Технология глобального сезонного прогноза аномалий температуры воздуха и осадков ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ГГО» (коллективы авторов под руководством Д.Б. Киктёва, В.П. Мелешко) и результаты совместных испытаний

В ГУ «Гидрометцентр России» на основе моделей атмосферы ПЛАВ и T41L15 и в ГУ «ГГО» на основе модели T42L14 созданы автоматизированные технологии глобального ансамблевого прогноза метеорологических величин на сезон. Прогнозы составляются в оперативном режиме ежемесячно. В качестве начальных данных используются поля оперативного объективного анализа, выполняемого в ГУ «Гидрометцентр России». Граничное условие по температуре поверхности океана (ТПО) задается исходя из последних оперативных данных (анализ NESDIS) и условия сохранения начальной аномалии ТПО на всем периоде прогноза. Ансамбли возмущенных начальных полей для моделей ПЛАВ и T42L14 строятся с использованием метода выращивания возмущений и включают соответственно 9 и 7 комплектов. Ансамбль прогнозов по модели T41L5 рассчитывается с использованием начальных полей за 6 последовательных сроков. Состав оцениваемых прогнозируемых переменных включает средние месячные и сезонные аномалии: геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа (Н500), атмосферного давления на уровне моря, температуры воздуха на уровне 850 гПа (T850), температуры воздуха у поверхности Земли (T2м) и атмосферных осадков. Прогностические аномалии определяются как отклонения от средних многолетних значений соответствующих прогностических переменных («модельного климата»), полученных по результатам исторических прогнозов. Ряды исторических прогнозов ГМЦ рассчитаны за период 1979-2003 гг. по данным Реанализа-II (NCEP/NCAR), прогнозов ГГО - за период 1982-2004 гг. по данным Реанализа-I (NCEP/NCAR).

В течение 2007-2008 гг. ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ГГО» были проведены совместные оперативные испытания технологий глобального сезонного метеорологического прогноза на основе моделей общей циркуляции атмосферы ПЛАВ, T41L15 и T42L14 по согласованной программе. Объем испытательной выборки составил 24 прогноза.

Методика испытаний предусматривала оценку успешности прогностических значений месячных и сезонных аномалий, а также прогностических вероятностей 3-х градаций для Н500, давления на уровне моря, T850, T2м и осадков путем сравнения их с эталонными данными в узлах сетки с шагом 2.5° по широте и долготе для 3-х регионов: тропики (20°с.ш.- 20°ю.ш.), северные экстра-тропики (>=20°с.ш.), территория России (30°-180° в.д., 50°-70°с.ш.). В качестве эталонных данных Н500, давления на уровне моря, Т-850 и Т2м были использованы обобщения данных Реанализа-II (NCEP/NCAR), по осадкам – данные архива CAMS_OPI (NCEP CPC). Эти данные были подготовлены в ГУ «Гидрометцентр России». Параметры эталонного климата определялись за период с 1979 по 2003 г., для осадков – по 2004 г. включительно.

Успешность прогнозов месячных и сезонных аномалий характеризовали: средняя квадратическая ошибка (RMSE), коэффициент корреляции аномалий (AC), показатель MSSS (мастерство прогноза по сравнению с климатом), а также оправдываемость прогнозов знака аномалий (p); вероятностные прогнозы по 3-м градациям оценивались посредством расчета интегрального показателя площади под кривой ROC (Relative Operating Characteristics), рекомендованного ВМО и включенного в состав Стандартизированной системы проверки долгосрочных прогнозов.

Программа испытания глобальных прогнозов метеорологических полей Гидрометцентра России и ГГО на срок до сезона, полученные результаты испытаний и некоторые выявленные закономерности
(Презентация ГУ "Гидрометцентра России")

Детальный анализ характеристик успешности прогнозов
(Презентация ГУ "ГГО")


Результаты оперативных испытаний показали:

- По критерию RMSE в северных экстра-тропиках различия в успешности прогнозов на основе модели ПЛАВ и T42L14 были в целом невелики. При этом для прогнозов давления на уровне моря и осадков во все периоды лучшими были показатели успешности прогнозов модели T42L14. Для T850 и T2м меньшие величины RMSE на территории России на предстоящий сезон имели прогнозы по модели ПЛАВ. В тропиках прогнозы по модели T42L14 показали наименьшие значения RMSE по всем прогнозируемым переменным. Ошибки прогнозов модели T41L15 для всех регионов и периодов существенно превышали ошибки по двум другим методам.

- По критерию MSSS в северных экстра-тропиках и на территории России методические прогнозы T850 и T2м на месяц и сезон имели преимущество перед климатическими прогнозами. В тропиках прогнозы ГУ «ГГО» были успешнее климатических по всем переменным за исключением осадков. Для 2-го и 3-го месяцев ошибки методических прогнозов, как правило, были не меньше ошибок климатических прогнозов.

- По критерию AC в первый месяц в большинстве случаев наивысшие показатели успешности продемонстрировали прогнозы ГУ «ГГО». Для сезона в целом на территории России более успешными были прогнозы температуры (Т850, Т2м) по модели ПЛАВ.

- По критерию p относительное преимущество моделей ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ГГО» менялось в зависимости от метеорологического параметра, заблаговременности и региона. В целом сравниваемые модели показали сопоставимые по уровню успешности результаты. В подавляющем большинстве случаев методические прогнозы имели преимущество перед климатическими прогнозами.

- По критерию ROC во внетропических широтах Северного полушария оценки прогнозов ГМЦ (ПЛАВ) и ГГО за период испытаний были близки. В тропиках прогнозы ГГО показали более высокие оценки. Успешность методических вероятностных прогнозов Т2м по территории России заметно превышала уровень климатических прогнозов. Превышение успешности прогнозов осадков над уровнем случайного прогноза было незначительным.


Результаты испытания мультимодельных прогнозов, построенных на основе моделей ПЛАВ и T42L14, показали:

- для северных экстра-тропиков и территории России эти прогнозы, как правило, наиболее успешны;
- в тропической зоне в большинстве случаев более успешными были прогнозы ГГО. На территории России средние квадратические ошибки прогнозов температуры воздуха T2м составили 2.3, 2.4, 2.4 и 1.6°С соответственно для 1, 2, 3-го месяцев и сезона (аналогичные ошибки климатического прогноза были равны 2.7, 2.6, 2.6 и 1.8°С). Корреляция аномалий на территории России была 0.28, 0.09, 0.11 и 0.21 соответственно в 1, 2, 3-й месяцы и сезон. Мультимодельный вероятностный прогноз также имел наиболее высокие показатели успешности.

Выводы об успешности прогнозов, полученные по данным оперативных испытаний, в целом согласуются с выводами, полученными по ряду исторических прогнозов. В частности, подтверждается относительно более высокая успешность прогнозов в тропиках. Успешность прогнозов сезонных аномалий приземной температуры воздуха во внетропических широтах и в среднем по территории России лишь немного выше успешности климатического прогноза, что обеспечивается относительно успешным прогнозом на первый месяц. Успешность прогнозов осадков остается низкой по всем регионам.


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам в своем решении от 27октября 2009 г. одобрила работу ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ГГО»:
- по развитию технологий глобального прогноза полей геопотенциала, давления на уровне моря, температуры воздуха на уровне 850 гПа, приземной температуры воздуха, осадков на месяц и сезон;
- по созданию нового вида прогностической продукции - мультимодельного прогноза на срок до сезона в вероятностной форме;
- по организации и проведению совместных испытаний технологий глобального сезонного метеорологического прогноза;
- по участию в международном проекте стран Азиатско-Тихоокеанского региона по сезонному прогнозированию.

Комиссия рекомендовала ГУ «Гидрометцентр России» и ГУ «ГГO»:
- внедрить технологии глобальных вероятностных прогнозов, основанных на моделях ПЛАВ и T42L14 для выпуска консультативных прогнозов полей геопотенциала, давления на уровне моря, температуры воздуха на уровне 850 гПа, приземной температуры воздуха, осадков на срок до сезона;
- обеспечить регулярное предоставление прогностической информации на срок до сезона и мультимодельных вероятностных прогнозов, основанных на моделях ПЛАВ и T42L14, а также информации об оправдываемости прогнозов в период оперативных испытаний для пользователей Североевразийского климатического центра;
- для прогнозов на месяц считать целесообразным провести испытания технологии выпуска прогнозов на месяц с использованием новых версий моделей ГУ «ГГО» и ГУ «Гидрометцентр России»;
- продолжить совместные исследования по совершенствованию технологий метеорологических прогнозов на срок до сезона на основе развития моделей атмосферы высокого разрешения, улучшения схем параметризации физических процессов, привлечения более полной фактической информации, оптимизации процедур интерпретации результатов моделирования и построения мультимодельных ансамблей.


Контакты

ГУ «Гидрометцентр России»
Д.Б Киктев
E-mail: kiktev@mecom.ru

ГУ «ГГО»
В.П. Мелешко
E-mail: meleshko@main.mgo.rssi.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России