Атмосферная радиация в модели прогноза погоды и климата ICON: современное состояние и перспективы развития

В докладе обсуждаются результаты исследований радиационных эффектов атмосферного аэрозоля, некоторых парниковых газов и облачности, полученные в численных экспериментах с использованием российских конфигураций ICON-Ru негидростатической модели ICON, которая применяется в краткосрочном численном прогнозе погоды в рамках системы COSMO-Ru Гидрометцентра России. Модель прогноза погоды и климата ICON в последнее время становится одной из самых точных и востребованных моделей в мире. Вследствие этого, дальнейшее улучшение качества моделирования компонентов радиационного баланса в атмосфере является актуальной задачей, способствующей совершенствованию прогноза важных метеорологических характеристик. Расчеты проводились с использованием системы сеток (в том числе вложенных) с шагом от 13 км (для глобальной конфигурации) до 1 км.

Для условий ясного неба были оценены радиационные эффекты, антропогенное радиационное воздействие и cкорость радиационного нагрева наиболее важных антропогенных примесей за последние 20 лет относительно их доиндустриального уровня для разных сезонов года на примере московского региона. Определены особенности вертикальных профилей радиационного воздействия в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах и их величины на нижней и верхней границах атмосферы в зависимости от высоты Солнца и альбедо поверхности. Показано влияние вертикальной структуры аэрозоля на радиационные характеристики атмосферы в сравнении с данными измерений. 

Для облачных условий была оценена эффективность описания трехмерных (3D) радиационных эффектов облаков при использовании алгоритма SPARTACUS в автономной радиационной схеме ECRAD, а также учёта дополнительного облачного состояния. Обсуждаются физические механизмы, лежащие в основе выявленных закономерностей. Приводятся результаты моделирования потоков солнечного излучения в прогностической модели ICON с использованием разных методов расчета атмосферной радиации в различных облачных условиях. 

Рассматривается влияние непрямых эффектов аэрозоля на облачность и их воздействие на солнечную радиацию. Показано, что увеличение ядер конденсации в облаке может привести к уменьшению солнечной радиации у земной поверхности на 10-12 %. В то же время главной причиной расхождения между измерениями и данными модельных расчетов является неточное описание пространственной структуры облаков и доли прямого солнечного излучения. 

Дополнительно обсуждаются особенности воспроизведения аномально высоких значений длинноволнового баланса и его связей с прогнозом температуры воздуха у поверхности. Рассматриваются наиболее важные факторы, влияющие на формирование указанного явления. 

Оценивается также влияние радиационных эффектов на прогноз приземной температуры воздуха. Даются оценки качества расчетов коротковолновой и длинноволновой радиации. Обсуждаются причины погрешностей и перспективы развития радиационных схем в конфигурациях ICON-Ru. Исследование проведено в рамках научно-исследовательской работы Росгидромета, тема № 125032004255-7 и МГУ имени М.В.Ломоносова, тема НИР №121051400081-7.