Гидродинамический прогноз обложных осадков по усовершенствованной региональной 30-уровенной модели в сигма-системе координат с шагом 75 км и результаты оперативных испытаний в холодное полугодие

Общие сведения
В
Гидрометцентре России с 2004г. внедрена в оперативную практику в качестве основной технология выпуска регионального гидродинамического прогноза полей давления на уровне моря, геопотенциала изобарических поверхностей до 100 гПа, температуры воздуха и ветра в тропосфере на сроки до 48 ч по регионам Европа и Азия на основе усовершенствованной 30-уровенной неадиабатической модели с горизонтальным разрешением 75 км (автор В.М.Лосев). Технология предусматривает также прогноз осадков по территории России.

Прогноз рассчитывается путем интегрирования по времени уравнений гидро- термодинамики. Начальные поля геопотенциала, ветра, влажности задаются на стандартных изобарических уровнях 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 700, 850, 925, 1000 гПа. Расчет по модели ведется на - уровнях, на которые интерполируются исходные данные. По окончании расчета прогноза производится обратный переход к изобарическим уровням. Модель учитывает рельеф местности, фазовые переходы влаги, радиационные потоки, взаимодействие с подстилающей поверхностью.

На основе рассчитанных полей метеоэлементов с помощью физико-статистической модели конвекции (автор А.А. Алексеева) предвычисляются также опасные метеорологические явления (очень сильный ветер, очень сильные осадки и др.). В комплексе с моделью конвекции региональная модель хорошо себя проявила при оперативном прогнозе осадков на Северном Кавказе в июне-июле 2002 г. и позволила гидрологам предсказать несколько сильных, быстро развивающихся паводков.


Оперативная реализация
Оперативная версия региональной модели реализована на четырехпроцессорной ЭВМ Xeon 4, все прогностические поля записываются в базу данных «Прогноз» Гидрометцентра России и доступны для использования потребителями.

Кроме оперативного варианта модели, имеются варианты, приспособленные для РС разной мощности. Размер сетки, ее ориентация, шаг по горизонтали и количество - уровней по вертикали задаются в зависимости от цели задачи и от быстродействия ЭВМ. Модель можно настроить на регионы меньшей площади, но с повышенным пространственным разрешением (до 20 км).

Проведена адаптация региональной модели к территории Дальнего Востока и создана оперативная технология краткосрочного прогноза погоды для этого региона. Вариант модели регионального прогноза Гидрометцентра России настроен на территорию Республики Беларусь и внедрен в оперативную практику Гидрометцентра Беларуси. Прогноз осадков и приземного давления по региональной модели внедрен в Туркменистане.

Во всех вариантах модели осуществлена визуализация полей приземного давления и интенсивности осадков (изобары и изолинии количества осадков разной интенсивности на карте стереографической проекции). Карты обновляются через 1 ч прогноза. В результате предоставляется возможность прослеживать динамику перемещения барических образований и зон осадков.

На рисунках 1-4 приведены прогнозы осадков, рассчитанные по исходным данным за 00 ч ВСВ 10 ноября 2006 г. на 12, 24, 36 и 48 ч.

Особенностью модели регионального прогноза Гидрометцентра России является то, что все алгоритмы реализованы и запрограммированы непосредственно автором модели и в ней не применяется концепция внедрения в расчет блоков (радиационного или параметризации приземного подслоя и пограничного слоя
атмосферы) из других зарубежных моделей.


Результаты оценки качества прогнозов осадков в холодное время года
Оперативные испытания метода прогнозов осадков заблаговременностью до 48 ч проводились в период с октября 2005 г. по апрель 2006 г. по исходным срокам 00 и 12 ч ВСВ. В период испытаний проведено сравнение успешности региональных прогнозов с оперативными прогнозами Гидрометцентра России, зарубежными гидродинамическими прогнозами UKMO (Великобритания), NCEP (США) и инерционными прогнозами.

Оценивались прогнозы осадков заблаговременностью 12, 24 и 36 ч на территории Центральной России (50-61° с.ш., 27,7-45° в.д.), где расположено около 175 станций. Для территории Центрального федерального округа (ЦФО) были взяты 18 областных центров, включая Москву.

Для определения качества прогнозов осадков по факту их наличия или отсутствия были рассчитаны следующие характеристики успешности: общая оправдываемость прогнозов осадков (U), оправдываемость прогнозов наличия осадков (Uос), оправдываемость прогнозов отсутствия осадков (Uб/ос), предупрежденность случаев с осадками (Рос) и предупрежденность случаев отсутствия осадков (Рб/ос), критерий качества Пирси-Обухова (Т).

Для оценки успешности прогноза количества осадков рассчитывались средние (MEAN), абсолютные (ABS) и среднеквадратические (RMSE) ошибки прогнозов.

Таблица 1

Успешность прогноза осадков за холодный период года (октябрь 2005 - апрель 2006), рассчитанный по данным на станциях.
Исходный срок 00 ВСВ


Анализ характеристик успешности прогнозов осадков по регионам Центральная Россия и ЦФО (таблица 1) показал, что испытываемая модель в целом успешно прогнозирует факт наличия и отсутствия осадков. Общая оправдываемость прогноза факта осадков находится в пределах 75-72%. Она превышает оправдываемость прогнозов осадков по глобальной модели Т85L31 и превышает, либо близка к оправдываемости зарубежных прогнозов осадков по моделям UKMO (Великобритания) и NCEP (США). При наличии высокой предупрежденности (85-98%) отсутствия осадков модель имеет невысокий процент предупрежденности факта наличия осадков (44-58%). Хотя оправдываемость прогнозов факта выпадения осадков достаточно высокая и составляет 95-74%, а их отсутствия - около 70%. Критерий качества Пирси-Обухова, характеризующий успешность альтернативного прогноза в целом, равен 0,42-0,45. Его величина, превышающая 0,3, свидетельствует о практической значимости прогнозов.

Прогнозы количества осадков имели средние абсолютные ошибки в пределах от 1,4 до 2,1 мм/12 ч при всех рассматриваемых заблаговременностях прогнозов. Указанные абсолютные ошибки региональных прогнозов превышали аналогичные ошибки прогнозов осадков по спектральной модели Т85L31 на 0,1-0,5 мм/12 ч и ошибки зарубежных сравниваемых моделей на 0,3 -0,6 мм/12 ч в прогнозах на текущий день и на 1 мм/12 ч в суточных прогнозах и прогнозах на следующий день. Систематические ошибки прогнозов количества осадков на текущий день составили около минус 0,7 мм/12ч, а у прогнозов на 24 и 36 ч ошибки были с положительным знаком и изменялись от 0,8 до 1,0 мм за 12 ч.

Оценка успешности прогнозов осадков по Москве и Московской области на основе испытываемой модели в целом подтверждает результаты, полученные по территории Центральной России и
ЦФО. Общая оправдываемость регионального прогноза факта осадков (U) была около 70%. Критерий качества (Т) прогнозов осадков на 12, 24 и 36 ч по Москве составлял соответственно 0,37, 0,30 и 0,43, а по Московской области – 0,41, 0,39 и 0,46. Указанные величины подтверждали практическую значимость прогнозов для Москвы и Московской области.

Сравнение региональных прогнозов осадков по Москве и Московской области с аналогичными прогнозами осадков на основе внедренных в оперативную практику трех отечественных гидродинамических моделей (автор Д.Я. Прессман, автор Л.В. Беркович и модель Т85L31) показало, что в целом успешность прогноза осадков по региональной модели превышала успешность прогнозов по локальной гидродинамической модели (автор Д.Я. Прессман), была близка к успешности прогнозов по модели Т85L31 и немного уступала успешности гидродинамических прогнозов (автор Л.В.Беркович), которые по большинству показателей являлись лидирующими среди модельных прогнозов.

В сравнении с прогнозами зарубежных центров региональная модель имела преимущества в общей оправдываемости прогнозов по Московской области до 3%, практически одинаковую оправдываемость суточных прогнозов по Москве. Более высокие значения оправдываемости прогнозов с осадками и более высокую предупрежденность случаев без осадков были у региональной модели.


Рекомендации о внедрении
Центральная методическая Комиссия по гидрометеорологическим прогнозам Росгидромета на своем заседании 9 ноября 2006 г., рекомендовала Гидрометцентру России:
–  внедрить в основную технологию выпуска регионального гидродинамического прогноза полей метеоэлементов, функционирующую на основе усовершенствованной 30-уровенной неадиабатической модели атмосферы с горизонтальным разрешением 75 км, прогноз полей осадков с заблаговременностью до 48 ч;

–  использовать в оперативной практике прогнозы полей осадков заблаговременностью до 48 ч, получаемые на основе усовершенствованной региональной модели, в холодный период года в качестве вспомогательной прогностической продукции.


Контакты
Владимир Маркович Лосев
E-mail: losev@mecom.ru
Лаборатория региональных краткосрочных прогнозов погоды




© Методический кабинет Гидрометцентра России