Б1 «Совместная калибровка Askervein + Perdigão» — записка

Волна Б модели воздуха, исполнитель Б1, ветка air/b1. Контракт — C10 v3 (docs/contracts/air-model.md): общая схема tools/research/cases/scheme.py, общие правила постановки tools/research/cases/rules.py. Код, данные, команды — tools/research/cases/b1/README.md. Решатель (air.py, solver.py), код игры и конфиги не менялись.

Коротко

  • Общая длина перемешивания λ = 27 м (+4 −3) по обоим случаям вместе. χ²/ndf = 208/76: Askervein 165 на 47 наблюдаемых, Perdigão 43 на 35. Свои параметры случаев: α_A = 0,242 ± 0,004, z0_A = 0,05 м (+0,05 −0,03); α_NE = 0,33 (край сетки), α_SW = 0,29 ± 0,03, z0_P = 1,0 м (край сетки).
  • Случаи тянут λ в разные стороны. Askervein сам по себе даёт λ = 145 м (+150 −50), χ² 136/44. Perdigão сам по себе упирается в нижний край λ = 10 м, χ² 29/31. Плата за общий параметр — Δχ² = 44. Так получается и на 2-м порядке, и после поправки сетки. Это структурное расхождение модели, параметр λ его не снимает (подробнее — §4).
  • λ/h и lam по этим случаям не разделяются. В нейтрали без нагрева λ = max(lam, λ/h·h), а h у обоих случаев ≈ 1600–1800 м. Перевод «λ = λ/h·h_случая» даёт λ/h = 0,018 ± 0,0035 и χ² на 7,5 меньше. Но это выигрыш за счёт z0 (z0 через u* меняет h случая), а не данные о λ/h. Для разделения нужны случаи с другим h: слабый ветер, конвекция.
  • Систематика схемы игры (1-й порядок против 2-го в лучшей точке, в параметры не входит): χ² 209 → 282. Askervein: разгоны ниже на 0,05–0,13 (−1…−2σ по группам). Perdigão: ≤ 0,09 (≤ 0,65σ).
  • Регрессия матрицы А2.
    • Перевод (а) lam = 27 м, lam_frac = 0: в штиль с нагревом окно 100 м не сходится (3001 итерация, max), cbl 7/8.
    • Перевод (б) lam = 40, lam_frac = 0,0158: все cbl 8/8. Цена в цепочке игры (400 → 100 → 50 м, штиль с нагревом) +14 % итераций против new (493 против 433). На области 200 м в штиль с нагревом — 1101 итерация против 261.
    • Оговорка к (б): в нейтральных случаях калибровки он даёт λ = 40 м, потому что пол lam выигрывает (0,0158·1700 = 27). Это Δχ² = +5,7 от совместного минимума: Askervein лучше, Perdigão хуже.

1. Сопоставимость (этап 1, принято К2 → C10 v3)

НастройкаAskerveinPerdigãoПравило
Схемаscheme.pyscheme.pyодна
H (перепад рельефа в области наблюдений)119,9 м (HT над RS)173,6 м (гребень − дно, Menke 2019 табл. 2)одно определение
dx, H/dx20 м, 6,030 м, 5,8dx = H/5,8 к шагу данных; dz = dx/2
Область, губка боковая200 клеток (4 км), 35 клеток (700 м)200 клеток (6 км), 35 клеток (1050 м)N_DOM 200, 35 клеток
Потолок, губка верхняявысшая точка + 7,5 H; губка от высшей точкито жеодно правило
Профиль притокаz_sat = 0,3·h = 450 м427–444 мz_sat = 0,3·(0,3u*/f), max_profile = (z_sat/10)^α
Опорная скоростьU10 8,8: модель на RS 10 м = данные 8,895U10 3,27 / 3,12: модель на гребне 100 м = U100модель на опорной точке = данные у номинала
Лесd = 0DSM + 12,6 м · доля леса; z0 скаляродин способ
НаблюдаемыеΔS к RS на той же высоте; профиль RSu_∥/S_ref на мачтах; зона Menkeнижняя граница 1·dz; σ ⊕ 0,03
Устойчивостьнейтральмодель нейтральна, Δ_уст → σ—

Данные притока для z_sat (b1/out/fig_inflow.png). Askervein: змей до 267 м насыщения не показывает (местный показатель 0,21). Perdigão: по RHI-лидарам рост ветра прекращается на ≈ 400 м (NE) и ≈ 580 м (SW) над равниной притока.

Опора Askervein. Опорная мачта RS стоит в губке притока, то есть равна измеренному профилю. В области ×1,5 она выходит из губки, и её 10-м скорость растёт на 5 %: профиль модели при z0 0,03 не держит α 0,235. При этом разгоны к неизменному притоку меняются в среднем на +0,008. Поэтому эффект области — смена опоры, а не изменение течения над холмом. Область идёт в σ половиной, без сдвига.

Сеточная поправка. Δ = y(dx·2/3) − y(dx). dx/2 (32–37 млн клеток) не помещается в 12 ГБ.

  • У номинала: Askervein в среднем +0,04, максимум 0,16; Perdigão ≤ 0,10.
  • В лучшей точке поправка от номинала годится: разница rms 0,13–0,14σ, максимум 0,10. Прямой прогон dx·2/3 без поправки даёт χ² 212 против 209.

SW Perdigão. На мачтах долины ветер повёрнут вдоль долины (118–177° при притоке 216°): это каналирование, нейтральное среднее поле его не воспроизводит. Наблюдаемое на всех мачтах обоих подслучаев — u_∥/S_ref, как у зоны Menke. Мачты не исключались, веса не понижались.

2. Пачка и подгонка

  • Сетки по λ (lam_frac = 0, lam = λ; 10–400 м, лог., 9 значений):
    • Askervein: α 0,19–0,28 (7) × z0 0,01–0,3 (лог., 5) — 315 прогонов;
    • Perdigão: α 0,15–0,33 (5) × z0 0,1–1,0 (лог., 5) × NE/SW — 450 прогонов.
  • Все строки проходят check_c10 с 0 нарушений: 319 строк Askervein, 458 Perdigão, вместе с проверкой у лучшей точки.
  • Не ok — 1 прогон (SW, λ 10, α 0,33, z0 0,1: max 4000). Итерации 91–1441 (Askervein), 141–621 (NE), 151–4001 (SW).
  • GPU: 1,55 ч Askervein + 2,33 ч Perdigão (RTX 4070 SUPER).
  • Подгонка — b1/fit.py: кубическая интерполяция по (ln λ, α, ln z0), iminuit (MIGRAD, MINOS), χ² по формуле C10. Зона Menke — одно наблюдение на величину (среднее модели NE и SW).
Вариантλ, мα_Az0_A, мα_NEα_SWz0_P, мχ²/ndfAskerveinPerdigão
совместно, одно λ27,1 (+3,9 −3,2)0,242 ± 0,0040,052 (+0,048 −0,029)0,33 (край)0,287 ± 0,0341,0 (край)208,3/76165,243,2
совместно, λ = λ/h·h_i (λ/h 0,0182 ± 0,0035)38,6 / 22,1 / 21,10,2390,170,310,210,31200,8/76156,544,2
совместно, общий α_P29,00,2420,0530,33= α_NE1,0209,9/77 (Δχ² 1,6)162,647,3
только Askervein145 (+151 −48)0,2350,20———135,5/44135,5—
только Perdigão10 (край)——0,33 (край)0,281,0 (край)28,6/31—28,6

χ² по группам (совместно):

Группаχ²n
Askervein, подветренная сторона94,28
Askervein, линия B29,111
Askervein, наветренная сторона25,712
Askervein, вершина12,88
профиль RS3,48
зона Menke7,53
NE tse119,32
NE tse095,53
SW tse064,62
остальные мачты Perdigão≤ 1,5—

Края сетки. Основной вариант упирается в α_NE = 0,33 и z0_P = 1,0. Сетку не расширяли:

  • z0 > 1 м при dz 15 м теряет смысл (z1/z0 < 7,5, пристенная функция ломается);
  • α > 0,33 — выше оценки по шероховатости для леса (Counihan 1975: ≈ 0,24–0,27 при z0 1–2 м).

Оба параметра уходят на край, чтобы усилить дефицит скорости у земли и рециркуляцию. Это то же структурное расхождение, что в §4, а не недостаток сетки. Профили χ²: b1/out/fig_fit_profiles.png.

3. Проверка у лучшей точки (b1/out/best_table.md)

Прогонитераций A/NE/SWχ² Askerveinχ² Perdigãoвсего
лучшая точка (прямой прогон; суррогат 208,3)101/231/231165,243,4208,6
local_k выкл121/241/251252,727,9280,6
1-й порядок (схема игры)101/171/161234,448,0282,4
dx·2/3, без поправки сетки391/481/451170,441,5211,9

local_k выкл помогает Perdigão (−15), но вредит Askervein (+88): выбор А3 (вкл.) подтверждается.

Систематика схемы игры (1-й − 2-й порядок), в параметры не входит:

  • Askervein: вершина −0,13 (−2,0σ), подветренная сторона −0,09 (−1,6σ), линия B −0,06, наветренная −0,05.
  • Perdigão: мачты −0,01…−0,08 (до −0,65σ); зона почти не меняется (NE L/D 0,40 → 0,40).

4. Отрыв за грядой при малом λ — ответ на вопрос плана

Малое λ не завышает отрыв за двойной грядой: даже при λ = 27 м и α, z0 на краях зона Perdigão меньше данных.

данныемодель
NE: L/D0,500,40
NE: глубина/H0,900,70
NE: max(−u)/U1000,220,11
SW: L/D0,500,20
SW: глубина/H0,900,33
SW: max(−u)/U1000,220,07

Обратного течения на мачтах NE в долине (tse09–tse11, данные −0,13…−0,22) модель тоже не набирает.

За одиночным холмом Askervein при том же λ дефицит скорости, наоборот, сильнее данных:

данныемодель
ANE10+0,40−0,03
AANE20−0,06−0,45
AANE30−0,19−0,58

Одно λ не может одновременно усилить рециркуляцию в долине и ослабить след за холмом. Возможные причины — первый порядок K-замыкания, стационарное среднее поле, неразрешённый внутренний слой (Askervein, AM-09), каналирование и стратификация в долине Perdigão. Это граница модели («Границы модели»), а не недоподогнанный параметр.

5. Регрессия матрицы А2 (b1/out/a2_regression.md, tools/research/a2pre/out/matrix_b1.jsonl)

Онгудай, цепочка 400 → 100 → 50 м и область 200 м; штиль и 3 м/с; с нагревом и без; cbl и surface. α, z0, max_profile Онгудая не подбирались: взяты номинал игры (0,14 / 0,1 / 1,8) и перекалибровка (0,235 / 0,09 / 2,0).

Наборcbl: сошлосьитераций cblс решателя cblsurface: сошлось
old (λ/h 0,25), А28/8151633,7 с4/4
new (λ/h 0,031), А28/8157635,3 с2/4
(а) lam 27, lam_frac 0 — game / recal7/8 (w100 штиль с нагревом: max)5486 / 544695,8 / 95,1 с2/4
(б) lam 40, lam_frac 0,0158 — game / recal8/82506 / 247667,0 / 66,7 с2/4

Разница цены (б) против new — только в штиль с нагревом:

  • цепочка игры: 201/61/231 против 161/61/211 итераций, 6,4 против 5,8 с;
  • область 200 м: 1101 против 261 итерации.

При 3 м/с и без нагрева цена та же. Surface в штиль с нагревом не сходится, как и у new в А2 (это не режим игры).

6. Рекомендация и открытые вопросы

  • Для игры — перевод (б): lam = 40 м, lam_frac ≈ 0,016. Все cbl-случаи сходятся. В нейтрали он даёт λ = 40 м: это внутри напряжения двух случаев, Δχ² +5,7 от совместного минимума.
    • (а) с λ = 27 м ближе к минимуму, но ломает сходимость окна 100 м в штиль с нагревом.
    • Решение по α (координатор): α_A = 0,242 ± 0,004 — нейтральный сильный ветер Askervein. Для Perdigão α упирается в край, как параметр игры не годится.
  • Моррис. Подгонкой параметров тех же факторов напряжение не снимается: λ одно, а local_k его перераспределяет между случаями. Повтор Морриса имеет смысл только как поиск структурного фактора (замыкание, Pr_t в нейтрали не действует) — решение пользователя.
  • λ/h против lam. Для разделения нужен случай с другим h (слабый ветер или конвекция).
  • Обход. Регрессия на области 200 м в штиль с нагревом стала в 4 раза дороже (λ меньше, чем у new: 40 против 0,031·h). Эталон picard/ и bench на 200 м надо пересчитать при переносе в игру.

Картинки

tools/research/cases/b1/out/:

  • fig_fit_profile_lam.png — профиль χ²(λ) по случаям;
  • fig_fit_map_lf_lam.png — карта Δχ²(λ/h, lam);
  • fig_fit_residuals.png — остатки;
  • fig_fit_profiles.png — профили α, z0;
  • fig_best_sections.png — разрезы Perdigão в лучшей точке;
  • fig_inflow.png — данные притока;
  • fig_ctl_obs.png, fig_ctl_sections.png — контроль у номинала.

Источники

Taylor & Teunissen 1987, BLM 39:15 (данные — Zenodo 4095052, CC BY 4.0) · Menke et al. 2019, ACP 19:2713 · NCAR/EOL ISFS Perdigão, doi:10.26023/ZDMJ-D1TY-FG14 · Raupach 1994, BLM 71:211 · Whiteman & Doran 1993, JAM 32:1669 · Counihan 1975, Atmos. Env. 9:871 · Blackadar 1962, JGR 67:3095 · Holtslag & Boville 1993, J. Climate 6:1825.