Развитие технологий ансамблевого прогнозирования

1. Развитие технологий ансамблевого прогнозирования Астахова Е.Д. Гидрометцентр России Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

2. План презентации • Ансамблевый подход: основы и необходимость • Мировые тенденции развития ансамблевых систем прогноза • Глобальная система ансамблевого прогноза Гидрометцентра России • Мезомасштабная система ансамблевого прогноза для обслуживания Олимпиады в Сочи Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

3. Принципиальная неопределенность прогнозов погоды Усвоение данных наблюдения Модель атмосферы Интерпретация результатов Наблюдения Из-за хаотической природы атмосферы и нелинейности ее динамики мелкомасштабные ошибки могут влиять на крупномасштабные процессы и возрастать со временем (по-разному в разных ситуациях) Истинная и прогностическая эволюция состояния атмосферы Различия анализовГМЦ и NCEP Цырульников,2014 Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд Заблаговременность прогноза

4. Учет источников неопределенности прогноза в ансамблевых системах • Неопределенность данных об исходном состоянии атмосферы (бридинг, ETKF, ансамблевые трансформации,cингулярные вектора, ансамблевое усвоение) • Неопределенность данных о состоянии поверхности Земли (ансамблевое усвоение, варьирование характеристик поверхности) • Неопределенность за счет неcовершенства модели атмосферы (мультимодельность, вариции параметризаций, SPPT, SKEB) Различные прогностические реализации ансамбля H500, T850, f+120 САП ГМЦ ВМО:ПРОГНОЗ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛНЫМ БЕЗ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ЕГО НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Рекомендации по предоставлению данных о неопределенности прогнозов WMO/TD No.1422, 2008 (http://www.meteoinfo.ru/wmo-td-1422) Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

5. Ensemble Forecast Ensemble Data Assimilation Ensemble Kalman Filter Активизация исследований в области ансамблевого прогноза и ансамблевого усвоения данных Число статей , в аннотации к которым содержатся указанные слова, в журналах AMS за год. Источник:C.Muroi and C.Reynolds, 2014,WGNE29 Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд 5

6. Оперативные системы глобального ансамблевого прогноза Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

7. Основные тенденции развития ансамблевых прогнозов погоды в мире Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд Ансамблевые методы становятся основным методом численных прогнозов погоды Возрастает интерес к методам учета несовершенства модели Разработка методов учета неопределенности начальных данных, способных точнее отразить ошибки анализа (использование ансамблевого фильтра Калмана и ансамблевого усвоения данных) В оперативных системах начинают учитываться неточности данных на поверхности (ECMWF) Активное развитие методов статистического постпроцессинга, использование ретроспективных прогнозов Разработка и оперативное использование ансамблевых систем с разрешением 2-3 км (без параметризации конвекции) (COSMO-DE-EPS, COSMO-Ru2-EPS, MOGREPS-UK) Развитие мультимодельных систем (NAEFS,TIGGE, TIGGE-LAM, NOAA SREF, AEMET-SREPS, SESAR)

8. Ансамблевые системы прогноза погоды Гидрометцентра России Сочи Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

9. Система глобального ансамблевого прогноза Контрольный прогноз по ПЛАВ2008 Контрольный прогноз по СМА Начальные данные ОА Ансамблевый постпроцессинг Верификация Визуализация Возмущенные прогнозы по СМА Возмущенные начальные данные Предыдущие 12-часовые прогнозы Бридинг Норма: полная энергия Региональное масштабирование T,pmsl,u,v SGI Altix 4700 Itanium 2 1.66 GHz, NUMALink, 1664 PEs, Peak 11 Tflops Оперативные испытания 2011-2014 Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

10. Продукция глобальной системы ансамблевого прогноза Ансамблевые метеограммы Pr24>10мм/сут pr 6 5 3 1 0 Случай сильных дождей в Москве 20Sept 24 Sept 26 Sept 28 Sept pmsl Pr24>25мм/сут Среднее и разброс Карты «Спагетти» Карты вероятности T2m 18 12 8 4 pmsl Прогноз от 18 сентября 2013 г на 72 часа Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд Веерные диаграммы

11. Система верификации ансамблевого прогноза (расчет вероятностных оценок) События и пороговые значения выбраны в соответствии с рекомендациями Ведущего центра по верификации систем ансамблевого прогноза Пороговые значения : для аномалий H500, T850, pmsl: более 1, 1.5, 2 СКО и менее -1, -1.5, -2 СКО для суточных сумм осадков: более 1, 5, 10 и 25 мм для скорости ветра на уровне 10 м и 850 гПа: более 10, 15, и 25 м/с . Примеры вероятностных оценок для февраля 2014 с сайта http://epsv.kishou.go.jp/EPSv/html/rumseps/probdiagrams.html Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

12. Временные ряды оценки Брайера для разных центров, H500 > 1 СКО ГМЦ ЕЦСПП КМА CPTEC Оценки ГМЦ занимают промежуточное положение: хуже ЕЦСПП,но лучше СPTEC Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

13. Среднеквадратическая ошибка прогнозов T850по Северному полушариюкак функция заблаговременности 1.02.2013 – 7.03.2014 (400 дней) 12 UTC Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

14. COSMO-RU2-EPS COSMO-S14-EPS Организация системы мезомасштабного ансамблевого прогноза для территории Сочинского региона Работа выполнена cовместно с ARPA-SIMC (Italy) в рамках проектов COSMO CORSO и WWRP FROST2014 Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

15. Характеристики ансамблевых систем ECMWF, ARPA-SIMC,ГМЦ COSMO-S14-EPS ECMWF EPS COSMO-RU2-EPS Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

16. Визуализация и верификация ансамблевых прогнозов Веерные диаграммы Ансамблевые метеограммы ROC. f+24.T2m>0C Диаграмма Талаграна f+24. Pr> 0.01 мм/3ч Cost/Loss ratio f+24.T2m>0C ROCA=0.906 Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд Примеры верификации с помощью программного комплекса VERSUS (янв2013)

17. Случай сильных осадков: дождь начался 7 янв в 12 ВСВ 00 UTC 07.01.2013 - 12 UTC 07.01.2013 12 UTC 07.01.2013 - 00 UTC 08.01.2013 COSMO-S14-EPS В Аибге 12мм/12ч 7 km COSMO-RU2-EPS 2.2 km Aibga Вероятность суммарных осадков более 10мм/12h Initial time: 00 UTC 06.01.013 Правильно предсказан момент начала осадков и их интенсивность. Более детальный прогноз по COSMO-RU2-EPS Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

18. Что произойдет в ближайшие годы в мире? • Оперативные глобальные ансамбли с разрешением ~ 20-25 км(UKMO: 20-25 kм в 2014-2016, ECMWF:~20kм (T1023) в 2015) • Региональные ансамбли с разрешением ~ 10 км со своей системой усвоения данных • Оперативные ансамблевые системы с разрешением 2-3 км (COSMO-DE-EPS, MOGREPS-UK, AROME-EPS 2.5 км с 2015, NCASE (NCEP) 3 kм с 2018) • Оперативных систем с разрешением ~ 1 км не будет в течении 3-5 лет Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

19. Что произойдет в Гидрометцентре? • Глобальная система: Внедрение статистической коррекции Увеличение размера ансамбля за счет включения возмущенных прогнозов по ПЛАВ2008 Замена бридинга на использование ансамблевого усвоения данных Введение стохастических возмущений неадиабатических тенденций • Мезомасштабная система: • Введение стохастических возмущений неадиабатических тенденций ( в рамках проекта COSMO COTEKINO) • Разработка и реализация системы для Московского региона Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд

20. Спасибо за внимание! Спасибо за внимание! Спасибо за внимание! Спасибо за внимание! Спасибо за внимание! Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд