УДК 551.509.001.572 <<2014>>(470.62)
Верификация прогнозов метеорологических явлений со значительными воздействиями в районе проведения Олимпиады "Сочи-2014".
Часть I. Детерминированные прогнозы в тестовый
период
А. В. Муравьев*, Д. Б. Киктев*, А. Ю. Бундель*, Т. Г. Дмитриева*,
А. В. Смирнов*
Описываются методы и результаты верификации детерминированных прогнозов осадков, температуры воздуха и скорости ветра по моделям COSMO-Ru и NMMB в период проведения тестовых соревнований (с 1 января по 15 марта 2013 г.) при подготовке к Олимпиаде "Сочи-2014 ". Рассматриваются особенности критерия Пирса — Обухова (PSS) и индекса экстремальной зависимости (EDI) при оценках качества прогнозов явлений, частота которых уменьшается вместе с увеличением или уменьшением критических порогов. Приводятся границы применимости этих мер при верификации прогнозов разных метеорологических величин и некоторые аналитические и графические оценки их взаимосвязей.
Ключевые слова: явления со значительными воздействиями, краткосрочный гидродинамический прогноз погоды, верификация мезомасштабных прогнозов явлений со значительными воздействиями.
1. Введение
Метеорологические явления со значительными воздействиями (ЯЗВ) стали в последние десятилетия важнейшим объектом исследований, моделирования и прогнозирования. Данное словосочетание является переводом термина "high impact weather event" (HIWE), принятого в современной англоязычной специализированной литературе. В отечественных практике и литературе используется терминология, включающая в себя такие определения, как "опасные природные явления", "опасные метеорологические явления", "неблагоприятные метеорологические явления", "чрезвычайные ситуации" [7—10], а также "особо опасные метеорологические явления" [6, 12].
Среди крупных международных проектов в области изучения ЯЗВ следует отметить проект THORPEX (выполнен в рамках ВМО в 2005—2014 гг.), направленный на "улучшение прогнозов ЯЗВ в интервале заблаговременности от одного дня до двух недель" [28]. Продолжением проекта THORPEX может служить проект по дальнейшему уточнению прогнозов процессов ЯЗВ вплоть до
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: muravev@mecom.ru.
облакоразрешающих масштабов и с заблаговременностью от нескольких минут до двух недель (HlWeather Project) [18].
Кроме того, существует большая потребность в прогнозировании опасных и особо опасных явлений погоды как в оперативной ежедневной деятельности служб погоды, так и при проведении мероприятий с участием большого количества людей и с использованием дорогостоящих технических средств. Наиболее требовательными к объемам и качеству метеорологического обеспечения являются зимние Олимпийские игры, которые обычно проводятся в районах со сложными физико-географическими условиями.
В 1998 г. Всемирная программа метеорологических исследований (ВПМИ) ВМО учредила особую форму международных проектов (Forecast Demonstration Project, FDP), предназначенных для "демонстрации новых преимуществ, которые может получить пользователь от своевременного распространения прогнозов погоды со значительным воздействием" [30].
Первый демонстрационный проект был предназначен для метеорологического обеспечения Олимпиады в Сиднее в 2000 г. [20]. В последующие годы Олимпиады стали рассматриваться как своеобразные "тестовые стенды" для испытания новейших технологий информационного обеспечения и прогнозирования погоды. Помимо FDP, в ВПМИ практикуются и исследовательские проекты (Research and Development Project, RDP), а также проекты, имеющие смешанный статус (RDP/FDP). Международный прогностический проект ВМО/ВПМИ FR0ST-2014 [1] предназначен для метеорологического обеспечения Олимпиады "Сочи-2014". В число задач проекта вошли развитие и демонстрация возможностей систем прогнозирования метеорологических явлений со значительными воздействиями.
Ряд полученных при этом предварительных результатов является предметом настоящей статьи. Ввиду важности объекта исследования особое внимание уделено проблемам определения явлений с воздействиями и методам верификации прогнозов редких явлений.
2. Определение ЯЗВ
Определение "явления со значительными воздействиями" слишком широкое для гидрометеорологических приложений и требует уточнения и детализации в зависимости от заданных условий и поставленных конкретных целей. В англоязычной литературе вместо полного термина HIWE часто используется укороченное словосочетание "high impact weather", HIW, для которого можно привести наиболее компактное определение — "...погода, которая существенно влияет на безопасность, собственность и (или) общественно-экономическую деятельность" [25].
В отечественных источниках под опасными понимаются явления, при наступлении которых необходимо принимать специальные меры для предотвращения серьезного ущерба в отраслях экономики, а под особо опасными понимаются явления, которые могут нанести или нанесли значительный ущерб хозяйству и населению [6, 12]. Различие в определении опасного и особо опасного явлений погоды заключается в масштабах (станция и район) и объектах воздействия (хозяйство и население). При этом передача метеорологической информации о факте воздействия явления погоды производится при достижении или превышении установленных критических значений интенсивности [6, 12].
В Стратегическом плане ВМО на 2009—2017 гг. [27] дается расшифровка составных частей понятия HIWE — "...метеорологические или гидрометеорологические условия (conditions), события (events) или последовательности событий, которые имеют измеримое воздействие на общество, выражаемое в людских потерях, травмах, экономических потерях или в предельных значениях других физических величин (например, объемы разрушений зданий, количество перемещенных лиц, количество потерявших работу, объемы потерь урожая, масштабы нарушений в энергообеспечении и т. д.). К ЯЗВ могут относиться особо опасные явления погоды (acute severe weather) (например, экстремальные характеристики ветра или температуры) и редкие явления с серьезными последствиями (например, тропические циклоны). К ним также относятся общие особенности погоды, которые связаны с длительными (chronic) опасными природными явлениями (hazards), приносящими вред большим массам людей или их деятельности на огромных территориях или в течение длительного времени (например, засухи, дорожные аварии)".
Во всех этих определениях воздействие имеет неблагоприятный характер, оно опасно для человека и его деятельности. Однако не менее важны и благоприятные явления погоды, которые следует учитывать при оценке затрат и прибыли в таких секторах экономики, как, например, сельское хозяйство или управление водными ресурсами. Поэтому к приведенной формулировке ВМО добавлено замечание о "метеорологической информации с сильным воздействием" (high impact weather information) — "...такие сведения, которые люди или организации могут использовать для существенного уменьшения ущерба или для увеличения экономической эффективности" [22].
Явление со значительными негативными воздействиями — это, как правило, редкое или экстремальное явление. В последние десятилетия была разработана теория экстремальных многомерных случайных величин с эффективным приложением результатов этой теории в гидрометеорологии и климатологии. Однако определение экстремальности для физических явлений оказывается трудным в той мере, в которой явление природы может быть охарактеризовано набором числовых характеристик. Д. Стивенсон, один из наиболее авторитетных специалистов в области статистического анализа гидрометеорологических процессов, признал, что определение, классификация и диагноз экстремальных явлений очень не просты, и что единого определения экстремального явления не существует [26].
В данной статье рассматриваются две группы важнейших определений понятия ЯЗВ, которые можно назвать предписанными и статистическими.
Предписанные явления со значительными воздействиями определяются директивно по порогам, которые утверждаются лицами, принимающими решения. Очевидно, что выделяемые пороги обосновываются экспертизами технических и медикобиологических специалистов и используются для принятия решений разного уровня важности или ответственности. В частности, для Олимпиады "Сочи-2014" были приняты три уровня важности решений: 1) критический (отмена или перенос соревнований); 2) существенный (перенос соревнований) и 3) информационный (принять к сведению). Соответствующие директивы проекта FROST-2014 представлены в таблице "Thresholds for Olympic decision makers" [17].
Статистические определения ЯЗВ, формулируемые в терминах теории экстремальных величин, соответствуют двум основным группам обобщенных параметрических распределений, с которыми можно работать в прикладных областях: классы распределений одномерных экстремальных величин и выбросов (Вейбулла, Гумбеля, Фреше, Парето, Пуассона) [29] и распределения многомерных случайных величин с определением экстремальной зависимости между разными величинами (Ледфорд и Тон, данные работы [21]). Основная область исследуемых величин — это хвосты распределений. Несмотря на привлекательность параметрических распределений, использование асимптотических подходов требует иногда довольно обременительных предварительных условий, выполнение которых трудно проверить на конечных выборках данных.
3. Краткая характеристика особенностей погоды региона Сочи
В тех случаях, когда крупное соревнование планируется в мало изученном районе, а руководящая таблица пороговых значений уже сформирована на основе результатов соревнований в других районах мира, то для настройки параметров верификации необходимо сопоставить известные местные климатологические характеристики со значениями предложенных порогов. Для этих целей были использованы данные синоптических наблюдений службы погоды по району Сочи [11], климатологические характеристики основных метеорологических величин горного кластера, рассчитанные специалистами Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова [5], и данные наблюдений синоптиков в пери
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.