Atlas vjetra - metodologija izrade karata


Iako je najizravnija i najtočnija metoda određivanja prostorne razdiobe brzine i smjera vjetra uspostava višegodišnjih mjerenja, zbog velike horizontalne i vertikalne promjenjivosti prizemnog vjetra u atmosferi, brojnih lokalnih utjecaja na strujanje, kao i zbog prisutnosti termički uzrokovane lokalne cirkulacije izmjereni podaci su reprezentativni samo za relativno usko područje oko mjerne lokacije. Ako se zbog cijene isključi mjerenje vjetra na nerazumno gustoj mreži točaka, jedini znanstveno utemeljeni način da se dobije klimatski reprezentativna razdioba brzine vjetra je korištenje numeričkih modela atmosfere.

U meteorološkoj je praksi uobičajeno da se u tu svrhu nad većim područjem i u uvjetima složenog terena koriste mezoskalni modeli atmosfere, kao oblik dinamičke prilagodbe na mrežu točaka veće horizontalne razlučivosti (eng. "downscaling") podataka reanalize dobivenih na osnovi rezultata globalnih modela atmosfere ili klimatskih modela.

Kako bi dobiveni rezultati bili što je manje moguće pod utjecajem stalnih promjena u postavkama modela (fizici, dinamici i numerici) do kojih dolazi tijekom razvoja i unapređenja svakog modela, kao osnova za prilagodbu na mrežu točaka veće horizontalne razlučivosti koriste se podaci reanalize koja sadrži rezultate istog modela s istim ulaznim podacima u dužem vremenskom razdoblju. Tako smo za potrebe ove studije koristili podatke reanalize ERA40 (Kållberg et. al., 2004) Europskog centra za srednjoročne prognoze vremena (ECMWF) (http://www.ecmwf.int). Reanaliza je napravljena korištenjem operativnog globalnog model atmosfere ECMWF-a IFS (Integrated forecasting system). Horizontalna razlučivost ERA40 polja je ~125 km sa 60 vertikalnih nivoa do visine 0.1 hPa (~65 km).

Budući da je za klimatsku sliku strujanja koja reprezentira razdiobu smjera i brzine vjetra na nekom prostoru potrebno raspolagati rezultatima modeliranja u razdoblju od najmanje 10 godina, korišteni su rezultati reanalize raspoloživi u najbližem 10-godišnjem razdoblju 1992-2001. Iako podaci reanalize mogu biti korisni za ocjenu atmosferskog strujanja iznad planetarnog graničnog sloja, procjena brzine i smjera prizemnog vjetra globalnim modelima je ograničene točnosti. Razlog tome je da postavke modela i donji rubni uvjeti (teren, prizemne nehomogenosti) nisu formulirani tako da simuliraju mezoskalne procese na skali manjoj od više stotina kilometara i nekoliko sati. Međutim, upravo te prostorne i vremenske skale značajno utječu na klimatologiju vjetra u složenom terenu Hrvatske, gdje su česte mezoskalne pojave kao što su bura i jugo te lokalne obalne i planinske cirkulacije. Stoga, u našim krajevima reanalize globalnih modela nužno moraju biti prilagođene na veću horizontalnu razlučivost da bi pružile reprezentativnu i točniju informaciju o brzini i smjeru vjetra i njihovoj prostornoj promjenjivosti.

Zbog svoje učestalosti i jačine, bura (npr. Smith, 1987; Bajić, 1989) i jugo (Jurčec i sur., 1996) su osobito važni za ocjenu režima strujanja nad našim područjem. Kako se ova prostorno i vremenski vrlo promjenjiva atmosferska strujanja najčešće javljaju u sklopu mezoskalnih ciklonalnih sustava u Sredozemlju (Horvath i sur., 2008), a i sama su određena mezoskalnom orografskom perturbacijom, sposobnost mezoskalnih meteoroloških modela za simuliranje nelinearne dinamike i termalnih karakteristika (npr. statičke stabilnosti) zračnih masa vezanih za ove pojave od izrazite je važnosti.

Stoga je koristeći hrvatsku verziju mezoskalnog numeričkog modela atmosfere za ograničeno područje ALADIN (Aire Limitee Adaptation Dynamique Developement International) (Bubnova i sur., 1995) napravljena dinamička prilagodba na veću horizontalnu razlučivost.

ALADIN je spektralni model sa hibridnom η koordinatom (Simmons i Burridge, 1981), koji koristi semi-implicitnu semi-lagrangijansku shemu integracije s dva vremenska koraka (eng. "two-time-level semi-implicit semi-lagrangian scheme"). Fizikalne parametrizacije uključuju parametrizaciju vertikalne difuzije (Louis i sur., 1982) i plitke konvekcije (Geleyn, 1987). Stratiformni i konvektivni procesi razmatraju se pojedinačno s Kessler-ovom vrstom parametrizacije velike skale tzv. "razlučenom oborinom" (Kessler, 1969) i modificiranom Kuo-ovom shemom duboke konvekcije (Geleyn i sur., 1982). Zračenje je opisano prema Geleyn i Hollingsworth (1979) te Ritter i Geleyn (1992). Vertikalni transport vlage i topline u tlu s dva sloja u modelu parametriziran je prema Giard i Bazile (2000).

Postavke modela ALADIN/HR uključuju hidrostatsku verziju s 37 vertikalnih nivoa s najvećom gustoćom u donjih nekoliko stotina metara nad tlom (najniži nivo modela na 17 m) i 8 km horizontalne razlučivosti. Domena integracije modela (područje proračuna) zbog prirode problema obuhvaća i područje oko Hrvatske (Ivatek-Šahdan, Tudor, 2004). Kao početni i rubni uvjeti koristile su se već spomenute reanalize Europskog centra za srednjoročne prognoze vremena (ECMWF) ERA-40 (Kållberg i sur., 2004), dosptupne s vremenskim intervalom od 6 sati. Kako su rezultati dinamičke prilagodbe ERA-40 podataka modelom ALADIN na mrežu točaka od ~10 km horizontalne razlučivosti usporedivi bez obzira koristi li se međudomena (Beck i sur., 2004; Žagar i sur., 2006), napravljeno je direktno gniježđenje (eng. "nesting") modela na globalne podatke. Priprema globalnih podataka za integraciju uključila je prostornu interpolaciju i korištenje filtra za digitalnu inicijalizaciju analize (Lynch i Huang, 1994). Model je inicijaliziran svakodnevno u 12 UTC i integriran kroz prognostičko razdoblje od 42 sata.

Nakon integracije podaci od 12-satnog do 35-satnog prognostičkog razdoblja s vremenskim razlučivanjem od 60 minuta svaki su dan kroz 10 godina dinamički adaptirani (Žagar, Rakovec, 1999) na mrežu točaka horizontalne razlučivosti 2 km (229 x 205 točaka) na smanjenoj domeni. Dinamička adaptacija je napravljena upotrebom 30 vremenskih koraka, s reduciranim brojem nivoa iznad 1 km visine iznad tla i uz isključene sve parametrizacije osim parametrizacije vertikalne difuzije.

Tako dobiven 10-godišnji niz vrijednosti brzine vjetra u svakoj točki mreže osrednjen je kako bi se dobila srednja godišnja brzina vjetra. Dobivena vrijednost srednje godišnje brzine vjetra pridijeljena je kvadratu 2 km x 2 km s točkom mreže u centru kvadrata. Na taj način dobiveni podaci poslužili su kao ulazni za kartografski prikaz razdiobe srednje godišnje brzine vjetra.

Opširnije informacije o metodologiji, rezultatima i verifikaciji s mjernim podacima mogu se naći u sljedećim radovima:

Bajić, A. Ivatek-Šahdan, S. i K. Horvath, 2009: Prostorna razdioba brzine vjetra na području Hrvatske dobivena numeričkim modelom atmosfere ALADIN. Hrvatski meteorološki časopis 42, 66-77.

Horvath, K., A. Bajić, i S. Ivatek-Šahdan, 2011: Dynamical downscaling of wind speed in complex terrain prone to bora-type flows. J. Appl. Meteor. Climatol., 50, 1676-1691.

Osoba za kontakt: dr. sc. Alica Bajić; (tel: +385 1 4565 678; alica.bajic(at)cirus.dhz.hr)

Literatura:

Bajić, A., 1989: Severe bora on the northern Adriatic. Part I: Statistical analysis. Rasprave-Papers, 24, 1-9.
Beck A., B. Ahrens i K. Stadlbacker, 2004: Impact of nesting strategies in dynamical downscaling of reanalysis data. Geophys. Res. Let., 31, L19101, doi:10.1029/2004GL020115.
Bubnova R., G. Hello, P. Benard i J-F. Geleyn, 1995: Integration of fully elastic equations cast in the hydrostatic pressure terrain-following coordinate in the framework of ARPEGE/ALADIN NWP system. Mon. Wea. Rev., 123, 515-535.
Geleyn, J-F., 1987: Use of a modified Richardson number for parametrizing the effect of shallow convection. In: Matsuno Z. (ed)., Short and medium range weather prediction, Speciall volume of J. Meteor. Soc. Japan, 141-149.
Geleyn, J-F., C. Girard i J-F. Louis, 1982: A simple parametrization of moist convection for large-scale atmospheric models. Beitr. Phys. Atmos., 55, 325-334.
Geleyn, J-F. i A. Hollingsworth, 1979: An economical analytical method for computation of the interaction between scattering and line apsorption of radiation. Contr. Atmos. Phys., 52, 1-16.
Giard, D. i E. Bazile, 2000: Implementation of a new assimilation scheme for soil and surface variables in a global NWP model. Mon. Wea. Rev., 128, 997-1015.
Horvath, K., A. Bajić i S. Ivatek-Šahdan, 2011: Dynamical downscaling of wind speed in complex terrain prone to bora-type flows. J. Appl. Meteor. Climatol., 50, 1676-1691.
Horvath, K., Y.-L. Lin i B. Ivančan-Picek, 2008: Classification of Cyclone Tracks over Apennines and the Adriatic Sea. Mon. Wea. Rev., 136, 2210-2227.
Ivatek-Šahdan S. i M. Tudor, 2004: Use of high-resolution dynamical adaptation in operational suite and research impact studies. Meteorol. Z., 13, 99-108.
Jurčec, V., B., Ivančan-Picek, V. Tutiš, i V. Vukičević, 1996: Severe Adriatic Jugo wind. Meteorol. Z., 5, 67-75.
Kållberg P., A. Simmons, S. Uppala, and M. Fuentes, 2004: The ERA-40 archive. ECMWF ERA-40 Project Report Series, 17, 1-35.
Kessler, E., 1969: On distribution and continuity of water substance in atmospheric circulations. Met. Mon. Am. Met. Soc., 10, br. 32, 84 str.
Louis JF., M. Tiedke, and J-F. Geleyn, 1982: A short history of PBL parametrisation at ECMWF. Proceedings from the ECMWF Workshop on Planetary Boundary Layer Parametrisation, 59 - 79.
Lynch, P. i X. Y. Huang, 1994: Diabatic initialization using recursive filters. Tellus, 46A, 583-597.
Ritter, B. i J-F. Geleyn, 1992: A comprehensive radiation scheme for numerical weather prediction models with potential applications in climate simulations. Mon. Wea. Rev., 120, 303-325.
Simmons, A. J. i D. M. Burridge, 1981: An energy and angular momentum conserving vertical finite-difference scheme and hybrid vertical coordinate. Mon. Wea. Rev., 109, 758-766.
Smith, R. B., 1987: Aerial observations of the Yugoslavian bora. J. Atmos. Sci., 44, 269-297.
Žagar N., M. Žagar, J. Cedilnik, G. Gregorič i J. Rakovec, 2006: Validation of mesoscale low-level winds obtained by dynamical downscaling of ERA-40 over complex terrain. Tellus, 58, 445-455.
Žagar M. i J. Rakovec, 1999: Small-scale surface wind prediction using dynamic adaptation. Tellus, 51, 489-504.