Метод прогноза минимальной и максимальной температуры воздуха с заблаговременностью 1-5 суток на основе статистической интерпретации гидродинамических моделей атмосферы.

Общие сведения
Разработанный в Гидрометцентре России метод прогноза минимальной и максимальной температуры воздуха (автор П.П. Васильев) основан на реализации программно-технологического комплекса адаптивной статистической модели среднесрочного прогноза и использует статистическую интерпретацию результатов интегрирования гидродинамических моделей атмосферы ECMWF (Reding) и UKMO (Exeter).

В оперативную практику Гидрометцентра России внедрена и в течение длительного времени используется технология построения численных статистических моделей для прогноза элементов погоды (схема РЭП [1] - расчет элементов погоды) с использованием таких алгоритмов, как метод дискриминантного анализа, пошаговые регрессионные алгоритмы с динамическим отбором предикторов на каждом этапе; алгоритм усвоения, контроля и восстановления данных (уровня II) для сбора и архивации их в среднесрочной проблемно-ориентированной базе данных (СПОБД), необходимой для численной интерпретации. Созданы справочно-информационные базы (SNOB, SNOBIK) для комплектации и распространения прогностической продукции пользователям. Изучение климатического режима и пространственно-временной структуры основных метеорологических элементов (температуры и др.) позволило корректно осуществлять построение выше перечисленных алгоритмов.

Технология предусматривает возможность формирования выпускаемой продукции различными алгоритмами районирования: по энергосистемам, бассейнам рек, побережьям морей, по территории субъектов Российской Федерации, отдельным пунктам и др.

Система связана с метеорологическими каналами связи, почтовыми серверами и осуществляет в автоматическом режиме, в дополнение к расчёту прогнозов, накопление и поддержание базы данных (данных уровня II и уровня III), выполняет распространение прогностической продукции потребителям (в том числе в территориальные УГМС). Численная адаптивная статистическая модель строится заново для каждой географической точки, для каждой даты и заблаговременности прогноза, и использует синхронные прогностические связи. Прогноз осуществляется раздельно для минимальной и максимальной температуры воздуха.


Результаты испытаний
Испытания метода прогноза минимальной (Т min) и максимальной (Т max) температуры воздуха проводились по Москве и Московской области в период с апреля 2005 г. по август 2006 г. Оценка успешности оперативно составляемых в рамках данной технологии прогнозов осуществлялась по Москве с заблаговременностью до трех суток и по Московской области - с заблаговременностью до пяти суток. В период испытаний выполнялось сравнение успешности прогнозов по схеме РЭП с оперативными прогнозами синоптиков Гидрометбюро Москвы и Московской области, а также с прогнозами Гидрометцентра России, с гидродинамическими прогнозами минимальной и максимальной температуры воздуха и инерционными прогнозами.


Оценка прогнозов температуры воздуха по Москве
Прогнозы экстремальной температуры по Москве сравнивались с данными наблюдений на 7 станций Москвы.
Показатели успешности прогнозов экстремальной температуры воздуха по Москве, рассчитываемых по схеме РЭП, в сравнении с аналогичными показателями успешности прогнозов синоптиков Московского гидрометбюро (прогнозы на первые сутки) и синоптиков Гидрометцентра России (прогнозы на вторые - третьи сутки), а также с гидродинамическими (автор Л.В.Беркович) и инерционными прогнозами приведены в таблице 1.

Средние за период испытаний абсолютные ошибки прогнозов Т_min и Т_max по схеме РЭП на первые сутки составили 1,9°С, на вторые сутки 2,0-2,1&3176;С и на третьи сутки 2,2-2,3&3176;С. Оправдываемость прогнозов минимальной и максимальной температуры по Наставлению составила соответственно 87-86% на первые сутки, 86-82% на вторые сутки и 81-78% на третьи сутки с превышением над оправдываемостью инерционного прогноза от 8-13% на первые сутки до 26% на третьи сутки. Оправдываемость прогнозов РЭП в среднем на 2-4% была ниже оправдываемости прогнозов, составленных синоптиками. Сравнение прогнозов РЭП с гидродинамическими прогнозами на первые сутки (предстоящая ночь и следующий день) показало практически совпадение успешности прогнозов Тmax, а прогнозы Тmin схемы РЭП уступали в среднем 5% по оправдываемости и 0,3°С по абсолютной ошибке численным прогнозам.


Анализ результатов испытания по Москве
Проведенный в период испытаний анализ успешности прогнозов РЭП отдельно для холодного и теплого полугодий показал практически одинаковую успешность прогнозов Тmax по полугодиям. Прогнозы Т_min в теплое полугодие имели оправдываемость на 16-22% выше, чем в холодное полугодие. В холодное полугодие наблюдались отрицательные систематические ошибки прогнозов минимальной температуры воздуха по Москве величиной в 1,3-1,7°С, а в теплое полугодие таких ошибок не отмечено. В теплые месяцы 2006 г. (с мая по август) успешность прогнозов РЭП была выше успешности прогнозов в теплый сезон 2005 г. и превышала успешность синоптических прогнозов Т_min и Т_max на первые и вторые сутки и прогнозов Т_min на третьи сутки (рисунок 1). В эти месяцы абсолютные ошибки прогнозов РЭП изменялись от 1,4°С на первые сутки до 1,7-2,1°С на третьи сутки.

При анализе распределения ошибок прогнозов по месяцам в течение периода испытаний (рисунок 1) наибольшие значения абсолютных ошибок прогнозов минимальной температуры отмечались в декабре-январе (от 3°С на первые сутки до 3,7°С на третьи сутки) и марте (2,5-3°С). Наибольшие ошибки прогнозов максимальной температуры (около 2,5-3°С) зарегистрированы в переходные сезоны 2005 г. (апрель-май и сентябрь-октябрь). В остальные месяцы ошибки прогнозов были небольшие и находились в пределах 1-2°С.

Был выполнен анализ случаев с резкими изменениями экстремальной температуры воздуха (на 10°С и более за сутки), которые наблюдаются при быстрой перестройке атмосферных процессов или при быстром смещении атмосферных фронтов. Результаты выполненного анализа приведены в таблице 2. В таких ситуациях прогнозы РЭП имели оправдываемость, близкую к оправдываемости синоптических прогнозов и значительно превосходили качество инерционных прогнозов. При этом в холодное полугодие заметно более высокие оценки имели прогнозы Т_max, а в летний период - прогнозы Т_min.


Оценка прогнозов температуры воздуха по Московской области
Прогнозы экстремальной температуры по Московской области сравнивались с данными наблюдений на 14 станциях этой территории. таблице 3 приведены показатели успешности прогнозов температуры по Московской области.

Средние абсолютные ошибки прогнозов Т_min и Т_max за период испытаний по схеме РЭП изменялись от 2,1-1,8°С на первые сутки до 3,1-3,3°С на пятые сутки. Оправдываемость по Наставлению составила соответственно для Т_min и Т_max 93-97% на первые сутки и 82-79% на пятые сутки с превышением над инерцией от 11-9% на первые сутки до 19-22% на пятые сутки. Успешность прогнозов РЭП в среднем была весьма близка к успешности прогнозов синоптиков для всех заблаговременностей и только на пятые сутки оправдываемость прогноза Т_max по схеме РЭП в среднем на 6% ниже оправдываемости прогнозов синоптиков.


Анализ результатов испытания по Московской области
Анализ успешности прогнозов РЭП отдельно для холодного и теплого полугодий по области, также как и по Москве, показал практически одинаковую успешность прогнозов Т_max по полугодиям, в то же время прогнозы Т_min в теплое полугодие на 10-20% превышали оправдываемость прогнозов Т_min в холодное полугодие. В отличие от Москвы, по области в холодное полугодие зафиксированы существенно меньшие отрицательные систематические ошибки прогнозов минимальной температуры воздуха.

В теплые месяцы 2006 г. (с мая по август) успешность прогнозов РЭП была наиболее высокой и превышала успешность синоптических прогнозов Т_min и Т_max на первые, вторые и третьи сутки. Прогнозы Т_min на четвертые сутки по схеме РЭП были несколько лучше прогнозов синоптиков, а прогнозы Т_max на 2% ниже синоптических прогнозов (рисунок 2). Оправдываемость прогнозов синоптиков на пятые сутки была выше оправдываемости прогнозов РЭП на 2-5%.

При резких изменениях фактической температуры воздуха (таблица 4) успешность прогнозов по схеме РЭП немного уступала синоптическим прогнозам.


Рекомендации о внедрении
Центральная методическая Комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам Росгидромета 9 ноября 2006 г., рассмотрев результаты испытаний, рекомендовала:
- внедрить в Гидрометцентре России усовершенствованную технологию составления краткосрочных и среднесрочных прогнозов минимальной и максимальной температуры воздуха (РЭП), основанную на статистической интерпретации выходной продукции гидродинамических моделей атмосферы.
- использовать прогнозы минимальной и максимальной температуры воздуха, составляемые в рамках технологии РЭП, в оперативной практике Гидрометцентра России и Московского Гидрометбюро в качестве основных расчетных по Москве на вторые-третьи сутки и по Московской области на первые-пятые сутки.

В течение 2007 г. рекомендовано провести дополнительные испытания прогнозов максимальной температуры воздуха на текущий и следующий дни и минимальной температуры на следующую ночь по Москве, составляемых по технологии РЭП, в сравнении с рекомендованными к внедрению методами краткосрочного прогноза экстремальной температуры воздуха.


Литература
Васильев П.П., Васильева Е.Л. Система статистической интерпретации выходной продукции гидродинамических моделей для среднесрочного прогноза погоды// Сб. 70 лет Гидрометцентру России, СПб.: Гидрометеоиздат, 1999. С.118-133.


Автор:
Петр Петрович Васильев - главный метеоролог, начальник отдела, доктор физико–математических наук,
отдел среднесрочных прогнозов погоды,
Тел.: (495) 252-23-69,
E-mail: vasilev@mecom.ru