УДК 551.515.8:551.509.313
Выделение зон атмосферных фронтов как задача постпроцессинга результатов численного прогноза
Н. П. Шакина*
Представлен обзор результатов исследований, выполненных в течение последних 15 лет в Гидрометцентре России и посвященных объективному анализу атмосферных фронтов и диагностическим расчетам на основе полученных результатов. В процессе разработки метода выделения зон фронтов был проведен уникальный эксперимент по количественной оценке меры субъективности фронтального анализа, выполняемого синоптиками в оперативной работе. Расхождения оказались настолько значительны, что ни один конкретный синоптический архив не может рассматриваться как источник фактических данных о положении фронтов. Вместе с тем степень согласия разных синоптиков в отношении положения основных холодных и теплых фронтов является практически значимой. Статистический метод объективного анализа зон атмосферных фронтов разработан как метод постпроцессинга результатов численного прогноза (объективного анализа) полей давления (геопотенциала), температуры и влажности. Предложенный метод прошел оперативные испытания и рекомендован ЦМКП к практическому применению, причем в качестве предиктанта (критерия наличия или отсутствия фронта) использовались данные об осадках на станциях (степень интенсивности осадков на фронте характеризует его активность). Фронтальный параметр, полученный первоначально как вероятность того, что синоптик проведет фронт через данный квадрат сетки, по своему физическому смыслу является количественной характеристикой ба-роклинности у земли и в слоях 850—500 и 925—700 гПа и циклоничности поля приземного давления. Эта величина оказалась эффективной диагностической характеристикой бароклинного вынуждения вертикальных циркуля-ций, облако- и осадкообразования во фронтальных зонах. На основе двух характеристик вынуждения осадков — фронтального параметра и высоты уровня конвекции — по многолетним данным построены спектры повторяемости осадков разной интенсивности по сезонам и регионам европейской территории бывшего СССР. Указаны другие возможные области применения фронтального параметра, в том числе для верификации численных моделей.
1. Введение
Проведение атмосферных фронтов представляет собой важный этап анализа карт погоды синоптиком. Хотя современные численные прогностические модели в общем удовлетворительно воспроизводят зоны осад-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: chakina@mecom.ru.
ков, облачности и других явлений, для прогноза которых и выполняется фронтальный анализ, — однако синоптики в своей практической работе обычно не ограничиваются модельными результатами и придают большое значение определению положения фронтальных разделов. Поэтому расчетные методы остаются востребованными. Если необходимо определить прогностическое положение фронтов, то такого рода расчетные методы являются не чем иным, как методами постпроцессинга результатов численного прогноза (постпроцессингом называется расчет на основе продукции численной прогностической модели тех характеристик и величин, которые непосредственно в модели не прогнозируются).
В настоящей статье дается обзор работ по созданию и применению метода выделения зон фронтов, разработанного в Отделе авиационной метеорологии Гидрометцентра России и после оперативных испытаний принятого ЦМКП Росгидромета (2000 г.) как основного расчетного метода для применения в оперативной практике. Значение указанных работ не исчерпывается оперативным применением созданной авторами программы постпроцессинга. Можно полагать, что как в методическом (как один из примеров тщательной разработки на основе большого объема реальных данных), так и в научном отношении (как основа для результативных диагностических исследований) эти работы сохраняют актуальность и практическую значимость.
Рассмотрим некоторые особенности проблемы фронтального анализа.
Синоптик на картах погоды выделяет фронты в виде узких зон раздела холодной и теплой воздушных масс, ориентируясь, помимо контрастов температуры, на ряд таких признаков, как наличие барической ложбины, поворот ветра, тенденция изменения давления, а также на высоту и температуру изобарических поверхностей 850 и 925 гПа, относительную топографию и пр. В разных случаях на фронтах выражены и разные признаки. Процесс проведения фронтов синоптиком не лишен субъективности.
Начиная с работ метеорологов Бергенской школы и особенно со второй половины XX в. происходило, с одной стороны, постоянное обогащение информации, доступной синоптику, и накопление опыта ее анализа, с другой — исследование явлений возникновения фронтов (фронтогенеза) средствами гидродинамического моделирования. В результате этих исследований была сформулирована известная теорема Сойера — Элиассена [13, 21], согласно которой в условиях фронтогенеза (фронтолиза) в квазигео-стро фи чес ком при бли же нии воз ни ка ют верти каль ные цир куля ции, по перечные по отношению к фронтальной зоне и являющиеся компенсационными по отношению к фронтогенетическим (фронтолитическим) эффектам горизонтального ветра. Именно, если поле ветра обеспечивает фрон-то ге нез, то цир куля ция явля ет ся терми чес ки пря мой (теп лый воздух восходит). При устойчивой стратификации подъем более потенциально холодного воздуха из нижних слоев уменьшает температурные контрасты. (При фронтолизе, напротив, циркуляция термически обратная: на стороне теплого воздуха движения нисходящие.)
Позже Б. Дж. Хоскинс и Ф. П. Брезертон [15—17] получили еще один фундаментальный результат. Было теоретически показано, что при фрон-тогенетической адвекции горизонтального ветра резкие контрасты (разры-
вы) свойств могут образоваться только вблизи подстилающей поверхности. На более высоких уровнях фронтальная зона имеет конечную ширину, а компенсационные циркуляции обусловливают деформацию тропопаузы с ее опусканием на холодной стороне фронтальной зоны. Это позволило объяснить стратосферные вторжения как естественную составляющую процесса фронтогенеза в мощных слоях тропосферы и нижней стратосферы.
Данные теоретические результаты расширили представления метеорологов о фронтальных зонах и трехмерных системах движений в них. Представление о "фронтальной поверхности" разрывов свойств осталось в метеорологической науке как исторически первая, простейшая модель, дающая оценочное значение среднего угла наклона фронта.
Параллельно этим достижениям, отчасти ради уменьшения роли субъективности во фронтальном анализе, отчасти ради облегчения работы синоптика, начиная с 1960-х годов предпринимались попытки создания объективной процедуры проведения фронтов на картах погоды, т. е. поиск таких алгоритмов, которые позволили бы обнаруживать фронты по данным о давлении, температуре или других величинах в узлах регулярной сетки или на станциях. Такие попытки были не очень многочисленны (см., например, [14, 19, 20]) и не приводили к существенным успехам. Наиболее перспективным явилось направление, намеченное в работе [12] и затем развитое в работе [18]. Как формулировке объективных методов проведения фронтов, так и оценке их успешности в определенной мере пре -пятствовал субъективизм "ручного" фронтального анализа. Количественная оценка вклада субъективного фактора была впервые представлена в работе [3].
2. Мера субъективности проведения фронтов синоптиками
Считается, что синоптик обладает особой интуицией и даром "сверхчувствен но го по сти же ния" сути по год ных про цес сов, что дает ему пра во "последнего слова" для формулировки прогноза после изучения модельных и других материалов и их синтеза. Автор настоящей статьи готов с этим согласиться. Однако нас интересует в данном случае тот хорошо известный факт, что фронтальный анализ, выполненный синоптиком, не является абсолютным: другой синоптик на той же карте может провести фронты несколько иначе.
До 1990-х годов в каждом прогностическом подразделении проводился самостоятельный анализ карт погоды на бумажных бланках с нанесением данных вручную (позже — с помощью компьютера). В Гидрометцентре России еще в 1990-е годы карты погоды строились и анализировались независимо в трех подразделениях: в Отделе синоптических краткосрочных прогнозов погоды (ОСКПП), в Региональном центре зональных прогнозов для авиации (РЦЗП) и в Отделе анализа мировой погоды (ОАМП). Таким образом создавалось три параллельных архива фронтального анализа, выполненного раз ны ми специалистами.
По материалам этих параллельных архивов были получены объективные оценки различий фронтальных анализов за один и тот же срок. За пе-
риод в несколько месяцев были созданы электронные версии каждого из архивов фронтального анализа, причем наличие фронтов разных типов или их отсутствие в квадратах 2,5 х 2,5° (сетка тогдашнего объективного анализа) были закодированы по единому правилу. После этого было проведено сравнение пар полученных архивов (ОСКПП — РЦЗП и ОСКПП - ОАМП). Этот уникальный эксперимент подробно описан в работе [3]. Представляют интерес его основные результаты.
В целом результаты фронтального анализа, проведенного двумя разными синоптиками, совпадали как по факту наличия или отсутствия фронтов, так и по их типу в 80,1% квадратов сетки (случаев), а в 84,8% квадратов они совпадали только по факту наличия или отсутствия (тип фронта не принимался во внимание). В эти цифры большой вклад вносили многочисленные случаи отсутствия фронтов в обоих архивах. Если учитывать только квадраты сетки с наличием фронта хотя бы в одном из архивов, то мнения двух синоптиков как о наличии фронта (в пределах квадрата 2,5 х 2,5°), так и о его типе совпадали в 23—30% случаев, и общее число квадратов с фронтами существенно (до 22%) различалось в разных архи-
Тем не менее согласие пар архивов только по факту наличия фронта оказалось практически значимым (критерии Пирси — Обухова Р1 = 0,40, Хайдке — Багрова Н = 0,42 в среднем по двум парам архивов), особенно по основным теплым и холодным фронтам. При этом только в 48,2% случаев имело место совпадение наличия фронтов в обоих архивах.
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.