УДК 551.509.33.001.572
Гидродинамико-статистический долгосрочный прогноз метеорологических полей по модели ГГО.
2. Результаты оперативных испытаний и перспективы улучшения прогностической схемы
В. П. Мелешко*, В. М. Гаврилина*, В. М. Мирено*, В. А. Матюгин*, Ю. А. Пичугин*, С. В. Вавулин*
Подводятся итоги испытания гидродинамико-статистического метода долгосрочного прогноза метеорологических величин, разработанного в ГГО им. А. И. Воейкова и основанного на интегрировании уравнений глобальной спектральной модели общей циркуляции атмосферы T30L14. Прогнозы составлялись раз в неделю на месяц вперед, начиная с января 1999 г. по июль 2001 г., и содержат осредненные за 1, 1—2, 1—4 недели значения геопотенциала Hsoo, температуры воздуха на изобарической поверхности 850 гПа и давления воздуха на уровне моря в узлах сетки 2,5 х 2,5°, а также приземной температуры воздуха по сети станций СНГ. Дан подробный анализ качества прогнозов. Показано, что дм периодов 1 и 1—2 недели метод имеет явное преимущество перед инерционным и климатическим прогнозами. Прогнозы для периода 1—4 недели характеризуются устойчивой положительной корреляцией прогностических и фактических аномалий, но по средней квадра-тической ошибке находятся на уровне климатических прогнозов. Обсуждаются перспективы и пути улучшения метода.
Введение
Данная статья является продолжением работы [2], в которой были изложены этапы развития и технологическая схема метода прогноза. Здесь основное внимание сосредоточено на оценке качества оперативных прогнозов по данным независимой выборки (-130 прогнозов с января 1999 г. по июнь 2001 г.)**. Напомним, что основными прогнозируемыми переменными являются геопотенциал изобарической поверхности 500 гПа {Н%оо), температура воздуха на изобарической поверхности 850 гПа (7Ъо), давление на уровне моря (р0) за 0 ч МСВ и средняя суточная температура воздуха на уровне 2 м (ГД осредненные по периодам прогноза, т. е. за 1, 1—2, 1—4 недели (дискретность составления прогнозов — раз в неделю). Прогнозы Нт, Тмо и ро составляются и оцениваются по данным в узлах географической сетки 2,5 х 2,5°, а прогнозы Т5 — по сети станций (-60 станций) на территории бывшего СССР. При расчете аномалий прогнос-
* Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.
**Дяя приземной температуры воздуха на станциях ряд независимых прогнозов составляет ~90 прогнозов (октябрь 1999 г. — июнь 2001 г.).
тических переменных в качестве параметров климата Я500, Тш и ро использованы средние значения, полученные по данным Кеапа1у81в ИСЕР за 1982—1994 гг. Параметры климата Г, рассчитаны по данным за 1961—1990 гг.
Оценка качества прогнозов полей Щм, Г850 и р0
Оценка прогнозов Тш, Нт и ро в узлах 2,5 х 2,5° выполнялась путем сравнения прогностических значений с результатами объективного анализа. Для оценки прогнозов применены статистики, рекомендованные ВМО:
— средняя ошибка
Д = *-Х00^ - Р1 )> (!)
I
— средняя квадратическая ошибка
ЯМБЕ
£со щХ^-Р,)2, (2)
I
— коэффициент корреляции аномалий
^собфДД/* - АР)(АР1 - АЁ)
АС = . (3)
Дсо^ДАР,. -ДР)2£со8ф,(Д^ - ДГ)2
Здесь Р, и Т7,- — соответственно прогностическое и фактическое значения прогнозируемой переменной в г-й точке; АР, и М7± — прогностическая и фактическая аномалии (отклонения от нормы); АР и А/7 — средние (по полю) прогностические и фактические аномалии; совср, — весовой множитель; ф, — географическая широта точки.
Эти оценки рассчитывались в целом по внетропической зоне Северного полушария (к северу от 40° с. ш.), по трем долготным секторам этой зоны, приблизительно соответствующим естественным синоптическим районам (1-й —- сектор 312,5—70°, 2-й — сектор 72,5—190°, 3-й — сектор 192,5—310° к востоку от Гринвича), а также по территории России.
Полученные оценки сравнивались с оценками инерционных и климатических прогнозов. При этом в качестве инерционного использовался прогноз аномалии переменной, равной фактической аномалии периода, непосредственно предшествующего прогнозу (без перекрытия). Заметим, что иногда в качестве инерционного прогноза используются не аномалии, а сами значения прогнозируемой переменной в предшествующий период. Для долгосрочного прогноза такой подход является некорректным в связи с весьма существенной временной нестационарностью процессов в годовом ходе.
В качестве климатического прогноза использовалась норма соответствующего периода. Для оценки /ШЖ методических (нижний индекс — т) прогнозов по сравнению с инерционными (г) и климатическими (с) прогнозами рассчитывались соответствующие меры мастерства (ТШЗЖУ). Мае-6
терство методики по отношению к инерционному прогнозу по средней квадратической ошибке оценивается по формуле
= *МВЕЯ- ШБЕ М5£0 - ШБЕ,
где ЯМБЕ0 — средняя квадратическая ошибка идеального прогноза. Принимая ее равной нулю, получим
ШШ,. = (1 - Ш8Ет/Ш8Е,). (5)
Аналогично мастерство по отношению к климатическому прогнозу будет равно
= (1 - Ш8Ет/Ш5Ес). (6)
На рис. 1а—и приведены средние по всем прогнозам оценки средней квадратической ошибки методического прогноза #500, 50 и ро (средних за 1, 1—2 и 1—4 недели) в сравнении с оценками инерционного и климатического прогнозов. Видно, что для всех периодов прогноза ошибки методического прогноза существенно меньше ошибок инерционного прогноза. При прогнозе на 1 и 1—2 недели они, как правило, также меньше ошибок климатического прогноза. Однако для месячного интервала прогнозирования средние квадратические ошибки находятся приблизительно на том же уровне, что и ошибки климатического прогноза.
Мера мастерства методического прогноза #500, Тто и ро по отношению к их инерционному и климатическому прогнозам в большинстве случаев следующая:
Период, неделя Мастерство (%) по отношению к прогнозу инерционному климатическому
-40-45 -25—35
-20—30 -10—15*
1—4
15—25 -10... 15
("Кроме прогнозов ро, качество которых на уровне климатического прогноза.) Заметим, что значения меры мастерства ниже 15% обладают низкой статистической значимостью.
Перейдем к рассмотрению оценок коэффициентов корреляции аномалий АС, характеризующих геометрическое подобие полей прогностических и фактических аномалий (рис. 1к—и). Для сравнения на рис. 1 показаны также оценки соответствующих корреляций инерционного прогноза. Как видно, оценки АС методических прогнозов положительны для всех периодов прогноза. Они значительно больше соответствующих оценок инерционного прогноза. Заметим, что в климатическом прогнозе вообще не содержится информации об ожидаемых аномалиях. Уровень коэффициентов корреляции по всем прогнозируемым характеристикам приблизительно одинаков и составляет -0,7—0,8 для прогнозов на 1 неделю, 0,55—0,61 — на 1—2 недели и около 0,5 для прогнозов на 1—4 недели.
Нт,гП а 100 -■ а)
50
%0»ес г)
5}
6)
ll lllll IIIII
е)
Ii
ра,гПа
LLZ] 1
lllllll
1 И III IV V I II III IV V I II III IV V Область прогноза
М-100%
80 1 ^ I ■ ■ ^ М}
I Щ JJJ JriJ
го
нт Ъв Ра
ttsrn Т85о Ра
нsoo те$а Ро
Рис. 1. Средняя квадратическая ошибка RMSE (а—и) оперативных прогнозов #5оо (а—в), Tsso (г—е) ир0 (ж—и), осредненных по периоду прогноза 1 (а, г, ж), 1—2 (б, д, з) и 1—4 недели (в, в, и), для Северного полушария (I), 1 -го (II), 2-го (III) и 3-го (IV) секторов и для территории России (V), а также коэффициент корреляции аномалий АС (к—л) указанных величин для внетропической зоны Северного полушария (к—.«) и территории России (м—л).
/) инерционный прогноз; 2) климатический; 3) методический.
Подводя итог рассмотренным оценкам, можно констатировать, что при прогнозе распределения основных характеристик состояния атмосферы (в среднем по периодам 1, 1—2 и 1—4 недели) предложенный метод имеет преимущество по сравнению с инерционным, а также (с учетом оценок АС) и перед климатическим прогнозом.
Оценка качества прогнозов приземной температуры воздуха по станциям
Наибольший практический интерес представляют прогнозы приземной температуры воздуха, поэтому они будут рассмотрены более подробно. Как уже отмечалось, эти прогнозы оценивались по станциям (-60 станций на территории бывшего СССР). Фактические значения температуры воздуха для соответствующих периодов прогноза рассчитывались по средним суточным данным, получаемым из Гидрометцентра России в оперативном режиме (база данных МАКТ [1]).
Для оценки качества прогнозов приземной температуры воздуха наряду с оценками ЯМБЕ и АС были рассчитаны также широко распространенные и рекомендованные в [3] оценки по критерию р и относительная ошибка
(7)
п
6—14" (8)
щ i а.
Здесь п, — число пунктов, использующихся для оценки прогноза; п+ип. — соответственно число совпадений или несовпадений знаков прогнозируемой и фактической аномалий. Заметим, что при расчете оценок прогнозов по станциям мы имеем дело с нерегулярной сетью точек и домножение на соэфв формулах (1)—(3) не имеет смысла, поэтому этот множитель в данном случае отсутствует. Для прогнозов средних месячных (4-недельных) температур рассчитывалась также оценка процента оправдавшихся прогнозов Р по пяти градациям в соответствии с Наставлением [7].
Временной ход и тенденция изменения оценок прогнозов. Рассмотрим временной ход оценок прогнозов на примере прогнозов средней за 1—4 недели температуры воздуха. На рис. 2а представлен ход оценок единичных прогнозов за период с ноября 1999 г. по июнь 2001 г. по критериям АС и р. Для сравнения здесь же показаны оценки АС инерционного прогноза. Видно, что в подавляющем большинстве случаев АС и р положительны. Значения АС методических прогнозов, как правило, выше, чем у инерционных прогнозов. Кроме того, в ходе АС методических прогнозов хорошо видна тенденция улучшения качества прогнозов к концу периода. Оценка линейного тренда характеризуется изменением АС от 0,2 в начале ряда до значений, близких к 0,6, в конце. Тенденция изменения ЯМБЕ (рис. 26) рассмотрена на примере хода скользящих средних годовых оценок, так как оценки ЯМБЕ единичных прогнозов сильно меняются в годовом ходе. Здесь для сравнения показаны соответствующие оценки ЯМБЕ климатических прогнозов. Изменение оценок ЯМБЕ также свидетельствует об улучше
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.