Галилео Галилей

52
Методы прогнозов погоды различной заблаговременности и предсказуемость метеорологических процессов 19.02.2009 Р.М.Вильфанд, Г.В.Груза, Киктёв Д.Б., Крыжов В.Н.,Тищенко В., Хан В.М.

description

Методы прогнозов погоды различной заблаговременности и предсказуемость метеорологических процессов 19. 0 2.2009 Р.М.Вильфанд , Г.В.Груза, Киктёв Д.Б., Крыжов В.Н.,Тищенко В., Хан В.М. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Галилео Галилей

Page 1: Галилео Галилей

Методы прогнозов погоды различной заблаговременности

и предсказуемость метеорологических процессов

19.02.2009

Р.М.Вильфанд, Г.В.Груза, Киктёв Д.Б., Крыжов В.Н.,Тищенко В., Хан В.М.

Page 2: Галилео Галилей

«Мы всегда ясно видим, как вода, поднявшаяся в воздух, опускается снова. Даже если то же самое количество не возвратится в течение года и именно в этой стране, то через определенный срок все, что было унесено вверх, будет возвращено».

Слово «метеорология» - научный анахронизм, дошедший до нас со времен Аристотеля, крупнейшего греческого мыслителя IV в. до н. э., автора «Метеорологики» - трактата о небесных явлениях. В те времена считалось, что на небе все изменения происходят в одной природной сфере и, значит, должны изучаться одной наукой. Аристотель подобрал ей название, исходя из греческого выражения "та метеора" - предметы в воздухе. К этим «предметам» ученый причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния, правда, гидрометеоры, то есть «предметы», со стоящие из воды или льда (в этом виде определение Аристотеля используется и сейчас), он выделял в особую группу. Звезды к метеорологии, по его мнению, не относились: они считались тогда неподвижными и неизменными.

Page 3: Галилео Галилей

Галилео Галилей

Эванджелиста Торричелли

Блез Паскаль

Вильгельм Бьеркнес

Урбе1 н Леверье1

Роберт Фицрой

Page 4: Галилео Галилей

Численный прогноз погоды – решение задачи Коши => Необходимо определить начальные условия

Усвоение данных наблюдений - формирование возможно более точной оценки текущего состояния “системы” (атмосферы) по данным наблюдений.

Специфика задачи: - Наблюдения имеют недостаточную густоту и содержат

ошибки; - Наблюдаться могут не все интересующие нас

метеоэлементы, или не все в равной мере; - Наблюдаться могут совсем не те характеристики

атмосферы, которые нас интересуют; - Предшествующие наблюдения также могут содержать

полезную информацию для оценки текущего состояния

Page 5: Галилео Галилей

Как использовать информацию, содержащуюся в прошлых наблюдениях?

Усвоение данных: наблюдения + модель атмосферы

Прогностическая модель: • Экстраполяция информации, содержащейся в

прошлых наблюдениях, во времени • Уравнения атмосферной модели можно

рассматривать как дополнительные наблюдения

Page 6: Галилео Галилей

Глобальная система наблюдений

Контактные наблюдения: Радиозонды, самолетные наблюдения, приземные/приводные наблюдения

Дистанционные наблюдения: Спутниковые наблюдения: – Наблюдения уходящей радиации – Ветер по движению облаков – Радиозатменные (GPS) – Локаторы (скаттерометры) Радары, профилемеры

Page 7: Галилео Галилей
Page 8: Галилео Галилей

Оценка вклада различных видов наблюдений по убыванию информационной ценности

1. Спутниковые микроволновые наблюдения (AMSU-A)2. Спутниковые инфракрасные наблюдения (IASI, AIRS) 3. Радиозонды + профилемеры (TEMP/PILOT/PROFILER)4. Самолеты (AMDAR/AIREP)5. Спутниковые наблюдения ветра по полям облачности и

влажности (AMV)6. Приземные наблюдения давления (SYNOP)7. Приводный ветер (Scatterometers)8. Приземные наблюдения температуры и влажности

(SYNOP)

Page 9: Галилео Галилей

Основные подходы:Оптимальная интерполяция: Ищем оптимальную линейную

оценку поля анализа в каждом отдельном узле сетки анализа по данным окружающих наблюдений.

Вариационный подход к усвоению: Требуется близость искомого поля анализа как к прогнозу (первому приближению), так и к наблюдениям.

Ансамблевое усвоение: Статистическое моделирование всех источников неопределенности при циклическом усвоении данных на основе метода Монте-Карло: ошибок наблюдений; ошибок модельных уравнений;. ошибок граничных условий; ошибки схемы усвоения (приближенное решение оптимизационных задач и др.)

Оценивание статистики ошибок прогноза “online”: по ансамблевой выборке.

Page 10: Галилео Галилей

Практические схемы анализа:

• Оптимальная интерполяция проста, но применяется редко ввиду ограничения локальности;

• 3D-Var быстр и позволяет эффективно усваивать • дистанционные наблюдения;

• 4D-Var = 3D-Var + позволяет адекватно учесть эволюцию атмосферы внутри окна усвоения, но сложнее;

• Ансамблевое усвоение намного проще, чем 4D-Var и даже, возможно, 3D-Var. Но объем ансамбля очень мал.

Page 11: Галилео Галилей

Прогностическая модельПрогностическая модель

Система базовых уравнений Система базовых уравнений гидротермодинамикигидротермодинамики::

•Уравнения движения (Уравнения движения (U, V, W-U, V, W-компоненты)компоненты)•Уравнение притока теплаУравнение притока тепла;;•Уравнение переноса влагиУравнение переноса влаги;;•Уравнение неразрывностиУравнение неразрывности;;•Уравнение состоянияУравнение состояния

+

физические параметризации процессов подсеточного масштаба

Page 12: Галилео Галилей

Уравнения движения

Уравнения термодинамики

Гидродинамическая модель атмосферы

Уравнения водяного пара

Диффузия Радиационный перенос

Конденсация,облачность

Осадки

Трение Турбулентный перенос тепла Испарение

Шероховатость суши и океана

Температура почвы

Снег, ледВлажность почвы

ТаяниеСток

АТМОСФЕРА

ПОЧВА

Page 13: Галилео Галилей

Пример частного решенияПример частного решения

22

2

1vuEh

wgp

a

vp

a

u

координатСистема

000

cos

1

),,(

fuv

aVa

)cos(

cos

1

Page 14: Галилео Галилей

Классификация метеорологических прогнозов по заблаговременности

1 Прогноз текущей погоды 0-2 часа

2  

Сверхкраткосрочный прогноз погоды до 12 часов

3 Краткосрочный прогноз погоды 12 - 72 час.

4 Среднесрочный прогноз погоды 72 - 240 час.

5 Прогноз погоды увеличенной заблаговременности

10 - 30 суток (обычно усредненный и выраженный в виде отклонений от климатических величин для этого периода)

6 Долгосрочный прогноз от 30 суток до двух лет

6.1 Месячный ориентировочный прогноз

Описание усредненных метеорологических параметров, выраженных в виде отклонений (аномалий) от климатических величин для этого месяца.

6.2 Трехмесячный или 90-суточный ориентировочный прогноз

Описание усредненных метеорологических параметров, выраженных в виде отклонения от климатических величин

6.3 Сезонный ориентировочный прогноз

Описание усредненных метеорологических параметров, выраженных в виде отклонения от климатических величин

7 Прогноз климата На срок свыше двух лет

7.1 Прогноз изменчивости климата Описание ожидаемых параметров климата, связанных с изменением межгодовых, десятилетних климатических аномалий и аномалий нескольких десятков лет

7.2 Прогноз климата Описание ожидаемого в будущем включения влияния естественных и антропогенных факторов

Page 15: Галилео Галилей

Прогностическая система Гидрометцентра России

Система усвоения данных и Объективного анализа

Глобальная модель атмосферы Региональная

модель атмосферы

Мезомасштабная модель

Системы интерпретации , «дочерние» модели

Page 16: Галилео Галилей

Средняя по всем случаям успешность прогноза

Ошибка климатического прогноза

Коэффициент корреляции Среднеквадратическая ошибка

Оценки успешности прогнозов погоды в зависимости от их заблаговременности

(H500, Северное полушарие)

Page 17: Галилео Галилей

Корреляции прогностических и фактических аномалий T2m на 1-4-ю недели зимой и летом (модель ГГО T42L14, период 1979-1998 гг.)

ЗИ М А

1 неделя

Л Е ТО

1 неделя

ЗИ М А

2 неделя

Л Е ТО

2 неделя

ЗИ М А

3 неделя

Л Е ТО

3 неделя

ЗИ М А

4 неделя

ЛЕ ТО

4 неделя

Page 18: Галилео Галилей

Практическая предсказуемость для оперативной модели T85L31

Метеорологический параметр Максимальная заблаговременность полезного прогноза

Температура, геопотенциал в средней тропосфере

5-6.5 суток

Общая облачность 2.5-3.5 суток

Приземная температура 2.5-5 суток

Осадки 2.5-3.5 суток

Page 19: Галилео Галилей

Сравнительные характеристики вычислительных ресурсов Мировых

метеорологических центров

ЦентрГод

установкиRpeak Структра CPU Тип CPU

ММЦ Вашингтон

2008 93,8 Risc IBM Power 6

2006 18,0 Risc IBM Power 5

2006 18,0 Risc IBM Power 5

ММЦ Москва

2008 16,0 Х86 Intel Xeon

2008 11,0 EPIC Intel Itanium2

ММЦ Мельбурн

2004 1,1 vector NEC SX

Page 20: Галилео Галилей

Ошибки прогнозов на 72 часа различных метеорологических центров

Среднеквадратическая ошибка прогнозов Н500 в Северном полушарии. Заблаговременность прогнозов - 72 часа

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

годы

RM

S

ЕЦСПП

Series1

NCEP

DWD

Россия

Для России в 2006-7 гг. показаны результаты T85 (верхняя кривая), T169 (средняя кривая) и полулагранжевой модели

Page 21: Галилео Галилей

Приоритетные задачи в области развития технологий прогноза погоды

на ближайшие годы:

• Повышение детализации и развитие физического наполнения моделей;

• Развитие технологий ансамблевого прогноза;

• Разработка системы усвоения данных, способной эффективно усваивать разнородные данные наблюдений

Page 22: Галилео Галилей

Дальнейшее увеличение заблаговременности

прогноза требует перехода к его вероятностной

формулировке и перехода к прогнозу осредненных

величин

Page 23: Галилео Галилей

• Средний по ансамблю прогноз имеет более высокое качество чем отдельные детерминированные прогнозы;

• Возможность вероятностной формулировки прогноза и прогноз качества прогноза

0 время

F

Преимущества использования прогностических ансамблей:

Page 24: Галилео Галилей

Долгосрочные метеорологические прогнозы

Актуальность: Возможность оценки предстоящих изменений макропогоды на временных масштабах от месяца и более чрезвычайно важна для народного хозяйства и жизнеобеспечения населения.

Современное состояние: Уровень успешности прогностических систем на сроки месяц и более лишь незначительно выше уровня климатических прогнозов.

Потенциальные возможности улучшения прогнозов: Повышение потенциала современных моделей за счет мощных вычислительных ресурсов. Ансамблевый подход (ансамбль моделей и начальных состояний) Статистические модели в применении к гидродинамическим прогнозам (внутри предела предсказуемости) Выявление макропроцессов с повышенной предсказуемостью

Page 25: Галилео Галилей

Возможно, поставленная задача неразрешима при

современном уровне науки!

Page 26: Галилео Галилей

16 апреля 2008 г. в возрасте 90 лет скончался выдающийся американский математик и метеоролог

Эдвард Лоренц (Edward Lorenz).

Page 27: Галилео Галилей

Предел предсказуемости 1-го рода определяется

чувствительностью модели к начальным условиями составляет для атмосферы примерно 3 недели !!!

• Для нелинейной системы с диссипацией практически невозможно предсказать конкретный ход ее развития, так как реальные начальные условия никогда не могут быть заданы с абсолютной точностью, а наличие точек бифуркации (ветвления) приводит к тому, что даже малые возмущения могут сильно повернуть направление эволюции.

• В некоторых случаях взмаха крыльев бабочки действительно достаточно для того, чтобы изменить направление потоков воздуха в атмосфере и вызвать какой-то обвальный процесс, напоминающий сход лавины с гор, что готов начаться от малейшего звука.

• Название "эффект бабочки" и сам этот образ часто используется как довод в пользу невозможности прогноза погоды на сроки более месяца.

Page 28: Галилео Галилей

Тем не менее в настоящее время :

Page 29: Галилео Галилей

В ВМО активно формируется 3-уровенная международная инфраструктура по выпуску сезонных-межгодовых прогнозов:

- Центры-производители глобальных прогнозов, - Региональные климатические центры и

- Национальные метеорологические центры

Сезонные-межгодовые прогнозы – ключевая компонента проекта КЛИПС ВМО.

Проблематика сезонной-межгодовой изменчивости и ее прогнозирования является объектом исследования крупных международных проектов:

- CLIVAR (Climate Variability & Predictability) в составе Всемирной программы исследования климата;

- ENSEMBLES (FP6); - Проект Азиатско-Тихоокеанской климатической сети и т.д.

Сезонные-межгодовые прогнозы являются главной темой 3-й Всемирной климатической конференции (Женева, 31.8.2009-4.9.2009)

Page 30: Галилео Галилей

В Гидрометцентре России

Подготовлен 25-летний архив ретроспективных сезонных прогнозов, включающий глобальные поля данных суточного и месячного осреднения для пяти параметров:- Температура на уровне 2м;- Накопленное количество осадков;- Температура на уровне 850 гПа;- Высота поверхности 500 гПа;- Давление на уровне моря.

Архив сезонных прогнозов: {4 сезона * 25 лет * 10 прогонов * 5 величин}

Page 31: Галилео Галилей

Объект прогноза

Вместо термина «долгосрочный прогноз погоды» более подходящим является термин «долгосрочный метеорологический прогноз» (ДМП), т.к. объектом прогнозирования на долгие сроки являются не мгновенные значения метеорологических элементов, ассоциируемые со словом «погода», и не индивидуальные структуры в атмосферных течениях, а обобщенные статистические характеристики состояния атмосферы,

Page 32: Галилео Галилей

Предположения, лежащие в основе ДМП• В долгосрочных процессах атмосфера выступает как часть единой системы

атмосфера – деятельный слой подстилающей поверхности. Надежды на ДМП связаны, главным образом, с влиянием внешних воздействия на атмосферу, которые изменяются медленнее чем текущая погода, но которые могут оказывать заметное влияние на статистические характеристики атмосферной циркуляции.

• Из-за хаотичности динамики атмосферы не существует детерминированной

реакции атмосферы на заданные аномалии полей на подстилающей поверхности. В связи с этим в основе ДМП лежит оценка распределения вероятностей состояний атмосферы в период прогноза. Качество ДМП зависит от относительной роли изменчивости, определяемой внешними вынуждающими воздействиями на атмосферу, в сравнении с ее собственной, «внутренней» изменчивостью, обусловленной динамической неустойчивостью атмосферных течений.

Специфика ДМП по сравнению с прогнозами на более короткие сроки - в степени учета неадиабатических процессов и неопределенности в оценках будущего состояния атмосферы.

Page 33: Галилео Галилей

Статистическая интерпретация результатов гидродинамических прогнозов • Статистические характеристики воспроизводимой прогностическими

моделями циркуляции атмосферы, вообще говоря, отличаются от соответствующих статистик реальной атмосферы, т.е. существуют систематические отличия модельного и наблюдаемого климатов. В связи с этим важную роль в ДМП играют многолетние архивы ретроспективных прогнозов. Они необходимы для проверки моделей на историческом материале и для калибровки ДМП, т.е. для коррекции их систематических ошибок.

• Статистическая интерпретация гидродинамических прогнозов способна привнести в выходную продукцию ДМП «добавленную стоимость» лишь в случаях, когда базовый гидродинамический ДМП достаточно успешен. Прогнозы, не несущие в себе полезной информации, улучшить таким образом пытаться бесполезно.

• Формулировка вероятностного прогноза несет в себе априорную оценку его качества.

Page 34: Галилео Галилей

Predicted and actual seasonal anomalies of temparature for winter 2007-8

http://wmc.meteoinfo.ru

Observed

Page 35: Галилео Галилей

Средние за многолетний период оценки дают лишь самое общее представление об уровне успешности сезонных прогнозов, который меняется от случая к случаю и зависит от многих факторов – от того, какие атмосферные характеристики прогнозируются, от региона, сезона, от начальной структуры гидрометеорологических полей, от внешних вынуждающих условий, от несовершенства модели и неточности задания начального состояния.

Разброс относительно средних оценок и закономерности изменения успешности прогнозов представляют практический интерес и требуют дальнейших исследований.

Page 36: Галилео Галилей

Мульти-модельные долгосрочные прогнозыДолгосрочный прогноз – сложная ресурсоемкая задача, для решения которой целесообразно объединять усилия различных прогностических центров. Справа – совместный прогноз на осень по данным прогностических моделей России, США, Японии, Республики Корея, Австралии, Канады и Китая в рамках международного проекта по сезонным прогнозам стран Азиатско-Тихоокеанского региона

Вероятностный прогноз сезонных аномалий температуры на Февраль-Апрель 2009г.

Page 37: Галилео Галилей

Комплексация прогностических полей от ансамбля моделей

В основе комплексации лежит увеличение

отношения СИГНАЛ/ШУМ в прогнозе,

суммируемом по нескольким моделям,

за счет взаимного сокращения ошибок

Page 38: Галилео Галилей

Методы комплексации:

• Вероятностный прогноз: Комплексация на основе формулы полной вероятности (ФПВ) и теоремы Байеса.

• Детерминистский прогноз: Комплексация на основе регрессии.

Оценки успешности:

• Северная Евразия (35–75N, 20–180E), зима, 1983-2003, T850

• Кроссвалидация с исключением одного года

• Ансамблевые прогнозы на сезон с заблаговременностью 1 месяц

Модели (7): HMC, MGO (Россия); NCEP (США); JMA (Япония); GDAPS, METRI (Корея); CWB (Тайвань);

Page 39: Галилео Галилей

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПРОГНОЗСокращения и обозначения на последующих слайдах:

Базовая комбинация моделей (PMME1 – Probabilistic Multi-Model Ensemble 1) – Функции распределения вероятностей индивидуальных моделей аппроксимируются нормальной функцией распределения вероятностей. Прогнозы моделей комбинируются на основе формулы полной вероятности с весами, пропорциональными ошибке прогноза вероятности, ассоциирующейся с ошибкой среднего по ансамблю (пропорциональны корню из размера ансамбля)

PMME2 – PMME5 – прогнозы моделей комбинируются с различными весами, учитывающими успешность прошлых прогнозов (на основе различных оценок прогнозов - правильно предсказанной вероятности, показателя мастерства Брайера и т.п.).

BSS – показатель мастерства Брайера

ROCS – показатель сравнительной оперативной характеристики – площадь под кривой, связывающей частоту предсказанных и произошедших событий с частотой предсказанных и не произошедших событий

Mодель1 – Mодель7 – модели из списка, приведенного на предыдущем слайде. Имена моделей не специфицируются - нас интересует только мультимодельная комбинация, так как оценка «лучшая модель» не устойчива ни в пространстве, ни во времени.

Page 40: Галилео Галилей

(чем ближе к диагонали, тем лучше)Диаграммы надежности для категории НИЖЕ НОРМЫ

Диаграмма надежности, Т850, Северная Евразия, зима, категория ниже нормы (BN)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

прогностические вероятности

набл

юде

нны

е ча

стот

ы

Модель 1

Модель 2

Модель 3

Модель 4

Модель 5

Модель 6

Модель 7

PMME1

Случайный прогноз

BSS отдельныхмоделей < 0.03

Диаграмма надежности, Т850, Северная Евразия, зима, категория ниже нормы (BN)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

прогностические вероятности

набл

юде

нны

е ча

стот

ы PMME1

PMME2

PMME3

PMME4

PMME5

Случайный прогноз

Хуже климатическогоЛучше случайного

Хуже случайного

Лучше климатическогоBSS PMMEs ~ 0.07

Отдельные модели и базовая комбинация моделей PMME1 (см.предыдущий слайд)

Комбинации моделей различными методами: PMME1 – PMME5 (см.предыдущий слайд)

Page 41: Галилео Галилей

Сравнительная оперативная характеристика (ROCS)Базовая комбинация моделей

Выше нормы Ниже нормы

)mdl|E(Pn)n()E(P ij

M

i

/i

M

i

/ij

1

21

1

121

Функции распределения вероятностей моделей аппроксимируются нормальным законом.

Прогнозы моделей комбинируются на основе формулы полной вероятности, веса моделей пропорциональны корню из размера ансамбля

Прогноз имеет смысл, если ROCS > 0.5

Page 42: Галилео Галилей

ДЕТЕРМИНИСТСКИЙ ПРОГНОЗ

Сокращения и обозначения на последующих слайдах:

Mодель1 – Mодель6 – модели из списка, приведенного выше. Имена моделей не специфицируются - нас интересует только мульти-модельная комбинация, так как оценка «лучшая модель» не устойчива ни в пространстве, ни во времени

Оценки успешности :

cj

jj MSE

MSEMSSS 1

n

i

/ijijj ))xf(

n(RMSE

1

212

11

jcjj

jjj

MSEw

MSEw

MSSS 1

n

iijijj xf

nMSE

1

2)(1

, где, где

nnnn

Ro

Page 43: Галилео Галилей

RMSE MSSS Ro

Mодель1 1.58 -0.05 0.12

Mодель2 1.57 -0.04 0.09

Mодель3 1.61 -0.09 0.00

Mодель4 1.68 -0.04 0.05

Mодель5 1.59 -0.08 0.10

Mодель6 1.55 -0.01 0.12

SC 1.54 0.03 0.11

Regr 1.55 0.02 0.10

Regr+ 1.54 0.04 0.12

MlpRegr 1.72 -0.20 0.07

Оценки успешности прогнозов средней зимней температуры воздуха, аггрегированные по Северной Евразии

SC – среднее из средних модельных ансамблейRegr - линейная регрессия по каждой модели, затем среднееRegr+ - линейная регрессия (только положительные корреляции) по каждой модели, затем среднееMlpRegr - множественная регрессия

Page 44: Галилео Галилей

MSSS для мультимодельных комбинаций на основе:

среднего из средних модельных ансамблей (SC) линейной регрессии (Regr)

SC Regr

Прогноз успешнее климатического, если MSSS > 0

Page 45: Галилео Галилей

Эксперимент по комплексации результатов гидродинамических моделей с целью повышения

практической предсказуемости на сезонных масштабах

• Предиктант (объект прогноза): температура воздуха Т850 Т2м

• Предикторы: параметры синхронных прогностических модельных значений Н500.

Page 46: Галилео Галилей

МОДЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Глобальная модель SL-AV Гидрометцентра России (HMC), 1979 – по н.в. Толстых М.А., 2001: Полулагранжева модель атмосферы с высоким разрешением для численного прогноза погоды, Метеорология и гидрология, №4, с.5-16

Глобальная спектральная модель ГГО ( MGO) класса Т42 L 14 MGO 1983 - 2003 Шнееров Б.Е., Мелешко В.П. и др. Современное состояние глобальной модели общей циркуляции атмосферы ГГО ( версия MGO-2). // Труды ГГО. 2001. Вып. 550. С. 3-43

Глобальные спектральные модели КМА (Корея) GDAPS 1983 - 2004GCPS 1983 - 2004METRI 1983 – 2004

Глобальные модели из СШАNCEP CPC (USA) 1983 - 2004IRI (USA) 1983 – 2004

Глобальная модель из ЯпонииJMA (JAPAN) 1983 – 2004

Глобальная модель из ТайваняCWB (TAIWAN) 1983 - 2004

В качестве фактических данных использовались сеточные поля из реанализа NCEP/DOE Reanalysis II(the National Centers for Environmental Prediction and the Department of Energy) Разрешение: 2.5Х2.5Период: с января 1979 по н.в.Kanamitsu, M., W. Ebisuzaki, J. Woolen, M. Fiorino and J. Potter, 2002: NCEP–DOE AMIP-II reanalysis (R-2). Bull. Amer. Meteor. Soc., 83, 1631–1643 http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/wesley/reanalysis.html

Page 47: Галилео Галилей

Оценка успешности модельных сезонных прогнозов

Для оценки качества прогнозов использовались параметры MSSS, ACC, RMSE. Успешность гидро-динамических долгосроч-ных прогнозов на настоящий момент имеет весьма скромный уровень. Показатель критерия качества по осредненному ансамблю нескольких моделей выше, чем для отдельно взятой модели. Для всех моделей уровень успешности в тропической зоне выше, чем в умеренных широтах.Пространственные поля коэффициентов

корреляций между модельными и фактическими данными Н-500, за период с 1983 по 2004г, для

осени.

Page 48: Галилео Галилей

Корреляционный анализ между локализованными Т850 и глобальными H-500 из разных моделей с целью выявления географических регионов повышенной информативности H-500 для каждой модели.

Компактная форма представления данных Н-500 в прогностических районах с помощью применения метода ЕОФ.

Применения метода пошаговой множественной регрессии с целью просеивания расширенного набора предикторов и отбора 2ух наилучших предикторов - моделей.

Оценка успешности предложенного статистического метода на зависимой и на кросс-валидационной выборках.

Блок-схема статистического метода по нахождению оптимальной комбинации гидродинамических моделей

Page 49: Галилео Галилей

R2=0.70

R2=0.75

R2=0.64

R2=0.78

R2=0.82

R2=0.81

1980 1985 1990 1995 2000 20055

6

7

8

9

10

11

12

13

year

air tem

perature, C

September

1980 1985 1990 1995 2000 2005-2

0

2

4

6

8

year

air

tem

pera

ture

, C

October

1980 1985 1990 1995 2000 2005-10

-5

0

5

year

air

tem

pera

ture

, C

November

Испытание метода на кросс-валидационной выборке

Ход температуры воздуха Т-850 за период 1983-2003. Осень. Красная кривая – фактическая температура. Синяя – спрогнозированная.

Коэф. корр. между фактической и прогностической температурой для зависимой и кросс-валидац. выборок

Page 50: Галилео Галилей

Недостатки метода:

-малый объем выборки (всего 21 год)

- сложность физической интерпретации при отыскании информативных прогностических регионов

- неустойчивость прогностических уравнений

Достоинства метода:

- простота в эксплуатации

- высокая успешность на зависимой выборке

- возможность адаптации к новым входным данным

- не требует сверх мощных

вычислительных ресурсов

Page 51: Галилео Галилей

Заключение:Заключение: Для дальнейшего совершенствования методов метеорологических прогнозов на месяц и сезон для территории РФ (и умеренных широт) необходимо:

Cоздать сводный БД потенциальных предикторов:

по данным наблюдений за прошлые годы по реанализам по результатам годродинамических прогнозов (с использованием мультимодельных ансамблей и результатов моделирования климата) по результатам классификаций и параметризаций гидрометеорологических процессов и полей

Cоставить единый план численных экспериментов по оценке общей и избирательной предсказуемости на месяц и сезон

Разработать соответствующее программное обеспечение и обеспечить работу вычислительными ресурсами.

Page 52: Галилео Галилей

Спасибо за внимание!