PC-n futtatható numerikus előrejelzési modellek

Az előadások a következő témára: "PC-n futtatható numerikus előrejelzési modellek"— Előadás másolata:

1 PC-n futtatható numerikus előrejelzési modellek
Előadók: Weidinger Tamás, Gyöngyösi András Zénó, Balogh Miklós,Grosz Balázs

2 Miről lesz szó a félév során?
Kezdetek, mezoskálájú numerikus modellek az 1980-as 90-es években Az NRIPR japán mezoskálájú modell MM4, MM5 A WRF modell Az Aladin Chapeau Áramlástani megoldók Csatolt ökológiai modellek (WRF/DNDC) Önálló feladatok, követelmények, számonkérés

3 „Richardson időjárás előrejelző gyára”

4 Az első számítógép az UNIAC gépterme.

5 Charney, Fjortoft és Neumann (1950) modelljének a futtatása egy Nokia 6300 mobiltelefonon a phoniac.jar. program segítségével. A térkép az január UTC-re készült előrejelzést mutatja (Lynch és Lynch, 2008).

6 Tíz év alatt az elsőből az 500-adik lehet a számítógép.
A világ első 500 számítógépének teljesítménynövekedése 1993 és 1910 között. Tíz év alatt az elsőből az 500-adik lehet a számítógép. A teraflop is one trillion (1012) floating point operations per second.

7

8 Az adatasszimilációs probléma kétdimenziós fázistérben
(Szunyogh et al., 2003) Hogyan határozhatjuk meg a méréseknek és a modell fizikájának megfelelő optimális kiindulási feltételeket? Mi a legvalószínűbb állapotot? Hogyan viselkedik a minta az előrejelzés első szakaszában?

9 Parametrizációs sémák

10 Skálák, osztályozások

11 A planetáris határréteg napi menete (Stull, 1988 alapján).

12 A mikroskálájú turbulencia felosztása a felszín feletti magasság (z) és az örvények karakterisztikus mérete () alapján.

13 Áramlástani megoldók DNS - Direct Numerical Simulation
LES - Large-Eddy Simulation RANS – Reynolds-Averaged Navier-Stokes DES – Detached Eddy Simulation LES és RANS kombinációja

14 Miért fontos a mezoskálájú modellek futtatása? Egy példa a sok közül

15 NCEP Operational Regional Model Penn State/NCAR Mesoscale Model
A modellfejlesztés főbb lépései, út a WRF felé NCEP Operational Regional Model Penn State/NCAR Mesoscale Model Year Model Resolution 1955 Princeton QG 381 km /3 levels 1969 3-D Hurricane / 30 km 1966 Primitive Equation 381 km /6 levels 1971 Began MM0 – MM3 devel Limited Area Fine Mesh (LFM) 190.5 km / 7 levels 1981 Began MM4 development 1985 Triply Nested Grid (NGM) 80 km / 16 levels 1987 MM4 released to community 1993 ETA 80 km / 38 levels 1990 First R-T MM4 fcst (30 km) 1995 Meso-Eta 29 km / 50 levels 1994 MM5 (non-hydro) released 1996 Nested Eta (experimental) 10 km / 60 levels 1997 MM5 adjoint system 1998 32 km / 45 levels ATEC 1.1 km real-time 2000 22 km / 50 levels 2001 12 km / 60 levels Danny simulation – 1 km 2002 Non-hydrostatic (experimental) 8 km / 60 levels Columbia Gorge simulation at 440 m (U. of Washington)

16 Kuo 2001

17 Az MM4 modell kézikönyve
A horizontális rács szerkezete

18

19

20 A modell blokksémája

21 A modellfuttatás előkészítése: MAPBKG – a modellezett terület térképgeneráló programja, TERRAN – a felszíni adatok (magasság, felszínhasználat, felszín és talajparaméterek) megadása (interpolációja) a modellrácsra, SORT, MSGFL és DATAMAP – a globális modelleredmények alapján a kezdeti és peremfeltételek interpolálása a modellrácsra, RAWINS, a p-rendszerben adott meteorológiai állapotjelzők (felszíni és magassági mérések) és a korábban futtatott globális modell adott időpontra fonatkozó adatai (first guess) alapján a rácsponti adatok kiszámítása az egyes nyomási szintekn a Cressman-féle objektív analízis módszer alapján (lásd pl. Cressman, 1959; Bölöni, 2003), FlOWIN – a nyomási szinteken meghatározott állapothatározók átszámítása a modell s-szintjeire, interpolációs módszerrel, továbbá a kezdeti mezők térképes megjelenítéséhez szükséges modell outputok előállítása, BDYOUT – a modell kezdeti feltételeinek előállítása a FLOWIN modul eredményei alapján, INIT – nem-lineáris vertikális modellinicializáció a FLOWIN és a BDYOUT modul eredményei alapján. Modellfuttatás: MM4 – modellintegrálás, a kézikönyvben megadott választható beállításokkal. A modelleredmények feldolgozása: FLOWOUT – grafikus file-ok generálása, VERIFY – a modell-előrejelzés verifikálása, TRAJECTORY – trajektória számítási modul, SIGMA – interaktív grafikus modul, REG DEP – csatolt regionális kémiai száraz és nedves ülepedési modell.

22 Felszín parametrizáció

23

24 Thermal Conductivity Thermal conductivity (λ) is the intrinsic property of a material which relates its ability to conduct heat. Heat transfer by conduction involves transfer of energy within a material without any motion of the material as a whole. Conduction takes place when a temperature gradient exists in a solid (or stationary fluid) medium. Conductive heat flow occurs in the direction of decreasing temperature because higher temperature equates to higher molecular energy or more molecular movement. Energy is transferred from the more energetic to the less energetic molecules when neighboring molecules collide.  Thermal conductivity is defined as the quantity of heat (Q) transmitted through a unit thickness (L) in a direction normal to a surface of unit area (A) due to a unit temperature gradient (ΔT) under steady state conditions and when the heat transfer is dependent only on the temperature gradient. In equation form this becomes the following: Thermal Conductivity = heat × distance / (area × temperature gradient) λ = Q × L / (A × ΔT) Approximate values of thermal conductivity for some common materials are presented in the table below.

25

26 Az MM5 modell kézikönyve

27

28 Az MM5 modell koordináta-rendszere

29 A WRF3 (2008) felépítése és adatáramlási rendszere

30 A NRIPR japán mezoskálájú modell bemutatása Hiroaki Kondo, 1989-es kiadványa alapján
Kormányzóegyenletek Az Exner-függvény

31 A sztatika alapegyenlete
A vertikális mozgásegyenlet a Boussinesq-féle közelítéssel: Ha nincs vertikális gyorsulás, akkor A numerikus sémát és a teszt futtatásokat lásd a kiadványban (Házi feladat)

32 A numerikus modell egy napi gyakorlatban használatos eszközzé vált.
Célunk az „eszköz” működésének a megértése és használata.