Автоматизированные методы прогноза средней месячной ледовитости Охотского и Японского морей с заблаговременностью до 1 года и результаты их испытания

В Приморском УГМС в соответствии с "Планом испытания и внедрения новых и усовершенствованных методов (технологий) гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов Росгидромета на 2010 г.", проводились оперативные испытания автоматизированных методов прогноза средней месячной ледовитости (Л) Охотского и Японского морей с заблаговременностью до 1 года.

Ледовитость моря рассчитывалась как отношение общей площади льда к площади расчетной сетки (определяющей границы возможного формирования ледового покрова), выраженное в процентах. Расчетная сетка занимает в Охотском море, практически, всю его акваторию, а в Японском море, в основном, – Татарский пролив, залив Петра Великого и прибрежную зону.

Прогнозы осуществлялись на месяцы с наиболее устойчивым ледовым покровом (декабрь-май - для Охотского и декабрь-апрель - для Японского морей) с заблаговременностью от 8 до 12 месяцев. Испытания проходили в период с июня 2008 г. по июнь 2010 г.

Методы разработаны в 2005-2008 гг. в отделе долгосрочных прогнозов погоды и изучения климата ГУ "ДВНИГМИ".

Технологическая линия (рис. 1) оперативного прогноза ледовитости включает следующие блоки:
- формирование баз данных 4-х срочных метеорологических наблюдений и данных по сплочённости льда,
- обработка оперативных архивов и создание наборов среднемесячных величин, используемых для расчетов,
- прогностический блок, включающий выдачу результатов прогноза.

Два первых блока технологической линии являются общими для 2-х морей, а третий - подготовлен для каждого из морей.

В качестве исходных данных для шести статистических моделей, предложенных для оперативных испытаний прогнозов средней месячной ледовитости Охотского моря, служат:
- геопотенциал изобарической поверхности 500 гПа (Н500),
- интегральная характеристика Южного Колебания - индекс SOI (SOI) (стандартизованная разность значений давления на станциях Таити и Дарвин),
- средняя месячная ледовитость Охотского моря (Л_Ох).

Для Японского моря – это:
- давление на уровне моря (Р0),
- индекс SOI,
- средняя месячная ледовитость Японского моря (Л_Яп).

Средние месячные значения SOI и летовитости морей, а также особые точки, выявляемые по определенным правилам в упомянутых полях, являются предикторами для прогноза ледовитости.

Норма и средние квадратические отклонения для всех параметров рассчитаны для каждого месяца на базовом периоде 1971–2000 гг.



Рис. 1
Общая схема линии долгосрочного прогноза ледовитости



Программный комплекс, реализующий прогностический блок, переданный в ПУГМС для проведения оперативных испытаний, содержит архивы полей Н500 и Р0, архивы средних месячных значений этих полей и их стандартных отклонений, файлы с данными ледовитости и индекса SOI, а также блок расчета будущих значений ледовитости моря.

Входным параметром служит год прогноза, определяемый по году начала ледового сезона (декабрь). Результатом расчетов являются прогностические значения ледовитости моря. Их расчет для Охотского моря осуществляется, преимущественно, по уравнениям регрессии (МР), а для Японского – по аналогам (регрессионно-аналоговый метод (МРА) и аналоговый (МА)).

Расчеты можно производить для каждого месяца с указанной заблаговременностью, или единовременно для обоих морей (несколько уменьшив заблаговременность для первых месяцев сезона) в начале июля на весь ледовый период по каждому месяцу в отдельности. Прогнозы на месяцы с декабря по март по обоим морям можно получить в мае по данным, включающим апрель. К этому времени архивы данных должны быть дополнены всей необходимой для прогнозов оперативной информацией. Поскольку трудозатраты на проведение расчетов будущих значений ледовитости морей и подготовкой данных несоизмеримы (прогноз один раз в году по обоим морям занимает несколько минут, а пополнение и обработку исходных данных необходимо осуществлять в течение всего года), то исходная информация готовилась разработчиками и передавалась в оперативном порядке.

Подробное описание исходных данных и методики построения прогностических моделей дано в [3].

В таблице 1 приводятся основные параметры 11 статистических моделей, используемых для прогноза ледовитости Охотского и Японского морей. Для оперативной проверки предложены модели, оправдываемость авторских прогнозов по которым на периоде 7-летней независимой выборки только в марте для обоих морей составила 71%. В остальные месяцы ледового сезона оправдываемость не опускалась ниже 86%.

Расчет оценок производится согласно действующему Наставлению по службе прогнозов [1] и РД по проведению производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов прогнозов [2].


Результаты испытаний прогнозов ледовитости

За период испытаний составлено для Охотского моря 12 прогнозов (по 2 прогноза на 6 месяцев ледового сезона), а для Японского – 10 (по 2 прогноза на 5 месяцев ледового сезона).

Методы, разработанные для прогноза среднемесячной ледовитости Охотского и Японского и морей, проходили производственные испытания в сезоны, отличавшиеся аномальным развитием ледовых условий.

Сезон 2008/2009 г. характеризовался значительными аномалиями ледовитости меньше нормы в Охотском море: от 1,3 в декабре до 2,3 в апреле, а в мае - 0,7, где – среднее квадратическое отклонение. В апреле 2009 г. значение ледовитости составило 30,3%. Таким образом, был изменен абсолютный минимум ледовитости 2005 г. (37%), установленный за использованный при разработке метода период наблюдений. В другие месяцы этого сезона величины ледовитости приблизились к значениям абсолютных минимумов. Отрицательные аномалии ледовитости, меньшие по величине, наблюдались и в Японском море.

Особенностью сезона 2009/2010 г. был следующий факт: в первые 4-е месяца также отмечались отрицательные аномалии ледовитости (в Японском море они были даже больше, чем в Охотском), но в апреле знак аномалии изменился на противоположный и в Охотском море её величина составила 0,74, а в мае - 0,92.

Таким образом, по абсолютной величине ледовитость Охотского моря в апреле от 2009 г. к 2010 г. зменилась на 3, а в мае - на 1,6.

Результаты оправдываемости методических прогнозов за периоды производственных и авторских испытаний, а также за весь 9-летний период, представлены в таблице 2.

Оправдываемость прогнозов ледовитости в Охотском море в 2008/2009 г. в среднем за сезон составила всего 17%, а в 2008/2009 г. – 67%. Осреднённая за два сезона оправдываемость методических прогнозов равняется 42%. Самыми неудачными в оба сезона (Р%=0) оказались прогнозы на апрель и май, а самыми успешными (100%) – на декабрь. При учете оценок за 7-летний период авторских испытаний, средняя за сезон оправдываемость методических прогнозов повысилась до 78%.

Из общего числа прогнозов за период испытаний не оправдалось (Р = 0%) 7 прогнозов, причем, в 4 из них не предсказаны значительные (больше ) аномалии Л.

В среднем за два года оправдываемость методических прогнозов ледовитости Японского моря составила 100%. При этом, в двух сезонах отмечалось 4 случая аномалии Л больше (январь 2009 и 2010 г., февраль 2010 г., март 2010 г.). Включение оценок за период авторских испытаний уменьшило среднюю за сезон величину оправдываемости методических прогнозов до 89%.


Сравнение с другими методами

Сравнение результатов предложенных методов прогноза с другими методами вызывает определенные трудности. В настоящее время ежегодно составляются официальные прогнозы ледовых условий для неарктических морей России, в том числе для дальневосточных морей. Они помещаются в Гидрометеорологический бюллетень ГМЦ РФ. Однако провести корректное сравнение методических и официальных прогнозов не представляется возможным. Во-первых, в официальных прогнозах указываются две характеристики ледовитости: наибольшее значение ледовитости за месяц и ледовитость во 2-ой декаде, а в методических – средняя за месяц величина. При этом значение ледовитости в официальных прогнозах дается в интервале 10%. Методические прогнозы представлены в виде одного ожидаемого значения. Возникают проблемы с оценкой прогнозов. Прогноз считается оправдавшимся, согласно руководству [2], если разность между прогностическим и фактическим значениями не превышает (при заблаговременности прогноза более 6-ти месяцев) среднее квадратическое отклонение ледовитости, которое изменяется от месяца к месяцу. Во-вторых, в бюллетене указывается, что в Японском море учитывается только ледовитость Татарского пролива. Данные по ледовитости Японского моря, используемые в методических прогнозах, включают еще залив Петра Великого и прибрежную зону.

Однако мы попытались провести качественное сравнение прогнозов максимальной ледовитости (махЛ%) на зиму, представленных в бюллетене, и методических прогнозов средней месячной ледовитости Охотского моря (таблица 3).

Для этого из методических прогнозов ледовитости на все месяцы ледового сезона отобран месяц с максимальной ледовитостью. В таблице 3 также помещены значения максимальной за сезон фактической средней месячной ледовитости и многолетняя средняя величина ледовитости, взятая из Бюллетеня (числитель), и рассчитанная авторами метода по данным за период 1971-2000 гг. (знаменатель).

Месяц наибольшей ледовитости в ледовый сезон 2008/09 г. во всех прогнозах спрогнозирован верно, но величина ледовитости – завышена значительно. Прогноз можно считать неудачным по всем методам.

Успешными как по месяцу максимальной ледовитости, так и по ее величине, оказались прогнозы максимальной ледовитости на сезон 2009/10 г. Таким образом, результаты официальных прогнозов ледовитости на зиму можно считать сопоставимыми с методическими. При этом методические прогнозы даются с большей заблаговременностью.

Более тщательное количественное сравнение можно провести между оперативными методическими и стандартными (климатологическими) прогнозами. Кроме того, разработчики предложили новый набор моделей для прогноза ледовитости Охотского моря. Он отличается от испытанного в оперативных условиях, главным образом, составом исходной информации (это поля Н500, Р0 и температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа) и заблаговременностью прогнозов (от 15 до 24 месяцев). По оперативным данным ими были рассчитаны ожидаемые значения ледовитости на месяцы двух последних ледовых сезонов и проведена оценка прогнозов. Предоставленные результаты оценки также помещены в таблице 4. Помимо оправдываемости (Р%), к анализу также привлечены наиболее часто употребляемые показатели качества прогнозов [2]:



Для идеальных прогнозов мера мастерства S = 1, при S = 0 качество методического прогноза находится на уровне стандартного и при - ниже стандартного прогноза. Рассчитаем эту характеристику для абсолютной ошибки прогноза . В случае идеального прогноза = 0.

При сравнении средней величины , рассчитанной для 6 случаев (за два сезона) аномалий ледовитости, превышающих , для оперативного и климатологического прогнозов, предпочтение следует отдать оперативным (13 против 18%). Надежность методических прогнозов значительных аномалий составила 0,28.

Величина S, рассчитанная для средней за оба сезона абсолютной ошибки прогноза при сравнении климатологического прогноза с оперативным положительна, но составляет всего 0,02, а с новым методическим (с заблаговременностью до 2-х лет) – 0,35. Преимущество нового метода по сравнению с климатологическим очевидно. Новый метод показывает более высокие оценки качества прогнозов и в сопоставлении с оперативным (заблаговременностью от 8 до 12 месяцев).

Результаты оценки качества прогнозов средней месячной ледовитости по Японскому морю с заблаговременностью от 8 до 12 месяцев на 2-х летнем периоде оперативных испытаний оказались хорошими (таблица 5).

Все случаи аномалий ледовитости больше (январь 2009 и 2010 г., февраль 2010 г. и март 2009 г.) были успешно предсказаны.

Рассчитанная мера мастерства для средней за оба сезона абсолютной ошибки прогноза для оперативного прогноза в сравнении с климатологическим составляет 0,59. Такая величина этой характеристики указывает на надежность предложенного метода прогноза.

Технический совет Приморского УГМС от 9 июля 2010г. и Ученый совет ГУ «ДВНИГМИ» от 23 сентября 2010 г. отметили, что прогнозы ледовитости в период испытаний были спешными. Представленные результаты свидетельствуют о возможности использования прогнозов ледовитости Японского моря для практических целей.

Однако учитывая тот факт, что разработчики представили результаты оценки успешности прогнозов ледовитости Охотского моря за период оперативных испытаний по новому набору моделей, превосходящих оценки оперативных и климатологических прогнозов, следует продлить испытания обоих методов на год и после этогоа сделать выводы о возможности внедрения методов прогноза ледовитости в оперативную практику.

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета согласилась с решениями Технического совета Приморского УГМС от 9 июля 2010г. и Ученого совета ДВНИГМИ от 23 сентября 2010 г. о продлении на год оперативных испытаний методов прогнозов ледовитости Охотского и Японского морей по двум наборам моделей (с заблаговременностью до года и двух лет).


Отчет об испытании подготовлен Г.В. Зускиной и Т.В. Цуриковой


Список используемых источников

1. Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Ч. III. Служба морских гидрологических прогнозов. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1982. - 144 с.
2. Методические указания. Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиофизических прогнозов. РД 52.27.284-91. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 150 с.
3. Anzhina G.I., Vrazhkin A.N. Long-term forecasting Method of the ice cover in the Okhotsk sea using physical-statistical model / Pacific Oceanography, 2008, vol. 4, No.1-2, p. 45-49.


Авторы

Г.И. Анжина, А.Н. Вражкин
ГУ "ДВНИГМИ"


Контакты

А.Н. Вражкин
E-mail: AVrazhkin@ferhri.ru
Отдел долгосрочных прогнозов погоды и изучения климата
ГУ "ДВНИГМИ"


© Методический кабинет Гидрометцентра России