Прогноз осадков по станциям регионов внетропической зоны Северного полушария
на срок до 72 ч на основе полулагранжевой модели с постоянным разрешением ПЛАВ-2005



Сведения о модели

В Гидрометцентре России совместно с ИВМ РАН была разработана глобальная полулагранжева конечно-разностная модель среднесрочного прогноза погоды (ПЛАВ). Данная версия модели имеет постоянное разрешение по горизонтали (шаг по широте 0,72°, по долготе 0,9°) и 28 неравномерно расположенных уровней по вертикали. Прогноз полей метеорологических элементов осуществляется с помощью численного решения уравнений гидротермодинамики в сигма - системе координат на сфере. Полулагранжев подход для описания адвекции позволяет использовать значение шага по времени в несколько раз большее по сравнению с шагом, определяемым числом Куранта. Модель включает в себя параметризацию процессов подсеточного масштаба (коротко- и длинноволновая радиация, глубокая и мелкая конвекция, планетарный пограничный слой, торможение гравитационных волн, тепло- и влаго- обмен с подстилающей поверхностью), разработанную в Метео-Франс для модели оперативного прогноза ARPEGE/IFS. Модель также описывает эволюцию температуры и влагозапаса поверхностного и глубинного слоя почвы и толщину снежного покрова.

Как и во всех современных глобальных численных моделях прогноза погоды, для описания трехмерной адвекции удельной влажности применяется полулагранжев метод с квазимонотонной интерполяцией. Такой подход предотвращает появление нефизичных отрицательных значений этой величины. В параметризации крупномасштабных осадков используется формула для расчета скорости выпадения осадков, учитывающая разные скорости выпадения дождя и снега.

В качестве начальных данных при расчете модели ПЛАВ в основном используются поля оперативного объективного анализа на стандартных изобарических поверхностях с горизонтальным разрешением 1,25 градуса по долготе и широте. С июля 2007 года применяются объективные анализы полей приземной температуры и влажности собственной разработки.

Модель ПЛАВ рекомендована решением ЦМКП от 27.01.2006 к внедрению в Гидрометцентре для прогноза полей в свободной атмосфере и давления на уровне моря и с апреля 2007 г. реализована в рамках оперативной технологии.

Существенно расширена номенклатура выходной продукции модели: помимо полей метеорологических величин в свободной атмосфере и давления на уровне моря модель вырабатывает поля осадков (жидкой и твердой фазы).


Методика оперативных испытаний модели прогноза осадков

Оперативные испытания прогнозов 12-ти часовых сумм осадков на основе модели ПЛАВ 2005 проводились в период с июля 2006 г. по май 2007 г. по исходным данным за 00 ч ВСВ. Выполнялось сравнение с аналогичными прогнозами сумм осадков на основе оперативных моделей ГУ «Гидрометцентр России» (глобальной спектральной Т85L31; региональной модели, автор В.М. Лосев) и глобальных зарубежных моделей (UKMO, NCEP).

Методика испытаний предусматривала оценку прогнозов осадков на станциях отдельно в холодный (октябрь 2006г. – апрель 2007г.) и теплый (июль-сентябрь 2006г., май – июнь 2007г.) периоды года для четырех регионов России и зарубежной Европы, имеющих наиболее густую сеть синоптических станций:
- центральная часть Европейской территории России (от 29° до 55° в.д. и от 50° до 65° с.ш.);
- южная часть России (от 38° до 50° в.д. и от 44° до 50° с.ш.);
- Западная Сибирь (от 60° до 85° в.д. и от 50° до 61° с.ш.);
- Восточная Сибирь и Дальний Восток, (от 110° до 145° в.д. и от южной границы России до 55° с.ш., за исключением высокогорных станций).

Для оценки успешности прогнозов факта наличия/отсутствия осадков рассчитывались общепринятые характеристики:
- общая оправдываемость прогноза факта выпадения осадков - U %
- оправдываемость прогноза наличия осадков – Uоc %,
- оправдываемость прогноза отсутствия осадков - Uбо %,
- предупрежденность случаев наличия осадков - Пос %,
- предупрежденность случаев отсутствия осадков - Пбо %,
- критерий качества Пирси-Обухова - T,
- критерий надежности Н.А Багрова – H (его аналог - критерий Хайдке).

Для оценки успешности прогнозов количества осадков вычислялись: средние абсолютная и относительная ошибки. Для детального анализа надежности прогнозов в различных диапазонах количества наблюдаемых осадков, отдельно рассчитывались абсолютная , относительная и среднеквадратическая ошибки прогнозов количества осадков для следующих градаций:

- жидких и смешанных осадков,
- твердых осадков.


РЕЗУЛЬТАТЫ оперативных испытаний

Успешность прогнозов в холодный период года

В таблицах 1–4 приведены показатели успешности прогнозов факта выпадения осадков на основе всех сравниваемых моделей за холодный период года отдельно для каждой выделенной территории.

Анализ представленных результатов показал, что в холодный период года краткосрочные прогнозы факта выпадения осадков на основе модели ПЛАВ 2005 на территории всех рассмотренных регионов России имели преимущество перед аналогичными прогнозами отечественных оперативных моделей по большинству характеристик успешности прогнозов факта выпадения осадков (U, Uос, Пбо и T), уступая в величинах показателей Пос и Uбо региональной модели при заблаговременности до 48 и модели T85L31 при заблаговременности 60 и 72 ч. Зарубежные модели имеют более высокие значения критерия качества Т и предупрежденности факта выпадения осадков (Пос), но вместе с тем уступают в оправдываемости прогнозов наличия явления вследствие большего количества «ложных тревог». Приведенные на рисунках 1-2 значения критерия качества Пирси-Обухова (Т) и критерий надежности Багрова Н.А, (Н), превышающие 0,3 при всех заблаговременностях краткосрочного прогноза и достигающие 0,53-0,58 при суточной заблаговременности на всех рассматриваемых территориях, свидетельствуют о практической значимости прогнозов факта выпадения осадков в холодный период года.

Показатели успешности прогнозов количества осадков (абсолютная, относительная и среднеквадратическая ошибки) по градациям -

представлены
- для центральной части Европейской территории России в таблице 5,
- для южной части России в таблице 6,
- для Западной Сибири в таблице 7,
- для Восточной Сибири и Дальнего Востока в таблице 8.

Приведенные диаграммы (рис. 3, рис. 5) свидетельствуют о том, что модель ПЛАВ 2005 в сравнении с оперативными отечественными моделями имеет меньшие погрешности в расчете осадков количеством до 4,5 мм/12ч на всех рассматриваемых территориях. Осадки количеством 4,6–9,5 мм/12ч с меньшими ошибками прогнозировала модель при заблаговременностях до 36 ч в центральной части Европейской территории России, абсолютные ошибки двухсуточных прогнозов были одинаковыми с моделью T85L31, а при заблаговременности 60 и 72 ч ошибки у модели T85L3 на 0,2–0,6 мм/12ч оказались меньше.

В южной части указанной территории, а также. на территории Западной, Восточной Сибири и на Дальнем Востоке прогнозы осадков при их фактическом количестве 4,6–9,5 мм/12ч имели меньшие ошибки при заблаговременности до 72 ч.

Полученные результаты представлены на рис. 3, рис. 4, рис. 5 и рис. 6 - диаграммы распределения абсолютных и относительных ошибок прогнозов осадков в градациях 1,1-4,5 мм/12ч и 4,6 – 9,5 мм/12ч на четырех рассматриваемых территориях.

На рис. 3 и рис. 5 по оси ординат отложены абсолютные ошибки в мм/12ч, по оси абсцисс – заблаговременности прогнозов, цифры выше столбиков – количество оцененных прогнозов.
На рис. 4 и рис. 6 по оси ординат отложены относительные ошибки, по оси абсцисс – заблаговременности прогнозов, цифры выше столбиков – количество оцененных прогнозов.

Анализ качества прогнозов количества осадков в холодный период года в градации 1.1 – 4.5 мм/12ч (рис. 3) показал, что модель ПЛАВ с меньшими ошибками прогнозировала количество осадков заблаговременностью до 72 ч по сравнению с отечественными моделями на всех рассматриваемых территориях.

На рис. 5 приведены аналогичные ошибки прогнозов в градации 4.6 -9.5 мм/12ч по каждой из рассматриваемых территорий.
Из этих данных видно, что в прогнозы количества осадков в указанной градации на основе модели ПЛАВ имели меньшие абсолютные ошибки по сравнению с другими отечественными моделями при всех рассматриваемых заблаговременностях на территории южной части России, в Западной, Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. В центральной части территории России у испытываемой модели сохранялись преимущества перед отечественными моделями при заблаговременности до 36ч, абсолютные ошибки двухсуточных прогнозов были одинаковыми с моделью T85L31, а при заблаговременности 60 и 72 ч ошибки у модели T85L3 на 0,2–0,6 мм/12x оказались меньше.

Таким образом, в холодный период года прогнозы осадков на основе модели ПЛАВ 2005 на территории России имели преимущество перед аналогичными прогнозами отечественных оперативных моделей по большинству характеристик успешности прогнозов факта выпадения осадков. Прогнозы количества осадков заблаговременностью до 72 ч по модели ПЛАВ во всех регионах России имели лучшие показатели успешности в градациях слабых и умеренных осадков, в градациях сильных осадков показатели были ниже, чем у рассматриваемых отечественных моделей.


Успешность прогнозов осадков в теплый период года

В таблицах 9 - 12 представлены показатели успешности прогнозов факта выпадения осадков в теплый период года отдельно для каждой выделенной территории.

Из представленных в таблицах данных видно, что модель имеет более высокие предупрежденности случаев выпадения осадков, оправдываемости прогнозов без осадков и критерий качества Пирси-Обухова (Т). Однако на всех рассматриваемых территориях практически при всех заблаговременностях прогнозов (за исключением центральной части Европейской России) модель ПЛАВ 2005 уступает в успешности модели T85L31 по следующим показателям: оправдываемости прогнозов общей и с осадками, в предупрежденности случаев отсутствия осадков. В центральной части Европейской России, где при суточной заблаговременности у глобальных отечественных моделей указанные показатели одинаковые, при заблаговременности 36 ч лидирует региональная модель.

Для установления практической значимости прогнозов факта выпадения осадков в теплый сезон был выполнен анализ величин критерия качества (Т) и критерия надежности (Н) при различной заблаговременности прогнозов. Как видно на рис. 7, критерий качества (Т), уменьшаясь с увеличением заблаговременности, достигает критической величины 0,3 при заблаговременности 60 ч на всех рассматриваемых территориях. Критерий надежности (Н), учитывающий природную повторяемость явления, является более показательным для теплого сезона года поскольку поля осадков в этот сезон имеют пятнистую структуру, а сами осадки - весьма различную повторяемость по территории регионов. Приведенное на рис. 8 распределение критерия надежности (Н) для сравниваемых моделей свидетельствует о том, что в теплый сезон года практическая значимость прогнозов факта выпадения осадков на всех рассматриваемых территориях у модели ПЛАВ 2005 и других отечественных моделей ограничивается 48 ч, у зарубежных моделей она на сутки больше.

Статистических характеристики успешности прогнозов количества осадков (абсолютная, относительная и среднеквадратическая ошибки) по градациям наблюдавшихся осадков представлены:
- для центральной части Европейской территории России в таблице 13,
- для южной части России в таблице 14,
- для Западной Сибири в таблице 15,
- для Восточной Сибири и Дальнего Востока в таблице 16.

На территории центральной части Европейской России в случаях выпадения осадков количеством до 10,5 мм/12ч модель ПЛАВ имела меньшие ошибки прогнозов количества осадков по сравнению с аналогичными прогнозами других отечественных моделей для всех рассматриваемых заблаговременностей, в случаях выпадения осадков количеством 10,6-19,5 мм/12ч - меньшие ошибки имели прогнозы заблаговременностью до 60 ч. При осадках количеством 19,6 мм/12ч и более прогнозы модели ПЛАВ всех заблаговременностей имели несколько большие погрешности по сравнению с региональной моделью (заблаговременность 12ч) и моделью T85L31 (заблаговременность 24 – 72ч).
Однако у всех сравниваемых моделей в случаях наличия сильных и очень сильных осадков (градации 19,6– 49,5 мм/12ч и более 49,5 мм/12ч) относительные ошибки, равные 0,80-0,95, свидетельствовали о том, что количественные значения ошибок практически сопоставимы с количеством выпавших осадков. Такие погрешности у сравниваемых отечественных моделей имели место, начиная с заблаговременности прогнозов 36 ч, а у моделей зарубежных центров - при заблаговременности 48 ч и более.

Вместе с тем нужно отметить, что ряды случаев очень сильных осадков (более 49,5 мм/12ч) как на данной территории, так и на других рассматриваемы территориях в рассматриваемый период не были статистически обеспечены и поэтому сведения имеют только информационный характер.

В южной части России модель ПЛАВ имела меньшие погрешности в сравнении с другими отечественными моделями в градациях осадков количеством до 1,1-10,5 мм/12ч и 10,6-19,5 мм/12ч при всех заблаговременностях прогнозов. Осадки количеством 19,6 – 49,5 мм/12ч все отечественные модели прогнозировали с относительной ошибкой, равной 0,81-1,00, а модели зарубежных центров, начиная с заблаговременности 48 ч.

На территории Западной Сибири модель ПЛАВ имела меньшие погрешности в сравнении с другими отечественными моделями при осадках количеством до 19,5 мм/12ч, в градации 19,6–49,5 мм/12ч преимущества имели региональная модель (заблаговременность 12 ч) или глобальная модель T85L31 при большей заблаговременности. Выводы о качестве прогнозирования очень сильных осадков (более 49,5 мм/12ч) на ряде из 2-7 случаев могут оказаться случайными. Вместе с тем модели имели большие погрешности, особенно при прогнозировании дневных осадков.

На территории Восточной Сибири и Дальнего Востока модель ПЛАВ имела несколько меньшие ошибки в сравнении с другими отечественными моделями при осадках количеством до 49,5 мм/12ч. Статистика более сильных осадков не достаточно представительная (7 случаев наблюдалось днем и 20 случаев ночью), но тем не менее относительные ошибки ночных прогнозов количества осадков составили 0,56, а дневных 0,84. Другие отечественные модели в этой градации имели сопоставимые ошибки прогнозов, зарубежные модели при заблаговременности 12 и 24ч – несколько меньше.

Таким образом, в теплый период года модель ПЛАВ 2005 имела ряд преимуществ перед прогнозами осадков оперативных отечественных моделей по всем рассматриваемым территориям, но по меньшему количеству характеристик успешности и для разных заблаговременностей прогнозов.


Выводы

Поскольку оцениваемые ряды прогнозов были статистически обеспечены в каждом из рассматриваемых регионов и для каждой из градаций наблюдавшихся осадков (более 100-200 случаев), за исключением градации с очень сильными осадками, результаты сравнений позволяли делать достаточно надежные выводы о значимости различий в оценках успешности прогнозов 12-ти часовых сумм осадков.

Результаты испытаний показали:
- в холодный период года прогнозы факта выпадения осадков на основе модели ПЛАВ 2005 на территории России имели преимущество перед аналогичными прогнозами отечественных оперативных моделей по большинству характеристик успешности прогнозов (четыре из шести);
- прогнозы количества осадков заблаговременностью до 72 ч по модели ПЛАВ во всех регионах России имели лучшие показатели успешности в градациях слабых и умеренных осадков, в градациях сильных осадков (более 4,5 мм/12ч) показатели были ниже, чем у других рассматриваемых отечественных моделей;
- в теплый период года прогнозы факта выпадения осадков на основе модели ПЛАВ 2005 на территории России имели преимущество перед прогнозами осадков отечественных оперативных моделей по трем показателям успешности из шести;
- успешность прогнозов количества осадков на разных территориях отличалась: в центральной части европейской территории России и в Западной Сибири наименьшие абсолютные ошибки прогнозов количества осадков отмечены в градациях слабых и умеренных осадков при всех заблаговременностях; на территории южной части России наименьшие абсолютные ошибки отмечены в градациях умеренных и сильных осадков при заблаговременностях 12, 24, 36, 60 ч; на территории Восточной Сибири и Дальнего Востока наименьшие абсолютные ошибки отмечены в градациях от 0,3 до 19,5 мм/12 ч осадков при всех заблаговременностях. Сильные осадки в градации 19,6-49,5 мм лучше прогнозировались региональной моделью в центральной части европейской территории России, на территории Западной Сибири, Восточной Сибири и Дальнего Востока при заблаговременности 12 ч, и спектральной моделью Т85L31 в центральной части европейской территории России, в Западной Сибири, Восточной Сибири и Дальнего Востока при заблаговременностях от 48 до 72 ч.
- в целом успешность краткосрочных прогнозов осадков различной интенсивности по разным регионам России была весьма не однородной с преимуществами той или иной отечественной гидродинамической модели атмосферы.


Рекомендации о внедрении

Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета (ЦМКП) в своем решении от 29 ноября 2007 г. одобрила работу ГУ «Гидрометцентр России» по развитию глобальной полулагранжевой конечно-разностной модели прогноза полей метеорологических элементов в версии с постоянным разрешением (ПЛАВ 2005).

ЦМКП рекомендовала Гидрометцентру России:
- внедрить в оперативную практику гидродинамический прогноз 12-ти часовых сумм осадков заблаговременностью до 72 ч в рамках глобальной модели ПЛАВ 2005 с целью использования в холодный период года в качестве основного для слабых и умеренных осадков по всей территории России и в теплый период года – по региону Восточной Сибири и Дальнего Востока; на территории остальных регионов России в теплый период года - в качестве вспомогательного;
- для обеспечения пользователей прогностической информацией о 12-ти часовых суммах осадков на основе модели ПЛАВ 2005 размещать прогнозы на веб-сайте ГУ «Гидрометцентр России».


Реализация решения ЦМКП

Начиная с 22 мая 2008 г., карты прогностических полей метеорологических величин и осадков заблаговременностью до 3 суток для территории России, отдельно для Европейской и Азиатской территориям России, а также для территории каждого из семи Федеральных округов, рассчитанные на основе модели ПЛАВ в оперативном режиме, размещаются на сайте Гидрометцентра России (http://meteoinfo.ru/plav-forc-rus)


Контакты

Толстых Михаил Андреевич
tolstykh@inm.ras.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России