Гидродинамический прогноз приземной температуры воздуха на основе спектральной модели T85L31 с заблаговременностью до 84 ч.

В Гидрометцентре России создан метод гидродинамического прогноза приземной температуры воздуха (на высоте 2 м) с заблаговременностью до 96 ч, являющийся частью комплекса работ, направленных на развитие системы гидродинамического прогнозирования элементов приземной погоды на базе глобальной модели атмосферы T85L31.

Гидродинамические прогнозы приземной температуры воздуха рассчитываются в узлах широтно-долготной сетки c шагом 1,25х1,25° по исходным срокам 00 и 12 МСВ с дискретностью по времени 6 ч. Они поступают в базу данных «Прогноз» Гидрометцентра России дважды в сутки (не позднее 4.00 и 17.00 МСВ соответственно). Реализация метода в единой технологии выпуска и распространения оперативной выходной продукции позволяет получать результаты расчетов, опережая время поступления аналогичной продукции из зарубежных центров.

Прогностические поля температуры доступны пользователям локальной вычислительной сети ГВЦ Росгидромета, а также могут быть представлены в коде ГРИБ в виде сводок. Наличие программных средств визуализации позволяет представлять поля в виде карт.


Практическая значимость прогнозов полей температуры воздуха

Прогнозы приземной температуры воздуха в качестве продукта гидродинамических моделей атмосферы являются наиболее востребованными в практике современного прогнозирования погоды. Они дают наглядную картину эволюции пространственного распределения полей температуры над обширными территориями, сведения о трансформации воздушных масс, температурных градиентах. Следовательно, помогают прогнозисту-синоптику определить границы воздушных масс с контрастными свойствами, положение фронтальных разделов и их перемещение. Указанные свойства прогностических полей крайне важны для повышения точности синоптического анализа и прогноза, а так же для представления информации в доступной и наглядной форме потребителям, для размещении на web-сайтах и т.д.

На рисунке 1 в качестве примера приведены прогнозы приземной температуры воздуха, демонстрирующие перемещение арктического воздуха и резкое похолодание на Европейской части России 02.02.2003. В средней полосе величина понижения температуры составила около 20°С за сутки. Похолодание было правильно спрогнозировано за 4 суток.

    Рис. 1

Прогнозы приземной температуры воздуха заблаговременностью 60 ч – (слева) и 84 ч (справа). Величина понижения температуры в средней полосе Европейской территории России составила около 20°С за сутки.


Описание алгоритма и основных влияющих факторов

В модели атмосферы T85L31 вычисления производятся на 31 сигма-поверхности ( ,
P – атмосферное давление на атмосферном уровне, p* – давление на уровне земли), самый нижний из которых имеет значение 0.996. Соответственно, высота нижнего расчетного уровня над подстилающей поверхностью (по соотношениям статики) зависит от термического состояния приземного (приводного) слоя атмосферы и в большинстве случаев находится на высоте 20-40 м. Следуя алгоритмам модели атмосферы, высота нижнего счетного уровня принимается в схемах параметризации за верхнюю границу приземного пограничного слоя (ППС) атмосферы. Таким образом, восстановление температуры на произвольной приземной высоте сводится к задаче восстановления температурного профиля в пределах ППС по известным значениям на его границах. Температура на нижней границе считается равной температуре подстилающей поверхности, которая также является прогностической переменной модели атмосферы.

На рисунке 2 показаны основные факторы, определяющие распределение температуры внутри приземного пограничного слоя в модели T85L31.

Рис. 2

Уравнение эволюции температуры подстилающей поверхности Тs, используемое в модели атмосферы, имеет вид:



Cs – теплоемкость верхнего слоя почвы,
Bsw – баланс потоков солнечной радиации,
Blw – длинноволновый баланс,
P – турбулентный поток явного тепла,
LE – турбулентный поток скрытого тепла,
Wmelt – теплота, выделяемая при таянии снега,
S2 – поток тепла вглубь почвы.

Как видно, одним из важнейших факторов является радиационный баланс подстилающей поверхности, качество воспроизведения которого в модели определяется не только работой всего радиационного блока, но и правильностью задания радиационных свойств подстилающей поверхности.

Для повышения успешности прогнозов приземной температуры воздуха был выполнен ряд модификаций оперативной прогностической системы «Спектральная модель атмосферы T85L31». А именно: учтен суточный цикл солнечной радиации, произведена коррекция схем вертикальной турбулентной диффузии, изменены архивные характеристики свойств подстилающей поверхности, модифицирован пре-процессинг для усвоения текущей информации о значениях температуры подстилающей поверхности взамен климатической, реализованы в пост-процессинге блоки, обеспечивающие расчеты приземных метеовеличин, их интерполяцию и запись в оперативные базы банка данных «Прогноз» Гидрометцентра России в узлах широтно-долготной сетки 1,25х1,25°.

В настоящее время серьезным недостатком существующей технологии является тот факт, что целый ряд стартовой информации, касающейся свойств подстилающей поверхности, использует не текущие, а климатические значения. Это относится к заданию влажности почвы, высоты снежного покрова, температуры второго почвенного уровня. Таким образом, если погодные условия какого-нибудь месяца существенно отличаются от климатических условий того или иного региона, то следует ожидать существенных искажений в прогнозах приземной температуры. Примером может служить март 2004 г., когда снежный покров в Московском регионе сошел существенно раньше срока (в первых числах марта). в этот период систематическая ошибка методических прогнозов дневной температуры воздуха составила 6-7°С, в то время как ночные температуры (при отрицательных значениях фактической температуры) в этот месяц прогнозировались достаточно успешно.


Результаты оперативных испытаний

Оперативные испытания метода прогноза приземной температуры воздуха на основе модели атмосферы T85L31 проводились в Гидрометцентре России в период с октября 2003 г. по август 2004 г. Оценка успешности методических прогнозов была выполнена для 39 пунктов России и Республики Беларусь (из них 30 пунктов расположены на территории России, включая 9 станций Московской области, и 9 пунктов – на территории Республики Беларусь).

Результаты испытаний показали:
–  успешность прогнозов приземной температуры воздуха в теплый период года оказалась выше успешности в холодный период;
–  на Европейской части России и территории Республики Беларусь в летний период в большинстве случаев оправдываемость прогнозов температуры воздуха заблаговременностью 24-36 ч, 48–60 ч и 72–84 ч составляла соответственно 80–95%, 75-90% и 65-85%.
–  прогнозы приземной температуры воздуха в пунктах, расположенных на Европейской части России, на территории Республики Беларусь и в Западной Сибири в среднем были более успешными по сравнению с прогнозами по регионам Восточной Сибири и Дальнего Востока;
–  значения коэффициентов корреляции, вычисленных для Москвы, Новосибирска, Якутска и Владивостока, при заблаговременности прогнозов 24 ч составили соответственно 0.83, 0.84, 090 и 0.69, а при заблаговременности прогнозов 60 ч – соответственно 0.86, 0.65, 0.77, и 0.69;
–  анализ суточных изменений температуры воздуха во Владивостоке в июле месяце показал, что модель адекватно отражала ход температуры по дням, вместе с тем систематически завышала ее величины на 5–10°, что свидетельствовало об отсутствии в модели учета местных физико-географических особенностей;
–  сравнительный анализ коэффициентов корреляции (r) для Москвы, рассчитанных по прогностическим и фактическим значениям температуры на станции ВВЦ, показал, что в прогнозах на первые и вторые сутки тесноту связи характеризовали величины r=0,92-0,85, в прогнозах на третьи сутки – величины r=0,70-0,60, превышая коэффициенты корреляции инерционного прогноза на 0,20–0,40.

Общий вывод: прогностические поля приземной температуры воздуха, предвычисленные по испытываемому методу с заблаговременностью до 84 ч, удовлетворительно отражают температурные изменения, связанные с развитием процессов синоптического масштаба.


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета (ЦМКП) 23 ноября 2004г. одобрила работу Гидрометцентра России по созданию метода гидродинамического прогноза приземной температуры воздуха на основе выходной продукции глобальной модели атмосферы T85L31. Комиссия рекомендовала Гидрометцентру России:
–  внедрить в оперативную технологию данный метод прогноза приземной температуры воздуха как вспомогательный,
–  обеспечить выпуск гидродинамических прогнозов температуры у поверхности Земли с заблаговременностью до 84 ч по исходным срокам 00 и 12 МСВ и распространение их наряду с другой прогностической продукцией спектральной модели Т85L31 во второй половине 2005 г.

ЦМКП рекомендовала сетевым прогностическим подразделениям использовать в оперативной практике прогнозы приземной температуры воздуха по данному методу c заблаговременностью до 84 ч в качестве фоновых прогнозов по территории, отражающих процессы синоптического масштаба, для последующего учета местных и региональных особенностей.


Дополнительный анализ результатов и некоторые практические рекомендации

Дополнительный анализ результатов испытаний был выполнен для Москвы, Новосибирска, Якутска и Владивостока. Он позволил установить достоинства метода прогноза и ряд ограничений в его использовании.

Основным достоинством, обосновывающим целесообразность использования данного вида продукции при составлении синоптических прогнозов, является возможность получения информации о знаке и величине температурных изменений (наличии адвекции тепла или холода) на достаточно больших территориях.

К имеющимся недостаткам следует отнести:
–  ограниченное пространственное разрешения модели атмосферы, следствием которого является сглаженное представление полей рельефа, альбедо, береговой линии, а также отсутствие невозможности отображать циркуляционные процессы мезомасштаба;
–  вынужденная замена информации о текущем тепло-влажностном состоянии деятельного слоя суши климатическими значениями.

Первый из указанных недостатков приводит к искажениям полей прогностической температуры в районах со сложной орографией и береговой линией, а второй – к существенным систематическим искажениям при больших аномалиях температуры воздуха, раннем сходе снежного покрова, аномалиях увлажненности.

На рисунке 3 показан пример успешного гидродинамического прогноза температуры на Северном полушарии. Значения фактической температуры из данных объективного анализа близки к модельному пространственному распределению. Из рисунка видно, что основные черты конфигурации поля, обусловленные влиянием крупномасштабных синоптических процессов, воспроизведены успешно. При этом в отдельных пунктах ошибки прогнозов температуры могут достигать нескольких градусов.

Пример прогноза приземной температуры воздуха для Северного полушария на 48 ч

    Рис. 3

Выявленные в процессе испытаний различия в успешности прогнозов приземной температуры воздуха в теплый и холодный периоды года обусловлены тем, что в различные сезоны изменяются относительные вклады различных «подсеточных» процессов. В зимний сезон уменьшается влияние факторов, способствующих перемешиванию воздуха (турбулентному и конвективному) и, таким образом, уменьшается изменчивость в пространственном распределении температуры. Вместе с тем в результате радиационного выхолаживания, возникающего при прояснениях в облаках, могут наблюдаться большие различия в значениях ночной температуры в пунктах, расположенных поблизости друг от друга. Рисунок 4 демонстрирует пример подынверсионного выхолаживания воздуха, типичного для зимних условий Якутского региона. Прогнозирование данного процесса представляет сложность для традиционных синоптических и статистических методов. В данной модели атмосферы процесс воспроизводится, хотя реальные значения температуры могут достигать и более низких значений.


Прогноз приземной температуры заблаговременностью 48 ч на 3.02.04г. по модели T85L31 (слева), фактическое распределение температуры (справа)

    Рис. 4 – светло-серые области соответствуют значениям температуры ниже –48°


В процессе анализа было рассмотрено распределение значений общей оправдываемости прогнозов на 24 и 36 ч для пунктов Европейской территории (рисунок 5). Рисунок иллюстрирует, что в 70-90 % случаев составленные прогнозы температуры воздуха в пунктах имели высокую успешность. Доля пунктов с большими погрешностями температуры была крайне мала, и, по всей видимости, была обусловлена влиянием на формирование температурного режима местных физико-географических условий.

Повторяемость прогнозов приземной температуры воздуха на 24 и 36 ч с различной оправдываемостью для пунктов Европейской территории ч

   

    Рис. 5


Анализ показал, что прогнозы температуры по регионам Восточной Сибири и Дальнего Востока оказались менее успешны. Это обстоятельство связано, в первую очередь, именно с большой пространственной неоднородностью физико-географических условий рассматриваемых регионов. Приведенные на рисунке 6 оправдываемости прогнозов температуры для пунктов Иркутск, Владивосток, Якутск, Чита и Хабаровск в мае 2004г. колебались в значительных пределах. Крайне низкую оправдываемость имели прогнозы температуры воздуха во Владивостоке.

Разброс значений оправдываемости прогнозов температуры воздуха в мае 2004 г. в городах Восточной Сибири и Дальнего Востока


Рис. 6

Однако анализ суточных изменений температуры воздуха во Владивостоке в июле 2004 г. показал (рисунок 7), что модель адекватно отражала ход температуры по дням, вместе с тем систематически завышала ее величины на 5–10°, что явно свидетельствовало об отсутствии в модели учета местных физико-географических особенностей.

Этот вывод, по всей видимости, может быть распространен на другие пункты, расположенные на побережьях, и имеющие сходные с Владивостоком физико-географические условия. В то же время, если более внимательно проанализировать временной ход прогностических и фактических значений температуры (рисунки 1-7), можно установить, что причина кроется в существовании систематической погрешности, и что прогностические и фактические значения весьма хорошо скоррелированы между собой.

Изменение во времени фактической и прогностической температуры Владивосток,
июль 2004



Рис. 7


Анализ успешности прогнозов приземной температуры воздуха по пунктам Московской области в отдельные месяцы также указывал на наличие систематических ошибок у прогнозов отдельных заблаговременностей и снижение их оправдываемости до 40–50%. Эти прогнозы имели место в месяцы с существенными температурными аномалиями.

В качестве эксперимента были рассчитаны оценки для прогнозов, учитывающих величину средней за месяц систематической ошибки, в результате чего наблюдалось существенное повышение качества прогнозов температуры воздуха (рисунки 8).

Эффективность введения систематической поправки для прогнозов в январе 2004 г. по станциям Московского региона



Рис. 8

Выполненный анализ показал, что в целом прогностические поля приземной температуры воздуха, предвычисленные по испытываемому методу с заблаговременностью до 84 ч, удовлетворительно отражают температурные изменения, связанные с развитием процессов синоптического масштаба.


Авторы метода
И.А. Розинкина, Е.Д. Астахова, Т.Я. Пономарева, И.В. Рузанова, В.И. Цветков – Гидрометцентр России

Контакты
Розинкина Инна Адольфовна inna@mecom.ru, тел.: (495) 255-23-59, (495) 255-21-46
Лаборатория гидродинамических среднесрочных прогнозов


© Методический кабинет Гидрометцентра России