Метод прогноза осадков с учетом параметризации микрофизических процессов на основе интерпретации выходной продукции спектральной модели атмосферы Т85L31

В Гидрометцентре России разработан метод прогноза осадков, учитывающий параметризацию микрофизических процессов. Основу метода составляет описание эволюции функции распределения облачных частиц в процессе осадкообразования. В качестве факторов, влияющих на рост облачных частиц, принимаются гравитационная и турбулентная коагуляции в облаках капельного типа и механизм Бержерона-Финдайзена в облаках смешанного типа. Учтены следующие физические процессы:
–  усиление осадков в ниже лежащих облачных слоях,
–  испарение осадков в подоблачном слое,
–  таяние кристаллических осадков ниже уровня нулевой изотермы.

Величины водности облаков и среднего размера облачных частиц рассчитываются в зависимости от вертикального распределения температуры и влажности воздуха в атмосфере.

Метод реализован в виде программного модуля расчета осадков. В качестве исходных данных в нем используются прогностические поля температуры и влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях, рассчитанные с заблаговременностью от 6 до 84 ч по глобальной спектральной модели циркуляции атмосферы Гидрометцентра России Т85L31. Выбранный подход практической реализации метода позволяет:
–  детализировать физическое описание процесса осадкообразования и на основании этого осуществлять коррекцию величин осадков, рассчитываемых в модели,
–  учитывать региональные особенности поля осадков в различных регионах земного шара путем использования соответствующих величин микрофизических параметров, входящих в метод.

В оперативном режиме метод был реализован первоначально для прогноза осадков холодного полугодия, а затем для теплого полугодия, где схема параметризации крупномасштабной облачности дополнена схемой параметризации конвекции по методу частицы. В настоящее время в теплый период года метод ориентирован на прогноз слабых и умеренных осадков.




Выходная продукция
Метод позволяет прогнозировать:
–  факт наличия (отсутствия) осадков,
–  их количество,
–  продолжительность в трех градациях (кратковременные, временами или продолжительные осадки),
–  фазовое состояние (дождь, мокрый снег, снег) у поверхности Земли и в свободной атмосфере.

В настоящее время прогностическая продукция данного метода выпускается как в виде поля осадков в узлах регулярной сетки, так и в виде прогноза осадков в центрах субъектов Федерации, расположенных западнее меридиана 90° в.д. Расширение объектов прогноза на восточные районы Российской Федерации требует выполнения дополнительных работ.

Прогноз по станциям ЕТР на 24 часа от 22.03.2004г.




Успешность прогнозов осадков в холодный период года
По результатам испытаний, выполненных в холодные периоды (II-IV и Х-ХII) 2002 г. прогнозы факта наличия или отсутствия осадков в узлах регулярной сетки по Северному полушарию критерий качества Пирси-Обухова, в среднем имели равный 0,40, а для отдельных регионов — до 0,52. Величины общей оправдываемости прогнозов составляли в среднем от 69 при заблаговременности 24 ч до 60% при заблаговременности 72 ч. Абсолютная ошибка прогнозов количества осадков соответственно составила 1,8-2,1 мм/12 ч.

Оценка успешности прогнозов факта выпадения и количества осадков по 10 городам Европейской части России показала, что значения критерия Пирси-Обухова в среднем составляли 0,31- 0.20 общая оправдываемость — 70-60%, абсолютная ошибка 0,9-1,6 мм/12 ч для заблаговременностей 24-72ч.

Рейтинг качества трех методических прогнозов осадков с заблаговременностью до 36 ч по Москве, включая метод ЛСИ и гидродинамический прогноз (автор Л.В. Беркович), показал, что метод лидирует при заблаговременности прогнозов 24 и 36 ч и занимает второе место после гидродинамического прогноза при заблаговременности 12 ч.




Рекомендации к внедрению
Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим прогнозам Росгидромета 9 апреля 2003 г. рекомендовала внедрить метод прогноза осадков с учетом микрофизических процессов на основе интерпретации выходной продукции гидродинамической модели атмосферы Т85L31 с заблаговременностью 12 – 48 ч в холодный период года (авторы И.В. Акимов, Л.Р. Дмитриева-Арраго) в оперативную практику составления прогнозов погоды по городам Европейской части России, включая Москву, в качестве вспомогательного.


Успешность прогнозов осадков в теплый период года
Испытания метода в части прогнозирования летних осадков проводились в период с мая по сентябрь 2003 г.

Успешность прогнозов факта выпадения осадков по регионам Северного полушария характеризовали значения критерия Пирси-Обухова (Т) от 0,35 на 24 ч до 0,21-0,19 на 72-84 ч и величины общей оправдываемости от 74 до 67%. Средние абсолютные ошибки прогноза количества осадков изменялись в пределах от 1,1 мм/12 ч для заблаговременности 24 ч до 2,6 мм/12 ч для заблаговременности 84 ч. Успешность прогнозов осадков в 50 пунктах Европейской территории России при заблаговременности, изменяющейся от 24 до 84 ч, характеризовали величины критерия Пирси-Обухова в пределах от 0,39 до 0,24 соответственно. Общая оправдываемость прогнозов изменялась от 75 до 64%, предупрежденность факта наличия осадков - от 70 до 45% и абсолютные ошибки прогнозов количества осадков — от 1,7 до 3,5 мм/12 ч при заблаговременности прогноза от 24 ч до 84 ч.

Оценка прогнозов количества осадков по градациям их интенсивности показала, что успешность прогнозов слабых и умеренных осадков оказалась достаточно высокой (общая их оправдываемость составляла 77% при заблаговременности 24 ч и 70% при заблаговременности 84 ч). В то же время успешность прогнозов наличия сильных осадков оказалась низкой (величина критерия качества Т составляла около 0,1.

Успешность прогнозов факта наличия или отсутсвтвия осадков по Москве характеризовали значения критерия качества Т = 0,69-0,32 (заблаговременности 24 и 36 ч) и Т = 0,34-0,23 (заблаговременность 12 ч). Абсолютные ошибки прогнозов количества осадков в мае-июне составляли 2-3 мм/12 ч, в июле- сентябре в отдельных случаях они увеличивались
до 5-9 мм/12 ч.

Сравнение с методами прогноза осадков по Москве, внедренными в оперативную практику Гидрометцентра России, в целом показало результаты, сопоставимые с результатами оценки прогнозов гидродинамической модели (авт. Л.В.Беркович) и превышение в успешности прогнозов по схеме ЛСИ. Рейтинг трех методов прогноза осадков по Москве, определяемый по количеству наилучших характеристик качества, показал, что испытываемый метод занял третье место при заблаговременности прогнозов 12 ч и первое место при заблаговременности прогнозов
24 и 36 ч.




Рекомендации к внедрению
Центральная методическая комиссия по гидрометеорологическим прогнозам Росгидромета 18 февраля 2004 г. рекомендовала Гидрометцентру России:
–  внедрить в оперативную практику метод прогноза осадков летнего сезона с заблаговременностью до 3-х суток, основанный на интерпретации выходной продукции модели Т85L31 и учитывающий микрофизику осадкообразования;
–  использовать прогнозы осадков по данному методу в качестве вспомогательных для регионов Северного полушария и России, а также по городам Белоруссии и Европейской территории России, включая Москву.


Авторы

И.В. Акимов - метод прогноза осадков в теплый период года
Л.Р. Дмитриева-Арраго - метод прогноза осадков в холодный период года


Публикации

1. Дмитриева-Арраго Л.Р., Акимов И.В. О критериях начала осадкообразования при расчете осадков из неконвективных облаков в моделях прогноза погоды. Метеорология и Гидрология, N 8, 1996 г.
2. Акимов И.В. Метод расчета количества осадков, выпадающих из облачности капельного и смешанного фазового состояния, основанный на параметризации микрофизических процессов. Труды Гидрометцентра России, вып. 336, 2001 г.
3. Акимов И.В. Метод расчета усиления интенсивности осадков при прохождении ими нижележащих облачных слоев. Определение скоростей испарения и таяния осадков. Труды Гидрометцентра России, вып. 336, 2001 г.
4. Акимов И.В. Метод расчета интенсивности осадков на основе параметризации микрофизических процессов в облаках капельного и смешанного фазового состояния. Известия АН, серия ФАО, т. 39, N4, 2003 г.
5. Akimov I.V. Precipitation calculation method based on parameterization of distribution function evolution and its performance in global spectral atmospheric model. Journal of Hydrology. vol 288/1-2. 2004. pp 105-120. Special issue: Quantitative Precipitation Forecasting II - Edited by R. Krzysztofowicz and C. G. Collier.