УДК 551.509.32
Комплексный прогноз приземных метеорологических величин
А. Н. Багров*, Ф. Л. Быков*' **, В. А. Гордин**' *
Для прогноза приземной температуры на пять дней и количества осадков на три дня предложена статистическая схема с использованием результатов лучших зарубежных глобальных схем и региональной схемы COSMO-RU7. Представлены оценки прогностических значений приземной температуры воздуха и количества осадков за период июль 2010 г. — июнь 2013 г. Совместный статистический учет разных видов систематических ошибок в комплексной схеме прогноза позволяет превзойти по качеству все исходные схемы. Схема комплексного прогноза работает оперативно, и ее результаты представляются на сайте Гидрометцентра России ежедневно в 9 ч 15 мин. На сайте также размещены прогнозы экстремальной температуры, температуры точки росы и скорости ветра у поверхности земли.
Введение
В настоящее время в Гидрометцентр России поступает довольно большое число разных метеорологических прогнозов из зарубежных метеорологических центров. Эти прогностические поля передаются в специальном коде, созданном для этих целей, — коде ОЯ1В. Наряду с прогнозами барических полей поступают (они особенно интересуют синоптиков) прогнозы приземных метеорологических величин, в первую очередь температуры воздуха и осадков, а также влажности и ветра. Такие прогнозы передаются, в частности, из английского (иКМО), американского (КСБР) и японского (1МЛ) метеоцентров. Заблаговременность этих глобальных прогнозов до 3—5 сут, а шаг по времени обычно составляет 6 ч. Их поступление достаточно надежно, в среднем через ~4,5 ч после основных сроков наблюдения 0 или 12 ч ВСВ. Качество прогнозов, как правило, высокое, соответствующие прогнозы гидродинамических моделей Гидрометцентра Рос сии об ыч но усту па ют им по оправды ва е мос ти.
Эти прогностические поля поступают на сетке с шагом 1,25, 0,5, 1,25° по широте и долготе для прогнозов иКМО, КСБР и 1МЛ соответственно. Заметим, что при вычислениях в этих глобальных моделях используют шаг сетки 25—35 км. В моделях усваивается большой объем данных наблюдений, в том числе и недоступных в Гидрометцентре России. Во все
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации.
** Научно-исследовательский университет "Высшая школа экономики"; e-mail: vagordin@ mail.ru.
модели включены совершенные системы учета разнообразных притоков тепла и неадиабатических факторов, что позволяет достаточно успешно давать прогноз приземных метеорологических величин. В последнее время в Гидрометцентре России развивается мезомодель Европейского консорциума COSMO-RU7 (шаг сетки ~7 км, охватывает европейскую территорию России, часть Западной Сибири и Центральной Европы, начальные поля и граничные условия для этой модели поступают из метеорологического центра ФРГ).
Несмотря на высокое качество прогностических моделей, в них имеются ошибки, в том числе и систематические, например, в полях температуры [1]. В настоящей работе описаны системы статистической совместной обработки прогностической продукции перечисленных схем, имеющие цель улучшить оправдываемость. Для отладки этих систем были использованы накопленные в Гидрометцентре России архивы метеорологических дан ных.
После раскодировки из кода GRIB все поступающие прогностические поля, в том чис ле и поля при зем ных ме те о роло ги чес ких ве ли чин, запи сы-ваются в специальные базы данных Гидрометцентра России. Там же накапливаются и архивы наблюдений на станциях: значения температуры, влажности (точка росы) и ветра, которые прошли специальный контроль и не содержат грубых и средних ошибок. Для осадков грубый климатический контроль производится только в случае данных о весьма сильных осадках. Ветер контролируется только достаточно сильный (скорость >5 м/с).
Прогноз приземной температуры
На основе прогностических полей приземных значений температуры воздуха, точки росы и ветра разработан комплексный метод прогноза этих величин. Для его реализации на каждой станции предварительно накапливают архив прогнозов этих метеорологических величин (15—20 ближайших дней) разной заблаговременности по разным моделям.
Рассмотрим конкретную станцию (пункт) и конкретную заблаговремен-ность прогноза. Расчет прогностического значения метеорологической величины f на станции производится по формуле
f = Î>j (fj - Cj ) (1)
j = 1
где j — номер схемы, участвующей в ансамбле; J — число схем в ансамбле; Wj — вес j-й схемы; f — результат билинейной интерполяции поля прогноза приземной температуры j-й схемы в точку станции; Cj — средняя (систематическая) ошибка fj.
Веса в формуле (1) задаются с использованием регрессии
2
wj = —(2)
1°;2
]=1
где о} — среднеквадратическая ошибка- с-. Оценки средних с- и весов №} для каждой заблаговременности прогноза и для каждой станции делаются заново по архиву за предыдущие 20 дней для данной станции.
Для расчета комплексных прогнозов температуры авторы использовали прогнозы1 по моделям иКМО, КСБР и 1МЛ, так как именно эти схемы дают лучшие результаты и удовлетворяют оперативным требованиям Гидрометцентра России.
В специальную базу данных с длительным сроком хранения записывают все прогностические значения температуры воздуха на станции с за-благовременностью 6—120 ч с интервалом 6 ч. Они получены из полей прогнозов путем билинейной интерполяции в широтно-долготной системе координат. Позднее туда же добавляют соответствующие им наблюдаемые на станции значения срочной температуры и экстремальной (т. е. минимальной или максимальной) температуры*. Всего таких станций ~2800 на территории Центральной Европы и стран СНГ. Практически — это все станции, расположенные на этой обширной территории, данные наблюдений с кото рых ре гуляр но по сту па ют в Гид ромет центр Рос сии. Для этих станций делают прогноз срочной температуры по ансамблю с заблаговре-менностью 6—120 ч и с интервалом 6 ч. До 72 ч этот ансамбль включает все три модели, а после 72 ч — только две (иКМО и КСБР), так как в Гидрометцентр России прогнозы 1МЛ с заблаговременностью более 72 ч не по сту па ют.
Важный для синоптиков прогноз минимальной и максимальной температуры получают путем введения поправки для срочной температуры. Эта поправка рассчитывается путем осреднения разности между срочной и экстремальной температурой воздуха на станции за предыдущие 5 дней.
Аналогично прогнозу срочной температуры делается расчет прогнозов точки росы и приземного ветра (его составляющих и, V) до 72 ч. Для комплексного прогноза точки росы привлекаются модели ИКМО и КСБР, а для прогноза ветра — модели ИКМО и 1МЛ.
Направление и скорость ветра на метеостанциях измеряют на высоте 10 м от поверхности земли с помощью анемометра. При этом автоматически делают осреднение показаний по направлению и скорости ветра за 10 мин, предшествующих сроку наблюдения. Анемометр отмечает также кратковременные усиления ветра как в срок наблюдения, так и между сроками (порывы ветра). Значения скорости ветра при порыве (обычно >12 м/с) передаются дополнительно. Отметим, что синоптики в своем прогнозе, как правило, заметно завышают скорость ветра, в этом смысле численный и, особенно, комплексный прогноз ветра лучше соответствуют данным изме-ре ний.
Про вер ка всех про гно зов про водит ся для раз ных ре ги о нов. Здесь представлены оценки для европейской территории России (45—65° с. ш., 27—57° в. д.). На этой территории расположено более 600 станций, проводящих наблюдения. Исходный срок для всех прогнозов — 0 ч ВСВ. Ниже приведены оценки прогнозов срочной температуры воздуха с заблаговременностью до 72 ч и осадков с заблаговременностью до 54 ч.
* Срочной температурой воздуха авторы называют прогностическую или фактическую температуру воздуха на станции, соответствующую основным срокам наблюдения — 0, 6, 12 и 18 ч ВСВ. Экстремальная — минимальная и максимальная — температура воздуха на станциях России измеряется два раза в сутки — за ночь и день, обычно за предшествующий 12-часовой интервал времени.
На рис. 1 и 2 показаны осредненные по месяцам средние и средние абсолютные ошибки прогнозов температуры с июля 2010 г. по июнь 2013 г. В 2010—2011 гг. в каждом ежемесячном осреднении участвовало по 12 000—13 000 прогнозов и наблюдений на станциях для каждой забла-говременности, а в 2012—2013 гг. — до 19 000. На рис. 1 виден годовой ход ошибок прогнозов: для температуры ошибки прогнозов в холодный период заметно больше, чем в теплый, в отличие от осадков, где ситуация
Рис. 1. Средняя погрешность прогнозов срочной приземной температуры на европейской территории России по лучшим прогностическим схемам (июль 2010 г. — июнь 2013 г.) с заблаговременностью 12 (а), 24 (б), 36 (в), 48 (г), 60 (д) и 72 ч (е).
1 — модель ИКМО; 2 — модель КСЕР; 3 — модель 1МЛ; 4 — модель СО8МО-ЯИ7; 5 — комплексный прогноз, использующий модели ИКМО, КСЕР и 1МЛ. Начальный срок прогноза 0 ч ВСВ.
противоположна. Как следует из приведенных графиков, обычно комплексный прогноз дает лучшие результаты, чем включенные в него схемы.
Абсолютные ошибки прогнозов температуры воздуха на 24, 48 и 72 ч (т. е. ночной температуры), как правило, несколько больше (рис. 2б, г, е), чем ошибки прогнозов для дневной температуры, особенно в зимний период (рис. 2а, в, д). Это свя за но с труд нос тя ми уче та в со вре мен ных моделях зимнего ночного выхолаживания.
Прогноз температуры синоптиков по пункту — это прогноз минимальной и максимальной температуры с интервалом 2°С. Прогноз считается оправдавшимся, если фактическая экстремальная температура отстоит от
VII I VII I VII I VII I VII I VII I
2010 г. 2011г. 2012 г. 2013 г 2010 г 2011г. 2012 г. 2013 г
Рис. 2. Средняя абсолютная погрешность прогнозов приземной температуры с заблаговременностью 12 (а), 24 (б), 36 (в), 48 (г), 60 (д) и 72 ч (е).
Обозначения 1—5 — как на рис. 1.
середины этого интервала менее чем на 3,5°С [4]: тогда его оправдывае-мость Р = 100%, если же она не укладывается в этот интервал, то Р = 0%.
В Гидрометцентре России сейчас доступны прогнозы синоптиков с за-благовременностью до 3 сут по главным г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.