Автоматизированный метод прогноза шквалов с детализацией интенсивности в 3-х градациях (от 20 до 24 м/с, ОЯ и ураганы) на основе выходных данных региональной модели с заблаговременностью 12 и 24 ч
Метод реализован в рамках единого программного комплекса на ЭВМ Xeon-4, включающего расчет:
- полей метеорологических элементов оперативной региональной моделью Гидрометцентра России с шагом по горизонтали 75 км,
- параметров конвекции одномерной стационарной моделью конвекции,
- прогноза осадков физико-статистическим подходом, на основе выходных данных региональной модели.
Прогнозы с заблаговременностью 12 и 24 ч рассчитываются, записываются в базу данных, автоматизировано наносятся на карты, которые передаются потребителю 2 раза в сутки (исходные сроки 00 и 12 ч ВСВ).
Метод был разработан по принципу «идеального прогноза». Прогноз шквалов в 3-х градациях является результатом комплекса двух методов прогноза: скорости ветра при шквалах и альтернативного прогноза шквалов в градации ОЯ.
Шквалы с ураганной скоростью ветра прогнозируются при выполнении условия: одновременно прогнозируется шквал в градации опасных явлений альтернативным способом и скорость максимальных порывов ветра не менее 33 м/с. Если же альтернативным способом шквал в градации ОЯ не ожидается, то ураган прогнозируется, если максимальная прогнозируемая скорость порывов ветра составляет 40 м/с и более.
Шквалы в градации ОЯ прогнозируются при условии их прогноза альтернативным способом и при этом прогнозируемая скорость ветра составляет 25-33 м/с. Если же, альтернативный способ не прогнозирует шквалы в градации ОЯ, то они, тем не менее, прогнозируются, если прогнозируемая максимальная скорость ветра 35-40 м/с.
Шквал в градации от 20 до 25 м/с прогнозируется, если рассчитанная скорость ветра 20-25 м/с.
Прогноз максимальной скорости ветра при сильных шквалах рассчитывается с помощью уравнения регрессии:
С целью уменьшения относительной ошибки прогноза максимальной скорости ветра при шквалах используется линейная комбинация нелинейных предикторов.
Прогноз шквалов в градации ОЯ осуществляется по дискриминантной функции:
Дискриминантная функция для прогноза шквалов в градации ОЯ является функцией от максимальной конвективной скорости и лапласиана давления, приведенного к уровню моря.
На рисунке 1 в качестве примера приведен прогноз сильных шквалов на текущий день 13 июня 2010 г., рассчитанный по исходному сроку 00 ч ВСВ.
Рис. 1
Фактически днем 13 июня 2010 г. шквалы наблюдались в Ивановской области (30 м/с с ущербом), в Рязанской области (26 м/с), в Московской, Владимирской областях (24 м/с), в Орловской, Тульской областях (20 м/с), В Смоленской, Курской областях (18 м/с), в Липецкой, Костромской областях (16 м/с), в Калужской области (15 м/с).
На рисунке 2 в качестве примера приведен прогноз сильных шквалов на текущий день 28 августа 2010 г., рассчитанный по исходному сроку 00 ч ВСВ.
Рис. 2
Фактически наблюдались: в Белгородской области шквалы (22 м/с) с сильной грозой, в Воронежской области шквалы (20 м/с), в Московской области (18 м/с) с сильной грозой и градом, в Курской области (22 м/с) - отмечен ущерб, в Липецкой области (17 м/c), в Тамбовской, Орловской областях (16 м/с).
Методика испытаний
Оперативные испытания автоматизированного метода прогноза шквалов с заблаговременностью до 24 ч проводились в ГУ «Гидрометцентр России» в теплый период 2009-2010 гг. (с 16 мая по 15 сентября) по территории 17 областей, входящих в Центральный Федеральный. Метод работает совместно c региональной прогностической моделью В.М. Лосева, имеющей достаточно хорошие результаты (шаг сетки ~75 км, заблаговременность прогнозов до 48 ч, территория прогноза - Западная Европа и страны СНГ). Прогнозы шквалов представлялись в условных цифрах в сетке этой модели в виде карт; в 2010 г. эти прогнозы дополнительно записывались в базу данных. Для шквалов условные цифры означали следующее: 0 – отсутствие явления; 1 – ветер 20-24 м/c; 2 - 25-32 м/c; 3 – ветер >=31 м/c.
Территории областей ЦФО довольно заметно отличаются между собой,- так, например, территории Калужской и Липецкой областей включают в себя только 5 узлов сетки модели, а Костромской и Тверской – 13 и 15 соответственно (Московская область – 8 узлов). Отметим, что страхование ущерба от ОЯ в ЦФО делается по областному принципу.
Для оценки успешности прогнозов привлекались данные о ветре на метеорологических станциях. Это были, как правило, данные о порывах ветра между сроками, которые сообщаются метеорологическими станциями в виде дополнительной информации о погоде (брались случаи с ветром >=18 м/с). Для оценки прогнозов ветра включались данные о ветре за 5 сроков подряд: например, при прогнозе на 12 ч за исходный срок 00 ч ВСВ привлекались данные за 06, 09, 12, 15 и 18 ч ВСВ. Кроме того привлекались значения ветра из донесений с мест о наблюдавшихся опасных явлениях погоды. В этом случае скорость ветра определялась по произведенным разрушениям и повреждениям (визуальная шкала Бофорта), приблизительно определялись и координаты опасного явления. Ветер из донесений составил примерно 10 % всех случаев, поэтому результаты испытаний прогнозов в градации ОЯ оказались статистически не обеспечены.
Прогноз считался оправдавшимся, если хотя бы в одном узле области прогнозировалось явление соответствующей градации и оно действительно наблюдалось в этой области хотя бы на одной станции или отмечалось в донесении из этой области. Но, если хотя бы в одном узле области прогнозировалось явление соответствующей градации, но оно не наблюдалось ни на одной станции и не отмечалось в донесении, то прогноз по данной области считался не оправдавшимся. Оценка прогнозов проводилась по одинаковой методике в 2009 г. вручную (из-за отсутствия прогнозов в базе), а в 2010 г. – с использованием автоматизированной технологии.
Оценки успешности прогнозов шквалов за летний период 2009-2010 г.
за период с 15 мая по 15 сентября 2009-2010 гг.
00-12 ч текущий день
12-12 ч текущая ночь
12-24 ч следующий день
00-24 ч следующая ночь
Анализ результатов испытаний показал, что метод прогнозируют отсутствие ветра в градации ОЯ с оправдываемостью 91- - 98%, предупрежденность случаев наличия ОЯ составляет 55-75 %, а значения критерия качества Пирси – Обухова, равные О.30 - 0.45, подтверждают практическую значимость данных прогнозов; основным недостатком метода является значительное количество «ложных тревог».
Наличие части «ложных тревог» можно объяснить недостаточно плотной сетью наблюдений за шквалами (есть несоответствие между точечной фиксацией шквалов на станциях наблюдений, а также косвенной их фиксацией по ущербу - согласно шкале Бофорта - и их площадным прогнозом). Другими возможными причинами «ложных тревог» являются:
- недостаточная точность прогноза приземной влажности в региональной модели, - сглаженность модельных полей метеорологических величин (вследствие чего площадь прогнозируемых зон шквалов данных градаций больше, чем фактическая);
- завышение максимальных конвективных скоростей за счет несовершенства учета вовлечения в облако воздушных масс и сдвига ветра, а также неточностью учета их изменения по времени и площади. (Кроме того, выяснилось, что разработанное уравнение регрессии дает систематическую ошибку расчетной скорости ветра при шквале 6 м/с).
Необходимо отметить стабильность показателей качества прогнозов при увеличении их заблаговременности с 12 ч до 24 ч.
Таким образом, усовершенствование рассматриваемого метода прогноза сводится, в основном, к решению проблемы уменьшения «ложных тревог» при сохранении достигнутых успехов (высоких показателей оправдываемости прогнозов без явлений и предупрежденности явлений). В рамках доработки метода необходимо совершенствование и региональной модели, от выходных данных которой зависит качество прогноза шквалов физико-статистическим подходом.
Рекомендации о внедрении
Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам (ЦМКП) в своем решении от 2 марта 2011 г. рекомендовала:
- ГУ «Гидрометцентр России» внедрить в оперативную технологию автоматизированный метод прогноза шквалов с детализацией интенсивности по градациям (от 20 до 24 м/с, ОЯ 
25 м/c) с заблаговременностью 12 и 24 ч и обеспечить передачу указанных прогнозов в летний период в прогностические организации Центрального и Центрально-Черноземного УГМС;
- оперативно - прогностическим организациям Центрального и Центрально-Черноземного УГМС использовать в практической работе данные прогнозы в качестве фоновых с целью последующего их уточнения.
Авторам метода поручено подготовить описание метода прогноза шквалов с результатами оперативных испытаний и рекомендациями о практическом использовании, материалы разместить на сайт «Методический кабинет Гидрометцентра России», а также продолжить работу по развитию метода прогноза сильных и очень сильных шквалов, в том числе с использованием информации доплеровских МРЛ.
Авторы
Алексеева А.А., Лосев В.М., Б.Е. Песков
Контакты
А.А Алексеева, e-mail: alekseeva@mecom.ru
тел. 8 (499) 795-23-20
В.М. Лосев, e-mail: losev@mecom.ru
тел. 8 (499) 795-20-19