Новая технология объективного анализа на основе модели 3D-VAR

В соответствие с Планом испытания и внедрения новых и усовершенствованных методов (технологий) гидрометеорологических прогнозов на 2011 г. в ФГБУ «Гидрометцентр России» в период с апреля по сентябрь 2011 г. проводились оперативные испытания новой технологии глобального объективного анализа (OA) метеорологических полей на основе 3D-Var.


Краткое описание технологии

Новая схема глобального трёхмерного вариационного усвоения (объективного анализа) данных, реализующая метод 3D-Var, основана на оригинальной и не имеющей прямых аналогов в мировой практике модели пространственных ковариаций на базе трёхмерных фильтров авторегрессии и скользящего среднего. В анализе по методу 3D-Var метеорологические данные усваиваются глобально, что обеспечивает гладкость полей анализа и возможность более эффективного усвоения нелокальных спутниковых наблюдений по сравнению с эксплуатируемой в настоящее время схемой ОА на основе оптимальной интерполяции. Новая схема глобального трёхмерного вариационного ОА позволяет усваивать данные следующих видов метеорологических наблюдений:
- традиционные контактные наблюдения: приземные, радиозондовые, самолётные;
- спутниковые наблюдения: микроволновые с использованием прибора AMSU-A, радиозатменные наблюдения с использованием систем COSMIC, GRAS и GRACE; скаттерометрические наблюдения с использованием системы ASCAT; ветровые по движению облаков и полям влажности с использованием систем AMV-Geo, AMV-Polar и AMV-Leogeo;
- выполнены работы по подготовке к усвоению данных наблюдений с помощью прибора AMSU-B, содержащих информацию о тропосферной влажности.

Испытываемая схема ОА 3D-Var использовала в качестве первого приближения прогностические поля 6-часового прогноза NCEP (Вашингтон, США).

Пространственное разрешение формируемых полей анализа составляет 0.5 градуса по горизонтали и 38 уровней по вертикали (от 1075 гПа до 0,5 гПа). Разрешение полей приращений анализа по отношению к прогнозу составляет 1,5 градуса.

Новая схема усвоения данных 3D-Var функционирует в экспериментальном режиме на ЭВМ SGI Altix-4700 с 28 января 2011 года (оперативный аккаунт opera3f). Подготовка данных наблюдений для счета схемы ОА осуществлялась на 8-м узле вычислительного кластера ФГБУ «Гидрометцентр России».

Время счета комплекта полей ОА на ЭВМ SGI Altix-4700 составляет 7-9 минут. Анализы выпускались 4 раза в сутки за сроки 0, 6, 12, 18 ч ВСВ с запаздыванием относительно сроков наблюдений не более 2 ч 44 мин. Счёт прогнозов по модели ПЛАВ с использованием новой схемы ОА и запись прогностических полей в базы данных (БД LA3F) выполнялись на ЭВМ SGI Altix-4700 с 27 марта 2011 г.


Методика испытаний

Испытания проводились следующим образом. Оценка качества новой схемы ОА проводилась путем оценки качества прогнозов, рассчитываемых на основе получаемых с помощью этой схемы полей ОА. Для получения оценок была использована оперативная глобальная полулагранжева модель ПЛАВ, как лучшая глобальная модель Гидрометцентра России. С использованием модели ПЛАВ за каждый срок рассчитывались два варианта прогнозов:
- прогнозы с использованием эксплуатируемой оперативной схемы ОА (оперативные прогнозы);
- прогнозы с использованием новой схемы OA.

Используя полученные прогностические поля, была проведена оценка качества прогнозов с привлечением данных измерений на станциях (для приземных полей - метеорологические станции, для полей в свободной атмосфере – аэрологические станции). Данные на станциях были предварительно проконтролированы.

Были получены оценки для прогнозов, стартующих от исходного срока 00 ч ВСВ на срок до 72 ч для двух территорий - Европы и Азии для следующих полей: давление на уровне моря, приземные поля температуры и ветра, поля геопотенциала, температуры и ветра на уровнях 850, 500 и 250 гПа. Дополнительно была проведена оценка прогнозов осадков, полученных для обоих вариантов счета модели ПЛАВ по станциям Европейской территории России.

Для сравнения по той же методике были получены оценки и зарубежных глобальных моделей - UKMO (Великобритания) и NCEP (США).

Период оценки - с 16 апреля по 13 сентября 2011 г.; для полей приземной температуры и осадков - с 9 августа по 13 сентября 2011 г. Отметим, что из-за технических и технологических причин часть прогнозов не была просчитана и не участвовала в оценке.


Результаты испытаний

В период с 16 апреля по 4 сентября 2011 г. были получены и обработаны данные по 475 срокам наблюдений (из общего количества 568 сроков - 142 дня). При расчёте полей ОА за указанный период было выявлено 33 сбоя, причем некоторые сбои приводили к отказам расчёта анализов за несколько последовательных сроков. Были выявлены следующие причины сбоев:
- сбои в работе ЭВМ Altix-4700 - 12 случаев или 36% от общего числа сбоев;
- сбои в работе 8-го вычислительного узла - 3 случая или 9 %;
- отсутствие полей первого приближения в БД NCMN - 7 случаев или 21 %;
- сбои в работе базы данных анализов (БД F385) - 1 случай или 3 %;
- сбои в новой схеме анализа - 3 случая или 9 %;
- сбои по неустановленным причинам - 7 случаев или 21 %.


Выводы

Результаты сравнения позволяют сделать следующие основные выводы:
- Прогнозы по модели ПЛАВ, стартовавшей от нового OA, по всем метеоэлементам на всех уровнях по обеим территориям оценки оказались несколько лучше, чем оперативные прогнозы по той же модели (стартовавшие с оперативного ОА). Наибольшее преимущество новая схема ОА обеспечила для прогностических полей давления на уровне моря и приземной температуры. Среднеквадратическая ошибка прогнозов давления на уровне моря для территории Европы уменьшилась на 0,3 – 0,6 гПа, а геопотенциала – на 0,2 – 0,3 дам; для приземной температуры среднеквадратическая ошибка уменьшилась на 0,9 – 1,1°С, а в свободной атмосфере – на 0,1 – 0,3°С; прогнозы ветра на всех уровнях улучшились незначительно; прогнозы осадков при использовании обеих схем ОА по успешности оказались практически одинаковыми.


Решение ЦМКП от 21 октября 2011 г.

ЦМКП считает необходимым:
1. Одобрить работу ФГБУ «Гидрометцентр России» по созданию новой схемы объективного анализа с использования метода 3D-Var и технологии на ее основе для решения оперативных задач, возложенных на Росгидромет.
2. Рекомендовать новую схему ОА 3D-Var к внедрению в опытную эксплуатацию в ФГБУ «ГВЦ Росгидромета», ФГБУ «Гидрометцентр России» после проведения работ по обеспечению достаточной надежности выпуска продукции.
3. Рекомендовать ФГБУ «Гидрометцентр России», ФГБУ «ГВЦ Росгидромета» принять необходимые меры для обеспечения надежного выпуска продукции ОА, включая повышение технологичности программного комплекса ОА 3D-Var, организацию счета ОА 3D-Var на двух вычислительных платформах (для обеспечения «горячего» резервирования).
4. ФГБУ «Гидрометцентр России» продолжить мониторинг показателей качества ОА 3D-Var, включая оценку надежности выпуска продукции. Результаты мониторинга представить на заседании ЦМКП во 2 квартале 2012 года для принятия решения о вводе технологии ОА 3D-Var в оперативную эксплуатацию.
5. Рекомендовать авторам продолжить работу по совершенствованию технологии ОА 3D-Var и созданию системы циклического усвоения данных наблюдений на основе оперативных гидродинамических моделей ФГБУ «Гидрометцентр России».


Авторы
М.Д. Цырульников, П.И.Свиренко, В.Е. Горин, М.Е.Горбунов, А.Л.Ордин


Контакты
М.Д. Цырульников
ФБГУ «Гидрометцентр России»
E-mail: cyrulnic@mecom.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России