Метод прогноза перемещения и интенсивности тропических циклонов
в северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 72ч
Общие сведения
Мониторинг активных внетропических циклонов, тропических циклонов северо-западной части Тихого океана
и других опасных природных гидрометеорологических явлений в оперативных центрах дальневосточных
УГМС ведется на основе информации зарубежных метеорологических центров (Японское метеорологическое
агентство, Корейская метеорологическая администрация, Объединенный центр предупреждения о тайфунах
США).
Для прогноза перемещения и интенсивности тайфунов в Японском метеорологическом агентстве после
введения с 1 марта 2001 г. в оперативную работу нового вычислительного комплекса (многопроцессорная
ЭВМ Hitachi SR8000E1 (80 nodes), частота 768 ГГЦ, оперативная память 640 Гб) используется
спектральная модернизированная тайфунная модель Typhoon Model (TYM) – T179L25 (24x24km, 271x271).
Модель TYM идентична по структуре, учету физических процессов, методу решения, кроме некоторых
аспектов, региональной спектральной модели (RSM) – T214L40 (20x20km, 325x257).
Для прогноза тайфунов в Объединенном центре предупреждения о тайфунах США применяется 10 различных
технологий, в том числе и зарубежных метеорологических центров. Одна из 10 технологий, названная
«HYBRIDS», представляет собой набор программ-технологий BLND, WGTD и DAVE, в которых
используется идеология средневзвешенных значений результирующего прогноза, произведенных различными
статистическими, статистико-динамическими и динамическими моделями. В программе-технологии BLND
используются равные веса для технологий OTCM, CSUM, FBAM, JTWC92, CLIPER и среднему от инерционного
и климатического метода. В программе-технологии WGTD веса определены на основании вклада тех же
самых моделей, основанного на прошлой эффективности. В программе-технологии DAVE используются
равные веса для всех доступных динамических и статистико-динамических моделей, включающих NOGAPS,
EGRR, JTYM, JTWC92, FBAM, OTCM, и CSUM. Программа-технология DAVE была лучшей в Объединенном центре
предупреждения о тайфунах в течение прошлых 3 лет для прогноза на 24 и 48 часов.
Аналоговая модель ДВНИГМИ для прогноза тайфунов
Метод ДВНИГМИ (автор В.П. Тунеголовец) для прогноза перемещения и интенсивности тропических циклонов
создан на принципах адаптивной аналоговой модели. Подбор аналогов в методе прогноза ведется с
использованием технологии групповых аналогов. Теория групповых аналогов применительно к
гидрометеорологическим процессам отработана Груза В.Г. и др. [1,2].
Исходной реализацией назначается 2-4 различных гидрометеорологических поля вокруг прогнозируемого
тропического циклона как на исходный срок составления прогноза (диагноз), так и на некоторой
предыстории, а также на некотором периоде прогноза (до 24 ч) из оперативной гидрометеорологической
базы ГИС МЕТЕО (база в кодах ГРИБ – grib.cdb). Параметры атмосферы рассматриваются в окружении
тайфуна на 20° долготы к востоку и к западу, на 15° широты к северу и 10° –
к югу. В оперативной версии модели используется информация, выпускаемая Метеорологической Службой
Соединенного Королевства Великобритании (United Kingdom Met Office, Exeter) и поступающая в коде
ГРИБ (данные о геопотенциале в узлах сетки 2.5х2.5 по региону 0-70 с.ш. 70-190 в.д. за сроки 00 и
12 ч СГВ на уровнях 300, 500, 500, 850 и 1000 гПа и данные о температуре воздуха в узлах сетки
2.5х2.5 по региону 0-70 с.ш. 70-190 в.д. за сроки 00 и 12 ч СГВ на уровнях 500 и 850 гПа).
При организации доступности прогностической информации из Вашингтона, Рединга, Оффенбаха и Москвы
переключение потока этой информации для прогноза тайфунов не представляет сложности.
При составлении прогноза привлекаются данные о параметрах тропического циклона, обычно содержащиеся
на приземных картах погоды, передаваемых Японским РМЦ. Набор параметров поддерживается прогнозистами.
Исторические гидрометеорологические архивы (поля) содержатся в информационной базе данных за период
1950-2004 гг., которая создана на основе наборов NCEP/NCAR Reanalysis Project (NCEP (Национальный
центр США прогноза окружающей среды, ранее – NMC – Национальный метеорологический центр
США) и NCAR (Национальный центр США исследования атмосферы)) [4]. База состоит из 31 бинарного файла
прямого доступа (по количеству входящих в базу полей). Для территории размером 0-70° с ш. и
70° в. д. – 170° з. д. база данных содержит поля геопотенциала на уровнях
Н1000, Н850, Н700, Н500, Н300,
относительного геопотенциала ОТ5001000 (аналог средней виртуальной
температуры в слое
1000-500 гПа – Tv = 0.049 ОТ5001000),
температуры воздуха (Т) на уровнях Н850, Н500 и Н200, осажденной
влаги (Pwat) в слое 300-1000 гПа, зональных и меридиональных составляющих (u и v) скорости ветра
на уровнях: 10 м, Н850, Н500 и другие.
Историческими исходными данными о параметрах тропических циклонов служит набор данных о тропических
циклонах (1445 тропических циклонов) за период с 1951 по 2004 гг. от Японского метеорологического
агентства (Regional Specialized Meteorological Center (RSMC) Tokyo-Typhoon Center). Набор
представляет собой информацию за отдельный срок наблюдения о параметрах тропических циклонов,
таких как, давление в центре циклона, максимальный ветер, размеры радиусов зон сильных и ураганных
ветров, географические координаты, скорость перемещения и некоторые другие. Набор сформирован на
базе архивов, содержащихся на сайте Японского метеорологического агентства [3].
По исходной реализации и по имеющимся архивам предикторов оцениваются меры различия между исходной
реализацией и реализациями из архива (исторические циклоны) для каждой точки сети поля. Оценка меры
различия между исходной реализацией и реализациями из архива проводится по нормированному
среднеквадратическому расстоянию.
По нормированным значениям оценивается интегральное или суммарное различие для совокупности всех
архивов предикторов с учетом веса (значимости) архивов. Веса назначены из данных о важности
предикторов в каждом конкретном случае (для типа поля, для срока предыстории). Вклад предикторов
установлен 90 % на предыстории – 12ч, 75 % на предыстории – 24ч и 50% на предыстории –
36ч.
В соответствии с заданными пороговыми значениями мер различия (80%) формируется выборка аналогов.
При этом в группу аналогов включаются реализации, являющиеся аналогами одновременно по всем архивам
предикторов.
Датой реализации из исторического архива назначается дата в срок существования исторического циклона.
Выбор даты определен обязательным наличием числа сроков наблюдений на периоде заблаговременности
прогноза тропического циклона (например, 3 сут), а также стадией циклона (например, начальная стадия
и т.д.).
По сформированной выборке аналогов формируется категорический прогноз элементов циклона с учетом
значения меры близости каждого из аналогов оперативному тропическому циклону. При этом весовые
коэффициенты определяются как отношение мер близости (различия) лучшего из аналогов к самому себе
(100%) и к последующим аналогам.
После разработки метода и проведения опытных расчетов (247 экспериментов по 138-151 прогнозов в
каждом) получено, что наименьшие ошибки прогнозов перемещения тропических циклонов северо-западной
части Тихого океана наблюдаются:
– при различных сочетаниях полей атмосферы в количестве 2-4 поля;
– при использовании полей атмосферы как диагностических, так и диагностических
совместно с предысторией на сутки до момента прогноза, а также диагностических совместно с
прогнозом атмосферных полей на сутки;
– при учете общего влагосодержания атмосферы в слое 300-1000 гПа.
Использование в качестве предикторов диагностических полей температуры воды на поверхности океана
за предшествующую прогнозу календарную декаду месяца в умеренных широтах существенного эффекта
не дало. В экспериментах участвовали 21 вид полей.
Наиболее успешные прогнозы перемещения тропических циклонов были получены при использовании
набора предикторов, приведенных в таблице 1. При этом в оперативную версию прогноза не вошли
комбинации полей, содержащие общее влагосодержание, так как в оперативной гидрометеорологической
базе ГИС МЕТЕО аналог поля отсутствует.
Таблица 1
Набор предикторов для прогноза тропических циклонов
| п/п | Тип поля 1 | Тип поля 2 | Тип поля 3 | Тип поля 4 |
| 1 | 4 H500 | 5 T500 | 10 OT7001000 | нет |
| 2 | 3 H700 | 13 OT7001000 | нет | нет |
| 3 | 4 H500 | 5 T500 | H850 | OT5001000 |
| 4 | 3 H700 | 4 H500 | 14 OT300500 | нет |
| 5 | 4 H500 | 10 OT7001000 | нет | нет |
| 6 | 7 H850 | 14 OT300500 | нет | нет |
| 7 | 3 H700 | 8 H300 | нет | нет |
| 8 | 3 H700 | 5 Т700 | 13 OT300700 | нет |
| 9 | 10 OT7001000 | 14 OT300500 | нет | нет |
| 10 | 7 Н850 | 13 OT300700 | нет | нет |
Программный комплекс построен в среде Visual Studio 6.6 на языках программирования Fortran-90 и C++. Состоит из 21 программной единицы.
Оперативная версия программного комплекса диагноза и прогноза перемещения тропических циклонов создана на принципах адаптивной схемы. Расчет прогноза перемещения тайфуна за одни сутки производится по 50 различным ] комбинациям полей атмосферы (10 комбинаций полей на предыстории 24 ч и на диагнозе, 10 комбинаций полей только ] на диагнозе, 10 комбинаций полей на диагнозе и на прогнозе 24 ч). Выбор оптимального состава предикторов (аналоги для составления прогноза) осуществляется по наименьшей ошибке прогноза на 24 ч по отношению либо к инерционному прогнозу, либо прогнозу от любого метеорологического центра (вводится прогнозистом).
Ввод прогноза перемещения на 24 ч целесообразен при нахождении тропического циклона вблизи точки поворота. На начальной и конечной стадиях развития выбор оптимального состава предикторов вполне успешно осуществляется автоматически программным комплексом по инерционному прогнозу II рода.
Инсталляция комплекса специализированных программных средств выполняется на персональные компьютеры типа PENTIUM-IV стандартной комплектации, соединенные в локальную сеть типа ETHERNET с локальной автоматизированной системой сбора и обработки (ЛАССО). Комплекс устойчиво функционируют на ПЭВМ с характеристиками не ниже – процессор не ниже класса Pentium IV 2400, ОЗУ 512-1024 Mb, винчестер 80Gb, видеопамять не менее 64 Мб, CDROM 24x, SVGA 17.
В качестве примера работы программного комплекса приведен расчет прогноза перемещения и интенсивности тропического циклона 0423 Tokage от 18 октября 2004 г. за 12 ч ВСВ (рис. 1).
Тропический циклон 0423 Tokage оказался десятым по счету тайфуном, оказавшим воздействие на Японию, и самым мощным за последние 10 лет. Жертвами тайфуна стали 44 человека, еще 50 на 21 октября считались пропавшими без вести. В японском порту Фусики затонуло российское судно «Антонина Нежданова», но обошлось без жертв.
Пример расчета прогноза ТЦ 0423 Tokage от 18 октября 2004 г. за 12 ч СГВ
Рис. 1
Программный комплекс прогноза перемещения и интенсивности тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 72 ч дополнен программой, предназначенной для расчета статистических характеристик, определяющих надежность модели расчета.
Результаты оперативных испытаний
Оперативные испытания данного метода проводились в отделе метеорологических прогнозов погоды Гидрометцентра Приморского УГМС в 2005г. Всего за этот период в северо¬-западной части Тихого океана развивалось 20 тропических циклонов, 13 из них вышли в умеренные широты. Расчет будущего положения и интенсивности производился для семи тропических циклонов по исходным данным за 00 и 12ч ВСВ, оказавших прямое или косвенное влияние на погоду Дальневосточного региона.
Оценка качества методических прогнозов положения и интенсивности тропических циклонов производилась в сравнении с качеством инерционных прогнозов тех же тропических циклонов в соответствии с «Методическими указаниями...» [5]. Инерционные прогнозы предполагают сохранение тенденции изменения параметров тропических циклонов за предыдущие 12 ч в последующие 12 ч.
Согласно Методическим указаниям [5], прогнозы положения тропических циклонов могут быть интерпретированы в следующих категориях: хороший, удовлетворительный, плохой.
Рекомендованные Методическими указаниями [5] различные характеристики качества прогнозов представлены в таблицах 1–3. В них приведены сводные данные без разделения траекторий на прямую и обратную ветви, на участок поворота и на сложные траектории, так как такое разделение не было предусмотрено программой расчета характеристик надежности метода. Для сравнения помещены характеристики качества инерционных прогнозов тех же тропических циклонов.
Таблица 1
Ошибки прогнозов положения тропических циклонов
Из данных таблицы 1 следует, что метод дает хороший результат практически при любой заблаговременности прогнозов. Средняя ошибка в положении центров тропических циклонов (Δr) при заблаговременности прогнозов до 24 ч составляет 66км, при заблаговременности 48 ч – 211км и при заблаговременности 72 ч – 463км. При этом прогнозы заблаговременностью до 48 ч в большинстве случаев имеют ошибки в положении центров, не превышающие 200км. При заблаговременности 72 часа в 43% случаев средняя разница между прогностическим и фактическим положениями тропических циклонов приходится на интервал 201 – 400км. Погрешности методических прогнозов положения центров тропических циклонов существенно меньше аналогичных погрешностей инерционных прогнозов.
Анализ характеристик успешности прогнозов скорости перемещения тропических циклонов также указывает на хорошее качество таких прогнозов. Знак средней арифметической ошибки скорости перемещения тропических циклонов свидетельствует о систематическом занижении рассчитанной скорости.
Следует отметить, что все показатели надежности прогнозов будущего положения тропических циклонов предложенным к испытанию методом превышают аналогичные показатели инерционных прогнозов.
Таблица 2
Ошибки в прогнозах давления в центрах тропических циклонов
Как следует из данных таблицы 2, абсолютная ошибка прогнозов давления в центрах тропических циклонов (σP) с увеличением заблаговременности прогнозов увеличивается от 5,7гПа (прогноз на 12 ч) до 18.4гПа (прогноз на 72 ч). Средняя арифметическая ошибка (σp) прогнозов давления также увеличивается от 6,5гПа (прогноз на 12 ч) до 27,8гПа (прогноз на 72 ч), при этом давление в центрах тропических циклонов практически постоянно завышается. Оправдываемость прогнозов знака изменения давления в центрах циклонов составила 69% при заблаговременности 24 ч и 58% при заблаговременности 72 ч.
Успешность инерционных прогнозов давления в центрах тропических циклонов по всем приведенным показателям существенно ниже.
Таблица 3
Ошибки в прогнозе максимальной скорости ветра в центрах тропических циклонов
Успешность методических прогнозов максимального ветра в тропических циклонах характеризуют следующие показатели: средняя абсолютная ошибка скорости ветра (δv) изменяется в пределах от 2,5м/с при заблаговременности прогнозов 12 ч до 8,3м/с при заблаговременности 72 ч, относительная ошибка (υv) колеблется от 0,83 (прогноз на 12 ч) до 0,58-0,60 (прогноз на 36-72 ч). Максимальная скорость ветра в прогнозах, как правило, завышается. Оправдываемость прогнозов скорости ветра при заблаговременности 12 и 24 ч высокая и составляет 97,4 и 94,4% соответственно, при большей заблаговременности оправдываемость прогнозов уменьшается и составляет 62,5% при заблаговременности 72 ч. Качество инерционных прогнозов максимального ветра практически по всем показателям успешности намного ниже качества методических прогнозов.
Оценка прогностических размеров зон со скоростью ветра >30 узлов (15м/с) и >50 узлов (25м/c) также показала преимущество методических прогнозов над инерционными прогнозами практически по всем показателям, но при заблаговременности прогнозов 12 и 24 ч различия эти небольшие.
На рисунке 2 приведена диаграмма, на которой наглядно представлена сравнительная оценка прогнозов положения тропических циклонов, рассчитанных по предложенной к испытанию методике, и по методам, используемым в Японском метеорологическом Агенстве и в Объединенном центре предупреждения о тайфунах США.
RSMС-2001, ДВНИГМИ-АС7, USА
Рис. 2 Сравнительная оценка прогнозов перемещения тропических циклонов, рассчитанных по методу Японского метеорологического агентства (RSМС-2001), по аналоговому методу ДВНИГМИ (ДВНИГМИ-AС7) и по методу Объединенного центра предупреждений о тайфунах США (USА).
Рекомендации о внедрении метода
Учитывая полученные результаты испытания метода, Технический совет Гидрометцентра Приморского УГМС своим решением от 24 ноября 2005г. рекомендовал метод к использованию в оперативной практике для расчета положения и интенсивности тропических циклонов северо-западной части Тихого океана с заблаговременностью до 72 ч.
Список литературы
1. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Вариант схемы отбора и оценки групповых аналогов на ЭВМ М-222. - Труды ВНИИГМИ-МЦД, 1977, вып. 35, с. 11-21
2. Груза Г.В., Ранькова Э.Я., Эстерле Г.Р. Схема адаптивного статистического прогноза с использованием группы аналогов. - Труды ВНИИГМИ-МЦД, 1976, вып. 13, с. 5-25
3. Analysis Archive – http://www.jma.go.jp/JMA_HP/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/trackarchives.html
4. E. Kalnay, M. Kanamitsu, R. Kistler, W. Collins, D. Deaven, L. Gandin, M. Iredell, S. Saha, G. White, J. Woollen, Y. Zhu, A. Leetmaa, R. Reynolds (NCEP Environmental Modeling Center), M. Chelliah, W. Ebisuzaki, W.Higgins, J. Janowiak, K. C. Mo, C. Ropelewski, J. Wang, (NCEP Climate Prediction Center), Roy Jenne, Dennis Joseph (NCAR). The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project / Bulletin of the American Meteorological Society, March 1996
5. Методические указания. Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов. РД 52.27.284 – 91.
Контакты
Автор модели: Тунеголовец В.П. – зав. отделом ДВНИГМИ, д-р геогр. наук, профессор
E-mail: VTunegolovets@ferhri.ru