Система прогнозирования характеристик ветрового волнения в Балтийском море

В ФГБУ "Гидрометцентр России" в ходе выполнения подпрограммы ЕСИМО ФЦП "Мировой океан" разработана система прогнозирования характеристик ветрового волнения для акватории Балтийского моря. Созданная система обеспечивает прогнозирование характеристик ветрового волнения (высоты значительных волн (англ. significant wave height, SWH), среднего направления распространения, средней длины, среднего периода, высоты и направления распространения ветровых волн, высоты и направления распространения волн зыби) на сроки до 5 суток.

Прогнозы составляются на основе расчетов по спектральной модели ветрового волнения WaveWatchIII v.3.14 с использованием метеорологической прогностической информации. Помимо расчетного ядра, система включает в себя средства подготовки исходной информации (начальные и граничные условия) и представления прогностической продукции на сайте и в системе распределенных баз данных (СРБД) ЕСИМО.

Расчеты проводятся на регулярных двумерных сетках по пространству, регулярной сетке по направлениям волн и логарифмической сетке по частотам волн. Дискретные значения частот определяются рядом из 25 членов геометрической прогрессии со знаменателем 1,1 и начальным значением 0,042 Гц. Направления распространения от 0° до 360° дискретизуются с шагом 15° (24 направления). Для прогностических расчетов используются конфигурации модели с вложенными сетками, позволяющими детализировать прогноз для акватории Финского залива. Батиметрия и соответствующая ей маска суша–море для каждой из сеток построены с использованием данных ресурсов GEBCO (Ward, R., 2010), ETOPO и GSHSS, с разрешением, соответствующим масштабу карты 1:250000 (Wessel, P., and W. H. F. Smith, 1996). Главные характеристики расчетной конфигурации прогностической модели представлены в таблице 1.


Таблица 1
Основные пространственно-временные характеристики расчетной конфигурации системы прогнозирования ветрового волнения в Балтийском море


Примечание
Курсивом выделены опции, которые не использовались при испытаниях системы

Для составления прогноза характеристик ветрового волнения используются прогностические поля скорости ветра, температуры воды и воздуха, а также сведения о ледовом покрове (сплоченности морского льда). Необходимые для этого прогнозы метеорологических полей берутся из нескольких оперативных источников. В их числе — продукция двух систем среднесрочного прогнозирования, основанных на глобальных моделях: ПЛАВ в Гидрометцентре России [Толстых и др., 2010] и GFS (Global Forecasting System), действующей в метеорологическом центре NCEP/NOAA (США), данные которой поступают в оперативном режиме по специализированным каналам. Дублирование источников метеорологического прогноза предусмотрено для повышения надежности функционирования системы прогнозирования волнения. При поступлении оперативных данных из нескольких метеорологических систем приоритет отдается продукции с более высокими характеристиками оправдываемости прогнозов полей ветра по данным регулярного мониторинга их качества. Основные спецификации оперативных систем прогноза метеорологических полей, обеспечивающих поступление данных атмосферного форсинга для прогнозирования характеристик ветрового волнения представлены в таблице 2.


Таблица 2. Основные характеристики систем прогноза метеорологических полей, продукция которых используется для задания атмосферного форсинга в прогностических расчетах параметров волнения



Необходимые для составления прогнозов расчеты выполнятся ежедневно на ЭВМ Altix 4700 с использованием параллельных вычислений в режиме MPI на 110 процессорах. Квазиоперативная задача запускается в 4:43 ч ВСВ для стартового срока прогноза ветрового волнения от 00 ч. Время счета составляет около 14 мин без учета ожидания очереди. Расчет ведется на сроки до 120 часов с периодичностью выдачи прогностических результатов 3 часа для представления пользователям и 15 мин для определения показателей оправдываемости. В качестве начальных условий для интегрирования волновой модели используются поля предшествующего прогноза параметров ветрового волненипя на 24 часа.

В ходе испытаний, проводившихся в период с 1 апреля 2012 г. по 31 марта 2013 г., составлено 365 прогнозов для Балтийского моря и Финского залива. Оправдываемость прогнозов определялась путем поточечного сопоставления прогностических значений SWH с данными наблюдений двух наблюдательных систем: спутниковой альтиметрии и волновых буёв.

Спутниковые измерения выбирались из базы данных RADS (Radar Altimeter Database System), поддерживаемой в Дельфтском институте исследований Земли из космоса (Delft Institute for Earth-Oriented Space research – DEOS). В рассматриваемый период времени регулярные данные поступали с трёх спутников — Jason-2, Envisat-1 и CryoSat-2. Положение точек измерений SWH, данные которых использовались при оценке прогнозов, приведены на рис. 1 по каждому из спутников.

Данные второго типа наблюдений представляют собой выборки из рядов контактных измерений SWH на двух волновых буях, установленных в точках: 59,25° с.ш., 21° в.д. ("буй N", период измерений 1.04.2012-31.03.2013) и 54,88° с.ш., 13,87° в.д. ("буй S", период измерений 1.04.2012-20.06.2012).


Рис 1.
Локализация спутниковых измерений SWH, использованных при оценках прогнозов, для ИСЗ Jason-2, Envisat-1 и CryoSat-2.

Погрешность спутниковых измерений SWH после калибрации, устраняющей смещения, составляет max(0,4 м, 0,1 x SWHmeasured) [Picot et al., 2003]. По данным другого источника [Abdalla et al., 2010] средняя ошибка, то есть смещение, составляет 13-20 см, а относительная погрешность 5-8%. Для дополнительной фильтрации шумов из исходного массива данных отбирались только такие измерения, для которых нормированное стандартное отклонение сигнала, регистрируемого свыше 1700 раз в секунду и затем осредняемого за интервалы времени в 1 сек не превышало 0,15. Из рассмотрения исключались также случаи, для которых модельные или измеренные значения SWH не превышали 0,05 м. Полученное в итоге количество наблюдений, использованных для поточечной оценки оправдываемости прогнозов за период испытаний, указано ниже в таблицах.

В качестве статистических показателей, характеризующих качество прогнозов, рассматривались средние ошибки (смещения), среднеквадратические ошибки и коэффициенты корреляции между прогностическими и измеренными значениями SWH. Для получения поточечных коллокаций «прогноз-наблюдение» применялась линейная пространственно-временная интерполяция прогностических полей SWH. Так как измерения обоих типов отнесены к произвольным моментам времени, указанные критерии рассчитывались в смещаемом суточном временном окне, соответствующем заблаговременности прогнозов от одних до пяти суток. Примеры диаграмм рассеяния, дающих представление о степени соответствия прогностических и измеренных значений SWH для прогнозов на первые, третьи и пятые сутки, приведены на рисунке 2 для спутниковых наблюдений и на рисунке 3 для измерений на волновом буе N.


Рис 2.
Сравнение прогностических (ордината) и измеренных (абсцисса) значений SWH за период 1.04.2012–31.03.2013 для первых (а), третьих (б) и пятых (в) суток прогноза ветрового волнения в Балтийском море по данным спутниковых измерений.



Рис 3.
Сравнение прогностических (ордината) и измеренных (абсцисса) значений SWH за период 1.04.2012–31.03.2013 для первых (а), третьих (б) и пятых (в) суток прогноза ветрового волнения в Балтийском море по данным измерений на волновом буе с координатами 59,25° с.ш., 21° в.д.

Cводка статистических характеристик качества прогнозов, полученных сопоставлением со спутниковыми измерениями SWH, приведена в таблице 3 с обобщением как по всему морю, так и по Финскому заливу отдельно. Аналогичный набор статистических показателей, но с использованием в качестве эталона измерений SWH на волновых буях приводится в таблице 4.


Таблица 3
Статистические показатели качества прогнозов SWH при сопоставлении с данными спутниковых измерений




Таблица 4
Статистические показатели качества прогнозов SWH при сопоставлении с данными измерений в точках 59,25° с.ш., 21° в.д. (буй N) и 54,88° с.ш., 13,87° в.д. (буй S)




Абсолютные значения смещений (средних значений ошибок) в течение периода испытаний по спутниковым данным были сравнительно малы в целом по морю, слегка возрастая с увеличением заблаговременности от 2–4 см до 7–14 см. Заметно большие смещения в диапазоне 12-34 см отмечаются для выборки по Финскому заливу. В большинстве случаев смещения оставались отрицательными, что свидетельствует о некотором занижении прогностических высот волн в сравнении с измерениями. Смещения, определяемые по контактным измерениям (табл. 4), меньше зависят от заблаговременности прогнозов и указывают на незначительное завышение (4-6 см) прогностических высот преобладающего волнения.

Оправдываемость прогнозов SWH, оцениваемая в соответствии с Наставлением по службе морских гидрологических прогнозов [РД 52.27.759–2011] и определяемая по данным контактных измерений (таблица 4), более точным по сравнению с данными ИСЗ, составила 80-91% для заблаговременности прогнозов 1-3 суток и снижается до значений 67-75% для прогнозов на 4-5 суток. Среднеквадратичная ошибка прогнозов SWH увеличивалась с ростом заблаговременности от 0,23–0,26 м для первых суток до 0,6 м для пятых суток.

Снижение качества прогнозов с увеличением заблаговременности в значительной степени определялось увеличением ошибок прогностических данных о скорости ветра, используемых в качестве входной информации в расчетной модели ветрового волнения. Это подтверждается стабильным увеличением корреляции ошибок прогнозов SWH и ветра (таблица 5). Этот результат свидетельствует о том, что можно ожидать повышение оправдываемости прогнозов SWH с имеющей место тенденцией улучшения прогнозов скорости ветра и, кроме того, указывает на перспективность прогностической системы, которая может функционировать в течение ближайших лет без существенных изменений.


Таблица 5
Коэффициент корреляции между ошибками прогностических значений SWH и ошибками прогностических значений скорости ветра при разных значениях заблаговременности прогнозов



Показатели качества прогнозов в терминах среднеквадратичной ошибки и коэффициента корреляции сопоставимы с таковыми для известных по литературным источникам зарубежных систем. Российские системы прогнозирования, регулярно поставляющие в оперативном режиме информацию о характеристиках ветрового волнения по акватории Балтийского моря, до настоящего времени на ЦМКП не сертифицировались.


Авторы

А.А. Зеленько, Б.С. Струков, Ю.Д. Реснянский, С.Л. Мартынов


© Методический кабинет Гидрометцентра России