Метод прогноза перемещения и интенсивности южных циклонов северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 48 ч

Представленный метод разработан в отделе метеорологии и изучения тропических циклонов ДВНИГМИ (автор В.П. Тунеголовец).

На основе данного метода составляется прогноз перемещения (координаты положения центра) и интенсивности (минимальное давление в центре) южных циклонов с дискретностью 6 часов.

Метод построен на принципах адаптивной аналоговой схемы, которая включает в себя сравнение оперативных данных и параметров южных циклонов, развивающихся в северо-западной части Тихого океана по 50 различным комбинациям полей атмосферы (10 комбинаций полей на суточной предысторий и на диагнозе, 10 комбинаций полей только на диагнозе, 10 комбинаций полей на диагнозе и на прогнозе заблаговременностью 24 ч).
Выбор оптимального состава предикторов осуществляется по наименьшей ошибке суточного прогноза по отношению к инерционному прогнозу.

Исходными данными для разработки метода послужил набор данных о южных циклонах за период с 1963 по 2005 гг.
В отделе метеорологии и изучения тропических циклонов используется историческая информационная база данных за период 1950 - 2001 гг., созданная на основе наборов NСЕР/NСАR Reanalysis Project (NСЕР - Национальный центр США прогноза окружающей среды, ранее - NМС - Национальный метеорологический центр США и NСАR - Национальный центр США исследования атмосферы). База данных содержит значения геопотенциала на уровне Н1000, Н850, Н700, Н500, НЗ00, относительного геопотенциала ОТ 500/1000, температуры воздуха (Т) на уровнях Н850, Н500, Н200, осаждённой влаги (Рwat) в слое 300-1000 гПа, зональные и меридиональные составляющие (u и v) скорости ветра на высотах 10 м, Н850, Н500 и другие.

Исходной информацией для оперативного прогноза являются:
а) набор данных для прогнозируемого южного циклона от момента его зарождения до момента прогноза;
б) наборы полейх атмосферы вокруг циклона на предыстории двух суток на момент прогноза и на прогнозе заблаговременностью до 48 ч, из оперативной гидрометеорологической базы ГИС МЕТЕО (база в кодах ГРИБ – grib.cdb);
в) набор исторических данных о параметрах циклонов в северо-западной части Тихого океана (1963-2005гг.);
г) наборы исторических данных о параметрах атмосферы (1963-2001гг.) для района 0-70°с.ш., 700 в.д. - 170°з.д.

Способ прогноза автоматизирован под операционную систему Windows-ХР. Версия программного Комплекса требует наличия оперативной базы гидрометеорологических данных ПТК ЛАССО.

Расчёт будущего положения интенсивности южных циклонов в северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 48 ч производился на основе данных о параметрах южного циклона обычно содержащихся на приземных картах погоды, передаваемых РМЦ Токио. Для прогноза интенсивности и перемещения южных циклонов заблаговременностью до 2 сут использовалась информация от момента зарождения циклона до момента прогноза с дискретностью 6 ч. Моментом зарождения циклона считается время образования первой замкнутой изобары.

Запись данных для организации расчёта положения и интенсивности южного циклона осуществляется по программе ZAPIS ТС в диалоговом режиме или головным программным комплексом. Результаты расчёта прогноза появляются в графическом окне и записываются в файл. Рисунок сохраняется автоматически в указанной директории.

Оперативные испытания данного метода прогноза проводились в отделе метеорологических прогнозов погоды Приморского УГМС в период с октября 2005г. по апрель 2006г.
За этот период было составлено 32 прогноза траектории перемещения для 8 южных циклонов над северо-западной частью Тихого океана.

Программный комплекс прогноза перемещения и интенсивности южных циклонов в северо-западной части Тихого океана заблаговременностью до 48 ч дополнен программой, предназначенной для расчёта статистических характеристик, определяющих надёжность предложенной модели расчёта. Все характеристики, необходимые для расчёта качества прогнозов, были рассчитаны автоматически и затем сведены в таблицы 1-4, в которых для сравнения представлены так же результаты оценки качества инерционных прогнозов положения и интенсивности этих же южных циклонов.
Оценка прогнозов южных циклонов производилась в соответствии с Методическими указаниями по проведению производственных (оперативных) испытаний [1] применительно к прогнозам перемещения тропических циклонов.

При испытаниях методические прогнозы сравнивались с инерционными прогнозами.
Инерционный прогноз основан на предположении о сохранении хода изменчивости процесса за прошедший период в будущем. Применительно к прогнозу интенсивности как тайфунов, так и южных циклонов считается, что изменение параметров на 12- или 24- часовом отрезке времени остаётся неизменным на последующие 12 и 24 часа (прогноз первого рода).

При наличии прогнозируемых параметров за несколько промежутков времени в качестве инерционного параметра используют изменение (увеличение или уменьшение) скорости, а так же изменение направления движения циклона в течение прошедшего периода и соответственно этому - изменение этих параметров в будущем (прогноз второго рода).

Расчёт оценок производился по разработанным в ОМТЦ ДВНИГМИ программам расчета на ЭВМ. В соответствии с Методическими указаниями [1] для определения качества прогноза перемещения барических образований вычислялись:
-ошибка в прогнозе положения южных циклонов (Δr, км);
-ошибка в прогнозе положения южных циклонов за период, соответствующий заблаговременности прогноза (ΔS, км/время);
-ошибка в прогнозе направления перемещения (Δφ:#176;).

Допустимые ошибки при прогнозах перемещения южных циклонов в соответствии с [1] являются:
- при заблаговременности 24 ч при хорошем прогнозе Δr <200 км, ΔS <250 км/сут, Δφ<20°
при удовлетворительном прогнозе 201<Δr<400 км, 251 км/сут<ΔS<450 км/сут, 21<Δφ<35°
при плохом Δr>400 км, ΔS>450 км/сут, Δφ>З5°
- при заблаговременности 48 ч при хорошем прогнозе Δr<350 км, ΔS<450 км/сут, Δφ<30°
при удовлетворительном прогнозе 501<Δr<550 км, 351 км/сут<ΔS<550 км/сут, 26<Δφ<40°
при плохом Δr>550 км, ΔS>550 км/сут, Δφ>40°

Ошибки в положении южных циклонов в соответствии с [1] определяют следующие показатели успешности:
- абсолютная ошибка прогнозов положения центров южных циклонов (Δr - средняя, Δrmin, Δrmax - экстремальные). Величина Δr определяется как расстояние между прогностическим и фактическим положениями центров барических образований с точностью до 10 км. Повторяемость (%) Δr рассчитывается по градации (<200, 201-400, >400 км);
- относительная ошибка (ε) прогнозов положения южных циклонов с точностью до 0,01.

Успешность прогноза скорости перемещения южных циклонов характеризуют:
- абсолютная ошибка прогноза скорости перемещения циклонов (ΔS), вычисляемая с точностью до 10 км. Повторяемость (%) ΔS рассчитывается по градациям 0-250, 251-450 и более 450 км на 12-48 часов;
- средняя арифметическая (систематическая) ошибка скорости перемещения южных циклонов (ΔS_арифм);
-характеристика завышения или занижения (ηs) прогностической скорости южного циклона по сравнению с фактической.

Ошибка в прогнозе направления перемещения южных циклонов Δφ определяется значением угла между прогностической и фактической траекториями перемещения с точностью до 1° (в пределах от 0 до 180° вправо или влево). При этом вычисляются случаи отклонения прогностической траектории от фактической влево и вправо. Вычисляются среднее и экстремальные значения Δφ.

Результаты испытаний метода прогноза перемещения южных циклонов представлены в таблицах 1-3.
Где Δt: - заблаговременность прогноза, а N - число прогнозов.
Из всех перечисленных показателей успешности прогнозов перемещения южных циклонов основным принято считать ошибки в прогнозе положения (Δr).

Таблица 1
Ошибки в прогнозе положения южных циклонов (Δr)

Из анализа таблицы 1 видно, что метод даёт хороший результат при заблаговременности прогнозов на 12-24 ч. Средняя ошибка прогнозов положения центров южных циклонов при этой заблаговременности колеблется от 109 км до 165 км, при большей заблаговременности постепенно возрастает до 481 км. В большинстве случаев (72 - 80%) при заблаговременности прогнозов до 24 ч ошибка не превышает 200 км - хорошее качество прогноза. На сроки прогноза 36 и 48 ч возрастает повторяемость ошибок в прогнозе положения центров южных циклонов в интервале от 200 до 600 км (32% и 20% - соответственно), что говорит об удовлетворительном качестве. А также возрастает повторяемость (18-45%) значения ошибок (Δr > б00 км) между прогностическим и фактическим положением центров южных циклонов - неудовлетворительный результат.

Минимальные значения ошибок с увеличением заблаговременности прогноза не возрастают, а максимальные - возрастают от 312 до 1066 км, за исключением прогнозов заблаговременностью 24 ч, когда максимальная ошибка прогноза составила 248 км.

Таблица 2
Ошибки в прогнозе скорости перемещения южных циклонов (ΔS, км/сут)

Анализ ошибок прогнозов скорости перемещения южных циклонов, представленный в таблице 2, в большинстве случаев (68 - 100%) указывает на хорошее качество этих прогнозов при любой заблаговременности, т.к. ошибка прогноза скорости перемещения южных циклонов при этом не превышает 250 км/сутки.

Средняя абсолютная ошибка прогноза скорости перемещения южных циклонов имеет наименьшие значение при прогнозах на 24 ч (75 км/сут), а наибольшее - при прогнозах на 12 ч (211 км/сут). В остальные сроки прогноза средние абсолютные ошибки скорости перемещения циклонов находятся в интервале между 157 -174 км/сутки (36 и 48 часов соответственно), что так же свидетельствует о хорошем качестве прогнозов.

Экстремальные (максимальные) значения ΔS км/сутки изменяются в интервале от 507 до 681 км/сутки при заблаговременности прогнозов 12, 36 и 48 ч и имеют наименьшие значения при прогнозах на 24 ч - 185 км/сут. Значения средней арифметической ошибки скорости перемещения южных циклонов колеблется от -34 до 49 км/сутки. Знак ошибки указывает о постоянном занижении рассчитанной скорости перемещения южных циклонов. Ошибки в прогнозе направления смещения южных циклонов (таблица 3) при любой заблаговременности прогнозов в большинстве случаев (84-100%) не превышают 25°, при этом в прогнозах заблаговременностью 12, 36 и 48 ч повторяемость отклонения прогностической траекторией от фактической на угол <25° оказывается примерно одинаковой (84 - 87%). Суточные прогнозы имеют такое отклонение во всех прогнозах (100%).

Таблица З
Ошибки в прогнозе направления перемещения южных циклонов

Средние значения величины отклонения прогностических траекторий от фактических как влево так и вправо при любой заблаговременности прогнозов невелики и составляют от 5 до 14°. Чаще (58-68%) наблюдаются отклонения прогностических траекторий вправо от фактических траекторий в прогнозах на сроки 12-36 ч, а на срок 48 ч эти отклонения равновероятны как влево (50%) так и вправо (50%). Лучшие результаты (5°) в прогнозах направления южных циклонов получены при заблаговременности прогнозов 24 ч.

Оценка оправдываемости прогноза давления в центре циклона согласно [1] производится с использованием следующих характеристик:
-оправдываемость прогноза знака эволюции давления характеризует величина (ρ). Значения ρ≥0,50 свидетельствует об удовлетворительном, ρ≥0,70 - о хорошем качестве прогноза знака изменения давления в южном циклоне;
-абсолютная ошибка прогноза давления (δ_ρ) с точностью до 0,1;
-относительная ошибка прогноза давления (ε_ρ) с точностью до 0,01;
-средняя фактическая изменчивость давления (ε_φ) в центре циклона;
-средняя арифметическая (систематическая) ошибка (δ_ρ) прогноза давления в центре циклона с точностью до 0,1. Положительное (отрицательное) значение δ_ρ свидетельствует о систематическом завышении (занижении) давления в центре циклона.

Результаты испытаний метода прогноза давления в центрах южных циклонов в западной части Тихого океана представлены в таблице 4.

Таблица 4
Ошибки в прогнозе давления в центрах южных циклонов

Абсолютная ошибка прогнозов давления (δ_ρ) в центрах южных циклонов возрастает с увеличением заблаговременности прогнозов с 5.6 гПа на 12 ч до 18.0 гПа на 48 ч. Средняя арифметическая ошибка прогнозов давления (δ_ρ) так же возрастает по величине с - 4.4 до -17.6 гПа. Отрицательные значения указывают о систематическом занижении давления в центрах южных циклонов.
Оправдываемость прогноза знака эволюции давления (ρ) указывает на удовлетворительный результат (ρ≥0.5) в прогнозах на 12 и 36 ч (0.52 и 0.50 соответственно), в прогнозах на 24 и 48 ч ρ имеет значение 0.33 и 0.44, что говорит о неудовлетворительном результате. Но вероятность совпадения знаков в первых двух случаях составляет 76 и 75%, во вторых случаях - 67 и 72%.
Полученные в результате расчёта на ЭВМ данные представлены на рисунках 1-8 – это результаты расчёта траекторий (с указанием географических координат и интенсивности давления по срокам прогноза с дискретностью 6 ч) каждого из 8 южных циклонов за период 2005-2006гг.

Качество прогнозов положения южных циклонов в северо-западной части Тихого океана по методу, разработанному ОМТЦ ДВНИГМИ, согласно [1], можно считать хорошим при заблаговременности 12 и 24 ч и удовлетворительным при заблаговременности 36 и 48 ч. Но и в первом и во втором случаях оправдываемость методических прогнозов имеет лучшие результаты по сравнению с инерционными прогнозами.


Рекомендации о внедрении
Технический совет Приморского УГМС в своем решении от 9 октября 2006г на основании полученных результатов рекомендовал метод к использованию в оперативной практике для расчета положения и интенсивности южных циклонов северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 48 ч.


Литература
1. Методические указания по проведению производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов. Рд 52.27.284-91. - М., 1991.
2. Проект методических указаний. Аналоговый метод прогноза с заблаговременностью до 48 часов перемещения и интенсивности давления в центре южных циклонов северо-западной части Тихого океана. Владивосток, 2005.

Автор:
Тунеголовец В.П. – зав. отделом ДВНИГМИ, д-р геогр. наук, профессор
VTunegolovets@ferhri.ru