Автоматизированный метод прогноза средней месячной ледовитости Охотского, Японского и Берингова морей с заблаговременностью до одного года
В отделе долгосрочных прогнозов погоды и изучения климата ФГБУ «ДВНИГМИ» с 2005 г. разрабатывались автоматизированные методы и технология прогноза ледовитости дальневосточных морей.
Ледовитость моря рассчитывалась как отношение общей площади льда к площади расчетной сетки, определяющей границы возможного формирования ледового покрова, выраженное в процентах. Расчетная сетка занимает в Охотском и Беринговом морях всю акваторию, в Японском море – Татарский пролив, залив Петра Великого и прибрежную зону Российской Федерации [1,2,3].
В Приморском УГМС, в соответствии с "Планом испытания и внедрения новых и усовершенствованных методов (технологий) гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов Росгидромета", в период с июня 2008 г. по июнь 2011 г. проводились оперативные испытания автоматизированного метода прогноза средней месячной ледовитости Охотского, Японского и Берингова морей с заблаговременностью более 7 месяцев.
Прогнозы осуществлялись на месяцы с наиболее устойчивым ледовым покровом: Охотское и Берингово моря - декабрь-май; Японское море – декабрь-апрель.
Краткое описание метода
Основу метода долгосрочного прогноза ледовитости составляет модель, построенная на физико-статистической основе. Базовые составляющие алгоритма построения прогностической модели на месяцы ледового сезона следующие:
- поиск и формирование рядов предикторов;
- расчет будущих значений предиктанта;
- отбор прогностической модели и выдача результатов прогноза.
Поиск и формирование рядов предикторов
Для поиска предикторов используется способ их выявления в полях гидрометеопараметров, описанный в [4]. В предложенном методе предлагается следующая последовательность действий для диагностики статистических связей между предиктантом и множеством предикторов:
1) разбиение выборки предиктанта на три класса;
2) отнесение элементов выборки предиктора к соответствующему классу предиктанта;
3) выявление в определенном классе статистических взаимосвязей между предиктантом и предиктором и нахождение степени различия между полученными классами.
Наиболее полезную для прогнозов информацию содержат те узлы поля гидрометеопараметра, в которых отмечаются наибольшие значения расстояний между классами.
Применение динамического принципа при формировании рядов предикторов позволяет использовать разнородную информацию, задаваемую как в виде полей, так и в виде временных рядов. Такие предикторы, как ледовитость моря и индекс SOI, представлены временными рядами.
Расчет будущих значений предиктанта
Прогностические значения ледовитости в модели могут быть получены двумя способами:
— в результате составления и решения уравнения множественной линейной регрессии;
— путем выявления лет-аналогов по предикторам и расчета ледовитости по некоторому правилу. Использование аналогов позволяет, хотя и опосредованно, более полно учесть местные условия рассматриваемой акватории. Метод аналогов использовался в двух вариантах, отличающихся набором предикторов, по которым аналог находится. В первом варианте в анализ включались все предикторы. Во втором — только те, которые входили в построенное ранее уравнение регрессии.
Отбор прогностической модели
Отбор прогностической модели осуществлялся на основании оценки качества прогнозов на материалах 7-летней проверочной выборки (2001/2 – 2007/8 гг.).
Исходные данные
В архив исходной информации, необходимой для проведения расчетов, включались: геопотенциал на уровне 500 гПа, давление, приведенное к уровню моря, температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа, температура поверхности Земли, поля относительной топографии ОТ500/1000, индекс "Южного Колебания" - SOI, ледовитость моря за период с 1960 года. Объем выборки изменялся в зависимости от года прогноза. При этом все прогностические операторы пересчитывались.
Климатические значения (нормы), 
(среднее квадратическое отклонение среднемесячной ледовитости от нормы) и среднеквадратические отклонения от нормы для всех предикторов рассчитаны для каждого месяца по базовому периоду 1971- 2000 гг., рекомендованному ВМО (для SOI - по базовому периоду 1951-1980 гг.).
Для проведения вычислений значения предикторов приводились к стандартному виду.
Расчет оценок
Расчет оценок производился согласно Наставлению по службе прогнозов [6] и Руководящим документам по проведению производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов прогнозов [5].
Для прогнозов заблаговременностью более 6 месяцев допустимая погрешность составляет ±. Варианты моделей отбирались (в режиме визуального просмотра результатов оценки) по максимальной оправдываемости прогнозов. Для сравнения рассчитывались и оценивались климатологические прогнозы.
Единой физико-статистической модели для всех месяцев ледового сезона на акватории конкретного моря создать не удалось. Вычислительные эксперименты показали, что для каждого месяца выявляются несколько вариантов модели с оправдываемостью прогнозов ледовитости на независимой выборке не менее 70%.
В итоге, для каждого моря было отобрано по два набора, состоящих из 6 (5 – для Японского моря) моделей каждый. Отличия в моделях из двух наборов проявлялись в составе исходных данных, способах расчета ледовитости, заблаговременности прогнозов.
Первоначально предпочтение отдавалось тем из вариантов физико-статистической модели, которые при одинаковом качестве прогноза ледовитости требовали минимальных трудозатрат при подготовке исходных данных, в число которых входили: ледовитости морей, индекс SOI, поля геопотенциала на уровне 500 гПа (Охотское море) и давления на уровне моря (Японское море). В дальнейшем изложении метод расчета будущих значений ледовитости по этим наборам моделей будем называть мет1.
Одновременно испытывались модели, где предикторы отыскивались как в упомянутых барических полях, так и в термических: полях температуры воздуха на уровне 850 гПа, относительной топографии, ОТ500/1000 и температуры поверхности Земли (мет2). При этом заблаговременность прогнозов в наборе мет2 была больше, чем в мет1. Для Берингова моря также подготовлено два набора прогностических моделей, но в обоих наборах использовались указанные выше термобарические поля.
Технологическая линия
Технологическая линия (рис. 1) оперативного прогноза ледовитости включает следующие блоки:
- формирование баз данных 4-х срочных метеорологических наблюдений и данных по сплочённости льда;
- обработка оперативных архивов и создание наборов среднемесячных величин, используемых для расчетов;
- прогностический блок, включающий выдачу результатов прогноза.
Первый блок функционирует в едином комплексе уже действующих моделей и технологий морских прогнозов.
Второй блок технологической линии подключен в систему первого и является общим для 3-х морей.
Третий блок подготовлен для каждого из морей в отдельности.
Рис. 1. Общая схема линии долгосрочного прогноза ледовитости
Программный комплекс, реализующий прогностический блок, содержит архивы перечисленных выше полей, архивы средних месячных значений этих полей и их стандартных отклонений, файлы с данными ледовитости и индекса SOI, а также блок расчета будущих значений ледовитости моря.
Входным параметром служит год прогноза, определяемый по году начала ледового сезона (декабрь). Результатом расчетов являются прогностические значения ледовитости моря.
Результаты испытаний прогнозов ледовитости
В настоящее время ежегодно составляются официальные прогнозы ледовых условий для неарктических морей России, в том числе для дальневосточных морей. Однако провести корректное сравнение методических и официальных прогнозов не представляется возможным.
Поэтому количественное сравнение проводилось только между методическим и стандартным (климатологическим) прогнозами.
Осредненные за три года производственных испытаний оправдываемости методических (мет1, мет2) и климатологических (клим) прогнозов по каждому из дальневосточных морей и каждому месяцу ледового сезона, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Средняя за период оперативных испытаний 2008/9-20010/11 гг. оправдываемость (Р%) методических (мет1, мет2) и климатологических прогнозов средней месячной ледовитости дальневосточных морей
| Месяц прогноза | Море | ||||||||
| Охотское | Японское | Берингово | |||||||
| клим | мет1 | мет2 | клим | мет1 | мет2 | клим | мет1 | мет2 | |
| декабрь | 33,3 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 66,7 | 33,3 | 100 |
| январь | 0 | 33,3 | 100 | 0 | 100 | 100 | 0 | 100 | 66,7 |
| февраль | 33,3 | 66,7 | 100 | 33,3 | 100 | 100 | 0 | 100 | 33,3 |
| март | 33,3 | 66,7 | 66,7 | 66,7 | 100 | 100 | 66,7 | 33,3 | 66,7 |
| апрель | 66,7 | 33,3 | 66,7 | 100 | 100 | 66,7 | 33,3 | 33,3 | 66,7 |
| май | 100 | 33,3 | 66,7 | - | - | - | 33,3 | 0 | 33,3 |
В Охотском море преимущество имеют прогнозы по мет2. Из прогнозов ледовитости, осуществленных по мет1, самыми неудачными (Р%=33%) оказались прогнозы на январь, апрель и май, а самыми успешными (100%) – на декабрь. Прогнозы ледовитости по мет2 с декабря по февраль оправдались на 100% и с марта по май - на 67%. Из общего числа прогнозов (18) по мет1 за период испытаний не оправдалось (Р% = 0%) 8 прогнозов, причем, в 5 из них не предсказаны значительные (больше
) аномалии ледовитости, а из прогнозов по мет2 не оправдались только 3 (2010 г., март - май).
В среднем за 3 года оправдываемость методических прогнозов ледовитости Японского моря по моделям как 1-го, так и 2-го наборов, оказалась успешной. Только в апреле по мет2 она составила 67%. При этом все случаи аномалии ледовитости больше
(январь 2009, 2010 и 2011 г., февраль 2010 г. и 2011 г., март 2009 г.) предсказаны.
Прогнозы ледовитости по акватории Берингова моря оказались менее успешными. Самыми неудачными одновременно по мет1 и мет2 были прогнозы на май (0% и 33%, соответственно). Однако, из 12 аномалий ледовитости, превосходящих по величине
, только три аномалии (больше 1,5 ) не были предсказаны в прогнозах по обоим вариантам модели.
Оценки климатологических прогнозов свидетельствуют о том, что производственные испытания методов прогноза среднемесячной ледовитости дальневосточных морей, проходили в сезоны, отличавшиеся аномальным развитием ледовых условий. Фактические отрицательные аномалии ледовитости в Охотском и Японском морях в самые холодные месяцы в каждом из 3-х ледовых сезона превышали по абсолютной величине среднее квадратическое отклонение. В Беринговом море наблюдались значительные аномалии противоположного знака. Сравнительный анализ оценок климатологических и методических (по мет1 и мет2) прогнозов указывает на эффективность использования методических прогнозов ледовитости. Для подтверждения сказанного приведем осредненные за периоды авторских и оперативных испытаний характеристики качества прогнозов (таблица 2).
Таблица 2
Результаты испытаний метода долгосрочного прогноза средней месячной ледовитости дальневосточных морей за все месяцы ледового сезона в периоды авторских (2001/2-2007/8 гг.) и производственных (2008/9 - 2010/11 гг.) испытаний
| Море | Период оценки | Кол-во составленных прогнозов | Число оправдавшихся прогнозов | Оправдываемость в % | ||||
| клим | мет1 | мет2 | клим | мет1 | мет2 | |||
| Охотское | 2001/2-2007/8 | 42 | 24 | 37 | 40 | 57 | 88 | 95 |
| 2008/9-2010/11 | 18 | 8 | 10 | 15 | 44 | 56 | 83 | |
| Японское | 2001/2-2007/8 | 35 | 15 | 30 | 30 | 43 | 86 | 86 |
| 2008/9-2010/11 | 15 | 9 | 15 | 14 | 60 | 100 | 93 | |
| Берингово | 2001/2-2007/8 | 42 | 29 | 37 | 36 | 69 | 88 | 86 |
| 2008/9-2010/11 | 18 | 6 | 9 | 11 | 33 | 50 | 61 | |
Число оправдавшихся методических прогнозов, как на периоде авторских испытаний, так и за годы оперативных испытаний, превосходит количество оправдавшихся климатологических прогнозов.
Величины оправдываемости методических прогнозов на акваториях дальневосточных морей, рассчитанные по семилетней независимой выборке, изменялись от 86 до 95%, а климатологических – от 43 до 69%. Трехлетние оперативные испытания, в целом подтвердили выводы, сделанные на основе авторских испытаний. Хотя оправдываемости прогнозов ледовитости на акваториях Охотского и Берингова морей понизились, но их преимущество по отношению к климатологическим остается очевидным. Эффективность прогнозов значительно понизилась только в мет1 в Охотском море (с 31 до 12%). В Японском море она уменьшилась с 43% до 33% (мет2) и до 40% - в мет1. В Беринговом море за годы оперативных испытаний при оправдываемости 61% (мет2) эффективность прогнозов увеличилась с17 до 28%.
Основываясь на результатах оперативных испытаний, для долгосрочного прогноза ледовитости на дальневосточных морях были сформированы комбинированные наборы моделей с наиболее высокими оценками качества прогнозов (табл. 3). Средняя за сезон оправдываемость прогнозов по этим наборам моделей за период испытаний превзошла 77%. Эффективность прогнозов для Охотского моря составила 39%, для Японского моря 40%, для Берингова моря 44%.
Таблица 3
Средняя за 3-летний период (2008/9-2010/11 гг.) оправдываемость (Р%) прогнозов средней месячной ледовитости Охотского, Японского и Берингова морей (комбинированный набор моделей)
| Море | Месяц прогноза | Средняя за сезон | |||||
| декабрь | январь | февраль | март | апрель | май | ||
| Охотское | 100 | 100 | 100 | 66,7 | 66,7 | 66,7 | 83,3 |
| Японское | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | - | 100 |
| Берингово | 100 | 100 | 100 | 66,7 | 66,7 | 33,3 | 77,8 |
На основании вышеизложенного можно заключить, что метод долгосрочного прогноза ледовитости имеет практическую значимость.
По комбинированным наборам моделей можно осуществлять прогнозирование средней месячной ледовитости одновременно по акваториям 3-х дальневосточных морей в июле текущего года. К этому времени должны быть подготовлены необходимые оперативные данные, по июнь включительно.
Метод удобен в работе, затраты времени на составление прогноза не превышают 2-3 минут (без затрат на подготовку данных).
Список литературы
1. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Том IX. Охотское море. Выпуск 1. Гидрометеорологические условия. СПб: Гидрометеоиздат, 1998. 342 с.
2. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Том VIII. Японское море. Выпуск 1. Гидрометеорологические условия. СПб: Гидрометеоиздат, 2003. 398 с.
3. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Том X. Берингово море. Выпуск 1. Гидрометеорологические условия. СПб: Гидрометеоиздат, 1999. 300 с.
4. Жежко Р. Я., Толмачева М. А. О способе выявления информативных предикторов //Труды ДВНИГМИ. - 1990. - Вып. 136. - c.110-118.
5. Методические указания. Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиофизических прогнозов. РД 52.27.284-91. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991.- 150 с.
6. Наставление по службе прогнозов. Раздел 3. Ч. III. Служба морских гидрологических прогнозов. - М.: Триада, лтд. - 2011. - 201 с.
Авторы
Г.И. Анжина, А.Н. Вражкин
Контакты
А.Н. Вражкин
E-mail: AVrazhkin@ferhri.ru
Отдел долгосрочных прогнозов погоды и изучения климата
ГУ "ДВНИГМИ"