Ансамблевый долгосрочный прогноз метеорологических

Ансамблевый долгосрочный прогноз метеорологических
условий с недельной дискретизацией: технология и
методологические вопросы
А.В. Муравьев, Е.Н. Круглова, И.А. Куликова
ФГБУ «Гидрометцентр России», Москва
Международная научная конференция по региональным проблемам
гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды
2-4 октября 2012 года,
г. Казань, Республика Татарстан
Введение
 В Гидрометцентре России развернута и отлажена технологическая
линия еженедельных выпусков глобальных долгосрочных
метеорологических прогнозов.
 Вычислительной основой схемы являются гидродинамические
модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА), эксплуатируемые в
Гидрометцентре России и в ГГО им. А.И.Воейкова. Прогнозы строятся
на основе ансамблей с 20 и 10 членами, рассчитанными по моделям
МОЦА ПЛАВ и ГГО, соответственно.
 На вычислительных машинах, включая «большой вычислитель» SGI
Altix 4700, высокопроизводительный сервер и персональные
компьютеры, размещены программные блоки подготовки
исторических прогнозов, формирования прогностических ансамблей
и суперансамбля, расчетов вероятностных прогнозов,
стандартизованной верификации результатов прогнозирования.
 В режиме постпроцессинга результатов гидродинамического
моделирования проводится детализация прогнозов температуры
воздуха для 70 станций СНГ.
Итоги и планы
 С использованием современных вычислительных средств развернута и
отлажена технологическая линия еженедельных выпусков глобальных
долгосрочных метеорологических прогнозов с блоком детализации
прогнозов приземной температуры воздуха для 70 станций на
территории СНГ.
 На базе архива реанализа (Reanalysis-2) созданы климатические архивы
основных метеорологических полей в суточной дискретности и
проведено сравнение полученных полей с данными станционных
наблюдений.
 Разработаны программные средства пополнения архивов, полученных
на основе Reanalysis-2 с шестичасовой дискретностью, в реальном
режиме времени.
 Созданы программные средства мониторинга качества прогнозов на
основе стандартов ВМО (SVSLRF).
 Планируется включение в технологию процедур калибровки
прогностических ансамблей и дополнительных блоков статистической
интерпретации выходной продукции МОЦА.
Технология
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ:
1. Подготовка ретроспективных и оперативных прогнозов с
недельной дискретизацией (ЭВМ SGI Altix 4700).
2. Блок осреднения прогностических ансамблей и
ретроспективных прогнозов (ЭВМ SGI Altix 4700 и сервер с
большой дисковой памятью).
3. Процедура обмена данных с помощью внешнего
сервера.
4. Программные блоки формирования вероятностных
прогнозов и прогностического суперансамбля по моделям
ГГО им. Воейкова и Гидрометцентра России.
5. Мониторинг качества оперативных прогнозов в режиме
ON-LINE.
SGI Altix 4700. ПРОГНОЗ И ОСРЕДНЕНИЕ (еженедельные прогнозы)
1
Осреднение ретроспективных
прогнозов
* Настройка по date_in.dat
* Период: с 1981 по 2010гг.;
* 10 реализаций; 5 метеоэлементов
(с учетом размерных коэффициентов);
* 6 осредненных временных интервалов
(1, 2, 3, 4 недели, средние за 1-4 и
3-6 недели);
* Выходные файлы в директории:
/MMDD_week_ensemble/
2
Прогностическая система
ПЛАВ.
Долгосрочный прогноз.
Осреднение текущего прогноза
* Result:
20 реализаций; 5 метеоэлементов
(с учетом размерных коэффициентов);
•6 осредненных временных интервалов
(1, 2, 3, 4 недели, средние за 1-4 и
3-6 недели);
* Выходной файл:
С 1981 по 2010гг.; 10 реализаций; 19
метеоэлементов; 45 суток,
/oper/operseason/ DATA/HINDW/
erfms.YYNNDATE.nn.dat
Полный архив ретроспективных прогнохов
Входные параметры:
date_in.dat
20 реализаций; 19 метеоэлементов; 45 суток)
/operseason/DATA/FOREC_ARCHIVE/
YEARMMDD/ erfm.YYMMDD.nn.dat
Полный архив оперативных прогнозов
YEARMMDD_week_ensemble.bin
PS:
MM – месяц прогноза;
DD – день прогноза;
YEAR – год;
nn
– номер реализации
прогноза.
Выходной набор прогностических
метеэлементов:
1. Давление на уровне моря.
2. Геопотенциальная высота 500 гПа.
3. Температура на высоте 2 м.
4. Температура на уровне 850 гПа.
5. Суммарные осадки
SERVER-26
SERVER-26. БЛОК ПОСТРОЦЕССИНГА (еженедельные прогнозы)
Altix 4700
Вычисление
мультимодельных
прогностических
полей метеовеличин,
вероятностных характеристик,
расчерчивание прогностических
карт ГМЦ, ГГО, ГМЦ+ГГО
Входные параметры:
1. Имена входных файлов
2. Периоды прогноза (1-7, 8-14,
15-21, 22-28, 1-30, 15-45 сутки)
3. Интервал ретроспективных
прогнозов 1981-2010 гг.
MySQL-26
(результаты прогноза
на сетке и на станциях),
Текущие
прогнозы PLAV
Ретроспективные
прогнозы PLAV
Текущие прогнозы и
вероятностные
характеристики MGO
SERVER-230
Архив сеточных и
станционных
прогнозов
Выходная продукция:
1.Набор прогностических карт
2.Данные для сайта в формате базы данных MySQL
3.Архив сеточных и станционных прогнозов для
верификации и мониторинга прогнозов
4.Формирование данных прогноза ГМЦ для передачи
в ГГО
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ АРХИВЫ
 Климатические архивы:
Расчеты климата для основных метеорологических величин в
суточной дискретности производятся на базе реанализа (Reanalysis
– II) [Kanamitsu et al. 2002] за период 1981-2010 гг.
Климатический архив для станционных данных формируется на
основе архива ВНИИГМИ-МЦД [Массив данных, 2007] за период
1961- 1990 гг.
 Эталонные архивы:
Эталонными данными, с которыми сравниваются результаты
прогнозов, служат поля давления на уровне моря, Н-500,
температуры воздуха на уровне 2 метров и поверхности 850 гПа и
осадков с временной дискретизацией 6 часов, полученные на основе
реанализов NOAA NCEP-DOE Reanalysis-2 подготовленные в
Международном научно-исследовательском институте по
проблемам климата и общества в США - The International Research
Institute for Climate and Society (The IRI's).
Результаты прогнозов для 70 станций, расположенных на
территории СНГ, верифицируется на основе данных базы МАКТ
ГУ Гидрометцентр России.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
Пространственное распределение разностей
климатических средних станционных
значений приземной температуры воздуха и
реанализа и соответствующих значений
критерия Стьюдента а) и б) 15 января, в) и г)
– 15 апреля, д) и е) – 15 июля, ж) и з) – 15
октября 15 июля (д,е), 15 октября (ж,з).
Пространственное распределение разностей
средних квадратических отклонений
станционных значений приземной температуры
воздуха и реанализа и соответствующих
значений критерия Фишера а) и б) 15 января, в) и
г) – 15 апреля, д) и е) – 15 июля, ж) и з) – 15
октября.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
Сравнение суточного климата и среднеквадратического отклонения, полученных по данным
реанализа (красная кривая) с данными наблюдений (синяя кривая) на станциях: а) Москва;
б) Саратов; в) Ташкент; г) Костанай; д) Верхоянск; е) Хабаровск.
Верификация и мониторинг
ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ПРОГНОЗЫ. РАСЧЕТ ТАБЛИЦ
СОПРЯЖЕННОСТЕЙ И СТАТИСТИЧЕСКИХ ОЦЕНОК КАЧЕСТВА .
Стандартизованная система оценок качества
долгосрочных прогнозов (SVSLRF)
• Относительные оперативные характеристики
•
•
•
•
•
•
(ROC)
Диаграммы надежности (Reliability diagrams)
Гистограммы частот (Frequency histograms)
Критерии Брайера (Brier decompositions)
Ранговый критерий (Rank scores)
Показатель Геррити (Gerrity score)
Потенциальная экономическая эффективность
(Economic value)
New Attachment II-8 (9) to
the
Manual on the GDPS
(WMO-No. 485), Volume I.
Муравьев А.В.
Стандартизованная
система верификации
долгосрочных
метеорологических
прогнозов.
80 лет Гидрометцентру
России. 2010, стр. 264-288.
Мониторинг качества месячных и сезонных прогнозов в регулярности
оперативных прогнозов
Показатели для семи регионов Земного шара:
#
#
#
#
#
#
#
Европа (10W-60E, 35N-70N)
Северная Евразия (60E-190E, 40N-75N)
СНГ (20E-180E, 40N-70N)
Глобус (0.0-359E, 90S-90N)
Внетропические широты Северного полушария (0.0-359E, 20N-90N)
Внетропические широты Южного полушария (0.0-359E, 90S-20S)
Тропические широты (0.0-359E, 20S-20N)
Осреднение по времени: 1, 2 , 3, 4 недели, 1-4 и 3-6 недели
СЕРВЕР-26. МОНИТОРИГ И ВЕРИФИКАЦИЯ
1
Архив
прогностических
ежесуточных
данных
Оценки качества
сеточных полей
Выбор необходимых
данных из архивов
2
Оценки качества
по станционным
данным
MySQL-26
3
4
Субъективный анализ
результатов прогноза
Исходные результаты прогноза,
Прогнозы для сайта,
Фактические поля и станционные данные
Архив
суточных
данных Reanalys-2,
CFSR (1981-2011)
Архив
текущих
ежесуточных
данных (Reanalys-2)
Архив
фактических
станционных
данных (МАКТ,120 ст)
Размещение оценок
на сайте
Архив
оценок в формате
сайта
Архив
климатических
станционных
данных
(Обнинск,70 ст)
ПРИМЕРЫ ВЫХОДНОЙ ПРОДУКЦИИ и ОЦЕНОК КАЧЕСТВА
Сводная таблица оценок недельных прогнозов ГМЦ и ГГО;
начальная дата прогноза 20120613
ELEMENT trsf
EUROPE (10-60, 35 - 70)
RO
Q
MSE
MSSS
AC
RMS
ROC_BN ROC_NO ROC_AN ROC_AG
week1_HMC
0.79
2.40
8.52
-0.15
0.58
2.92
0.83
0.62
0.73
0.73
week1_MGO
0.78
0.79
3.71
0.50
0.71
1.93
0.60
0.68
0.74
0.67
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------week2_HMC
0.05
2.68
8.80
-1.66
0.32
2.97
0.53
0.47
0.53
0.51
week2_MGO
0.34
0.65
3.47
-0.05
0.34
1.86
0.73
0.60
0.75
0.69
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------week3_HMC
0.32
4.97 11.85
-0.95
0.28
3.44
0.34
0.49
0.51
0.45
week3_MGO
0.16
1.63
5.83
0.04
0.27
2.41
0.37
0.58
0.61
0.52
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------week4_HMC
0.58
4.27 10.76
-0.78
0.41
3.28
0.41
0.48
0.50
0.46
week4_MGO
0.20
1.46
5.97
0.01
0.22
2.44
0.48
0.54
0.54
0.52
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------month1_HMC
0.60
4.84
5.96
-0.82
0.58
2.44
0.49
0.49
0.48
0.49
month1_MGO
0.56
1.18
2.12
0.35
0.60
1.46
0.71
0.61
0.69
0.67
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------month2_HMC
0.51
7.42
8.88
-2.70
0.48
2.98
0.45
0.51
0.45
0.47
month2_MGO
0.46
0.93
1.62
0.33
0.61
1.27
0.62
0.57
0.68
0.62