Развитие технологий ансамблевого прогнозирования

Санкт-Петербург, 7-9 июля 2014

Астахова Е.Д., VII Всероссийский Метеорологический съезд 1



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



Принципиальная неопределенность прогнозов погоды

НаблюденияУсвоение данныхнаблюдения

Модельатмосферы

Интерпретациярезультатов

Различия анализов ГМЦ и NCEP Цырульников,2014

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)

Заблаговременность прогноза

Истинная и прогностическая эволюция состояния атмосферы



Учет источников неопределенности Учет источников неопределенности прогноза в ансамблевых системахпрогноза в ансамблевых системах

ВМО: ПРОГНОЗ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛНЫМ БЕЗ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ЕГО НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИРекомендации по предоставлению данных о неопределенности прогнозовWMO/TD No.1422, 2008 (http://www.meteoinfo.ru/wmo-td-1422)

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



Активизация исследований в области ансамблевого Активизация исследований в области ансамблевого прогноза и ансамблевого усвоения данныхпрогноза и ансамблевого усвоения данных

5

Ensemble Forecast

Ensemble DataAssimilation

Ensemble Kalman Filter

Число статей , в аннотации к которым содержатся указанные слова, в журналах AMS за год. Источник: C.Muroi and C.Reynolds, 2014,WGNE29



Оперативные системы глобального ансамблевого

прогноза Center Resolutions FC Range Members Initial perturbation Model Uncertainty B.C.

ECMWF(Europe)

TL639L62TL319L62

10d+5d

51 SV(Total energy norm) + EnDA

SKEB and Stochastic physics coupling to ocean model, EDA-based land-surface pert

Met Office(UK)

~60kmL70~22kmL70

15d3d

2412

ETKF Random Parameters (RP2) and SKEB2.

N

Meteo France(France)

TL538(C2.4) L65

4d 35 SV (Total Energy Norm)+ EnDA

different packages, randomly used

N

HMC(Russia)

T169L31+SLAV0.72x0.9L28

10d 14 bred vector method N N

NCEP(USA)

T254L42T190L42

8d+8d

45 Ensemble Transform with Rescaling

stochastic perturbation to account for random model errors

N

Navy/FNMOC/NRL(USA)

T159L42 16d 20 local ensemble transform with transform performed in 9 latitude bands

N N

CMC(Canada)

0.6° L74 16d 20 Ensemble Kalman Filter stochastic Perturbation of Physical Tendencies and stochastic Kinetic Energy Backscatter.

N

CPTEC/INPE(Brazil)

T126 L28 15d 15 EOF-based perturbation N N

JMA(Japan)

TL479 L60 11d 27 SV(Total energy norm) Stochastic perturbation of physics tendency

N

CMA (China) T213 L31 10d 15 bred vector method N N

KMA(Korea)

~40kmL70 10d 24 ETKF Random Parameters (RP2) and SKEB2.

N



Основные тенденции развития ансамблевых прогнозов погоды в мире

• 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)



Ансамблевые системы прогноза погоды Гидрометцентра Ансамблевые системы прогноза погоды Гидрометцентра

РоссииРоссии Глобальная система

RHMC-EPSМезомасштабная система

COSMO-Ru2-EPS

Назначение Краткосрочный и среднесрочный прогноз

Краткосрочный прогнозОбслуживание Олимпиады 2014

Область прогноза

ГлобусРайон Олимпиады 2014

Горизонтальное разрешение

T169, 0.9˚ x0.72˚ (~70-75 км)

2.2 км

Число вертикальных уровней 31 50

Размер ансамбля 14 10

Модель СМА, ПЛАВ2008 COSMO

Прогноз 240 час (12 UTC) 48 hours (00, 12 UTC)

Начальные/граничные условия

Глобальный анализ Гидрометцентра России COSMO-S14-EPS

Сочи



Система глобального ансамблевого Система глобального ансамблевого прогнозапрогноза

ОА

Предыдущие12-часовыепрогнозы

Контрольный прогнозпо ПЛАВ2008

Контрольный прогнозпо СМА

Возмущенные начальные данные

Возмущенныепрогнозыпо СМА

Начальные данные

Ансамблевый постпроцессингВерификация Визуализация

БридингНорма: полная энергияРегиональное масштабированиеT,pmsl,u,v

Оперативные испытания 2011-2014

SGI Altix 4700 Itanium 2 1.66 GHz, NUMALink,1664 PEs, Peak 11 Tflops



Продукция глобальной системы ансамблевого прогнозаПродукция глобальной системы ансамблевого прогнозаАнсамблевые метеограммы

Прогноз от 18 сентября 2013 г на 72 часа

Случай сильных дождей в Москве

Pr24>10 мм/сут

Pr24>25 мм/сут

Среднее и разброс

Веерные диаграммы

pr65310

pmsl

T2m18

12

8

4

20Sept 24 Sept 26 Sept 28 Sept

pmsl

Карты вероятности Карты «Спагетти»



Система верификации ансамблевого прогноза Система верификации ансамблевого прогноза (расчет вероятностных оценок)(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 СКОдля суточных сумм осадков: более 1, 5, 10 и 25 ммдля 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



Временные ряды оценки Брайера для разных центров, H500 > 1 СКО

ГМЦ ЕЦСПП

Оценки ГМЦ занимают промежуточное положениеОценки ГМЦ занимают промежуточное положение::хуже ЕЦСПП,но лучше Схуже ЕЦСПП,но лучше СPTECPTEC

CPTECКМА



Среднеквадратическая ошибка прогнозов T850 по Северному полушарию как функция заблаговременности

1.02.2013 – 7.03.2014 (400 дней)12 UTC



COSMO-S14-EPS

COSMO-RU2-EPS

Организация системы мезомасштабного ансамблевого Организация системы мезомасштабного ансамблевого прогноза для территории Сочинского региона прогноза для территории Сочинского региона

Работа выполнена cовместно с ARPA-SIMC (Italy) в рамках проектовCOSMO CORSO и WWRP FROST2014



ECMWF EPS COSMO-S14-EPS(run at ECMWF)

COSMO-RU2-EPS (run at Roshydromet)

Pазрешение (км) ~ 30 7 2.2

Число уровней 62 40 50

Длина прогноза (ч) 240 72 48

Размер ансамбля 50+1 10 10

Время начала прогноза 00/12 UTC 00/12 UTC 00/12 UTC

Начальные и граничные условия

Сингулярные вектора + ансамблевое усвоение

Интерполяция специально отобранных

прогнозов ECMWF EPS

Интерполяция COSMO-S14-EPS

Возмущения модели SPPT Возмущения параметризаций

Конвекция Параметризация Параметризация Явно

Характеристики ансамблевых систем Характеристики ансамблевых систем ECMWF, ARPAECMWF, ARPA--SIMC,SIMC,ГМЦГМЦ

COSMO-S14-EPS COSMO-RU2-EPSECMWF EPS



Визуализация и верификация ансамблевых прогнозовВизуализация и верификация ансамблевых прогнозов

Ансамблевыеметеограммы

Веерные диаграммы

Примеры верификации с помощью программного комплекса VERSUS (янв2013)

ROCA=0.906

ROC. f+24.T2m>0C Диаграмма Талагранаf+24. Pr> 0.01 мм/3ч

Cost/Loss ratio f+24.T2m>0C



Случай сильных осадковСлучай сильных осадков:: дождь начался 7 янв в 12 ВСВ дождь начался 7 янв в 12 ВСВ

Initial time: 00 UTC 06.01.013

00 UTC 07.01.2013 - 12 UTC 07.01.2013 12 UTC 07.01.2013 - 00 UTC 08.01.2013

7 km

2.2 km

COSMO-S14-EPS

COSMO-RU2-EPS

Aibga

Вероятность суммарных осадков более 10мм/12h

Правильно предсказан момент начала осадков и их интенсивность. Более детальный прогноз по COSMO-RU2-EPS

В АибгеВ Аибге1212мммм/12/12чч



Что произойдет в ближайшие годы в Что произойдет в ближайшие годы в миремире??

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



Что произойдет в Что произойдет в ГидрометцентреГидрометцентре??Глобальная система:Внедрение статистической коррекции Увеличение размера ансамбля за счет включения возмущенных прогнозов по ПЛАВ2008Замена бридинга на использование ансамблевого усвоения данныхВведение стохастических возмущений неадиабатических тенденций

Мезомасштабная система:Введение стохастических возмущений неадиабатических тенденций ( в рамках проекта COSMO COTEKINO) Разработка и реализация системы для Московского региона



Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!Спасибо за Спасибо за внимание!внимание!

Documents

Развитие технологий ансамблевого прогнозирования