УДК 551.509.33
Вероятностное представление долгосрочных метеорологических прогнозов, разработанных синоптическими методами
В. Ю. Цепелев*, В. М. Хан**
Продемонстрирована возможность применения вероятностного подхода к синоптическим прогнозам, составляемым по методам Вангенгейма — Гирса и Мультановского — Пагавы. Подход реализован по аналогии с вероятностной интерпретацией ансамблевых гидродинамических прогнозов на базе программного комплекса "Долгосрочник-синоптик". Рассмотрены конкретные примеры традиционного представления результатов синоптических прогнозов температуры воздуха, составленных синоптическими методами, а также варианты этих же прогнозов, представленных в терминах вероятности. Сделан вывод, что применение вероятностного подхода к синоптическим прогнозам увеличивает их информативность и расширяет возможности визуализации.
Ключевые слова: синоптические долгосрочные прогнозы, вероятностный подход, групповой аналог, гомолог, оправдываемость прогнозов, визуализация.
Введение
Прогнозы погоды на месяц и сезон, составляемые по методикам, разработанным в первой половине XX в., до настоящего времени преобладают в оперативной практике Российской гидрометслужбы. При этом прогностические возможности синоптических методов долгосрочного прогноза во внетропических районах Северного полушария, основанные на физических закономерностях развития крупномасштабных атмосферных процессов, сопоставимы с прогностическими возможностями гидродинамических ме тодов.
К сожалению, в настоящее время происходит постепенное угасание российских синоптических школ долгосрочных прогнозов, связанное с уходом их основателей и талантливых последователей. Важнейшими задачами исследователей, работающих в области долгосрочного прогнозирования, являются сохранение преемственности исследований в данной области и перевод субъективных, качественных методик на современный, объективный уровень.
* Департамент Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды по Северо-Западному федеральному округу; e-mail: v0010200@mail.ru.
** Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: khan@ mecom.ru.
В последние годы в практику долгосрочных прогнозов активно внедряется идеология ансамблевого прогнозирования. Ансамблевый подход позволяет перейти от детерминистической формулировки прогноза к вероятностной терминологии. Однако ансамблевый подход реализован только для численных гидродинамических методов. При составлении долгосрочных прогнозов эмпирическими, синоптическими методами идеология ансамблевого подхода не используется, хотя их методические основы позволяют достаточно легко перейти к вероятностному представлению прогнозов. Внедрение в оперативную практику новых вероятностных видов прогнозов, составленных синоптическими методами, является первым шагом на пути к их обновлению. Следующим этапом должна быть объективизация субъективных синоптических методик и их (хотя бы частичная) автоматизация.
Целью настоящей работы является демонстрация возможности применения вероятностной терминологии в методиках долгосрочных прогностических школ Вангенгейма — Гирса [2] и Мультановского — Пагавы [4, 8]. Вероятностная интерпретация синоптических прогнозов реализована по аналогии с ансамблевым подходом, применяемым в гидродинамических методах.
Обоснование применения ансамблевого подхода для синоптических методов
Принцип подбора аналогов (гомологов) циркуляции к текущим макро-си ноп ти чес ким про цес сам явля ет ся основ ным при е мом раз ра бот ки прогнозов в синоптических методах долгосрочного прогноза погоды. При этом под би ра ет ся це лая груп па мак ро цир куля ци он ных про цес сов, схожих с исходным по пространственному распределению крупномасштабных полей аномалий приземной температуры воздуха, атмосферного давления, температуры поверхности океана, высоты изобарических поверхностей и индексов цир куля ции.
Процесс поиска аналогов в методе Мультановского — Пагавы предполагает анализ макроциркуляционных процессов Северного полушария по их предыстории и ряду таких прогностических признаков, как ультраполярные холодные вторжения, стационарные антициклоны, крупномасштабные волновые процессы. По выявленным прогностическим признакам осуществляется отбор группы аналогов, из которых производится выбор лучшего аналога с учетом максимальной обеспеченности статистических и динамических признаков. Лучший аналог является результирующим про гно зом на буду щий пе ри од.
Поиск лет-гомологов по методу Вангенгейма — Гирса также предполагает анализ крупномасштабных полей аномалий приземного давления и температуры Северного полушария для пяти месяцев, предшествующих прогностическому. Анализируются макропроцессы текущего года в сравнении с типовыми. При этом типовые макропроцессы были получены заранее в результате объективной классификации всех макропроцессов за име ю щий ся пе ри од на блюде ний и пред став ля ют со бой сред ние поля из макропроцессов, отнесенных к одному классу. В результате анализа отбирается группа лет-гомологов, имеющих максимальную степень сходства с
текущим процессом. Среднее поле по этой группе и является результиру-ю щим про гно зом.
Таким образом, во втором случае прогноз формируется из группы нескольких макропроцессов, аналогичных с текущим, для которой был введен термин "групповой аналог" [3].
С целью вероятностного представления предлагается и в методе Муль-тановского — Пагавы перейти к групповому аналогу. Для этого в качестве прогноза по этому методу необходимо использовать не только лучший аналог, но и весь набор выявленных аналогов с учетом степени их сходства с текущим макропроцессом. При использовании такого подхода прогноз можно формулировать как в детерминистической, так и в вероятностной форме.
Групповой аналог предполагает, что для реализации определенного сценария макропогоды требуется существование соответствующего аналогичного состояния в пространственном распределении аномалий гидрометеорологических величин в предшествующий прогнозу временной интервал и аналогичности краевых условий подстилающей поверхности. Поскольку каждый индивидуальный макросиноптический процесс, входящий в групповой аналог, уникален, то незначительные различия в начальных и граничных условиях приводят к реализации разных, а иногда и диаметрально противоположных макроциркуляционных структур. Групповой аналог можно рассматривать как осредненный результат множественного расчета природной модели с различающимися краевыми условиями. При этом неточно определенные краевые условия подчиняются вероятностному распределению в фазовом пространстве природной модели [5].
Подход, основанный на незначительном изменении начальных условий для расчета циркуляционных характеристик прогностического месяца, используется для генерации множества членов ансамбля гидродинамической модели. Исходя из сходства методологии получения группового аналога и множества членов прогностического ансамбля гидродинамической модели прогноз по групповому аналогу можно рассматривать как реализацию ансамблевого прогноза, полученную по природной модели. Следовательно, про гно зы по си ноп ти чес кому ме тоду груп по во го анало га мож но так же формировать в терминах вероятности, как и ансамблевые прогнозы [1], что существенно расширяет информативность и область их применения.
Представление прогнозов по групповому аналогу в терминах ансамблевого прогноза
Дол гос роч ный про гноз, пред став лен ный в терми нах ве роятнос ти, предполагает разработку значительно большей номенклатуры прогностических карт [1]. В расширенную номенклатуру карт ансамблевого подхода входят карты прогностических аномалий приземного давления, приземной температуры, осадков и высоты изобарической поверхности 500 гПа следующих видов:
— карты средних по ансамблю (групповому аналогу);
— индивидуальные карты для каждого члена ансамбля;
— карты среднеквадратического отклонения по ансамблю;
— карты вероятности осуществления знака прогностической аномалии в ансамбле;
— карты осевой изогипсы высотной фронтальной зоны для всех членов ансамбля (карты "спагетти");
- карты вероятности осуществления экстремальных значений метеорологических величин в ансамбле.
Исходя из предположения о сходстве физического смысла, заложенного в прогностическом ансамбле и групповом аналоге, возможно существенно расширить список прогностической продукции и для прогнозов, использующих принцип группового аналога. Поскольку каждый из макропроцессов, входящих в прогностическую выборку, является равновероятным членом прогностического ансамбля, то стало возможно получить вероятностные характеристики данного ансамбля и построить соответствующие карты из перечисленного выше списка. Ассортимент прогностической продукции для группового аналога будет ограничен только тем, что прогнозы по синоптическим методам относятся в основном к приземным метеорологическим величинам.
Ниже будут рассмотрены конкретные примеры традиционного представления результатов синоптического прогноза температуры воздуха на высоте 2 м на декабрь 2013 г. и январь 2014 г. по методам Вангенгейма — Гирса и Мультановского — Пагавы, а также варианты этих же прогнозов, представленных в терминах вероятности.
Для составления прогнозов и их верификации использованы глобальные поля основ ных ме те о ве ли чин в ни жней и сред ней тро пос фе ре по данным реанализ а NOAA ESRL 20th Century Reanalysis [11] и NCEP/NCAR [12] с разрешением 2,5° по широте и долготе.
Пример составления предварительного оперативного прогноза в Гидрометцентре России по методу Мультановского — Пагавы на январь 2014 г.
В технологии составления комплексных месячных прогнозов погоды в Гидрометцентре России методу Мультановского — Пагавы отведена роль предварительного прогноза, который составляется примерно за месяц до про гно зи руе мо го меся ца и уточ ня ет ся не пос редствен но пе ред вы пус ком прогноза. Процесс составления этого прогноза включает в себя трехэтап-ный анализ ожидаемого развития макропроцессов над исследуемым регионом. На первом этапе синоптиками
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.