количество суммарных осадков возросло, соответствуют областям, в которых t2m уменьшилась. Кроме того, области, в которых t2m увеличилась, в целом соответствуют областям, в которых уменьшилось приповерхностное давление. Над сушей температура подстилающей поверхности в численных экспериментах качественно изменяется так же, как и t2m. Температура поверхности моря в модели RegCM задается из входных данных, а не рассчитывается, поэтому поля ТПМ в численных экспериментах и контрольном прогоне не отличаются.

Численные эксперименты с моделью RegCM проводились следующим образом: в схеме расчета неконвективных осадков SUBEX изменялись коэффициенты Cacc и Cgvap, в схеме расчета конвективных осадков над сушей Grell изменялись способ расчета плотности восходящего потока массы, а также величины ßmm и ßmax.

В связи с тем что для выбранной области (рис. 1) время моделирования одного года составляет ~1 сут, при проведении численных экспериментов расчеты по модели RegCM проводились для относительно небольшого 5-летнего периода 1979 - 1983 гг. Разумеется, по результатам моделирования всего лишь за 5-летний период нельзя получить климатические поля осадков, но главная цель экспериментов - установить, насколько модель RegCM чувствительна к изменению эмпирических коэффициентов в схемах расчета осадков, а, согласно [4], 5-летнего периода для проведения таких экспериментов по чувствительности достаточно.

В нашем случае оказалось, что изменение коэффициента Cevap приводит лишь к незначительным изменениям полей осадков. Кроме того, установлено, что результаты моделирования количества осадков почти не зависят от способов расчета в схеме Grell - формулы (1) или (2). Было обнаружено, что такие результаты наиболее чувствительны к изменению коэффициента Cacc, а также величин ßmin и ßmax (Приложение 2). На рис. 5 приведены среднемесячные значения осадков, осредненные по области, показанной на рис. 1, и по Черному морю. Как видно, выполненная коррекция в параметризации расчета осадков по модели RegCM позволила существенно уменьшить расхождение с наземными данными, при этом количество осадков, выпадающих над морем, почти не изменилось. МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016 71

Для всех месяцев года модельные величины находятся в середине семейства кривых, а отклонения от данных прямых измерений в целом малы.

Рис. 5. То же, что на рис. 3, для периода 1980 - 1984 гг. Показаны результаты численного эксперимента

72

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

Составляющие водного баланса Черного моря. Уравнение баланса Черного моря имеет вид

V - V = R + P - E,

где V+, V - приток и сток воды через проливы; R - речной сток; Р - количество осадков; Е - количество испарения. Разность Е - Р определяет расход воды через Босфорский, Керченский проливы и речной сток. В связи с отсутствием необходимых данных наблюдений количество осадков и испарение над Черным морем определяются путем расчетов, при этом, согласно [3], наиболее достоверные результаты дает региональное численное моделирование, т. е. пересчет данных реанализа с низким пространственным разрешением на сетку с более высоким разрешением. В работе [3] приводятся значения Р и Е, полученные при помощи региональной модели HadRM3P (PRECIS). Представляет интерес сравнить их с соответствующими значениями, рассчитанными по результатам региональной модели RegCM (табл. 1).

Таблица 1

Среднегодовое количество осадков и среднегодовое испарение, рассчитанные по различным моделям

Модель, период расчета P, мм E, мм Е - Р, мм

RegCM, 1980 - 2013 гг. 475 844 369

PRECIS с ERA-Interim, 1990 - 2001 гг. 528 900 372

PRECIS с ERA-40, 1958 - 2001 гг. [3] 564 924 360

Поскольку в работе [3] в качестве входных данных для модели PRECIS использовался уже устаревший реанализ ERA-40, было проведено повторное региональное моделирование при помощи PRECIS, но уже с улучшенным реанализом ERA-Interim на входе модели. Как видно из табл. 1, величины Р и Е при этом изменились незначительно. Интересно отметить, что хотя осадки и испарение в модели RegCM в среднем меньше, чем в PRECIS, разность Е - Р в обеих модели отличается незначительно, что подтверждает оценку расхода воды через Босфорский, Керченский проливы и реки, приведенную в [3].

Также представляет интерес проверить, как изменилось количество осадков и испарения над Черным морем в численном эксперименте (см. Приложение 2).

Таблица 2

Среднегодовое количество осадков и среднегодовое испарение, рассчитанные по модели RegCM за период 1980 - 1984 гг.

Расчеты P, мм E, мм Е - Р, мм

Контрольный прогон 461 807 346

Численный эксперимент 468 754 286

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

73

В эксперименте количество осадков, выпадающих над Черным морем (табл. 2), осталось практически неизменным, что ожидаемо, так как изменения в модель вносились таким образом, чтобы уменьшить количество осадков только над сушей. При этом испарение с поверхности Черного моря уменьшилось. Учитывая, что достоверная оценка разности Е - Р находится в диапазоне 350 - 370 мм/г, можно предположить, что в модели RegCM количество осадков над Черным морем все-таки завышено, несмотря на хорошее согласование с данными реанализа.

Заключение. В данной работе при помощи численных экспериментов проведена адаптация схем расчета конвективных и неконвективных осадков в модели RegCM для Черноморского региона. Было показано, что в модели завышено количество неконвективных осадков над равнинной сушей к северу от Черного моря, это подтверждено сравнением результатов расчетов по модели RegCM как с результатами реанализов, так и с данными наблюдений. Также было установлено, что над Черным морем расхождения результатов моделирования по RegCM с данными реанализа ERA-Interim относительно невелики вследствие того, что над морем количество конвективных осадков в модели RegCM занижено, а неконвективных - завышено. Поэтому изменения в модель вносились таким образом, чтобы уменьшить количество осадков, выпадающих только над сушей. Показано, что расхождения между среднемесячными полями температуры приповерхностного воздуха в RegCM и ERA-Interim связаны с различиями в высоте рельефа, погрешностями RegCM, завышающей количество осадков над равнинной сушей, и погрешностями входных данных модели.

Были проведены численные эксперименты с целью уменьшения среднемесячного количества неконвективных осадков над сушей. Установлено, что результаты моделирования осадков по RegCM наиболее чувствительны к изменению пороговой величины, определяющей удельное содержание облачных капель, при котором начинают формироваться облака, а также к изменению минимально и максимально возможных пороговых значений р. Характерная скорость испарения дождевых капель и способ расчета восходящего потока массы в облаке слабо влияют на результаты моделирования неконвективных осадков.

Несмотря на то что среднегодовые величины осадков и испарения над Черным морем в модели RegCM меньше, чем в PRECIS, разность Е - Р в обеих моделях составляет ~370 мм. То есть обе модели дают близкую оценку расхода воды в Черном море через Босфорский, Керченский проливы и речной сток. В численном эксперименте среднегодовое испарение с поверхности Черного моря уменьшилось, вследствие чего уменьшилась разность Е - Р. Если принять, что в контрольном прогоне была получена достоверная оценка Е - Р, то в модели RegCM необходимо корректировать также схемы расчета осадков над морем. Такое корректирование представляется темой для дальнейших исследований.

74

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

Приложение 1

Приведем краткое описание использованных в работе климатических массивов данных об осадках.

Источник данных Пространственное разрешение, Период, гг. Наличие данных об осадках над морем

ERA-Interim 0,5 х 0,5 1979 - 2012 Есть

MERRA 2/3 х 1/2 1979 - 2014 «

E-OBS 0,25 х 0,25 1950 - 2013 Нет

CRU 0,5 х 0,5 1901 - 2014 «

ECA&D Данные с отдельных 1781 - 2015 «

NCDC метеостанций 1929 - 2014 «

RegCM 0,11 х 0,11 1979 - 2013 Есть

Приложение 2

Приведем значения эмпирических коэффициентов для наиболее успешного численного эксперимента: Дшп = 0,2, Дпах = 0,45, а также Сасс в разные месяцы года.

C ^acc Месяц

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Над

су- 14 16,5 14 15 25 0,2 0,4 0,4 3 3 7 9

шей

Над

мо- 5 6 4,5 6 7,5 0,2 0,2 0,2 2 2 3 3,5

рем

Примечание. Изначально в модели RegCM приняты следующие обозначения: ^min = = 0,25, втах = 0,5, Cacc = 0,4.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Elguindi N., Bi X., Giorgi F. et al. Regional climatic model RegCM user manual. Version 4.3. - URL: https://gforge.ictp.it/gf/download/docmanfileversion/31/753/ReferenceMan.pdf (дата обращения: 16.02.2016).

2. Анисимов А.Е., Яровая Д.А., Барабанов В.С. Реанализ атмосферной циркуляции для Черноморско-Каспийского региона // Морской гидрофизический журнал. - 2015. -№ 4. - С. 14 - 28.

3. Ефимов В.В., Белокопытов В.Н., Анисимов А.Е. Оценка составляющих водного баланса Черного моря // Метеорология и гидрология. - 2012. - № 12. - С. 69 - 76.

4. Giorgi F., Coppola E., Solmon F. et al. RegCM4: model description and preliminary tests over multiple CORDEX domains // Clim. Res. - 2012. - 52. - P. 7 - 29.

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

75

5. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A. J. et al. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // Quart. J. Roy. Met. Soc. - 2011. - 137. -P. 553 - 597.

6. Grell G.A. Prognostic evaluation of assumptions used by cumulus parameterizations // Mon. Wea. Rev. - 1993. - 121 - P. 764 - 787.

7. Giorgi F., Marinucci M.R., Bates G.T. et al. Development of a second-generation regional climate model (RegCM2). Part II: Convective processes and assimilation of lateral boundary conditions // Ibid. - 1993. - 121. - P. 2814 - 2832.

8. Giorgi F., Elguindi N., Cozzini S. et al. Regional climatic model RegCM user's guide. Version 4.3. - URL: https://gforge.ictp.it/gf/download/docmanfileversion/33/755/UserGuide.pdf (дата обращения: 16.02.2016).

Numerical climatic estimations of precipitation and surface air temperature for the Black Sea region

D.A. Iarovaia, V.V. Efimov

Marine Hydrophysical Institute, Russian Academy of Sciences, Sevastopol, Russia e-mail: vefim38@mail.ru, daryk777@inbox.ru

Parameterization schemes for calculating precipitation used in the regional model RegCM are adapted to the Black Sea region. The divergences between the results of the RegCM modeling and the ERA-Interim reanalysis data are considered in details on the example of the monthly average fields of precipitation and surface air temperature. The performed numerical experiments are aimed at decreasing overstating of the precipitation amount over the flat land to the north from the Black Sea. It is defined which changes in the schemes for calculating precipitation in the Black Sea region produce the strongest influence upon the RegCM-derived precipitation amount. The data on the annual average precipitation and evaporation in the Black Sea permit to specify the estimate of the total water discharge through the Bosporus and Kerch straits, and river runoffs.

Keywords: Black Sea region, climate regional modeling, parameterization of precipitation, reanaly-sis.

76

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ № 3 2016

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.