Реферат: Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза Вступление

Глобальная оперативная спектральная модель Гидрометцентра России: основные характеристики и особенности использования в технологиях кратко- и среднесрочного прогноза


Вступление


Основной практической целью глобального гидродинамического прогноза погоды является получение расчетной информации о развитии атмосферных процессов над крупными территориями (полушарием) на несколько суток вперед для дальнейшей синоптической и статистической интерпретации. Помимо этого, с успешным развитием мезомасштабного моделирования, глобальный численный прогноз стал поставщиком граничных условий для моделей с более высокой пространственной детализацией по ограниченным территориям, вырабатывающих прогнозы на меньшие сроки. Глобальные модели являются прогностическими блоками глобальных систем усвоения данных метеорологических наблюдений, необходимых для выработки полей первого приближения для этих систем. Прогностическая информация на нижней границе атмосферы является необходимой составляющей для получения информации для систем прогноза и анализа деятельного слоя океана. Таким образом, функционирование и развитие глобальных численных моделей является залогом успешного функционирования всего технологического комплекса численного прогнозирования крупных прогностических центров.

Следует отметить, что для таких территориально протяженных стран, как Россия, именно глобальный численный прогноз может быть основой всей методологии составления краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды для страны, прилегающих акваторий и воздушного пространства.

В Гидрометцентре России с конца 80-х годов оперативно функционирует спектральная модель атмосферы (до 1998 г. – полушарная) с изменяющимися конфигурациями пространственного разрешения. (С 2008 г. – в версии Т169L31). Прототипом данной прогностической системы послужила спектральная модель общей циркуляции атмосферы Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП).

В настоящее время оперативная технология глобального прогноза, основанная на спектральной модели атмосферы, обеспечивает отечественной прогностической информацией все территориальные управления по гидрометеорологии Росгидромета, является ядром функционирующей в Гидрометцентре России Системы усвоения данных о состоянии атмосферы. Помимо этого, глобальная спектральная модель предоставляет граничные условия для региональной модели атмосферы. На базе данной глобальной модели в Гидрометцентре России создана система кратко- и среднесрочного ансамблевого прогноза, на одной из версий спектральной модели построена система долгосрочного (на месяц) ансамблевого прогнозирования Гидрометцентра России. Имеется целый ряд дополнительных приложений выходной продукции глобальной спектральной модели атмосферы.

В данной лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Ознакомление с математической основой и с алгоритмами глобальной спектральной модели, функционирующей в Гидрометцентре России.

2. Ознакомление со структурой и основными компонентами программного комплекса «Спектральная модель».

3. Прогностические технологии, базирующиеся на глобальном моделировании Гидрометцентра России.

4. Текущие задачи развития глобальной прогностической технологии.

В лекции использовались материалы отчетов и публикаций Лаборатории Глобальных Среднесрочных прогнозов погоды Гидрометцентра России.


^ 1. Краткое изложение математической основы глобальной спектральной модели Гидрометцентра России.


Для реализации модели атмосферной циркуляции требуется: формулирование математической модели задачи, разработка алгоритма ее решения и его программная реализацию с учетом особенностей архитектуры используемой вычислительной системы.

^ 1.1.Основные положения математической модели.

Полное описание уравнений глобальной спектральной модели атмосферы приводится в [ 8 ]. Остановимся лишь на основных положениях.

Базовая спектральная модель атмосферы основана на системе уравнений гидротермодинамики бароклинной атмосферы. Система уравнений состоит из уравнений движения, гидростатики, неразрывности, притока тепла, переноса влаги, диагностических соотношений для вертикальной составляющей скорости ветра. Для определения входящих в правые части уравнений источников тепла и влаги, (явно моделью не разрешаемых в силу своих пространственных масштабов) используется совокупность физических параметризаций подсеточных процессов: переноса радиации, конвекции, турбулентности, осадкообразования, процессов на подстилающей поверхности.

Для удобства спектрального представления уравнения движения для скорости преобразуются в уравнения для вихря и дивергенции.

Вертикальная область 0≤ σ ≤ 1 разбивается на N слоев (в оперативной конфигурации 2006 г. N=32) , разделенных N-1 уровнями с фиксированными значениями σ на них (σ = отношение Р к Рs , где Рs – атмосферное давление у земной поверхности, Р- давление на σ – уровне).

Основные переменные модели (температура, горизонтальные составляющие скорости ветра, отношение смеси), определяются для слоев и, таки образом, вычисляемые значения приписываются к значениям промежуточных σ°, которые идентифицируются полу- целыми индексами σ. Использование сигма-координаты позволяет учесть влияние орографии в модели и обойти трудности, связанные с формулировкой нижнего граничного условия.

Таким образом, область, в которой ищутся решения уравнений модели общей циркуляции атмосферы, ограничивается подстилающей поверхностью (суши или океана), и верхней границей со значением верхнего счетного σ° – полуцелого индекса σ (1/2) (верхнего счетного уровня модели атмосферы). В существующей оперативной версии модели атмосферы σ° = 0.1, что над акваториями соответствует приблизительно 10 гПа. с учетом выполнения условия равенства нулю вертикальной скорости для σ = 0 и σ = 1.

Искомыми переменными, вычисляемыми на каждом временном шаге, служат горизонтальные компоненты вектора скорости движения u = (u, v), дивергенция, вихрь скорости ветра, температура воздуха T, отношение смеси влажного воздуха q, приземное давление Ps, температура подстилающей поверхности увлажненность верхнего слоя почвы , толщина снежного покрова . Помимо этого, на каждом временном шаге вычисляются суммы выпавших осадков (конвективных и крупномасштабных), компоненты теплового баланса подстилающей поверхности, компоненты радиационного баланса подстилающей поверхности, напряжение приземного трения, притоки радиационного тепла к слоям атмосферы.

^ Независимые переменные: время t и координаты ( , , σ ) в сферической системе отсчета.

Для решения приведенных выше уравнений используются следующие граничные условия:

Для вертикальной скорости ставится условие равенства нулю вертикальной скорости для σ = 0 и σ = 1.

Для прогностических переменных – температуры, влажности, составляющих скорости ветра – отсутствия потоков, обусловленных действием факторов «подсеточной физики» выше верхнего счетного уровня.

Нижняя граница области интегрирования определяется как поверхность океана над акваториями и как граница деятельного слоя почвы над участками суши. При этом для границы атмосфера-океан нет никаких ограничений по потокам, обусловленным составляющими радиационного баланса подстилающей поверхности и турбулентными движениями в приводном слое; в случае раздела атмосфера-суша решаются уравнения для температуры и влажности деятельного слоя. В результате для каждого шага по времени вычисляются новые значения температуры и влажности Ws деятельного поверхностного слоя суши, модулирующие на следующем шаге по времени значения составляющих теплового и длинноволнового радиационного балансов. При этом величина потока из деятельного во внутренний слой почвы определяется заданием постоянных для данной ячейки значений его температуры и влагосодержания.

Для вертикальной скорости начальное условие не требуется, так как она находится из уравнения неразрывности, не содержащего производных по времени.

Помимо главного модуля, в технологии «Спектральная модель» присутствуют 2 обязательных модуля – пре – и пост- процессинг, основными задачами которых является подготовка стартового набора для модели атмосферы на расчетной сетке (препроцессинг) и, соответственно, информации для пользователей на регулярных широтно-долготных сетках и изобарической системе вертикальных координат, а также – вычисления ряда диагностических характеристик.


1.2. Используемые алгоритмы.

1.2.1. Описание метода решения уравнений модели атмосферы.

Для интегрирования уравнений модели используется так называемый спектрально-сеточный подход. Он заключается в следующем.

Все основные переменные и геопотенциал земной поверхности представляется в виде усеченных рядов Фурье с использованием присоединенных полиномов Лежандра первого рода. Используется треугольное усечение по 169 сферическим гармоникам. Для вычисления временных тенденций спектральных коэффициентов используется метод спектральных преобразований, заключающийся во введении сетки, покрывающей сферу, в одних и тех же узлах которой вычисляются значения всех искомых функций, а также – производные по горизонтальным координатам от температуры, влажности воздуха, вихря, дивергенции, логарифма приземного давления. По этим данным рассчитываются в узлах сетки подынтегральные нелинейные выражения, после чего находятся тенденции спектральных коэффициентов. Вычислительная сетка выбирается так, чтобы обеспечить в пределах ошибок усечения рядов точный вклад в тенденции спектральных коэффициентов от квадратично-нелинейных слагаемых.

Таким образом, при решении полученных уравнений часть вычислений проводится в спектральном пространстве (т.е., со спектральными коэффициентами), а часть, включая вычисление нелинейных динамических слагаемых основных прогностических уравнений и эффектов физических процессов подсеточного масштаба, — в сеточном пространстве (в узлах сетки). При переходе из спектрального пространства в сеточное выполняются некоторые расчеты в пространстве образов Фурье (с коэффициентами Фурье).

Модель параметрическим образом учитывает важнейшие процессы подсеточного масштаба: радиационно-облачное взаимодействие, процессы в пограничном слое атмосферы, проникающую конвекцию, крупномасштабную конденсацию, процессы на поверхности суши. Мелкомасштабные процессы горизонтальной турбулентности учтены с помощью диффузионной линейной схемы четвертого порядка.

П
о времени применяется полунеявная схема интегрирования. Структура временного шага модели условно изображена на рис. 1. На рисунке буквы G или S показывают, что на данном этапе вычисления проводятся в сеточном или спектральном пространстве. Запись GS (или SG) означают, что в этом месте осуществляется переход из сеточного пространства в спектральное (или наоборот). На каждом временном шаге производятся расчеты для трех моментов времени, что показано индексами t-1, t, t+1.


Рис.1. Схема шага по времени алгоритма интегрирования уравнений модели атмосферы


Программное обеспечение модели написано на Фортране. В целом, это 128 программ или около 20 000 строк.

На каждом временном шаге выполняется два сканирования по широтам, реализованные в подпрограммах SCAN1 и SCAN2. Расчеты выполняются последовательно для всех кругов широты; при этом сначала рассматривается самая северная широта, затем самая южная, затем следующая северная и следующая южная и т.д. до экватора.


1.2.2. Описание функционирования модели:

А. Блок инициализации по нормальным модам.

Блок инициализации выполняет начальное согласование полей ветра и геопотенциала путем фильтрации ложных гравитационных мод, возникающих из-за несогласованности различных видов информации в стартовых полях. Используется алгоритм нелинейной инициализации по нормальным модам. Применяется релаксационная итерационная схема. В течение каждой итерации производится аналог шага по времени модели атмосферы (в текущей версии – только динамического блока, возможно включение полной версии модели атмосферы). Количество итераций определяется в файле внешних настроек. В работающей в настоящее время версии оперативной технологии используется 5 итераций. Блок использует внешние файлы, содержащие собственные вектора нормальных мод модели атмосферы, значения которых рассчитаны для конкретной конфигурации модели атмосферы.

Модель может работать как с включением, так и без включения данного блока. Необходимость включения блока инициализации определяется соответствующим параметром в файле внешней настройки INILST, где также задаются некоторые параметры схемы инициализации.


^ Б. Блок вычислений в сеточном пространстве

После окончания работы блока инициализации, начинается непосредственное интегрирование модели атмосферы по времени. При выполнении шага по времени, сначала проводятся вычисления эффектов физических процессов подсеточного масштаба на гауссовой сетке. Расчеты выполняются последовательно для всех кругов широты; при этом сначала рассматривается самая северная широта, затем самая южная, затем следующая северная и следующая южная и т.д. до экватора. Затем в том же цикле по широтам проводятся вычисления нелинейных динамических слагаемых и рассчитываются спектральные коэффициенты для основных переменных модели и некоторых дополнительных характеристик (описание блока перехода из сеточного в спектральное пространство см. ниже).


^ В. Блок совокупности параметризаций «подсеточных» процессов

Так называемый блок «физики» вызывается на каждом временном шаге. Вызов осуществляется в циклах по широтам, для каждой широты модели атмосферы. Внутри каждой программы выполняются вычисления для всех точек на круге широты в вертикальных столбах атмосферы независимо для каждого столба. Блок «физики» состоит из нескольких последовательных «подблоков», вызываемых также на каждом временном шаге (кроме радиационного блока, частота вызова которого определяется в файле настроек SDSLST). Каждый из подблоков вычисляет тенденции значений температуры, горизонтальных компонент скорости ветра, влажности воздуха. Таким образом, после работы очередного подблока значения переменных подправляются за счет действия факторов, описываемых данным блоком. Достаточно подробное изложение алгоритмов приводится в [8]. Остановимся лишь на кратком описании основных положений.

^ В1. Радиационный подблок

Радиационный подблок объединяет расчеты переноса длинноволнового и коротковолнового излучения в толще атмосферы при наличии облачности. Выполнение полного цикла радиационных вычислений требует значительных затрат машинного времени, поэтому, как правило, в оперативных технологиях используют алгоритмы, позволяющие «прореживать» во времени ряд вычислений. Так, в настоящей версии расчеты радиационно-облачного взаимодействия могут выполняться в режиме «без суточного хода радиации», когда во всех точках широтного круга используется зонально-осредненный зенитный угол Солнца и радиационный блок включается, например, раз в сутки, и в режиме «с приближенным учетом суточного хода», когда полные радиационные вычисления проводятся несколько раз в сутки, а на каждом шаге потоки коротковолновой радиации и радиационные притоки тепла пересчитываются по упрощенным формулам с учетом текущего значения зенитного угла Солнца [2]. В работающей в настоящее время технологии полные циклы расчетов выполняются 2 раза в сутки и включен режим приближенного учета суточного хода. Выбор режима и частота включений полного радиационного блока определяются соответствующими параметрами в файле внешней настройки SDSLST. Основным результатом работы является приращение значений температуры в ячейках атмосферы за счет радиационных притоков и компоненты радиационного баланса на поверхности земли, используемые для последующих вычислений термического состояния подстилающей поверхности


^ В.2. Подблок конвекции

Подблок конвекции вычисляет изменение температуры и влажности в ячейках атмосферы за счет параметризованных вертикальных конвективных движений, за счет конденсации влаги в случае достижения состояния насыщения и испарения выпадающих осадков. Помимо этого, вычисляются суммы осадков конвективной природы, приращения влажности почвы и высоты снежного покрова за счет поступления конвективных осадков на подстилающую поверхность.

Для расчетов используется алгоритм проникающей конвекции КУО-74 [8], несколько модифицированный при создании версий модели с повышенным пространственным разрешением.


^ В3. Подблок вертикальной диффузии

Подблок вертикальной диффузии производит вычисления приращений температуры, влажности, горизонтальных компонент скорости ветра за счет вертикального турбулентного, а также осуществляет расчет значений турбулентных потоков тепла и влаги на поверхности земли, используемых для последующих вычислений характеристик подстилающей поверхности. Блок состоит из 4-х подпрограмм: определения констант и параметров и подпрограмм расчета тенденций температуры, влажности и горизонтальных компонент скорости ветра. Для приземного слоя атмосферы используются соотношения теории подобия Монина – Обухова, для пограничного слоя и свободной атмосферы - параметризация Льюиса [8].


^ В.4. Подблок крупномасштабной конденсации

Подблок крупномасштабной конденсации производит вычисления приращений значений температуры и влажности за счет конденсации влаги и испарения осадков при их выпадении. Начало конденсации определяется при достижении в ячейке влажности насыщения, начало выпадения осадков – при соблюдении дополнительных условий (схема Кеслера). Помимо этого, выполняются вычисления приращения влажности почвы и высоты снежного покрова за счет достигших подстилающую поверхность осадков. Подблок состоит из 2-х подпрограмм – расчет констант и параметров и собственно программы моделирования процессов крупномасштабной конденсации.


^ В.5. Подблок расчетов на подстилающей поверхности

Подблок производит расчеты характеристик термо-влажностного состояния подстилающей поверхности (только материковых участков). В течение всего периода прогноза температура морской поверхности остается неизменной. Блок выполняет определение значений температуры и влажности деятельного слоя суши, а также – водного эквивалента снежного покрова (при его наличии). Вычисления производятся путем решения уравнения эволюции во времени температуры деятельного слоя суши как результат действия всех компонент теплового баланса земной поверхности. Для влажности почвы изменения за счет выпадения осадков производятся в блоках конвекции и крупномасштабной конденсации, в блоке расчетов процессов на подстилающей поверхности производятся вычисления только изменений влажности почвы за счет таяния снега, и испарения влаги, перетекания влаги в нижележащий

Используется неявная схема интегрирования по времени. Подблок состоит из 2-х подпрограмм - вычисление констант и параметров и собственно программы вычислений характеристик подстилающей поверхности.


^ Г. Блок вычислений в спектральном пространстве

Вторая часть вычислений на временном шаге модели осуществляется в пространстве спектральных коэффициентов. На этом этапе решается уравнение Гельмгольца и вычисляется полунеявная части временных тенденций(п./п. TSTEP).

Далее учитывается вклад горизонтальной турбулентной диффузии. Необходимость введения данной процедуры связана с тем, что при интегрировании по времени может происходить перенос энергии по спектру в сторону высокочастотных колебаний и неправдоподобное возрастание амплитуд коротких волн вблизи границы спектрального усечения (эффект спектрального блокирования). Для этого в уравнения вносятся диффузионные члены, препятствующие паразитарному росту амплитуд высокочастотных гармоник.

После этого осуществляется переход в сеточное пространство

^ Д. Блоки перехода из спектрального пространства в сеточное и обратно

На каждом временном шаге модели приходится переходить от сеточных значений к значениям спектральных коэффициентов путем использования прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ) и прямого и обратного преобразования Лежандра. Соответствующие блоки перехода могут использовать либо программу БПФ, разработанную в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), либо программу БПФ из математической библиотеки, имеющейся на ЭВМ. В настоящей оперативной технологии используется программа БПФ Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды.

После перехода в сеточное пространство (все переменные представлены в узлах широтно-долготной сетки, учет всех влияющих факторов произведен), завершается шаг по времени. Перед переходом на очередной шаг по времени производится формирование результирующего выходного массива, включающего все результаты вычислений на данном временном шаге. В случае, если номер выполненного шага совпадает с указанным во внешнем потоке одним из номеров, для которых необходим вывод результатов для обработки и представления для пользователей, формируется и записывается «History» - файл, содержащий результаты вычислений.


^ 2. Структура и основные компоненты программного комплекса «Спектральная модель»

Структура технологии и схема ее функционирования в рамках Автоматизированной системы оперативной обработки информации (АСООИ) Гидрометцентра России показана на рис.1. Технология состоит из следующих компонент:

- Выбор и чтение информации объективного анализа данных метеорологических наблюдений из оперативных пользовательских баз данных АСООИ Гидрометцентра России SHOT, ASDB, MRFS для дальнейшего преобразования в другие виды информации, необходимые для непосредственного интегрирования уравнений модели атмосферы. При этом резервируется несколько вариантов источников входной информации при отсутствии основного из-за аварийных или сбойных ситуаций (компонента Пре-прцессинг);

- Расчеты значений совокупности метеорологических характеристик с выдачей результатов каждые 6 часов по заблаговременностям в каждой точке сетки модельного пространства в сигма-системе вертикальных координат до высоты ≈ 10 гПа на 31 уровне с шагом ≈ 1.4х1.4° гауссовой широтно-долготной сетки (компонента Модель);

- Преобразование рассчитанных моделью значений в характеристики для пользователей - перевод в другие системы вертикальных координат, интерполяция в узлы стандартных регулярных широтно-долготных сеток, расчеты по диагностическим соотношениям, статистическая коррекция результатов расчетов ( компонента Пост-процессинг)

- Запись информации в пользовательские базы данных как непосредственно рассчитанной в модели в узлах модельной системы координат, так и после интерполяции. В результате в базы данных поступает информация численных прогнозов для Северного и Южного полушарий полей геопотенциала, температуры, относительной влажности, скорости ветра на стандартных изобарических поверхностях, давления на уровне моря, осадков и облачности различного генезиса, приземной температуры и влажности воздуха, скорости ветра и т.д. На модельной сетке, помимо полей в свободной атмосфере и перечисленных элементов погоды, в базы данных записываются ряд других характеристик, целесообразных для научных исследований, важнейшими из которых являются поля различных компонент теплового и радиационного балансов земной поверхности и отдельных поверхностей в атмосфере (компонента Пост-процессинг).

- Оценка успешности прогнозов по ПК, выпущенных за предшествующие сроки при работе технологии в оперативном режиме. При работе технологии в исследовательском режиме расчет оценок осуществляется для прогноза за срок, по которому был осуществлен численный эксперимент. Запись результатов оперативных оценок в пользовательские базы данных (Компонента Задача расчета оценок).


2.1. Общая схема функционирования технологии.

На рис.1. пунктиром выделен Программный Комплекс «Спектральная модель», являющийся подкомлексом АСООИ Гидрометцентра России. Выполнение процедур, находящихся за пределами выделенной области, теснейшим образом связано с работой ПК, но производится средствами АСООИ в рамках других задач и технологий, поэтому в настоящем документе не рассматривается. Часть из них выполняется в качестве дальнейшей обработки информации, получаемой ПК «Спектральная модель».

Для того, чтобы ПК «Спектральная модель» оперативно вычислил совокупность прогнозов по заданному сроку исходных данных, требуется предшествующее выполнение целого ряда задач сеанса обработки информации за этот срок в рамках АСООИ. Итогом предшествующей технологической цепочки является оперативное поступление полей объективного анализа (ОА) Гидрометцентра России в оперативную базу данных Гидрометцентра России (1.3.8.) “SHOT”- . В случае непоступления необходимых полей первого приближения ПК стартует с данных, вырабатываемых Глобальной системой усвоения данных (ГСУД) Гидрометцентра России, записанных в базу данных ASDB. В свою очередь, ГСУД, будучи автономной системой, не зависящей от поступления зарубежной прогностической информации, заполняет ASDB по 4-м срокам ежедневно.

Выполнение задач ПК осуществляется в 2-х параллельных сеансах счета. Суть построения такой системы заключается в том, что обработка результатов (пост-процессинг) выполняется на фоне интегрирования модели атмосферы. Таким образом, за 1-4 часа до окончания счета пользователи имеют возможность работать с прогнозами по мере их подготовки. Такая организация счета обусловлена требованиями высокой степени оперативности к информации, необходимой для выпуска синоптиками прогнозов погоды, а также - достаточно высокими вычислительными затратами (следовательно – времени счета), необходимых для выполнения ПК.

I параллельный сеанс включает в себя задачи пре-процессинга и интегрирования модели. После отработки пре-процессинга подготовленный этой задачей стартовый набор для модели атмосферы записывается в виде файла для последующего чтения задачей модели атмосферы. Задача «Модель атмосферы» стартует по окончании задачи «препроцессинг». Совокупность заблаговременностей (номера шагов по времени), прогнозы на которые требуется обрабатывать и записывать в базы данных, а также другая информация о режиме работы системы, задаются во внешних файлах. Как только интегрирование достигает заданного шага по времени, происходит запись результатов счета в так называемее «History» - файлы.

II параллельный сеанс (задача «пост-процессинг») стартует одновременно со стартом задачи «модель атмосферы».

Старт задачи «Препроцессинг» осуществляется по команде монитора АСООИ, при этом сообщается дата и начальный срок (путем обращения задачи к внешнему файлу и считывания информации из него). Заполнение файла с датой обеспечивается автоматически средствами АСООИ. В случае режима работы технологии в автономном (исследовательском) режиме задание даты и срока производится «вручную».

Из внешних файлов, не изменяемых в процессе оперативных процедур АСООИ и ПК «Спектральная модель», производится считывание информации, задающих режим работы модели

(заблаговременности прогнозов для дальнейшей обработки, максимальная заблаговременность, конфигурация модели атмосферы).

.


^ MRFS

(климат)



SHOTELF

ASDB













MRFS

Файлы настройки

Стартовый набор














RAWFSDB














SELF

Дочерние задачи

АСООИ












Визуализация на компьютерах прогнозистов ГМЦ РФ




I параллльный сеанс счета II параллельный сеанс счета


Рис.1. Структура программного комплекса “Спектральная модель” в рамках параллельных сеансов АСООИ

(крупными овалами показаны базы данных, более мелкими - наборы данных, прямоугольниками - исполняемые модули - см.текст


^ А. Компонента препроцессинг

Компонента «Препроцессинг» является обязательной компонентой при любой организации функционирования моделей атмосферы в конкретной технологической среде.

В программном комплексе «Спектральная модель» Оперативной технологии Гидрометцентра России компонента «препроцессинг» выполняет следующие функции:

- чтение из оперативных циклических баз Гидрометцентра России полей объективного анализа и дополнительных полей - характеристик земной поверхности,

- преобразование полученной информации в начальные данные для модели атмосферы на модельной системе горизонтальных и вертикальных координат: горизонтальная и вертикальная интерполяция данных, вычисление значений необходимых элементов по диагностическим соотношениям,

- формирование стартового набора для компоненты «Модель атмосферы».

После чтения информации из баз данных Гидрометцентра России, производятся следующие вычисления:

- горизонтальная интерполяция;

- вертикальная интерполяция горизонтальных составляющих полей ветра;

- вычисление значений профилей температуры и отношения смеси по значению геопотенциала и дефицита точки росы одновременно с процедурой вертикальной интерполяции этих величин

Горизонтальная интерполяция с сетки объективного анализа (по состоянию на 2008 г. – регулярная широтно-долготная сетка 1.25 х 1.25°) на вычислительную гауссову сетку модели атмосферы (для версии T169L31 размерность 512 128 узлов для каждого из полушарий с равномерным шагом по долготе  и слегка меняющимся шагом по широте (около 0,7)) производится для метеорологических элементов, прочитанных из оперативных пользовательских баз данных Гидрометцентра России:

- геопотенциальные высоты изобарических поверхностей,

- горизонтальные составляющие скорости ветра,

-дефицит точки росы.

Процедуры интерполяции осуществляются одной и той же совокупностью программ в цикле по перечисленным элементам. Процедура интерполяции заключается в представлении исходных полей на сетке объективного в ряды Фурье с использованием полиномов Лежандра с последующей сборкой на гауссовой сетке. При этом максимальные волновые числа m и n определяются по соотношениям для определения максимальные волновые числа для гауссовой сетки близкого пространственного разрешения (См. [8]).

Вертикальная интерполяция производится для получения начальных значений переменных модели атмосферы на сигма-поверхностях (огибающих рельеф) по данным полей объективного анализа на уровнях стандартных изобарических поверхностей.

Процедуры вертикальной интерполяции для горизонтальных составляющих скорости ветра выполняются независимо друг от друга для U и V. При этом используется техника сплайн- интерполяции. На уровне рельефа принимается равенство нулю значений горизонтальных составляющих скорости ветра. Поле рельефа строится предварительно при подготовке новой версии модели атмосферы в соответствии с пространственным разрешением модели и спектральным представлением переменных.

Вертикальная интерполяция температуры производится в несколько этапов:

- определение значений виртуальной температуры на стандартных изобарических поверхностях путем решения уравнения статики;

- определение значений относительной влажности воздуха по значениям дефицита точки росы (из Объективного анализа) и полученной виртуальной температуре (по соотношениям формулы Магнуса, связывающей упругость насыщения с температурой воздуха). Процедура выполняется путем итераций - виртуальная температура – упругость водяного пара – откорректированная температура – упругость водяного пара – откорректированная температура. Предполагается, что по окончании итерационного процесса на выходе вычисляется близкая к реальной (не виртуальная) температура воздуха и упругость водяного пара. Затем производятся вычисления относительной влажности воздуха.

- вертикальная интерполяция с использованием сплайн – технологий, полученных в предыдущих вычислениях профилей температуры;

- вертикальная интерполяция относительной влажности воздуха с предположением о ее постоянном значении в нижних слоях атмосферы;

- вычисления