2017. november 18. szombat
Fizikai parametrizációk

A numerikus időjárás előrejelző modellek a rácstávolságnál kisebb skálájú folyamatokat nem képesek explicit módon (tehát a rácspontokban felírt hidro-termodinamikai egyenletrendszer megoldásával) leírni, ezért szükséges e folyamatok parametrizálása. Parametrizálás alatt a rácsfelbontásnál kisebb skálájú folyamatoknak a nagyobb skálájú folyamatokra gyakorolt összegzett hatásának leírását értjük, mégpedig a modellrácson rendelkezésre álló meteorológiai változók segítségével. A gyakorlatban ez például azt jelenti, hogy egy 2,5 km rácsfelbontású modellel nem vagyunk képesek a felszínközeli turbulens örvényeket (amelyek jellemzően méteres nagyságrendűek) explicit módon leírni, azonban fontos, hogy ezen kis skálájú örvényeknek a rácsfelbontás szerinti (tehát 2.5 km-es) skálára gyakorolt összegzett hatását leírjuk a modellrácson rendelkezésre álló változók, tehát a vertikális hőmérsékleti gradiens és a vertikális szélnyírás segítségével. Az Országos Meteorológiai Szolgálatnál használt regionális és mezoskálájú modellekben alkalmazott fizikai parametrizációk főbb jellegzetességeit az alábbiakban foglaljuk össze.


Mély konvekció

Konvekció alatt azt a légköri folyamatot értjük, amikor egy a környezeténél melegebb és így kisebb sűrűségű légrész a felhajtóerő következtében felfelé mozdul el. Ezen belül mély konvekcióról akkor beszélünk, amikor a vertikális elmozdulás annyira intenzív, hogy a felhőkben záporos csapadék képződik, amely a felhőkből kihullik. A felhő- és csapadékképződés során felszabaduló un. látens hő a vertikális elmozdulást tovább hajtja, míg a felhőtetők el nem érik a troposzféra tetejét. Így a hevesebb zivatarfelhők akár 10–12 km-es magasságot is elérhetnek.

A közepes szélességek szárazföldi területein a mély konvekció explicit leírásához legalább 2–3 km-es horizontális felbontás szükséges. Az Szolgálatnál alkalmazott AROME mezoskálájú, nem-hidrosztatikus modell felbontása 2,5 km, tehát ebben a modellben feltételezzük, hogy a mély konvekciót a modell explicit módon leírja. Az OMSZ regionális skálájú, hidrosztatikus ALADIN modellje 8 km-es horizontális felbontással bír, ezért ebben a modellben szükség van a mély konvekció parametrizálására.

Az ALADIN modellben jelenleg az ALARO fizikai csomagot használjuk. Ezen csomag a mély konvekció parametrizálására egy un. tömegfluxus sémát használ. A tömegfluxus sémák lényege, hogy a rácsdobozban előforduló konvektív feláramlásokat egy összegzett feláramlásként írja le. Ezen összegzett feláramlás időbeli fejlődését a környezettel folytatott oldalirányú keveredés valamint a horizontális nedvességkonvergencia határozza meg. Az ALARO-ban használt tömegfluxus séma előnye, hogy a hagyományos mély konvekciós parametrizációkkal ellentétben alkalmazható az un. szürke zónában is (3–8 km-es horizontális felbontás), ahol a mély konvekció egy részét a modell explicite leírja, a fennmaradó részt azonban parametrizálni kell.


Sekély konvekció és turbulencia

Sekély konvekció alatt azokat a meleg feláramlásokat (termikeket) értjük, amelyek a felszínről kiindulva elérik a planetáris határréteg (a légkör legalsó, turbulens rétege) tetejét. Ezen feláramlásokat legtöbbször kis gomolyfelhők (Cumulus humilis) jelzik, amelyek azonban csapadékot nem adnak. Egészen a közelmúltig az időjárás előrejelző modellekben a sekély konvekciót függetlenül kezelték a légköri turbulenciától, azonban napjainkban az OMSZ-nál használt ALADIN és AROME modellekben is ezt a két folyamatot közös parametrizációval kezelik, a részletek viszont eltérőek a két modellben.

Az ALADIN modellben használt ALARO fizikai csomag turbulenciát leíró része egy 1,5 rendű lezárás, amely egy prognosztikus egyenletet tartalmaz a turbulens kinetikus energiára (TKE). A parametrizáció ezen része alkalmas a viszonylag kis örvények hatásának leírására, azonban a sekély konvekciós termikek nem-lokális hatását nem tudja leírni. Ezért a jelenlegi fejlesztések arra koncentrálnak, hogy a 1,5 rendű lezárás alapvető kereteit megtartva a séma hogyan terjeszthető ki a nem-lokális jelenségek leírására.

Az AROME modell szintén egy 1,5 rendű lezárást használ a légköri turbulencia leírására, azonban a sekély konvekció kezelésére a mély konvekciónál ismertetett tömegfluxus módszert alkalmazza. A lokális turbulenciaséma és a tömegfluxus séma a felszíni fluxusokon keresztül kapcsolódik, mivel a tömegfluxus séma lezárását a felszíni szenzibilis hőáram segítségével oldották meg.


Mikrofizika

A felhőkben lezajló fázisátalakulási folyamatokat a mikrofizikai parametrizáció írja le. Az ALADIN és az AROME modellben használt sémák sok hasonlóságot mutatnak. Mindkét modellben hat prognosztikus mikrofizikai változó szerepel (vízgőz, felhővíz, felhőjég, eső, hó, graupel), valamint a modellek leírják az e változók közötti nagy számú kölcsönhatási folyamatot is.

 Ez az AROME modellben pl. 35 folyamatot jelent (1. ábra). A parametrizációk megkülönböztetnek un. meleg-felhő, illetve kevert fázisú mikrofizikai folyamatokat. A meleg-felhő folyamatok közé tartozik az autokonverzió, növekedés, párolgás, ülepedés, míg kevert fázisú folyamat pl. a nukleáció, jégkristály autokonverzió, aggregáció, esőcseppfagyás, zúzmarásodás, olvadás, lerakódás/szublimáció, Bergeron-Findeisen effektus és a jégkristályok ülepedése.

 1. ábra

1. ábra
Az AROME modell mikrofizikai parametrizációjának sematikus ábrája


Ahogyan azt már korábban is említettük az ALADIN modellben használt ALARO fizikai parametrizáció összekapcsolja az expliciten leírt és a parametrizált feláramlást. Így képes mind a feláramlás sebességét és cellabeli arányát, mind pedig a feláramlás során keletkező mikrofizikai változókat prognosztikus változóként kezelni. Ezután a már felsorolt mikrofizikai változókkal (forrásuktól függetlenül) írja le a modell a különböző mikrofizikai folyamatokat. Az ALARO mikrofizikája egyszerűbb, mint az AROME modellé, és a következő folyamatokat írja le: autokonverzió, aggregáció, kondenzáció, párolgás, fagyás, olvadás, szublimáció. A prognosztikusan kezelt mikrofizikai változók előnye, hogy az ALARO – néhány más hidrosztatikus modellel ellentétben – képes „emlékezni” az előző időlépcső folyamataira és eredményeire.


Sugárzás

A sugárzási folyamatok parametrizálása igen fontos, ugyanakkor meglehetősen számításigényes része az időjárás előrejelző modelleknek. Ezekben a sémákban mind a rövidhullámú (Napból érkező), mind a hosszúhullámú (földfelszínről, felhőkből, levegőmolekulákból származó) sugárzást le kell írni. Mindkét folyamat esetében kulcsfontosságú a felhőborítottság megfelelő diagnosztizálása, a hosszúhullámú séma esetében pedig az ózon és az aeroszol eloszlás ismerete is szükséges. Ezen eloszlásokat jelenleg (mivel a modellek egyelőre nem számolnak prognosztikusan kémiai folyamatokat) klimatológiai adatbázisokból származtatják. Az AROME modell mind a rövid, mind a hosszúhullámú sugárzás parametrizációjára az ECMWF globális modelljében is használt sémát (Rapid Radiation Transfer Model, RRTM) használja. Az ALARO az ALADIN modellben hagyományosan is használt ACRANEB séma némileg módosított változatával működik.


Felszíni folyamatok

Az időjárás előrejelző modellek fontos részét képezik a talaj, bioszféra és a légkör kölcsönhatását leíró sémák. Az AROME modellben a Meso-NH francia kutatómodell részét képező SURFEX sémát használjuk, amely egy un. externalizált talajséma, tehát a megfelelő interfész (amely a légköri kényszerek átadását jelenti) megírása után különböző légköri modellekkel is használható. A SURFEX négy felszíntípust különböztet meg (természetes földfelszín, város, tenger és tó), és mindegyik felszíntípusra különböző parametrizációkat alkalmaz a felszíni jellemzők leírására, amelyeket később a turbulens felszíni fluxusok (szenzibilis és látens hő- valamint momentumfluxus) kiszámítására használ. A természetes felszín felett az ISBA (Interaction Soil Biosphere Atmosphere) sémát alkalmazzuk (2. ábra), amely leírja a talajhőmérséklet- és nedvesség időbeli fejlődését, valamint a vegetáció felszíni párolgásra (evapotranspiráció) gyakorolt hatását. E mellett kezeli a hótakaró vastagságának és sűrűségének időbeli fejlődését is. Városi felszín felett a SURFEX a TEB (Town Energy Balance) kanyonsémát használja, amely három felszíntípust (fal, tető, út) különböztet meg, kezeli ezek hőmérsékletváltozását, valamint leírja a speciálisan városi környezetre jellemző sugárzási folyamatokat (pl. árnyékolás) is. A SURFEX tavi és tengeri felszínt leíró almodellje az Szolgálatnál használt AROME változatban jelenleg nem aktív, a vízfelszínek felett konstans felszínhőmérséklettel számolunk (amelyet minden futás alkalmával a mérésekből inicializálunk) az érdességet pedig a Charnock formula alapján határozzuk meg.

Az ALADIN modell felszíni sémája természetes felszín és vízfelszín felett hasonló az AROME-nál alkalmazott módszerhez, azonban nem tartalmazza a városi és a tavi almodellt. Megjegyzendő, hogy vannak kísérletek az ALARO fizikai parametrizáció és a SURFEX együttes használatára is.

 2. ábra

2. ábra
A SURFEX felszíni modell ISBA almodelljének sematikus ábrája


Irodalomjegyzék

  • Kullmann L.,2007: Felhőfizikai folyamatok parametrizációja mezoskálájú modellekben. 32. Meteorológiai Tudományos Napok, beszámolókötet
  • Gerard, L., 2007: An integrated package for subgrid convection, cloud and precipitation compatible with the meso-omega scales. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 133, 711-730.
  • Horányi, A., Kertész, S., Kullmann, L., Radnóti, G., 2006: The ARPEGE/ALADIN mesoscale numerical modelling system and its application at the Hungarian Meteorological Service. Időjárás, 110, 203-227.