Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2025. № 3 (397). С. 175-178

175

УДК 551.466.3

Усовершенствованная система

прогнозирования параметров ветрового волнения

в Мировом океане: результаты испытаний

Зеленько А.А., Реснянский Ю.Д., Струков Б.С., Зайченко М.Ю.

Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации, г. Москва, Россия

Представлены результаты испытаний подсистемы глобальных пятисуточных

прогнозов ветрового волнения, выпускаемых в рамках комплексной системы про-

гнозирования ветрового волнения, созданной в Гидрометцентре России в рамках

темы 1.1.10 «Разработка и усовершенствование моделей, методов и технологий

прогнозирования гидрометеорологических характеристик акваторий Мирового

океана, морей и морских устьев рек России» (2020–2024 гг.). Комплексная система

построена по сопряженной схеме «океан – море – прибрежная зона» на базе высо-

копроизводительной вычислительной платформы Cray XC40-LC и последних вер-

сий волновой модели Wave Watch-III и предназначена для выпуска прогнозов по

акваториям как Мирового океана, так и всех российских морей. Новая прогности-

ческая система в части глобальных прогнозов призвана заменить действующую с

2016 г. технологию прогнозирования характеристик ветрового волнения в Миро-

вом океане (решение ЦМКП от 21.03.2016). Оценки качества прогнозов значитель-

ной высоты волны на пять суток свидетельствуют о том, что представленная усо-

вершенствованная версия прогностической системы по показателям успешности

прогнозов заметно превосходит предшествующую технологию. Показатели каче-

ства прогнозов в терминах смещения, среднеквадратичной ошибки и индекса рас-

сеяния сопоставимы с таковыми для известных по литературным источникам за-

рубежных систем.

Технологическая схема прогностического метода

В качестве основного вычислительного звена в новой системе прогнозирова-

ния ветрового волнения используется последняя на время разработки системы вер-

сия спектральной модели третьего поколения WAWEWATCH-III 6.07.1 (далее

WW3), описывающая эволюцию волновых характеристик на прогностических ин-

тервалах времени.

Расчетные модельные области, аппроксимирующие конфигурацию берегов и

батиметрию реальных океанических и морских бассейнов, в прогностической си-

стеме сформированы в виде набора взаимосогласованных сеток [1]. Они строились

на базе известных цифровых массивов данных батиметрии: ETOPO1 [3] и

GEBCO 2020 [6]. Сеточная конфигурация океанской модели, в отличие от прежней

прогностической системы, строится путём совмещения регулярной географиче-

ской сетки в низких и средних широтах с криволинейными приполярными сет-

ками, формирующимися в стереографической проекции. Глобальная сеточная кон-

фигурация модели WW3 для прогнозов волнения в Мировом океане, построенная

на основе сопряжения криволинейных координат в приполярных областях с гео-

графическими координатами в средних широтах, позволяет рассчитывать пара-

метры океанического ветрового волнения с достаточно однородным и изотропным

176 Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей

и методов гидрометеорологических прогнозов

разрешением 10‒20 км. Разрешение в спектральном пространстве задавалось

25 частотами в диапазоне 0,042–0,414 Гц и 36 направлениями распространения

волн с шагом 10°.

Атмосферный форсинг волновой модели формировался на базе оперативной

продукции прогностической системы GFS (NCEP/NOAA) с пространственным

разрешением около 13 км и временной дискретностью 3 часа. В качестве началь-

ных условий для интегрирования волновой модели в каждом прогностическом се-

ансе использовались данные предшествующего прогноза спектров на 24 часа.

Ежедневные прогностические расчеты характеристик ветрового волнения

производились в оперативном порядке на вычислительном комплексе Cray XL40

в режиме параллельных вычислений с использованием технологии MPI. Прогнозы

для Мирового океана составлялись в рамках единой вычислительной задачи,

в которой обеспечивалось двустороннее взаимодействие расчетных сеток для по-

лярных областей с сеткой для тропических и средних широт океана. Для своевре-

менного получения прогностической продукции задействовалось 576 вычисли-

тельных ядер.

Результаты верификации прогнозов

Испытания усовершенствованной системы прогнозирования параметров вет-

рового волнения в Мировом океане проводились в соответствии с Программой ис-

пытаний в период с 1 февраля по 30 сентября 2024 года. Объектом испытаний яв-

лялись ежедневные прогнозы волнения на пять суток вперёд от стартового срока

00 ч ВСВ.

В базовый набор статистических оценок, вычисляемых для высоты значи-

тельных волн (SWH), входят средняя ошибка или смещение (BIAS), среднеквадра-

тическая ошибка (RMSE), индекс рассеяния (SI), коэффициент корреляции (COR)

и общая оправдываемость прогнозов (OPR). Эти показатели рассчитывались по

набору точечных коллокаций наблюдение-прогноз, для которых прогностическое

значение определялось линейной интерполяцией сеточных полей в точку в момент

наблюдения. В качестве контрольных данных использовалась глобальная сводка

альтиметрических измерений высоты значительных волн [5], выполняемых в со-

ставе девяти, действующих в настоящее время, спутниковых миссий. В табл. 1

представлены совокупные за период испытаний оценки качества прогнозов разной

заблаговременности для высоты значительных волн SWH. При расчетах оценоч-

ных статистик формировались выборки для пяти суточных интервалов заблаговре-

менностей прогноза – от первых до пятых суток.

Таблица 1. Обобщенные за период испытаний показатели точности прогно-

зов высоты значительных волн

Заблаговременность прогноза (сутки)

Оценка

0,06

0,05

0,06

BIAS (м)

RMSE (м)

SI (%)

0,39

14,8

0,96

96,0

0,41

15,6

0,96

95,3

0,47

17,6

0,95

93,7

0,54

20,6

0,93

91,1

0,65

24,6

0,90

87,7

COR

OPR (%)

Зеленько А.А., Реснянский Ю.Д., Струков Б.С., Зайченко М.Ю.

177

Под эгидой ВМО проводится регулярный мониторинг точности продукции

около 10 основных прогностических систем ветрового волнения в Мировом оке-

ане на основе наблюдений, поступающих с волновых буёв. Последние из доступ-

ных результатов мониторинга относятся к периоду март‒май 2024 г. [4]. В табл. 2

представлено сопоставление этих результатов с нашими оценками прогнозов по

северным экстра-тропикам (основная часть волновых буёв размещена в этих ши-

ротах) за этот же период.

Таблица 2. Сопоставление оценок прогнозов SWH усовершенствованной

прогностической системы и диапазона разброса оценок для 12 зарубежных

моделей (северные экстра-тропики, март–май 2024 г.)

Заблаговременность прогноза (сутки)

Оценка

для SWH

BIAS (см)

-3 … 14

16 … 20

-2 … 17

18 … 22

-3 … 18

22 … 27

-2 … 18

25 … 31

-3 … 17

28 … 34

SI (%)

При анализе таблицы следует учитывать, что в [4] в качестве контрольных

данных используются контактные измерения SWH на волновых буях, размещен-

ных главным образом на небольшом удалении от берегов, тогда как данные спут-

никовых альтиметрических наблюдений сравнительно равномерно распределены

по акватории океана. Тем не менее эти результаты показывают, что оценки для

рассматриваемых систем сопоставимы между собой.

Заключение

Представленные глобальные прогнозы выпускаются в рамках комплексной

системы прогнозирования ветрового волнения, разработанной по сопряженной

технологии “океан – море – прибрежная зона” [1], которая представляет собой су-

щественное развитие предшествующей версии оперативной прогностической си-

стемы [2]. Результаты испытаний показали, что оценки точности прогнозов вы-

соты значительных волн для Мирового океана

усовершенствованной

прогностической системе превосходят оценки для предшествующей системы и яв-

ляются сопоставимыми с оценками прогнозов зарубежных центров.

На основе рассмотрения результатов испытаний Центральная методиче-

ская комиссия по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам

(ЦМКП) Росгидромета на заседании 20.12.2024 рекомендовала «Усовершенство-

ванную систему прогнозирования параметров ветрового волнения в Мировом оке-

ане» к использованию в Гидрометцентре России в качестве основного прогности-

ческого метода для ветрового волнения в Мировом океане.

Список литературы

1. Зеленько А.А., Мысленков С.А., Реснянский Ю.Д., Струков Б.С., Зайченко М.Ю. Ком-

плексная система прогнозирования параметров ветрового волнения в Мировом океане и мо-

рях России // Метеорология и гидрология. 2024. № 8. С. 20-34.

178 Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей

и методов гидрометеорологических прогнозов

2. Зеленько А.А., Струков Б.С., Реснянский Ю.Д., Мартынов С.Л. Система прогнози-

рования ветрового волнения в Мировом океане и морях России // Труды Государственного

океанографического института им. Н.Н. Зубова. Исследование океанов и морей. 2014.

Вып. 215. С. 90-101.

3. Amante C., Eakins B.W. ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data

Sources and Analysis // NOAA Technical Memorandum NESDIS NGDC-24. National Geophys-

ical Data Center, NOAA. 2009.

4. Intercomparison of operational wave forecasting systems against in-situ observations for

MAM 2023 - 00UTC runs only, Part I: Significant wave height. — WMO Lead Centre for Wave

Forecast Verification. 2024. ECMWF. 61p; https://confluence.ecmwf.int/display/WLW/Signifi-

cant+wave+height

5. Mertz F., Husson R., Taburet N., Charles T., Estimbre J.J. Product user manual for Near-

Real-Time Satellite Wave Products WAVE_GLO_PHY_SWH_L3_NRT_014_001. 2022.

https://catalogue.marine.copernicus.eu/documents/PUM/CMEMS-WAV-PUM-014-001-002-

003-004.pdf

6. Tozer B., Sandwell D. T., Smith W. H. F., Olson C., Beale J. R., Wessel P. Global bathym-

etry and topography at 15 arc sec: SRTM15+ // Earth and Space Science. 2019. Vol. 6, no 10.

P. 1847-1864.