hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667319040014hydrophysics-39Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSЧувствительность модели прогноза волн к параметризациям пограничного слоя атмосферыSensitivity of wave forecast model to parametrizations of planetary boundary layerСтригуноваЯ. В.StrigunovaYa. V.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

strigunova.jana@yandex.ruБулгаковК. Ю.BulgakovK. Yu.

Москва

Moscow

bulgakov.kirill@gmail.comРоссийский государственный гидрометеорологический университетРоссияRussian State Hydrometeorology UniversityRussian FederationИнститут океанологии им П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation201929112021124313Copyright © Стригунова Я.В., Булгаков К.Ю., 20212021Стригунова Я.В., Булгаков К.Ю.Strigunova Y.V., Bulgakov K.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/39

Исследуется влияние разных вариантов параметризации планетарного пограничного слоя атмосферы в системе «морские волны – атмосферная циркуляция» на качество воспроизведения эволюции ветрового волнения. Описывается система, состоящая из модели WAVEWATCH (морские волны) третьего поколения и модели региональной циркуляции WRF (атмосфера), адаптированная для региона Балтийского моря. Рассматриваются схемы параметризации планетарного пограничного слоя атмосферы, используемые в модели WRF. Из всех проведенных экспериментов представлены два наиболее показательных случая со штормовыми условиями, наблюдающимися в 2014 году: 11—20 августа и 4—10 октября. Сравнивается среднеквадратическая ошибка воспроизведения высоты доминантной волны, рассчитанной по данным с 4 автоматизированных буев, принадлежащих FMI (Finnish Meteorological Institute), которые расположены в центре Балтийского моря, в северной и южной части Ботнического залива и в Финском заливе. Оценивается чувствительность воспроизведения высоты значительной волны к разным способам задания планетарного пограничного слоя атмосферы. Рассматривается эволюция штормового волнения в каждой точке, где находится буй. Обосновывается выбор параметризации, при которой наиболее точно воспроизводится ветровое волнение.

The influence of different versions of the planetary boundary layer parameterization in the model of system “Wave – Atmosphere” on the quality of wind wave simulation is investigated. The system consisting of components: WAVEWATCH (wave) / WRF (atmosphere) adapted for the Baltic Sea is described. The schemes of the planetary boundary layer parameterization used in the WRF are considered. From all experiments are selected two cases with stormy conditions observed in 2014: from 11 to 20 August and from 4 to 10 October. The comparison is produced by root-mean-square error of significant wave height simulation calculated according to automated FMI buoys located in Northern Baltic Proper, Bothnian Sea, Bay of Bothnia, Gulf of Finland. The sensitivity of significant wave height reproduction to different ways to PBL is evaluated. The evolution of storm waves at each buoy point is considered. The selection of parameterization with less errors in wind wave simulation is justified.

совместная модельпараметризация атмосферного пограничного слоявысота доминантной волныcouple modelboundary layer parameterizationsignificant wave heightИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-17-00124) (подготовка совместной модели атмосфера / морские волны) и в рамках государственного задания 0149-2019-0015 (выбор штормовых случаев, проведение серии экспериментов с совместной моделью, их анализ)ReferencesHeikkilä U., Sandvik A., Sorteberg A. Dynamical downscaling of ERA-40 in complex terrain using the WRF regional climate model // A. Clim. Dyn. 2011. V. 37. P. 1551—1564. DOI: 10.1007/s00382-010-0928-6Heikkilä U., Sandvik A., Sorteberg A. Dynamical downscaling of ERA-40 in complex terrain using the WRF regional climate model. A. Clim. Dyn. 2011, 37, 1551—1564. DOI: 10.1007/s00382-010-0928-6Chalikov D.V. Numerical simulation of the boundary layer above waves // Bound. Layer Met. 1986. V. 34. Issue 1—2. P. 63—98.Chalikov D.V. Numerical simulation of the boundary layer above waves. Bound. Layer Met. 1986, 34, Issue 1–2, 63—98.Chalikov D. The parameterization of the wave boundary layer // J. Phys. Oceanogr. 1995. V. 25. P. 1335—1349.Chalikov D. The parameterization of the wave boundary layer. J. Phys. Oceanogr. 1995, 25, 1335—1349.Chalikov D., Rainchik S. Coupled numerical modelling of wind and waves and the theory of the wave boundary layer // Boundary.Layer Meteorol. 2010. V. 138. Issue 1. P. 1—41.Chalikov D., Rainchik S. Coupled numerical modelling of wind and waves and the theory of the wave boundary layer. Boundary Layer Meteorol. 2010, 138, Issue 1, 1—41.Чаликов Д.В., Булгаков К.Ю. Ветровые волны как элемент гидродинамической системы океан–атмосфера // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51, № 3. С. 386—391.Chalikov D.V., Bulgakov K.Yu. Wind waves as an element of a hydrodynamic coupled ocean–atmosphere model. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2015, 51, 3, 344–348.Michalakes J., Dudhia J., Gill D., Henderson T., Klemp J., Skamarock W., Wang W. The Weather Reseach and Forecast Model: Software Architecture and Performance // Proceedings of the 11th ECMWF Workshop on the Use of High Performance Computing In Meteorology, 25—29 October 2004, Reading U.K. Ed. George Mozdzynski.Michalakes J., Dudhia J., Gill D., Henderson T., Klemp J., Skamarock W., Wang W. The Weather Reseach and Forecast Model: Software Architecture and Performance. Proceedings of the 11th ECMWF Workshop on the Use of High Performance Computing In Meteorology, 25—29 October 2004, Reading U.K. Ed. George Mozdzynski.Tolman H.L. User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14. Technical Report. NOAA/NWS/NCEP/MMAB. May 2009.Tolman H.L. User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14. Technical Report. NOAA/NWS/NCEP/MMAB. May 2009.William C. Skamarock, Joseph B. Klemp, Jimy Dudhia et al. A Description of the Advanced Research WRF Version 3 TECHNICAL NOTE. NCAR. June 2008.William C. Skamarock, Joseph B. Klemp, Jimy Dudhia et al. A Description of the Advanced Research WRF Version 3 TECHNICAL NOTE. NCAR. June 2008.Street I.S. Modeling the wave climate in the Baltic sea // Journal of Water Management and Research. 2014. V. 70. P. 19—29.Street I.S. Modeling the wave climate in the Baltic Sea. Journal of Water Management and Research. 2014, 70, 19—29.National Centers for Environmental Prediction/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce, NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses, continuing from July 1999. Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory, Boulder, CO. 2000. P. 11—14. DOI: 10.5065/D6M043C6National Centers for Environmental Prediction/National Weather Service/NOAA/U.S. Department of Commerce, NCEP FNL Operational Model Global Tropospheric Analyses, continuing from July 1999. Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory, Boulder, CO. 2000. P. 11—14. DOI: 10.5065/D6M043C6Булгаков К.Ю., Стригунова Я.В. Схема расчета притока энергии от ветра к волнам для моделей прогноза ветровых волн // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2017. Т. 10, № 2. С. 1—5.Bulgakov K.Yu., Strigunova Y.V. Wind input scheme for wave forecast model. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2017, 10, 2, 1—5 (in Russian).Soomere T., Behrens A., Tuomi L., Nielsen J.W. Wave conditions in the Baltic Proper and in the Gulf of Finland during windstorm Gudrun // Natural Hazards & Earth System Sci. 2008. V. 8, N 1. P. 37—46.Soomere T., Behrens A., Tuomi L., Nielsen J.W. Wave conditions in the Baltic Proper and in the Gulf of Finland during windstorm Gudrun. Natural Hazards & Earth System Sci. 2008, 8, N 1, 37—46.Arno Behrens, Heinz Gunther. Operational wave prediction of extreme storms in Northern Europe // Nat Hazards. 2009. V. 49. P. 387—399. DOI: 10.1007/s11069-008-9298-3Arno Behrens, Heinz Gunther. Operational wave prediction of extreme storms in Northern Europe. Nat Hazards. 2009, 49, 387—399. DOI: 10.1007/s11069-008-9298-3Jan-Victor Björkqvist, Laura Tuomi, Niko Tollman, Antti Kangas, Heidi Pettersson, Riikka Marjamaa, Hannu Jokinen, and Carl Fortelius. Brief communication: Characteristic properties of extreme wave events observed in the northern Baltic Proper, Baltic Sea // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2017. V. 17. P. 1653—1658. DOI: 10.5194/nhess-17-1653-2017Jan-Victor Björkqvist, Laura Tuomi, Niko Tollman, Antti Kangas, Heidi Pettersson, Riikka Marjamaa, Hannu Jokinen, and Carl Fortelius. Brief communication: Characteristic properties of extreme wave events observed in the northern Baltic Proper, Baltic Sea. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2017, 17, 1653—1658. DOI: 10.5194/nhess-17-1653-2017Xiao-Ming Hu., John W., Nielsen-Gammon, Fuqing Zhang. Evaluation of Three Planetary Boundary Layer Schemes in the WRF Model // J. Appl. Meteorol. Clim. 2010. V. 49. P. 1831—1844. DOI: 10.1175/2010JAMC2432.1Xiao-Ming Hu, John W. Nielsen-Gammon, Fuqing Zhang. Evaluation of Three Planetary Boundary Layer Schemes in the WRF Model. J. Appl. Meteorol. Clim. 2010, 49, 1831—1844. DOI: 10.1175/2010JAMC2432.1Hyeyum Hailey Shin, Song-You Hong. Intercomparison of Planetary Boundary-Layer Parametrizations in the WRF Model for a Single Day from CASES-99 // Boundary-Layer Meteorol. 2011. V. 139. P. 261—281. DOI: 10.1007/s10546-010-9583-zHyeyum Hailey Shin, Song-You Hong. Intercomparison of Planetary Boundary-Layer Parametrizations in the WRF Model for a Single Day from CASES-99. Boundary-Layer Meteorol. 2011, 139, 261—281. DOI: 10.1007/s10546-010-9583-zAriel E. Cohen., Steven M. Cavallo, Michael C. Coniglio and Harold E. Brooks. A Review of Planetary Boundary Layer Parameterization Schemes and Their Sensitivity in Simulating Southeastern U.S. Cold Season Severe Weather Environments // Weather Forecast. June 2015. V. 30. P. 591—612. DOI: 10.1175/WAF-D-14-00105Ariel E. Cohen, Steven M. Cavallo, Michael C. Coniglio and Harold E. Brooks. A Review of Planetary Boundary Layer Parameterization Schemes and Their Sensitivity in Simulating Southeastern U.S. Cold Season Severe Weather Environments. Weather Forecast. June 2015, 30, 591—612. DOI: 10.1175/WAF-D-14-00105Honkola Maija-Liisa, Kukkurainen Nina, Saukkonen Lea, Petäjä Anu, Karasjärvi Janna, Riihisaari Tarja, Tervo Roope, Visa Mikko, Hyrkkänen Juhana, Ruuhela Reija. The Finnish Meteorological Institute: final report for the open data project. Finnish Meteorological Institute (Erik Palménin aukio 1), P.O. Box 503. December 2013. P. 38.Honkola Maija-Liisa, Kukkurainen Nina, Saukkonen Lea, Petäjä Anu, Karasjärvi Janna, Riihisaari Tarja, Tervo Roope, Visa Mikko, Hyrkkänen Juhana, Ruuhela Reija. The Finnish Meteorological Institute: final report for the open data project. Finnish Meteorological Institute (Erik Palménin aukio 1), P.O. Box 503. December 2013. P. 38.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.