Nakon zadnjeg unaprijeđenja našeg WRF-NMM modela pomoću mikrofizike Ivana Ristića, nastavili smo rad na ovom prognostičkom sustavu. Cilj novih istraživanja je izrada okvira za izvedbu numeričkih modela nove generacije koji će koristiti forsiranje podacima mnogo veće rezolucije nego dosad. To će omogućiti da se u potpunosti napusti gniježdenje domena i veću fleksibilnost cijelog sustava, posljedičnu uštedu resursa i na kraju – nadamo se – i bolje performanse ne samo u smislu efikasnosti izračuna već i sposobnosti modela u točnom prognoziranju meteoroloških prilika.
Zadnje izmjene na WRF-NMM verziji modela predstavljaju testnu platformu novog okvira sustava numeričkih modela koje koristimo i razvijamo u MeteoAdriaticu. Cilj nam je ovom izvedbom testirati nove mogućnosti, provjeriti stabilnost svih komponenti sustava, kao i konačnih dosega prognostičkih pouzdanosti. Time predstavljamo naš novi inicijalizacijski sistem Fusion 4, koji se odnosi na sve one softverske zadaće koje imaju zadatak asimilirati što više kvalitetnih podataka koji forsiraju model. Pomoću Fusion 4 sustava gotovo u potpunosti se napušta stara doktrina numeričkog modeliranja koja koristi GFS model za inicijalizaciju visokorezolucijskih regionalnih modela. GFS model daje kvalitetne podatke za inicijalizaciju ali su oni grube horizontalne i vertikalne rezolucije. To ima za posljedicu da je za postizanje visoke rezolucije modela potrebno primijeniti ili gniježdenje domena, ili kreirati vrlo veliku domenu koja bi se koristila umjesto gniježdenja. Oba pristupa zahtijevaju povećani utrošak resursa a imaju i druge potencijalne nedostatke, kao npr. relativno dugi spin-up period.
Rješenje tog problema je korištenje podataka za forsiranje modela koji u startu imaju veću rezoluciju, jer se time izbjegava velik “skok” sa inicijalnih i bočnih podataka niske rezolucije na podatke regionalnog modela visoke rezolucije. Ovakvi skokovi nužno unose različite numeričke i dinamičke probleme koji se očituju kao greške rubova domena, a koje se u pravilu ispropagiraju prema središtu domene prije nego se stignu u potpunosti eliminirati, posebno onda kad su domene modela prostorno ograničene skromnim računalnim resursima.
U Fusion 3 inicijalizaciji tome smo donekle doskočili asimilacijom dijela DWD ICON-EU podataka koji imaju bolju rezoluciju od podataka GFS modela, ali zbog kompleksnosti cjelovitog rješenja i dalje smo za dio podataka koristili GFS. Također, nivoa konstatnog tlaka po vertikali ICON modela ima na raspolaganju svega 20-tak što ne daje dovoljnu vertikalnu rezoluciju podataka za kvalitetnu inicijalizaciju modela. Tu nastupa Fusion 4, mnogo napredniji sistem koji smo razvijali tijekom ljeta 2021 a koji se temelji na nizu izmjena u WPS kodu. U ovom sustavu, glavna novost je mogućnost korištenja ICON-EU modelskih nivoa, kojih za razliku od nivoa konstatnog tlaka ima čak 60 (plus površinski = 61). To znači povećanje vertikalne rezolucije podataka za forsiranje za 3 puta u odnosu na dosadašnji sistem! Horizontalna rezolucija ICON-EU podataka je također vrhunska te iznosi oko 6,5 kilometara, a vremenska 1 sat.
U konačnici, razvili smo sustav koji omogućuje forsiranje regionalnih WRF modela s vrhunskim podacima visoke rezolucije u sve tri dimenzije – horizontalnoj, vertikalnoj i vremenskoj. I to nije sve; izmjenama u WPS kodu omogućili smo korištenje ICON-ovih podataka o temperaturi i vlažnosti tla koji dolaze u čak 6 nivoa po dubini (za razliku od GFS-ova 4), te time više ne ovisimo o GFS podacima za pokretanje našeg NMM i ARW modela. Svaki naš NMM run sad obradi oko 20 gigabajta ICON-ovih podataka a sve u cilju kreiranja što preciznijih inicijalnih i bočnih uvjeta u domeni računanja.
Prilagodba WRF modela za forsiranje pomoću modelskih nivoa ICON-a nije trivijalan zadatak. Potrebno je dosta kodirati u fortranu kako bi se prilagodili WPS programi za prihvat podataka na modelskim nivoima, za razliku od korištenja inače standardnijih nivoa konstantnog tlaka. Pritom je nužno riješiti znatan broj prepreka i smisliti rješenja za iste, pa tako ovaj zadatak nije pogodan za početnike sa WRF modelom. To pokazuje i nekoliko neuspješnih pokušaja da pokrenemo ovako forsiran model, kad smo svaki put bili “sigurni” da je sve u redu.
Osim novog forsiranja ICON-ovim podacima visoke rezolucije u sve tri dimenzije, drugih promjena na modelu u ovoj verziji nije bilo. Zadržana je tako rezolucija od oko 3 kilometra, izrađuje se 72 sata prognoze, koristi se pritom Ristićeva mikrofizika, GDFL shema zračenja, NOAH LSM, te Mellor-Yamada-Janjic i Eta-similarity sheme za simulaciju planetarnog graničnog te površinskog sloja. Konvekcija se simulira eksplicitno. Vremenski korak integracije iznosi 6 sekundi, a vertikalnih nivoa modela ima 40, do visine od 50hPa. Za potrebe topografije koristi se GTOPO30, te za vrstu terena (land-use) MODIS, oba seta podataka u rezoluciji 30 lučnih sekundi.
U budućnosti, nakon što se ovaj novi okvir temeljen na Fusion 4 sustavu kvalitetno testira na NMM 2022 modelu, planiramo izmjenu cijelog ostatka sustava. Ugniježdene domene će postati prošlost, a ARW model će moći dobiti još malo na svojoj rezoluciji a time i otvaranju novih mogućnosti za poboljšanje istog. Također, planira se zamjena regionalne domene koju sad predstavlja ARW 10km, sa NMM verzijom koji je svakako bolje optimiziran za takve grublje izračune i usput značajno efikasniji, čime se dobiva na rasterećenju računalnih resursa koji se kasnije mogu upotrijebiti za korisnije poslove.
Korištenje NMM modela za zadatke regionalnog modeliranja omogućit će dovoljno resursa za stvaranje meteorološke baze podataka temeljene na reanalizi zadnjih nekoliko godina (vrlo slično CRD bazi) a koja će se moći upotrijebiti za izradu sustava prognoze temeljene na umjetnoj inteligenciji. Vrlo je bitno da se za takav projekt koristi numerički model koji se neće mijenjati u budućnosti previše, a za to je NMM koji se više ne razvija, idealan izbor. Za razliku od njega, ARW model kojem mijenjamo konfiguraciju barem jednom godišnje ne bi bio dobar kao izvor podataka za izradu neuronskih mreža i drugih modela strojnog učenja. Na više detalja o ovom projektu trebat će sačekati neko vrijeme, no kako smo u MeteoAdriaticu u mnogočemu bili pioniri u Hrvatskoj, tako će to biti i s prognostičkim modelima umjetne inteligencije.
Prognostičke karte novog WRF-NMM modela, verzije 2022, nalaze se na već znanoj adresi.
