Воспроизведение атмосферной радиации различными облачными вычислительными алгоритмами в модели ECRAD

Комплексные исследования качества воспроизведения атмосферной радиации с использованием различных конфигураций и вычислительных схем в радиационной модели ECRAD важны для улучшения радиационных блоков моделей численного прогноза погоды и климата. В работе представлен анализ результатов радиационных расчётов по автономной модели ECRAD [2] с использованием различных вычислительных схем в облачных условиях в сравнении с высокоточными измерениями радиационного комплекса RAD-MSU (BSRN) Метеорологической обсерватории Московского государственного университета [1].

Входные данные для расчётов были подготовлены для единой вертикальной сетки с использованием 137 уровней. Основные метеорологические переменные (в т.ч. доля облачности в слое и водосодержание) были взяты по данным реанализа ERA-5, аэрозольный состав атмосферы задавался по реанализу CAMS, основные парниковые газы - по климатологическим данным IFS Cycle 46R1. Временная дискретность для сравнений в облачных условиях выбрана равной одному часу для более аккуратных временных осреднений пространственной структуры облачности и соблюдения эргодичности. Расчёты в ECRAD проведены с использованием трёх алгоритмов (McICA, Tripleclouds и SPARTACUS) с применением различных настроек.

Результаты сравнений анализировались для разных диапазонов балла облаков, который был предварительно синхронизирован по расчётам и данным визуальных измерений в МО МГУ, а также отдельно для оптически плотного сплошного облачного покрова. 

В неоднородных облачных условиях наблюдается в целом одинаковый характер распределения погрешностей для всех вычислительных алгоритмов. При этом максимальные погрешности отмечены для облачности баллом 5-7, при котором происходило существенное занижение коротковолнового баланса до 50-70 Вт/м². Для более высокого балла облачности (7-10) наблюдается максимальное завышение коротковолнового баланса до 20-40 Вт/м². Наблюдаемые различия, связаны прежде всего с неточностью воспроизведения прямой коротковолновой радиации в облачных алгоритмах. Длинноволновый баланс восстанавливается всеми облачными алгоритмами удовлетворительно, погрешность не превышает 10 Вт/м² для всех градаций балла облаков. В условиях оптически плотной сплошной облачности погрешности коротковолнового баланса почти для всех алгоритмов положительны, в длинноволновом спектре – отрицательны. Следует выделить важную проблему ненулевого расчёта прямой солнечной радиации в облачных алгоритмах при сплошном облачном покрове. Наилучшей конфигурацией для использования в расчётах плотной 10-балльной облачности по данным анализа является SPARTACUS с использованием двух облачных состояний («2reg») и с включением 3D эффектов. Дополнительно были оценены радиационные эффекты трёхмерной структуры облачности («3D»-«1D») и дополнительного облачного состояния («3reg»-«2reg») для алгоритма SPARTACUS.

Исследование проведено при поддержке гранта РНФ №25-27-00014.

1. Chubarova N. E., Rozental V. A., Zhdanova E. Yu., Poliukhov A. A. New radiation complex at the Moscow State University Meteorological Observatory of the BSRN standard: methodological aspects and first measurement results. // Opt. Atmos. Oc., 2022. – 35 - P. 670–678.
2. Hogan R.J. A flexible and efficient radiation scheme for the ECMWF model / R.J. Hogan, A.A. Bozzo // Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018. – 10(8) – P. 1907–1929;