Метод прогноза осадков по полусуткам пентады в зимний период
для административных районов Новосибирской области

Краткие сведения о методе
Метод и технология прогноза осадков по полусуткам пентады в зимний период (с ноября по март) для административных районов Новосибирской области были разработаны лабораторией среднесрочных прогнозов погоды СибНИГМИ совместно с отделом автоматизации и новых технологий прогнозов погоды Гидрометцентра ГУ Новосибирский ЦГМС-Р. Данная работа проводилась с учетом потребностей гидрометеорологического обеспечения организаций (Главного управления благоустройства и озеленения при администрации г. Новосибирска, Территориального управления автомобильных дорог Новосибирской области и др.). Она явилась также продолжением исследований, нацеленных на разработку методов прогнозов погоды на средние сроки (до 5 суток).

В процессе разработки метода авторами был определен набор потенциальных предикторов, уточнены условия формирования осадков различных классов на юге Западной Сибири.

Окончательный вариант расчета осадков состоит из нескольких этапов:
- оценка синоптической ситуации по значениям определяющих предикторов,
- формирование обучающей выборки из ближайших аналоговых ситуаций,
- восстановление количественных значений осадков по прогностическим полям,
- анализ результатов всех ветвей с целью получения окончательного прогноза по пунктам области.

Новый метод прогноза осадков на 1-5 суток по станциям Новосибирской области функционирует в единой технологии с применяемыми в оперативной работе Гидрометцентра ГУ Новосибирский ЦГМС-Р методами среднесрочных прогнозов. Исходные данные для расчета прогноза используются из базы данных ГИС-Метео. Исходной информацией для прогнозов осадков явилась прогностическая продукция ECMWF (Reding) и UKMO (Exeter), поступающая в коде СRIВ (давление у поверхности Земли, геопотенциал изобарической поверхности 500 гПа, температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа), а также фактические значения количества осадков на гидрометеорологических станциях Новосибирской области. Расчеты прогнозов осадков производились на ПЭВМ.

Результаты оперативных испытаний метода прогноза
Оперативные испытания метода проводились в Гидрометцентре ГУ Новосибирский ЦГМС-Р в период ноябрь 2005 г. - март 2006 г. в сравнении с оперативными прогнозами синоптиков. Оценка успешности указанных прогнозов осадков выполнялась на 29 станциях Новосибирской области в соответствии с действующими Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения. РД 52.88. 629.-2002 и Методическими указаниями РД 52.27.284 – 91.

Для оценки использовались ежедневные метеорологические сведения о количестве осадков на станциях. Оценка оперативных прогнозов осуществлялась вручную, методических прогнозов на 1-5 суток - в автоматическом режиме. Всего за период испытания на первые сутки было рассчитано по 132 прогноза осадков для каждой станции Новосибирской области.


Анализ успешности методических и оперативных прогнозов осадков
Сравнительная оценка методических прогнозов осадков с оперативными прогнозами показала (таблица 1), что общая оправдываемость методических прогнозов осадков на ночь составила 80%, а на день - 79%. Это на 11-13% выше оправдываемости оперативных прогнозов (67-68%). Следующие две характеристики качества (наличие и отсутствие осадков) - также выше у методических прогнозов. Оправдываемость прогнозов наличия осадков на ночь и день составляет соответственно 73% и 74%, что выше уровня прогнозов синоптиков на 2-6%. Отсутствие осадков методические прогнозы предсказывают с оправдываемость 93% на ночь и 91% на день, что на 8-15% выше оправдываемости оперативных прогнозов.


Анализ успешности прогнозов осадков по месяцам
Анализ оправдываемости прогнозов осадков по месяцам за рассматриваемый период позволил выявить, что в январе 2006 г. методические прогнозы были менее удачны (74%), но лучше, чем у синоптиков (69-72%). У синоптиков самыми неудачными были прогнозы осадков в феврале (60-62%) и марте (57-61%). В эти месяцы в большинстве дней синоптиками прогнозировались осадки, т.е. преобладал элемент «перестраховки» и прогнозы наличия осадков имели успешность всего лишь 49-63%.


Анализ успешности прогнозов по станциям Новосибирской области
Так как испытываемый метод дает детализированный по территории прогноз, то был выполнен анализ оправдываемости прогнозов для каждой станции (таблица 2). У нового метода на всех станциях оправдываемость прогнозов на ночь превышает 70% и почти у половины станций она колеблется в пределах от 80% до 85%, чего не наблюдалось у оперативных прогнозов. Прогнозы осадков по станциям на день у нового метода оказались менее удачны. Только для 27% станций оправдываемость составляет 80-81%, однако в целом преимущество методических прогнозов над синоптическими прогнозами также очевидно (79-80% против 67-68%).

Отмечена высокая оправдываемость прогнозов осадков на следующих станциях: на ночь - Венгерово (84%), Усть-Тарка (85%), Кочки (85%), Коченево (84%), Чулым (84%); на день - Барабинск (80%), Татарск (80%), Венгерово (81%), Чистоозерное (80%), Довольное (81%), Болотное (81%), Чулым (80%). Оправдываемость прогнозов ночных осадков по новому методу в Новосибирске составила 82%, дневных - 74%, что также выше, чем в оперативных прогнозах (соответственно 72% и 69%).


Анализ успешности прогнозов по четырем районам Новосибирской области
Сравнение успешности оперативных и методических прогнозов осадков по четырем районам Новосибирской области представлено в таблице 3. Станции по районам области сгруппированы следующим образом:
- северо-западный (СЗ) район (Барабинск, Венгерово, Кыштовка, Северное, Татарск, Убинское, Усть-Тарка, Чаны, Чистоозерное);
- юго-западный (ЮЗ) район (Баган, Довольное, Здвинск, Карасук, Купино, Кочки, Краснозерск);
- северо–восточный (СВ) район (Болотное, Каргат, Колывань, Коченево, Мошково, Тогучин, Чулым);
- юго-восточный (ЮВ) район (Искитим, Маслянино, Ордынское, Сузун, Посевная). В таблице отдельно представлен г. Новосибирск.

Как видно из таблице 3, в целом по всем районам области методические прогнозы имеют оправдываемость на 5-14% выше синоптических. Оправдываемость прогнозов осадков на ночь по новому методу колеблется от 79% до 82%, днем амплитуда оправдываемости немного меньше и составляет от 77% до 79%. Оперативные прогнозы осадков по аналогичным районам имеют оправдываемость несколько ниже: ночью 65-73%, днем 67-74%.

Среди четырех рассматриваемых районов более удачными оказались прогнозы по северо-востоку, причем, как методические (79-82%), так и оперативные (73-74%). Кроме того следует отметить, что новый метод имеет некоторое преимущество (80-82%) в прогнозировании осадков на ночь по северной части территории области, включающей северо-запад и северо-восток. А оперативные прогнозы более успешны по восточной зоне (69-73%), включающей северо-восток, юго-восток и практически с той же долей вероятности (68-73%) оправдываются по северной зоне.

Успешность прогнозирования осадков на день по всем четырем районам на основе испытываемого метода практически одинакова (77-79%), а синоптики днем менее удачно (67-69%) прогнозируют осадки по западной части области (северо-запад и юго-запад) и более удачно (72-74%) - по восточной части (северо-восток и юго-восток).


Анализ оправдываемости методических прогнозов осадков различной заблаговременности в целом по Новосибирской области
В среднем за 5 сут оправдываемость прогнозов осадков в целом по Новосибирской области на ночь составила 78%, на день - 77% (таблица 4). С увеличением заблаговременности успешность прогнозов осадков, как на ночь, так и на день понижается, хотя и незначительно: ночью от 80% на первые сутки до 77% на пятые, днем от 79% на первые сутки до 74% на пятые. Оправдываемость прогноза наличия осадков в среднем за 5 сут составила для ночи 59%, днем несколько выше - 66%. В этом виде прогнозов, как на ночь, так и на день следует отметить большие колебания оправдываемости прогнозов осадков (от 35 до 73%) в зависимости от заблаговременности. Подобная ситуация отмечается и в прогнозах отсутствия осадков на ночь и только в прогнозах отсутствия осадков на день прослеживается зависимость от заблаговременности. В первые и вторые сутки прогнозы имеют оправдываемость 91%, а далее происходит понижение оправдываемости только до 88%.

Рассмотрение полученных результатов по месяцам показало, что более высокая оправдываемость прогнозов осадков оказалась в декабре 2005 г. для любой заблаговременности и составила для ночи 82,7-84,7%, для дня - 79,7-86,4%. Менее удачными (68,4-76%) были прогнозы в январе 2006 г.


Анализ успешности прогнозов по градациям осадков
Метод прогноза зимних осадков по районам Новосибирской области позволяет прогнозировать осадки по различным градациям: снег (включая небольшой снег) от 0,2 до 5мм; сильный снег - более 5мм. Анализ предупрежденности различного класса осадков на 1-5 сут (таблица 5) показал, что в целом на 5 суток предупрежденность класса «снег» выше и составляет 61%, предупрежденность дневных осадков составила 56%. Наименьшую предупрежденность имели осадки в декабре (ночь - 55%, день - 53%). Предупрежденность этого класса осадков в ночное время колеблется не зависимо от заблаговременности. В дневное время четко прослеживается связь предупрежденности осадков и заблаговременности: с увеличением заблаговременности предупрежденность осадков (снега) от 0,2 до 5 мм снижается (от 64% до 50%).

Предупрежденность сильного снега, как и любого другого опасного явления, оставляет желать лучшего. В целом за 5 суток не предупреждены ночью сильные осадки ни разу, хотя за исследуемый период они наблюдались в 9 случаях (14, 15 и 19 января, 5 ноября, 7 и 10 февраля; 7 и 31 марта, 1 апреля). Днем результаты немного лучше, но лишь около 10% сильных осадков может предупредить данный метод. Фактически в дневное время выпадение сильных осадков отмечалось 7 раз (14 и 15 января, 2 и 7 ноября, 6 февраля, 28 и 31 марта). У синоптиков предупрежденность сильных осадков в прогнозах, составляемых на 24 ч, составила 22% , а на 36 ч - 14%.

Хотя результаты оценки предупрежденности сильного снега не обнадеживают, но преимущество нового метода в большой заблаговременности прогнозов класса опасного явления. Так, заблаговременностью трое-четверо суток метод хотя и с небольшой (около 20%) долей вероятности, но предупреждает о наличии сильных осадков, тем самым дает возможность синоптику обратить более пристальное внимание на осадки. В качестве примера можно привести прогноз на день 7 ноября, когда по новому методу ожидались сильные осадки (до 8-9 мм) заблаговременностью от 2 до 4 сут. Фактически 7 ноября днем выпало на 3 станциях от 5 до 7 мм.


Результаты сравнения с внедренным ранее методом
В настоящее время в оперативной практике Гидрометцентра ГУ Новосибирский ЦГМС-Р для прогноза осадков на 1-5 суток используется метод прогноза полусуточных, суточных сумм осадков по дням пятидневки по районам Урало-Сибирского региона» (автор И.Г. Храмцова и др., СибНИГМИ). Однако основу районирования в методе (автор И.Г. Храмцова) составляют климатические данные месячного количества осадков и число дней с осадками, а также административное деление территории Урало-Сибирского региона. Территория Новосибирской области у внедренного метода состоит также из 4 районов, но распределение по станциям отличается от описанного выше и выглядит следующим образом: 12 район - Кыштовка, Северное, Крещенка; 13 район - Татарск, Барабинск, Убинское; 14 район - Купино, Карасук, Красноозерск; 17 район - Пихтовка, Чулым, Черепаново, Ордынское, Маслянино, Болотное, Новосибирск. Чтобы можно было произвести сравнение этих двух методов, М.Я. Здеревой была подготовлена новая программа расчета прогноза осадков, соответствующая районированию на основе метода И.Г. Храмцовой. Для сравнения были оценены прогнозы за период с 7 декабря 2005 г. по 15 марта 2006 г., всего 61 прогноз. Анализ таблицы 6 позволил выявить преимущество (на 3-4%) нового метода. Так, оправдываемость прогнозов ночных осадков составила 77%, дневных - 80%. Преимущество в оправдываемости осадков по новой модели отмечено для всех заблаговременностей от 1 до 5 суток.

Для более полной оценки успешности предложенного к испытанию нового метода согласно Методическим указаниям РД 52.27.284 – 91 была проведена статистическая оценка прогнозов количества осадков и рассчитан критерий качества Пирси-Обухова (Т). Качество прогнозов оценивалось по следующим критериям (таблица 7): абсолютная ошибка (δ), систематическая ошибка (δ), относительная ошибка (ε). Величина абсолютной ошибки прогнозов осадков составляет 0,29 мм, что превышает критерий допуска согласно Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения. РД 52.88. 629.-2002 (до 0,1 мм) и может отражаться на качестве прогнозов отсутствия осадков. Систематическая ошибка прогнозов позволяет судить о так называемой «фоновой» погрешности и ее положительные значения указывают на систематическое завышение прогностических значений осадков, а относительная ошибка и критерий Пирси-Обухова соответствуют удовлетворительному качеству прогноза.


Достоинства метода
По результатам производственных испытаний необходимо отметить ряд достоинств:
- впервые разработан метод, позволяющий составлять детализированный прогноз осадков по станциям на территории Новосибирской области заблаговременностью от 1 до 5 сут, в то время как использовавшийся до настоящего времени в оперативной работе метод прогнозирует среднее количество осадков;
- метод объективен и функционирует в едином комплексе с уже действующей технологией среднесрочного прогноза метеорологических элементов и явлений погоды.


Рекомендации о внедрении метода в оперативную практику
Учитывая полученные результаты испытаний, Технический совет ГУ «Новосибирский ЦГМС-Р» 23 мая 2006 г. принял следующее решение:
- рекомендовать метод прогноза осадков в холодный период по полусуткам пентады для административных районов Новосибирской области (автор М.Я. Здерева ) к внедрению в оперативную работу Гидрометцентра ГУ «Новосибирский ЦГМС-Р» в качестве основного расчетного метода с первого ноября 2006 г.;
- применяемый в настоящее время в оперативной работе метод прогноза суточных и полусуточных сумм осадков на территории Новосибирской области по дням на 1-5 сут (автор И.Г. Храмцова и др., СибНИГМИ) использовать в качестве вспомогательного;
- поручить ЗапСибРВЦ совместно с автором обеспечить в оперативном режиме регулярное прогнозирование осадков по административным районам Новосибирской области на 1-5 суток в холодный период (ноябрь-март) и их оценку;
- автору до 1 октября 2006 г. передать в ЗапСибРВЦ программное обеспечение для проведения на ПЭВМ оперативного прогнозирования осадков по административным районам Новосибирской области на 1-5 суток в холодный период;
- рекомендовать автору продолжить исследования, направленные на улучшение прогнозов количества осадков, особенно класса «сильный снег», в целях повышения качества предупрежденности неблагоприятного и опасного явления, и по прогнозированию осадков на теплый период года (апрель-октябрь) по административным районам Новосибирской области;
- считать целесообразным Гидрометцентру по материалам оперативного использования в течение 2006-2007 гг. метода прогноза осадков по административным районам Новосибирской области на 1-5 суток провести в 2008 г. повторный сравнительный анализ результатов предупрежденности осадков класса «сильный снег» с учетом расчетов прогнозов по методу И.Г. Храмцовой.


Автор метода: М.Я. Здерева,
заведующая лабораторией в отделе информационных и инновационных технологий
ГУ «СибНИГМИ»,
Тел.: 8-(383)-222-25-30
E-mail: sant@pogoda.nsk.su