AROME

Az AROME modell egy nem-hidrosztatikus mezoskálájú numerikus előrejelző modell, amely igen fejlett fizikai parametrizációs csomaggal rendelkezik. Az AROME projektet 2000-ben indították a Meteo-France-ban, amikor felmerült az igény egy nagy felbontású, korlátos tartományú modell kifejlesztésére, amely elsősorban ultra rövidtávú előrejelzések készítésére szolgálna.

2002-ben végül megszületett a döntés, hogy az AROME modell az ALADIN modell nem-hidrosztatikus dinamikájából és a MESO-NH kutatói modell fizikai parametrizációs csomagjából álljon. Az adatasszimilációs eljáráshoz szintén az ALADIN modellben már működő 3d-var eljárást tervezték használni. (Lehetséges, hogy a jövőben az ennél pontosabb 3d-fgat eljárást alkalmazzák majd.)

1. ábra
A két alkalmazott modell egyesítésének sematikus ábrája

A döntés megszületése után megtörtént a modell prototípusának a kifejlesztése, amely felvetett sok technikai, illetve elméleti problémát is, mivel a két alkalmazott modell (ALADIN, MESO-NH) sok tekintetben különbözik egymástól. A két modell kombinálásánál az elsődleges szempont az volt, hogy a lehető legkevesebb változást kelljen tenni a már meglevő forráskódokban, így elsősorban úgynevezett interface rutinok kidolgozása volt a cél, amellyel a két modell egyesíthető.

Az AROME modellt jelenleg párhuzamosan fejlesztik az ARPEGE/ALADIN modell rendszerrel, illetve a MESO-NH modellel. Ez azt jelenti, hogy az AROME modell forráskódja az ARPEGE/ALADIN forráskódba került bele, így az évenként kétszer sorra kerülő phasing - kutatások/fejlesztések beépítése az operatív kódrendszerbe - során ez a modell is frissítésre kerül. Jelenleg még csak a Meteo-France-nál üzemel napi futtatás szintjén, de több ország is jelezte a fejlesztésben, illetve a későbbi operatív használatban való részvételi igényét. Az AROME várhatóan 2008-ban válik operatívvá.

AROME modell jellemzői

• Korlátos tartományú, spektrális, nem-hidrosztatikus (NH) modell
• Szemi-Lagrange advekciós sémát használ
• Két időlépéses szemi-implicit időséma
• Korlátos tartomány miatt határfeltételek figyelembevétele szükséges a futtatáshoz. A csatoláshoz a Davies féle sémát használja.
• Az NH dinamika a nagy horizontális felbontás miatt szükséges, hiszen ezen a felbontáson már nem érvényes a feltételezés, hogy a vertikális sebesség időbeli változása elhanyagolható. A NH dinamika alkalmazása miatt új prognosztikai változók bevezetésére van szükség: w (vertikális sebesség), illetve p (nem-hidrosztatikus nyomás).
• A MESO-NH modellből 4 parametrizációs eljárás került adaptálásra, (ezekről bővebben a MESO-NH dokumentációban olvashatunk).

• 5 prognosztikus változó: vízgőz, felhővíz, felhőjég, eső, hó, graupel (később lehetőség van a jégeső bevezetésére is).
• Megkülönböztet úgynevezett meleg-felhő, illetve kevert fázisú mikrofizikai folyamatokat.
• Meleg-felhő folyamatok: autokonverzió, növekedés, párolgás, ülepedés.
• Kevert fázisú folyamatok: nukleáció, jégkristály autokonverzió, aggregáció, esőcsepp fagyás, zúzmarásodás, olvadás, lerakódás/szublimáció, Bergeron-Findeisen effektus, jégkristályok ülepedése.
• Telítődési kiegyenlítés: túltelítettség elkerüléséhez, negatív keveredési hányadok kiküszöböléséhez.

2. ábra
Mikrofizikai folyamatok sematikus ábrája

Felszíni folyamatok parametrizációja

• 4 féle felszíntípus: tenger, tó, természet, város
• Tenger, tó parametrizóciója még nincs kidolgozva (itt csupán a Charnock formula alkalmazásáról van szó)
• Természetes talaj felett 3 rétegű ISBA séma (hasonló az ALADIN modellhez, de pontosabb, pl. 3 rétegű hó sémát alkalmaz)
• Város felett TEB (Town Energy Budget) séma. A város 2 falból, tetőből és egy úttestből áll
• A felszíni séma externalizált, amely azt jelenti, hogy (strukturálisan) teljesen elkülönül a légköri modelltől, csupán légköri kényszerek (sugárzás, T2m, Rh2m, U10, ...) szükségesek a futtatásához.

• A MESO-NH modellben 3D turbulens sémát alkalmaznak, de az AROME csak 1D (vertikális) tagot vesz figyelembe, mert 1km felbontás felett a horizontális turbulens fluxus gradiense elhanyagolható
• A turbulens Kinetikus Energiára prognosztikus egyenletet használ, a többi (nem-izotróp) másodrendű momentumot diagnosztizálja
• 1,5 rendű lezárást tartalmaz, amely a keveredési hossz számolásán alapszik

A konvekció parametrizálásra a 2,5 km felbontáson nincs szükség, hiszen ennél a felbontásnál explicit leírjuk a felhőkben lezajlódó folyamatokat (nagy-skálájú folyamat), ám az AROME modell futtatható kisebb (pl. 10 km) felbontáson is, amelyen viszon már parametrizálni kell a konvektív folyamatokat. Ez a parametrizáció a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• Tömeg-fluxus közelítésen alapszik
• Figyelembe vesz egy fel- illetve leáramlást, ezen kívül a konvekciós tartományból a környezetbe való kisodródást és a környezetnek a tartományba történő besodródását.
• Fritsch Chapell féle lezáráson alapszik, amely azt jelenti, hogy a CAPE egy megfelelően választott időperiódus alatt eltűnik a rácsdobozból.

• Jelenleg az ECMWF féle (Morcrette) sugárzási sémát használja

• A legújabb AROME verzió már rendelkezik kémiai sémával is

Kezdeti és peremfeltételek előállítása

A modell futtatáshoz határfeltételekre, és kezdeti feltételekre van szükségünk. A határfeltételeket vagy az ARPEGE globális, vagy egy nagyobb tartományon futtatott ALADIN előrejelzésből nyerhetjük az ALADIN 927-es konfigurációja segítségével (amely lényegében egy interpolációt jelent a bemeneti geometriáról a végső AROME geometriára).

A magas légköri mezőket tartalmazó kezdeti fájl szintén a 927-es konfigurációval interpolált ALADIN vagy ARPEGE fájl lesz.

Az externalizált felszíni séma azonban egy külön kezdeti fájlt igényel. Ennek előállítása jelenleg még elég körülményes, mivel csak a Meteo-France gépén végezhető el. Az előállítás lényegében azt jelenti, hogy a kezdeti mezőt tartalmazó ALADIN (FA formátumú) fájlt GRIB formátumba kell konvertálni, majd egy, a MESO-NH csoport által kifejlesztett eljárással a GRIB fájlból a felszíni mezőket az AROME geometriára kell interpolálni. Az interpolációhoz szükségesek fiziográfiai mennyiségeket (albedo, talaj típus, orográfia, stb.) tartalmazó fájlok is (az év minden hónapjára egy), amelyet szintén egy MESO-NH eljárással kell elkészíteni. Ezen fájlokat egy adott tartományra csak egyszer kell létrehozni, tehát ezek függetlenek a futtatás időpontjától.

Hazai alkalmazás

Az AROME modellt az OMSZ-ban is tervezzük használni a jövőben, ezért telepítettük a modellt (cy29_t1 verzió) az OMSZ IBM p655 clusterére. Alkalmazása jelenleg még csak teszt fázisban van, elsősorban esettanulmányokat végzünk vele.

Az általunk használt modellváltozat jellemzői:

Földrajzi tartomány Magyarország Horizontális felbontás 2,5 km Vertikális szintek száma 49 Határfeltétel ALADIN/HU, ARPEGE, ALADIN/3d-var Grafikus megjelenítés netcdf,gmt,diaprog

Utófeldolgozás és megjelenítés

A megjelenítés kicsit bonyolultabb, mint az ALADIN esetében, mivel a futás eredménye nem csupán egyetlen fájlban van eltárolva, hanem más fájlt használ a magaslégköri és a felszíni mezőkre, melyek különböző formátumúak.

A magaslégköri mezőket tartalmazó fájl az ALADIN-nál is használt FA formátumban van. Ezeket az ALADIN fullpos konfigurációjával lehet utófeldolgozni (a mezők spektrál térből rácspont térbe való konvertálása céljából). Az utófeldolgozott fájlt netcdf formátumba konvertálva a HAWK rendszerrel lehet megjeleníteni.

A felszíni mezőket tartalmazó fájlt több módon is megjeleníthetjük:

• Diaprog program segítségével, amely az NCARG szoftveren alapul (3. ábra).
• A HAWK-ban (az LFI fájlt netcdf formátumba konvertálva). Ennek előnye, hogy könnyebben összevethetjük a megfigyelésekkel, illetve más előrejelzések eredményeivel (4. ábra).
• Gmt szoftverrel (az LFI fájlt a diagprog segítségével ascii formátumba alakítva).
• Metview-val (az LFI fájlt GRIB formátumba konvertálva.) Ez az eljárás az OMSZ-ban egyenlőre még nem működik.

3. ábra
Felszíni mezők megjelenítése diaprog program segítségével

AROME esettanulmány eredménye: 24 órás csapadékösszeg

4. ábra
AROME eredmény megjelenítése és összehasonlítása más előrejelzésekkel, mérésekkel a HAWK-ban

Bal felső munkaterület: ALADIN előrejelzés (+28h, 1h csapadékösszeg), jobb felső munkaterület: AROME előrejelzés, jobb alsó munkaterület: radarkép (mérés)