ALADIN a LACE (1993)

ALADIN A LACE - MEZINÁRODNÍ SPOLUPRÁCE ČHMÚ V NUMERICKÉ PŘEDPOVĚDI POČASÍ

Numerická předpověď počasí je jednou z moderních a zároveň jednou z nejnáročnějších meteorologických disciplín, která prodělává v posledních desetiletích bouřlivý vývoj. Obrovský skok v technologii modelování atmosféry byl a je možný díky stále výkonnějším počítačům, na kte­rých je numerická předpověď řešena v prostorově jemnějším měřítku a v daleko komplexnějším matematicko-fyzikálním kontextu. Produkty předpovědních modelů dnes tvoří zá­kladní materiál, s jehož pomocí je vyhotoveno a zajištěno mnoho finálních výstupů a úloh, které meteorologická služ­ba poskytuje jak veřejnosti, tak privátním zákazníkům.

Globální modely integrované až na několik dní pro po­skytnutí střednědobé předpovědi, jsou provozovány pouze v Regionálních meteorologických centrech či velkých po­větrnostních službách, jakými jsou např. Evropské centrum pro střednědobou předpověď počasí se sídlem v Readingu (ECMWF), Meteorologická služba Velké Británie se sídlem v Bracknellu, Meteorologická služba Francie přenesená z Paříže do Toulouse, či Povětrnostní služba Spolkové re­publiky Německo se sídlem v Offenbachu. Naproti tomu většina národních meteorologických služeb, a to i menších zemí, počítá operativně tzv. modely na omezené oblasti -LAM (Limited Area Model), které pracují s jemnějšími roz­lišeními než modely globální, a které jsou orientovány na krátkodobou předpověď do 48 hodin. Tyto modely by měly sloužit především při tvorbě regionalizovaných krátkodo­bých předpovědí, kde produkty globálních modelů jsou již příliš hrubé. Mají taktéž uplatnění v dalších návazných obo­rech (čistota ovzduší, meteorologické zabezpečení jaderných havárií, hydroprognóza apod.).

V naší službě je v denním provozu model na omezené oblasti, a to od dubna 1988. Přesto, že svou technologií numerické a dynamické části odpovídá evropské úrovni (je plně srovnatelný s modelem EVROPA Spolkové republiky Německo nebo PERIDOT francouzské služby), nevýkonná výpočetní technika nám nedovolovala jemnější krok sítě než 330 km a 12 vertikálních hladin. I nyní, kdy na nových pracovních stanicích SUN můžeme přejít na rozlišení kolem 140 km v operativním provozu, budou výsledky LAM ČHMÚ odrážet vývoj synoptického měřítka, a pro práci pro­gnózního meteorologa budou mít stejný význam jako pro­dukty globálních modelů, které dostáváme v hrubém roz­lišení po linkách globálního telekomunikačního systému Světové meteorologické organizace. Další pravdou je, že v malém týmu pracovníků není možné postihnout širokou škálu úloh současné numerické předpovědi. Chybí nám bo­hatší parametrizace fyzikálních procesů v modelu, odpoví­dající objektivní numerická analýza, rozvinuté statistické a verifikační metody a mnoho dalších operativních problémů je řešeno na úrovni nutného minima. Přes všechna praktická omezení zůstává LAM ČHMÚ nesmírně cenným pro pří­pravu odborníků v modelování a stále velmi užitečným pro řadu speciálních úloh. Mezi nejdůležitější patří výpočty tra­jektorií vzduchových částic vystupujících z lokalit ja­derných elektráren.

Pokud však chceme vyhovět nutně rostoucím nárokům na kvalitu modelů, na omezené oblasti s hustou sítí uzlových bodů, máme jedinou možnost - spolupracovat s ostatními evropskými meteorologickými službami a zajistit si tak nejen předpovědní materiály pro denní provoz služby, ale i lepší osvojení moderních technologií a „know-how".

Projekt ALADIN

První možnost mezinárodní spolupráce v oboru nume­rických předpovědí byla nabídka francouzské meteorolo­gické služby - Météo-France - z počátku roku 1991 (po návštěvě ředitele Leboau). Jednalo se o vývoj moderního LAM modelu určeného pro operativní krátkodobou předpo­věď mezo-synoptického měřítka. Ředitel francouzské služby rozšířil toto pozvání na meteorologické služby zemí střední a východní Evropy (Bulharsko, Maďarsko, Polsko, Ru­munsko a Slovensko). Od samého počátku se na projektu podílely služby česká, maďarská a rumunská, které se spolu s francouzskou službou staly hlavními a nejsilnějšími partnery.

Design společného projektu spočíval ve vývoji „Limited Area Version" globálního numerického prognostického systému ARPEGE/EFS. Zprvu jsme tedy pracovně hovořili o modelu LAM/ARPEGE. Vysvětlím zkratky používané v souvislosti s LAM/ARPEGE.

ARPEGE je původní dosti rozsáhlý projekt, realizovaný v úzké spolupráci Météo-France a ECMWF. Nosná idea je skryta přímo v názvu: Action Recherche Petite Echelle GTande Echelle - ARPEGE je globálním modelem s pro­měnlivou délkou kroku sítě. Zkratka IFS, používaná v ECMWF, znamená Integrated Forecasting System a vy­jadřuje druhý hlavní rys modelu: ARPEGE není pouze „oby­čejným" předpovědním modelem, ale celým systémem urče­ným pro řešení četných úloh v oblasti numerických předpo­vědních metod (NPM). Jinými slovy tentýž kód je používán pro numerickou analýzu, asimilaci dat, třídimenzionální předpovědní model, simulační modely např. mělké vody, variační úlohy a zpracování výsledků tzv. post-processing.

Verze ARPEGE pro omezenou oblast dostala zakrátko své vlastní jméno ALADIN: Aire Limitée Adaptation dy-namique Développement INternational. Hlavní vývojová fáze modelu ALADIN započala v září 1991 v základním týmu čtyř stážistů a třech pracovníků Météo-France. Práce na projektu řídil Alain Joly. V brzké době se mezinárodní tým rozrostl o další stážisty a připojila se také rakouská služba.

Během téměř rekordní doby čtrnácti měsíců vývoje jsme dosáhli prvního důležitého cíle: model ALADIN byl na světě a my jsme začali vyhodnocovat jeho první předpovědi a dále jej ladit. Podívejme se nyní, jaké hlavní charakte­ristiky má ALADIN.

Definice oblasti integrace a hustota rozlišení, tj. délka horizontálního kroku sítě, se dají volit tak, aby vyhovovaly potřebám jednotlivých služeb. Tato podmínka je zaručena velmi obecným programovým prostředím. ALADIN může­me integrovat s úplně stejnou geometrií, tj. pro stejnou geo­grafickou oblast jako má model ČHMU, nebo jako PERI-DOT, či v oblastech německých modelů EVROPA, resp. DEUTSCHLAND (zaujímající oblast Německa a Švý­carska). Výběr mapové projekce se dá podřídit oblasti. Tak například ve vyšších zeměpisných šířkách je logické si vy­brat polární stereografickou projekci mapy, ve středních šířkách mapu Lambertovy projekce a pro subtropy a rovní­kové oblasti mapu válcové Merkatorovy projekce. Anebo, pro jiné další experimenty, lze kteroukoliv mapu rotovat tak, abychom dostali polohu rovníku a pólů dle našich po­třeb. Volbu horizontálního kroku sítě modelu můžeme při­způsobit tak, aby ladila s celkovou velikostí oblasti a po­žadavky na numerickou simulaci.

Důležitým rysem je spektrální zobrazení prognostických proměnných v horizontálních plochách. Zatím existují pouze dva spektrální modely na omezené oblasti použitelné v ope­rativní praxi - japonský model a model ALADIN. Všechny další operativní modely včetně modelu ČHMU jsou na bázi konečných diferencí. Výjimku tvoří kanadský tým, který se orientuje na metodu konečných prvků. Tato skutečnost navozuje řadu dotazů, zda je spektrální technika vhodná pro modely s hustou sítí uzlových bodů počítaných na ome­zené oblasti. Tyto dotazy a pochybnosti vyplývají z toho, že řada pracovníků má zatím s touto technikou malé zku­šenosti. Na základě prvních výsledků předpovědí s modelem ALADIN počítaných pro výrazně baroklinní situace se uka­zuje, že spektrální metoda je spíše přínosem a mohu-li po­rovnat, má mnohem lepší vlastnosti než metoda konečných diferencí.

Vertikální souřadnice je stejná jako u modelů ARPEGE či ECMWF - hybridní souřadnice r\, kopírující orografii ve spodních hladinách modelu a plynule přecházející v horní atmosféře do p-systému.

Fyzikální parametrizace mají stejnou škálu jako model ARPEGE, navíc jsou řešeny tak, aby se dal celý soubor vyměnit, např. s fyzikálními parametrizacemi skandinávské­ho modelu označovaného zkratkou HIRLAM.

Vrátím se nyní ke kalendáři projektu a jeho financování. Od října 1992 do konce února 1993 se pracovní mezinárodní tým soustředil na testování nového modelu včetně metod v něm použitých:

• inicializace digitálním filtrem,
• studium vlastností přenosu časových změn proměnných v okrajové oblasti globálního modelu do modelu s hus­tou sítí uzlových bodů počítaného na omezené oblasti. Tato procedura se nazývá coupling,
• biperiodizace polí, tj. rozšíření oblasti LAM modelu o určitou okrajovou zónu uzlových bodů, ve které se prognostické proměnné dodefinovávají tak, aby na této rozšířené oblasti byly prognostické proměnné periodické ve směru osy x a y v horizontální rovině,
• verifikační programy,
• spouštěcí shell, tj. soustava programů, které startují vý­počet modelu při experimentálních výpočtech či kvazi-operativním provozu.

Na podzim roku 1992 jsme získali další grant orientovaný na výzkumná témata doktorských prací mladých meteoro­logů. V současnosti se řeší čtyři témata:

1. Linearizovaná verze modelu s vypracováním programu pro testování citlivosti modelu na změny v počátečních podmínkách, tzv. adjoing procedura, která je důležitá pro testování citlivosti modelu a jeho prediktabilní schopnos­ti. Výsledky budou použity v následné čtyřrozměrné (x, y, p, t) variační asimilaci dat (András Horányi, Ma­ďarsko).
2. Studium vlivu vlastností zemského povrchu (Elena Cordoneanu, Rumunsko).
3. Srovnání dvou technik používaných při modelování v jemné síti uzlových bodů: teleskopizační metoda představující soustavu vkládaných modelů se stále hustší sítí uzlových bodů oproti metodě proměnné sítě, tedy srovnání modelu ALADIN s modelem ARPEGE „hyper-stretched". Stretching představuje speciální techniku volby soustavy uzlových bodů definovaných geogra­fickými souřadnicemi cp a k. Metoda je definována Schmittovým konformním (při zachování úhlů) zobra­zením koule na samu sebe. Největší zahuštění uzlových bodů je na pólu. Podle toho jak chceme mít hustou síť ve zvolené oblasti, volíme polohu pólu. U modelu ALA­DIN je pól umístěn přímo na Paříž. (Michaela Caian, Rumunsko).
4. Nehydrostatická verze modelu ALADIN (Radmila Bubnová, Česká republika).

Kromě zajištění vědeckého rozvoje modelu, grant Evropského společenství získaný s konečnou platností v říjnu 1993, umožní vlastní doladění modelu a jeho plnou připravenost pro rutinní předpovědní provoz. Tohoto pro­jektu, garantovaného finančně Evropským společenstvím, se zúčastní Bulharsko, Česká republika, Maďarsko, Polsko, Rumunsko a Slovensko, ze strany ES pak Francie a Dánsko. Otázkou je, kde, kdy a v jakých podmínkách bude možné model ALADIN provozovat, abychom dosáhli požadova­ného užitku z jeho výsledků. A právě v tomto bodě nava­zuje logicky projekt LACE, iniciovaný rakouskou meteoro­logickou službou, který má za cíl provozovat operativně model s jemnou sítí uzlových bodů v oblasti střední Evropy.

Projekt LACE

Počátek rakouské iniciativy sdružit země střední Evropy do společného projektu modelování LACE (Limited Area Central Europe) sahá již do doby zrodu projektu ALADIN (konec r. 1990). Rakouská služba tehdy přizvala ke spo­lupráci službu českou, chorvatskou, maďarskou, polskou, slovenskou a slovinskou. Při tomto výčtu vyvstane jistě leckterému čtenáři maně na mysli meteorologická asociace stařičkého mocnářství.

Nosná myšlenka vybudovat spolupráci malých středo­evropských zemí s ambiciózními aplikačními cíli je velmi dobrá a jako taková byla přijata všemi účastnickými stra­nami. Bohužel ekonomická nevyváženost v našem regionu a chybějící zkušenosti v modelování nedovolují zorganizo­vat podobnou strukturu, jako například mají země projektu HIRLAM (High Resolution Limited Area Model: Dánsko, Irsko, Island, Finsko, Holandsko, Norsko a Švédsko). Fakt, že Rakousko by se podílelo finančně na realizaci nume­rického centra podstatně více než ostatní státy a krylo by náklady na hlavní počítač, znamená situování tohoto centra do Vídně. Na druhou stranu Česká republika, Maďarsko a dále i Slovinsko mají dostatek zkušeností s numerickým modelováním, kdežto situace ve zbylých službách je po­měrně horší. Tento handicap je hlavní příčinou pomalého pokroku a poněkud váhavého přístupu k realizaci. Nicméně během posledních několika měsíců byla vypracována předběžná studie, jejíž podstatné závěry zde uvedu. Týto závěry jsou shrnuty v dodatku k dokumentu „Memoran­dum of Understanding", podepsaným na začátku září 1993 řediteli zainteresovaných služeb, resp. stálými zástupci těchto služeb ve WMO.

Regionální centrum bude mít samozřejmě mezinárodní statut. Jeho hlavní úlohou bude zabezpečení operativního provozu moderního modelu mezo-synoptického měřítka a zajištění kvalitních NWP produktů pro všechny účastnické země. Mimo to bude poskytovat školicí a tréninkové ka­pacity pro personál přispívajících služeb a bude organizovat semináře a konference. Centrum bude řízeno koncilem ře­ditelů participujících služeb, který zavede vhodná mana­žerská pravidla, vědeckou radu a finanční komisi.

Operativní model centra LACE musí nutně odpovídat ny­nější technologické úrovni, abychom dosáhli žádané kvality produktů. Pro ujasnění situace - v rámci LACE není ani do­statek finančních prostředků, ani natolik silný NWP tým, aby se dal zajistit vývoj tohoto modelu „na zelené louce" s dota­žením do operativní praxe. Tato prostá pravda znamená při­jmout jediné možné řešení: navázat kontakt s některou z „větších" evropských meteorologických služeb, která by poskytla software modelu, boční okrajové podmínky z řídícího globálního modelu a pomoc při zaškolování jak vědeckého, tak technického týmu. V Evropě přicházejí v úvahu pouze tři služby, které mají silnější odborné týmy a zkušenost s ope­rativním provozem - německá, francouzská a anglická.

Tato centra jsou ochotna poskytnout zdarma LAM software, to je ovšem velmi malý krůček k reálnému denní­mu provozu modelu. Moderní NWP kódy, které zajišťují efektivitu provozu, modularitu a univerzalitu použití, jsou dosti komplikované a objemné. Proto není možné, a bylo by to i nebezpečné, zkusit dát do provozu sice připravenou, ale jinak zcela neznámou „černou skříňku" na superpočítači, a stále ještě se chtít vyrovnat s provozními problémy a vy­víjet další produkty na poli aplikované meteorologie.

Skupina expertů po zvážení mnoha otázek a vzhledem k posledním aktivitám zúčastněných služeb doporučuje kontrakt s Météo-France. Toto rozhodnutí bylo učiněno na základě několika velmi důležitých faktů:

• existence velmi úspěšného a dobře pokračujícího pro­jektu, ve kterém spolupracují Bulharsko, Česká re­publika, Francie, Maďarsko, Polsko, Rakousko a Ru­munsko;
• tato spolupráce již přinesla své výsledky - vyvinutí modelu ALADIN, který svým moderním stylem splňu­je nemalé nároky na kvalitu a univerzalitu použití v budoucím centru;
• během vývoje modelu se zformoval dobře pracující tým, ke kterému se na podzim 1993 připojili stážisté ze Slovenska a Slovinska, čímž se plně předejde ne­bezpečí provozu „černé skříňky";
• existující kód ALADINU je nejen dobrou výchozí zá­kladnou pro četné meteorologické aplikace, ale také mocným nástrojem pro výzkum;
• Francouzská meteorologická služba je ochotno pod­porovat projekt LACE:

• poskytnutím výcviku zdarma a zajištěním údržby a kompatibility kódu z jejich strany;
• výcvikem a technickou podporou personálu pro­vozujícího operativně model na superpočítači;
• pokračováním ve vědecké spolupráci s existujícím týmem, což pomůže výraznějšímu rozvoji modelu.

Aby se zajistil korektní chod centra LACE spolu s ambi­cemi dosáhnout širší škály praktických aplikací, bude potře­ba soustředit tým v počtu asi 10 vědeckých pracovníků a 6 technických pracovníků. Přitom by postačovalo, aby alespoň polovina těchto lidí byla přítomna v centru permanentně, ostatní by pracovali s pomocí vzdálených terminálů. Dále lidé v týmu by se střídali a to tak, aby určitou část svého času pracovali v centru a druhou část v domácí službě.

ALADIN by se měl provozovat s vysokým rozlišením, a to vždy vyšším než řídící globální model ARPEGE, který poskytuje boční okrajové podmínky. Nejnižší akceptovatel­ný poměr rozlišení je 1:1,4, Z tohoto požadavku se dá vyjít při odhadu potřebného výkonu a paměti hlavního počítače. Pro rok 1994 to představuje konfiguraci modelu ALADIN s efektivním horizontálním rozlišením 20 km a 27 verti­kálními hladinami, na což postačuje průměrný výkon stroje 400 Mflops, centrální paměť 128 Mw a SSD (Solid State Disc) paměť také 128 Mw. Je samozřejmé, že pro pozdější období musíme provést odhad znovu.

Na zajištění přenosu bočních okrajových podmínek je nutná telekomunikační linka o kapacitě alespoň 64 kbps. Pro přenos produktů ve vnitřní struktuře postačuje kapacita 9,6 kbps. Bude nezbytné zavést spojení INTERNET pro umožnění práce ze vzdálených terminálů a výměnu informa­ce elektronickou poštou.