Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Вероятностный сезонный прогноз температуры воздуха на основе статистических связей метеорологических величин
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат диссертации по теме "Вероятностный сезонный прогноз температуры воздуха на основе статистических связей метеорологических величин"
ФГБУ «ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ»
На правах рукописи
005056885
КРЫЖОВ Владимир Николаевич
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ СЕЗОННЫЙ ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
1 3 ДЕК 2012
Москва-2012
005056885
Работа выполнена в ФГБУ «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации»
Научный консультант
В.П.Садоков,
доктор физико-математических наук, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, ФГБУ «Гидрометцентр России»
Официальные оппоненты: А.В.Кислов,
доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой, МГУ им. М.В.Ломоносова
Защита диссертации состоится «23» января 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.003.01 по защитам докторских и кандидатских диссертаций при ФГБУ «Гидрометцентр России» по адресу г. Москва, 123242, Б. Предтеченский пер. 11-13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Гидрометцентр России».
А.М.Стерин,
доктор физико-математических наук, заместитель директора, ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», Обнинск
Г.Н.Чичасов,
доктор географических наук, профессор, ректор, ФГБОУ «ИПК Росгидромета»
Ведущая организация: ФГБУ «Главная Геофизическая Обсерватория им.
А.И.Воейкова», Санкт-Петербург
Автореферат разослан «_» ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор географических наук
Е.С. Нестеров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность работы
Долгосрочный метеорологический прогноз для внетропических широт, в частности, сезонный прогноз большой заблаговременности, по-прежнему остается одной из приоритетных научных и практических задач современной метеорологии. Поэтому в настоящее время проводится множество и эмпирических, и модельных исследований низкочастотной изменчивости общей циркуляции атмосферы и климатической системы в целом с целью повышения качества сезонных прогнозов во внетропических широтах.
Определенные успехи в прогнозировании на сезон с помощью гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы и совместных моделей атмосферы и океана были достигнуты только для отдельных районов земного шара, главным образом для тропиков, в частности, для экваториальной части Тихого океана. Тем не менее, развитие прогнозирования на сезон, в том числе для средних и высоких широт, связывается в основном с развитием гидродинамических моделей. В последние десятилетия, наряду с совершенствованием моделей, все возрастающее внимание уделяется совершенствованию и внедрению в оперативную практику новых методов интерпретации модельных прогнозов. В частности, в оперативную практику уже прочно вошло производство ансамблевых сезонных прогнозов, а в последнее десятилетие — мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов, представляемых в вероятностной форме. В настоящее время по инициативе ВМО, разработавшей концепцию региональных климатических центров, нацеленных на производство региональных прогнозов, интенсивно идут разработки методов региональной интерпретации глобальных модельных прогнозов на основе технологий региональной детализации (даунскейлинга).
Особую актуальность этот вопрос имеет для России и стран СНГ, полностью расположенных в средних и высоких широтах, чье социальное и экономическое развитие весьма климатозависимо.
Цель работы
Цель работы - исследования низкочастотной изменчивости общей циркуляции атмосферы, направленные на повышение качества сезонных прогнозов большой заблаговременности для внетропических широт на основе усовершенствования методов интерпретации гидродинамических модельных прогнозов с учетом эмпирически установленных связей метеорологических величин.
Задачи исследования:
- анализ синхронных и асинхронных связей между зимней зональной циркуляцией и температурой воздуха различного временного осреднения;
- анализ связи среднего зимнего индекса арктического колебания с предшествующими осенними атмосферными процессами как основы для разработки статистического метода сезонного прогноза (с заблаговременностью один месяц) среднего зимнего индекса арктической осцилляции и температуры воздуха;
разработка методов статистической постобработки, вероятностной интерпретации и комплексации сезонных ансамблевых гидродинамических модельных прогнозов в мультимодельный прогноз;
- разработка статистических методов региональной детализации глобальных мультимодельных ансамблевых прогнозов с вероятностной интерпретацией.
Положения, выносимые на защиту, и их новизна
1. Результаты анализа синхронных и асинхронных связей зимней зональной циркуляции и метеорологических величин на ЕТР на различных временных масштабах. Эмпирические исследования показали пролонгированное влияние зимней фазы арктической осцилляции на температуру воздуха на ЕТР. Впервые показана связь ноябрьской температуры воздуха на ЕТР с фазой арктической осцилляции в предшествующую зиму, объясняющая понижение ноябрьской температуры воздуха 1970-х - 1990-х годов и последующее ее повышение. Впервые продемонстрирована связь полярности зимнего индекса арктической осцилляции с предшествующей октябрьской конфигурацией европейско-азиатской ветви арктического фронта.
2. Усовершенствованные методы вероятностной интерпретации мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов. Впервые предложен метод глобального вероятностного мультимодельного прогноза на основе комплексации прогнозов моделей с неравными и непропорциональными размерами ансамблей в исторических и текущих прогнозах. Впервые предложен регрессионный метод региональной детализации мульти- и одномодельных ансамблевых прогнозов с вероятностной интерпретацией на основе расчета суммарной неопределенности прогноза, связанной с погрешностями регрессии и разбросом ансамбля.
3. Разработанные диссертантом методы детализации глобальных ансамблевых прогнозов атмосферного давления модели ПЛАВ Гидрометцентра России для расчета вероятностного прогноза зимней температуры воздуха на территории Северной Евразии.
Достоверность результатов
Все опубликованные и показанные в диссертации результаты были получены на общедоступном фактическом материале с использованием стандартных методов анализа, что обеспечивает полную их воспроизводимость другими исследователями. В целях проверки и избежания ложных выводов все результаты были воспроизведены автором на фактических материалах из различных источников, для различных временных интервалов, с применением различных методов.
Практическая значимость результатов работы.
В мае 2006 г. разработанный диссертантом метод глобального вероятностного мультимодельного прогноза на основе прогнозов моделей с неравными и непропорциональными размерами ансамблей в исторических и текущих прогнозах был внедрен в оперативную практику Климатического Центра Азиатско-Тихоокеанского Экономического Сотрудничества (Asia Pacific Economic Cooperation Climate Center - APCC), г. Пусан, Южная Корея. Сезонные прогнозы APCC, разработанные на основе указанного метода, предоставляются России и используются в Северо-Евразийском климатическом центре в ФГБУ «Гидрометцентр России».
В июле 2011 г. этот метод был внедрен в оперативную практику Ведущего Центра ВМО по мультимодельному ансамблевому долгосрочному прогнозированию (WMO LC LRF-MME - WMO Lead Center for Long Range Forecasting - MultiModel Ensemble), г. Сеул, Южная Корея, работа которого направляется совместно Корейской Метеорологической Администрацией и Центром Климатического Прогнозирования (США). Сезонные прогнозы WMO LC LRF-MME, разработанные на основе указанного метода, предоставляются России и используются в Северо-Евразийском климатическом центре в ФГБУ «Гидрометцентр России».
Разработанный диссертантом метод вероятностного прогноза на основе региональной детализации одно- и мультимодельных глобальных ансамблевых прогнозов готов к внедрению в работе Северо-Евразийского климатического центра.
Личный вклад соискателя
Все результаты эмпирических исследований, изложенные в диссертации, были получены автором лично.
В работах, связанных с постобработкой модельных прогнозов, диссертанту принадлежит идея исследований, постановка задач, разработка методов, вывод новых формул, написание статей.
Все результаты исследований, связанных с разработкой технологии региональной детализации для Северной Евразии, были получены лично диссертантом.
Практическое внедрение в двух международных климатических центрах мультимодельной технологии на основе разработанного автором метода было проведено сотрудниками центров при участии диссертанта.
Апробация работы
Результаты исследований диссертанта представлялись и обсуждались на семинарах ФГБУ «Гидрометцентр России», ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова», Климатического Центра Азиатско-Тихоокеанского сотрудничества (Пусан, Корея), Корейской метеорологической администрации (Сеул), Пусанского Государственного Университета (Пусан, Корея), Института Атмосферной Физики (Пекин, Китай), Жиронского Университета (Жирона, Испания), Русского Географического Общества.
Результаты многократно докладывались на различных российских и международных конференциях, в том числе, на ежегодных конференциях Корейского метеорологического общества (2006 - 2011), Открытой Научной Конференции ВПИК (Денвер, США, 2011), конференции «Изменения климата и управление водными ресурсами» (Архангельск, 2011) Осенней Конференции Американского Геофизического Союза (Денвер, США, 2010), Семинаре ВПИК по прогнозируемое™ климата в Полярных регионах (Берген, Норвегия, 2010) и многих других.
Автором опубликовано более 100 печатных работ, из них по теме диссертации опубликовано 65 печатных работ (без тезисов конференций), в том числе 15 статей в журналах из списка ВАК (7 - без соавторов), 3 статьи в технических документах ВМО (2 - без соавторов), один раздел монографии, остальные - в Трудах Гидрометцентра СССР/России, трудах конференций, сборниках.
Специальность, которой соответствует диссертационная работа
Диссертационная работа В.Н.Крыжова по тематике соответствует специальности 25.00.30 «Метеорология, климатология и агрометеорология» в перечне специальностей, утвержденном ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Общий объем работы составляет 297 страниц, включая 85 рисунков и 30 таблиц. Список литературы содержит 338 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Структурно, работа состоит из введения, семи глав и заключения, причем, логически главы объединяются в три части: эмпирическая, модельная, и модельно-эмпирическая.
В первой части (главы 1-3) реализован эмпирический подход к анализу связей в климатической системе, продемонстрирована возможность статистического прогноза зимней фазы арктической осцилляции (АО) по осенней конфигурации арктического фронта. Делается вывод, что прогностическая гидродинамическая модель, стартуя с октябрьских начальных условий, может правильно прогнозировать зимнюю полярность АО.
Во второй части (главы 4-6) подробно рассмотрены методы постобработки гидродинамических модельных прогнозов от общих положений до представления двух разработанных методов прогнозов с использованием мультимодельного ансамбля - метода, основанного на «сырых» модельных прогнозах, и метода, использующего разработанную технологию региональной детализации. Делается вывод о целесообразности применения технологии детализации к модельным прогнозам во внетропических широтах.
Третья часть (глава 7) объединяет результаты первых двух частей -разрабатывается технология региональной детализации гидродинамических сезонных прогнозов с использованием результатов эмпирических исследований.
Содержание работы по главам.
Во Введении представлена актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, дается краткое содержание глав работы.
Глава 1. Сезонный метеорологический прогноз и дальние связи в атмосфере северного полушария, определяющие формирование зимней погоды и климата Северной Евразии
В разделе 1.1 приводится краткий обзор и анализ статистических методов прогнозирования на сезон с большой заблаговременностью. Обращается внимание на разработанный для поддержки методов статистический и математический аппарат, так как новейшие методы постобработки модельных прогнозов основываются на этом же аппарате. Анализ публикаций (Угрюмов, 1981; Юдин и Мещерская, 1977; Груза и др., 1989; Садоков, 2009; и др.) показывает, что источники предсказуемости, лежащей в основе физико-статистических методов сезонного прогноза большой заблаговременности для Евразийского континента, - это цепочка причинно-следственных связей:
взаимодействие атмосферы и подстилающей поверхности, формирующее аномалии теплосодержания деятельного слоя океана (и/или характеристик ледяного покрова, снежного покрова) - медленно изменяющиеся аномалии свойств подстилающей поверхности, обеспечивающие асинхронность связей, — взаимодействие подстилающей поверхности и атмосферы, формирующее аномалии атмосферной циркуляции - аномалии метеорологических величин на континенте. Передаточным механизмом от медленно меняющихся аномалий свойств подстилающей поверхности к аномалиям метеорологических величин на континенте является циркуляция атмосферы.
В разделе 1.2 дается краткое описание подходов к представлению характеристик низкочастотной изменчивости макроциркуляции атмосферы. Рассматривается типизация циркуляции Вангенгейма - Гирса. Анализируется происшедшее в XX веке развитие методов определения мод изменчивости циркуляции атмосферы и расчета индексов дальних связей.
В разделе 1.3 рассматриваются ведущие региональные моды изменчивости циркуляции атмосферы (дальние связи) и анализируются их связи с изменчивостью метеорологических величин на севере Евразии. Обращается внимание на ограничения в использовании индексов дальних связей, обусловленные методами их вычисления.
Раздел 1.4 полностью посвящен доминирующей моде изменчивости циркуляции атмосферы северного полушария - арктической осцилляции. Индекс АО характеризует градиент давления (геопотенциала) между средними широтами и полярной областью, характеризуя, таким образом, интенсивность зональной циркуляции в тропосфере и циркумполярного вихря в стратосфере. В зимний период полярность АО имеет определяющее значение для климата Северной Евразии, так как она характеризует интенсивность адвекции теплого морского воздуха с Северной Атлантики на континент. Обсуждается физическая природа АО и связь АО с северо-атлантическим колебанием (САК).
Глава 2. Эмпирические исследования синхронных и асинхронных связей зимней зональной циркуляции и метеорологических величин на европейской территории России на различных временных масштабах
Во второй главе приводятся результаты эмпирических исследований — анализа синхронных и асинхронных связей зимней зональной циркуляции и метеорологических величин на ЕТР на различных временных масштабах.
В разделе 2.1. дается краткое описание используемых данных и методов статистического анализа, применяемых автором в эмпирических исследованиях и в оценках модельных прогнозов. Все результаты эмпирических (статистических) исследований, полученные на данных из одного источника, дублировались на
8
данных из других источников. Основным критерием отбора данных была их общедоступность, что предполагало возможность проверки достоверности полученных результатов другими исследователями, широко применялись сеточные данные метеорологических величин у земной поверхности и на высотах из Реанализа I и Реанализа II, сеточные данные Группы исследований климата Университета Восточной Англии, Колумбийского университета и ЫОАА/СОС; станционные данные по ряду станций севера России; индексы дальних связей северного полушария и арктической осцилляции. В эмпирических исследованиях широко применялись стандартные методы статистического анализа: корреляционный и регрессионный анализ, анализ композитов и сравнение средних, дисперсионный анализ, методы анализа на основе ортогонального разложения и т.д. Определение уровня значимости получаемых статистических оценок всегда проводилось с учетом эффективного (эквивалентного) числа степеней свободы. При анализе полей (множества) оценок всегда проводился «тест значимости поля» на основе метода Монте-Карло. Значимость результатов анализа главных компонентов проверялась с использованием критерия Норта. Значимость результатов метода максимальных ковариаций на основе сингулярного разложения оценивалась с применением метода Монте-Карло.
В разделе 2.2 показано, что средняя зимняя температура воздуха практически на всей Северной Евразии статистически значимо связана с зимним индексом АО, а для большой части территории коэффициенты корреляции превышают 0.7. На основании анализа синхронных связей зимней температуры воздуха и индекса АО делается вывод, что успешный прогноз фазы АО есть успешный прогноз температуры воздуха в Северной Евразии. Этот вывод применим, как минимум, к Европейской территории России.
В разделе 2.3 с использованием 67-летних рядов показано, что наиболее используемый индикатор изменений климата - средняя годовая температура воздуха - на северо-востоке Европы статистически значимо связан только с январско-февральской формой циркуляции, причем структура изменчивости этой формы циркуляции очень близка к структуре АО и САК, а коэффициенты корреляции между индексами циркуляции и индексами АО и САК превышают 0.9. Коэффициент корреляции между средним январско-февральским индексом выделенной формы циркуляции и средней годовой температурой воздуха на северо-востоке Европы равен 0.75.
В разделе 2.4 анализируются результаты исследования, дополняющего и развивающего приведенные выше выводы. Полученные результаты подтверждают, что около 50% дисперсии средней годовой температуры на ЕТР связано с январско-февральским индексом АО. Расширение интервала осреднения индексов АО ведет к ослаблению связи, а при использовании среднего годового
индекса наряду с ослаблением корреляции наблюдается корреляция остатков регрессии. Результаты исследования свидетельствуют, что январско-февральская фаза АО оказывает влияние не только на зимнюю составляющую средней годовой температуры воздуха, но и на весеннюю температуру воздуха на континенте (около 20% дисперсии) и летнюю температуру воздуха на арктическом побережье ЕТР (около 20% дисперсии). Исследование механизмов пролонгации влияния зимней циркуляции на весеннюю и летнюю температуру воздуха показало (Раздел 2.5), что основной механизм — это «память» свойств подстилающей поверхности о зимних условиях своего формирования под воздействием зимней фазы АО. Для Северо-восточной Европы свойства подстилающей поверхности - это, прежде всего, снежный покров на континенте и температура поверхности и характеристики ледяного покрова Балтийского и Баренцева морей. Выявленные механизмы согласуются с результатами исследований других авторов.
Наиболее интересный результат эмпирических исследований — это объяснение понижения ноябрьской температуры воздуха на ЕТР в 1970-х - 1990-х годах и ее последующего повышения, резко контрастирующих с динамикой температуры воздуха в другие сезоны (Раздел 2.6). Исследования, проведенные с использованием различных данных наблюдений и различных статистических методов, показали, что и на масштабе межгодовой изменчивости, и на масштабе многолетней изменчивости, температура воздуха на ЕТР в ноябре тесно связана с дипольной формой изменчивости циркуляции с полюсами противоположных знаков над Скандинавией-Балтийским морем и над морем Лабрадор (Рис. 1).
Эта ноябрьская форма циркуляции, в свою очередь, тесно связана с интенсивностью зональной циркуляции в атлантико-европейском секторе в предшествующую зиму. Сигнал от зимы к последующей осени (лаг 9-10 месяцев), по меньшей мере частично, передается через влияние зимней зональной циркуляции на формирование ледяного покрова. Показано, что при уменьшении летней площади ледяного покрова в Арктике, вызванном преобладанием положительной зимней фазы АО, во время осеннего замерзания большей акватории, в атмосфере формируется зональный диполь давления с отрицательной аномалией давления в районе моря Лабрадор и положительной аномалией над Скандинавией-Балтийским морем. По восточной периферии этой области положительной аномалии давления осуществляется аномальная адвекция холода на ЕТР, обусловливающая отрицательную аномалию температуры. Такие условия наблюдались и интенсифицировались с 1970-х до середины 1990-х годов. При переходе к большей повторяемости отрицательной зимней фазы АО, наблюдающейся с середины 1990-х годов, знаки в центрах аномалий меняются, что ассоциируется с повышенным вторичным скагерракским циклогенезом на
полярном фронте и приходом на ЕТР теплого атлантического воздуха в теплых секторах скагерракских циклонов.
Рис. 1. Схема корреляционных связей январско-февральских (ЯФ) и ноябрьских метеорологических величин. Показаны: ведущая пара связанных сингулярных векторов январско-февральского и ноябрьского давления на уровне моря (Р); ЭОФ-1 ноябрьской температуры (Т); коэффициенты корреляции (г) между соответствующими сингулярными переменными (СП). Ряды 1950 - 2007 гг.
Выводы.
Анализ синхронных связей подтверждает хорошо известное положение -зимняя температура воздуха в северной части Евразийского континента в основном определяется вариациями адвекции теплого атлантического воздуха, характеризуемыми индексами АО и САК. На большей части Северной Евразии более 50% дисперсии зимней температуры воздуха связано с индексом АО.
Новые результаты были получены и опубликованы в ходе анализа асинхронных связей. Было показано, что средняя годовая температура воздуха в северной части ЕТР связана в основном (более 50% дисперсии) со средним январско-февральским индексом АО, причем влияние январско-февральской фазы АО прослеживается и в весенней температуре на ЕТР (около 20% дисперсии), и в летнее-осенней температуре на арктическом побережье (около 20% дисперсии). При расширении интервала осреднения индекса АО связи ослабевают.
Впервые продемонстрировано влияние зимней зональной циркуляции, характеризуемой индексом АО, на последующие осенние (ноябрьские)
Площадь ледяного покрова
в Арктике (в ноябре) минус (в августе)
индекс АО (ЯФ)
г = 0.42
Ноябрь, Т ЭОФ1 54%
Ноябрь, Р
г =0.47
= 0.68
Зима (ЯФ), Р г =0.84
циркуляцию в атлантико-европейском секторе и температуру воздуха на ЕТР. Этот результат объясняет наблюдавшееся, но не получившее других объяснений, ноябрьское похолодание на ЕТР в 1970-х - 1990-х годах и последующее потепление. Показано, что это «влияние» может передаваться через осенние характеристики ледяного покрова в Арктике, хранящего «память» об условиях своего формирования под влиянием АО в предыдущую зиму.
Глава 3. Связь полярности среднего зимнего индекса арктической осцилляции с циркуляцией в предшествующие октябри
Гидродинамические прогнозы среднего зимнего индекса АО имеют весьма невысокую успешность. Цель исследования — определение на эмпирическом уровне, связаны ли зимние процессы, ассоциирующиеся с АО, с октябрьскими процессами, определяющими начальные условия четырехмесячного интегрирования зимнего сезонного прогноза. По сути — это необходимое, хотя и не достаточное, условие успешности гидродинамических прогнозов на зимний сезон. Установление этих связей и их реализация в режиме статистического прогноза являлись бы косвенным подтверждением того, что гидродинамическая модель, достаточно адекватно воспроизводящая процессы в атмосфере, стартуя с октябрьских условий, может привести к успешному воспроизведению зимних условий.
Арктическая осцилляция - это вариации в интенсивности циркумполярного вихря в стратосфере, транслируемые на всю нижнюю стратосферу и тропосферу, вплоть до земной поверхности. Эти вариации в значительной степени вызваны взаимодействием планетарных волн, восходящих из тропосферы в стратосферу, со средним зональным потоком циркумполярного вихря. Фаза АО зависит и от процессов у поверхности Земли, где генерируются планетарные волны, и от процессов в стратосфере, где происходит взаимодействие волн и зонального потока. Сложность взаимодействия процессов в тропосфере и стратосфере, определяющих фазу АО, предопределяет сложность прогнозирования и, соответственно, невысокую успешность прогнозов индекса АО.
Проведенное исследование ряда возможных осенних предикторов — индексов АО в тропосфере и в стратосфере, температуры поверхности Северной Атлантики, аномалии площади снежного покрова в Северной Евразии -результатов не дало. Коэффициенты корреляции между этими предикторами и зимним индексом АО не превышают 0.3 - 0.4 - связи статистически значимы, но слишком слабы для использования в прогностических схемах.
Особое внимание было уделено явлению Эль-Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК), так как сезонные интегрирования по моделям общей циркуляции атмосферы управляются граничными условиями — температурой поверхности
12
океана, причем, наиболее сильные межгодовые вариации воздействий подстилающей поверхности связаны как раз с явлением ЭНЮК. Однако, воздействие осенней (и зимней) фазы ЭНЮК на зимнюю полярность АО весьма неустойчиво, что и отражается в низкой успешности модельных сезонных прогнозов для внетропических широт. В последние годы появились работы, нацеленные на объяснение неустойчивости связи АО и ЭНЮК, причем исследуются как условия генерирования планетарных волн в зависимости от распределения аномалий ТПО в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (Fletcher, Kushnir, 2011), так и условия взаимодействия планетарных волн с циркумполярным вихрем в стратосфере (Kryjov, Park, 2007).
В частности, В.Н. Крыжов и Ч.-К. Пак (Kryjov, Park, 2007) показали, что в годы повышенной солнечной активности различия между скоростью зонального ветра (рис. 2-а) и температурой воздуха во внетропических широтах в годы Эль-Ниньо и JIa-Нинья не существенны. В годы пониженной солнечной активности (рис. 2-6), напротив, велика разность между слабым (в годы Эль-Ниньо) и сильным (в годы Ла-Нинья ) зональным потоком, повышенной (тенденция к стратосферным потеплениям в годы Эль-Ниньо) и пониженной температурой воздуха в полярной стратосфере. В годы солнечных минимумов влияние осенней фазы ЭНЮК на зимний индекс АО существенно, в годы солнечных максимумов это влияние практически отсутствует, что и обусловливает неустойчивость влияния ЭНЮК на АО в многолетнем ходе.
Рис. 2. Высотно-долготная диаграмма разностей между композитами средних зимних значений зонально осредненного зонального ветра при положительном и отрицательном среднем сентябрьско-январским индексе Nino 3 при солнечных максимумах (а), солнечных минимумах (б). Изотахи проведены через 1 м/с. Затенены участки, где разности значимы на 2.5% уровне в одностороннем тесте.
Тем не менее, исследования показали связь зимней (декабрь-февраль) полярности АО с октябрьским состоянием европейско-азиатской ветви арктического фронта. На рис. 3 представлены композиты октябрьских полей давления на уровне моря при индексах АО в последующую зиму, превышающих
13
+1, меньше -1, и их разность. Самые характерные различия октябрьских полей давления связаны с конфигурацией европейско-азиатской ветви арктического фронта. В октябрях, предшествующих зимам положительной полярности АО (рис. 3-а), исландская депрессия развита сравнительно слабо, циклоны имеют тенденцию не стационировать, а смещаться от исландской депрессии вдоль арктического фронта далеко на восток, до моря Лаптевых. При этом сибирский антициклон, наоборот, хорошо развит, давление в его центре превышает 1024 гПа, что препятствует фронтогенезу на азиатской ветви полярного фронта.
Рис. 3. Композитные карты давления на уровне моря (гПа) в октябрях, предшествующих зимам с индексом АО > +1 (а), индексом АО < -1 (б), и их разность (в). Ряд 1958 - 2011 гг.
В преддверии зим отрицательной полярности АО (рис. З-б) исландская депрессия хорошо развита, давление в ее центре - ниже 1000 гПа. Циклоны стационируют в этом районе и продвигаются на восток только до Новой Земли. В терминах аномалии циркуляции это можно трактовать как положительную аномалию давления над п-овом Таймыр и морем Лаптевых (рис. 3-в), чему соответствует аномальная адвекция холода в Восточную Сибирь, приводящая к обострению фронтогенеза на азиатской ветви полярного фронта. При этом сибирский антициклон развит весьма слабо, а граница снежного покрова -продвинута далеко на юг, благодаря и пониженной температуре, и более интенсивным осадкам на полярном фронте.
Наибольшие различия между композитами наблюдаются в районе п-ов Таймыр - море Лаптевых. Поэтому в качестве индекса, характеризующего октябрьское поле давления в его связи с последующим зимним индексом АО, целесообразно взять значение аномалии давления в этом районе. С учетом того, что циклоны в Арктике - это, как правило, хорошо развитые по вертикали барические образования (Князева, 1960; Гаврилова, 1965; Дыдина, 1982), и на высотах они сохраняются дольше, чем в приземном слое, в качестве рабочего индекса, представляющего аномалию циркуляции в районе п-ова Таймыр, целесообразно взять значение аномалии Н500 в этом районе. Поэтому был рассчитан соответствующий индекс циркуляции как значение аномалии высоты Н5оо, осредненной по району (70-80°с.ш., 90-120°в.д.), что примерно соответствует п-ову Таймыр и окружающей акватории. Коэффициент корреляции между этим октябрьским циркуляционным индексом и средним зимним индексом АО равен 0.63 и устойчив во времени.
Теснота связи зимнего индекса АО и октябрьского циркуляционного индекса оценивалась в режиме прогноза по ряду 32 года с применением кроссвалидации с пропуском 8 лет. Метод вероятностного прогноза строился на теореме Байеса, а детерминистского - на регрессии.
Прогнозы оказались весьма успешны. Значение показателя мастерства вероятностных прогнозов ранжированных категорий ЯРЯЯ прогноза зимнего индекса АО по октябрьскому циркуляционному индексу равно 0.12 (значимо на уровне 2.5% в одностороннем тесте с использованием метода Монте-Карло). Для детерминистского прогноза получены оценки: нецентрированный коэффициент корреляции аномалий АСС = 0.63, показатель совпадения знака прогностических и наблюдаемых аномалий ЯО = 0.31.
Результаты, полученные при прогнозе зимнего индекса АО, подтверждаются результатами аналогичных прогнозов зимней температуры воздуха Северной Евразии на основе октябрьского циркуляционного индекса.
Выводы
Анализ возможных осенних предикторов зимней фазы АО и САК, упоминаемых в литературе, показал, что практически все эти предикторы не обеспечивают достаточной для прогноза тесноты связи. Это объясняется сложностью механизма передачи сигнала от генератора планетарных волн к описываемому этими индексами усилению или ослаблению интенсивности зональной циркуляции в тропосфере. Стратосферная модуляция воздействия осенней фазы ЭНЮК на зимнюю полярность АО делает это воздействие весьма неустойчивым, и, в определенной степени, объясняет низкую успешность гидродинамических прогнозов зимней фазы АО.
В то же время, проведенное исследование показало, что октябрьская конфигурация европейско-азиатской ветви арктического фронта может служить предиктором и зимней полярности АО, и зимней аномалии температуры воздуха в Северной Евразии, по меньшей мере, для территории ЕТР, наиболее подверженной влиянию адвекции с Атлантики. Предложен индекс, характеризующий конфигурацию европейско-азиатской ветви арктического фронта количественно - средняя октябрьская аномалия Н500 над районом п-ова Таймыр. Продемонстрирована успешность (ДРЯЯ = 0.12, АСС = 0.63, /?0 = 0.31) статистического прогноза зимнего индекса АО на основе предложенного октябрьского индекса.
Таким образом, на эмпирическом уровне установлено, что климатическая система, «идеальная модель», стартовав с определенных октябрьских условий, с большой вероятностью приходит к соответствующей зимней фазе АО. Из чего следует, что прогностическая гидродинамическая модель, если она достаточно адекватно воспроизводит процессы в атмосфере, стартуя с определенных октябрьских условий, и управляемая соответствующими граничными условиями, может успешно воспроизвести зимнюю полярность АО и поле аномалии температуры воздуха в Северной Евразии.
Глава 4. Статистическая постобработка гидродинамических сезонных прогнозов
В главе приводится обзор современных методов и тенденций статистической постобработки сезонных гидродинамических модельных прогнозов на основе литературного материала и исследований автора. Рассматриваются детерминистский и различные варианты вероятностного подходов к интерпретации модельных прогнозов. Обсуждается рациональность мультимодельного подхода. Анализируются методы комплексации индивидуальных модельных прогнозов в мультимодельный ансамблевый прогноз, учитывающие и не учитывающие успешность исторических прогнозов моделей, входящих в ансамбль.
Опубликованные результаты исследований начала 2000-х годов и результаты, полученные самим диссертантом во время работы в АРСС в 2004 -2006 гг. (Юууоу и др., 2006), дают достаточно полное представление о современном уровне успешности одно- и мультимодельных сезонных прогнозов для разных регионов Земного шара, включая Северную Евразию. Наивысшая успешность сезонных прогнозов наблюдается в тропиках и в районах, подверженных сильному воздействия явления Эль-Ниньо - Южное колебание. Во внетропических широтах успешность прогнозов значительно ниже, и области
большей или меньшей успешности сезонных прогнозов имеют мозаичное распределение. В равной степени это относится и к Северной Евразии.
По результатам исследований начала 2000-х годов, показавших очевидное преимущество в успешности мультимодельных прогнозов по сравнению с одномодельными, выпуск мультимодельных сезонных прогнозов вошел в практику многих климатических центров, выпускающих глобальные сезонные прогнозы. Следует так же отметить, что, за редким исключением, все международные климатические центры выпускают мультимодельные прогнозы, не калиброванные на мастерство исторических прогнозов моделей, входящих в ансамбль. Результаты исследований диссертанта подтверждают правильность этого решения (Kryjov и др., 2006).
В целом, интенсивные исследования начала 2000-х годов в области мультимодельного прогнозирования на сезон дали понимание источников рациональности мультимодельного прогнозирования, его преимуществ и ограничений, а так же преимуществ и ограничений различных методов комплексирования индивидуальных модельных прогнозов.
Однако, при разработке мультимодельных технологий возникают нестандартные задачи. С одной из таких задач - задачей разработки глобального мультимодельного вероятностного прогноза на основе комплексирования прогнозов ансамбля моделей с различными размерами прогностических ансамблей и непропорциональными весами моделей в исторических и текущих прогнозах - впервые в истории столкнулись в 2006 г в АРСС. Решение этой задачи, предложенное диссертантом, рассмотрено в Главе 5.
Кроме того, в стандартных методах комплексации, калиброванных и некалиброванных, не учитываются и, соответственно, не исправляются пространственные смещения прогнозов, "spatial drift". Этот вопрос решается в рамках региональной детализации прогнозов, чему посвящены главы 6 и 7.
Глава 5. Метод глобального вероятностного мультимодельного прогноза на основе прогнозов моделей с неравными и непропорциональными размерами ансамблей в исторических и текущих прогнозах
В пятой главе дается подробное описание разработки метода глобального вероятностного прогноза на основе ансамбля моделей с различными размерами прогностических ансамблей и непропорциональными весами моделей в исторических и текущих прогнозах, принятого в качестве оперативного метода мультимодельного вероятностного сезонного прогноза в АРСС и в WMO LC LRF-ММЕ (Min, Kryjov, Park, 2009).
В разделе 5.1 объясняется мотивировка исследования. При разработке метода комплексации ансамблевых гидродинамических прогнозов
17
индивидуальных моделей в мультимодельный вероятностный ансамблевый прогноз впервые в истории возникла проблема непропорциональности весов моделей в исторических и текущих прогнозах при существенном различии в размерах прогностических ансамблей моделей. В части моделей (из общего числа 15 моделей) размеры прогностических ансамблей были равны размерам ансамблей исторических прогнозов (например, модель NCEP - по 15 членов и в исторических, и в прогностических ансамблях), а в части моделей -прогностические ансамбли существенно превосходили исторические (например, модель JMA - 31 член и 5 членов, соответственно). Применение наиболее популярного метода «пулинг», в котором все члены ансамблей всех моделей объединяются в единую выборку (Hagedorn и др., 2005; Weigel и др., 2008; Wang и др., 2009), было бы просто ошибочным, так как границы градаций определялись бы по распределению исторических прогнозов с преобладанием прогнозов одной части моделей, а прогностическое распределение - с преобладанием прогнозов другой части моделей.
В подобной ситуации представляется разумным рассчитывать вероятностный прогноз для каждой из моделей отдельно, а затем комплексировать рассчитанные вероятностные прогнозы. В методе ЕЦСПП (метод EUROSIP) прогноз рассчитывается как среднее прогнозов индивидуальных моделей. Однако, в методе EUROSIP комплексируются прогнозы трех моделей с одинаковыми размерами (весами) прогностических ансамблей (41 член), в то время как различие в размерах ансамблей моделей АРСС (от 10 до 31 члена в прогностической части и от 5 до 24 членов в исторических прогнозах) предполагает различие в случайных ошибках их прогнозов, что неизбежно отражается и в успешности этих прогнозов.
В литературе не было предложено и не разбиралось решение задачи расчета вероятностного прогноза на основе мультимодельной комбинации, не калиброванной на успешность исторических модельных прогнозов, в которой имеется и несоответствие между размерами ансамблей моделей в исторических и прогностических данных, и существенные различия в размерах ансамблей индивидуальных моделей. Это стало мотивировкой проведенного исследования, в ходе которого был разработан метод глобального мультимодельного ансамблевого вероятностного прогноза на сезон, внедренный в оперативную практику АРСС и WMO LC LRF-MME.
В разделе 5.2 приводится описание используемых в исследовании данных, а в разделе 5.3 обосновывается метод комплексации и выводятся формулы. Ввиду несоответствия между размерами ансамблей индивидуальных моделей в исторических и прогностических данных, собираемых АРСС, в оперативном методе вероятностного прогноза АРСС может быть использован только подход,
предполагающий, что вероятности каждой из терцильных категорий рассчитываются отдельно для каждой индивидуальной модели, а затем комплексируются с использованием формулы полной вероятности:
где Р - прогностическая вероятность; - событие J, то есть или «выше нормы» (АИ), или «около нормы» (№М), или «ниже нормы» (В1Ч); тс!11 - модель ■ М -число моделей. В этом уравнении Р(Е] \rndl¡) - условная вероятность события Е] при условии модели / (то есть, прогноз моделью / события у ). Р(тс11:) -безусловная вероятность модели, которая в данном контексте приобретает значение веса модели.
Выбор веса моделей зависит от соотношения между (1) стандартной ошибкой среднего ансамблей индивидуальных моделей, связанной с разбросом ансамбля, и (2) различием между прогнозами индивидуальных моделей, связанным с ошибками моделей и случайными ошибками. Если различие между прогнозами индивидуальных моделей меньше чем стандартные ошибки среднего моделей, оптимальные веса моделей обратно пропорциональны квадрату стандартной ошибки среднего прогноза каждой индивидуальной модели (Тейлор, 1985). Если различие между индивидуальными модельными прогнозами значительно больше стандартных ошибок моделей, то последними можно пренебречь, и комплексировать индивидуальные модельные прогнозы с равными весами.
Анализ соотношения между стандартными ошибками моделей и разностями между средними ансамблей индивидуальных моделей был проведен на кроссвалидированных исторических прогнозах за 21 год. Для земного шара в целом ни межмодельные различия, ни стандартные ошибки среднего индивидуальных моделей не могут рассматриваться как превалирующие, следовательно, ни один из предложенных выше подходов к определению веса моделей не может считаться подходящим для метода глобального мультимодельного прогноза. Диссертант предложил использовать геометрическое среднее из рассмотренных выше альтернативных весов, то есть, веса индивидуальных моделей полагаются обратно пропорциональными максимальным ошибкам в прогнозируемых вероятностях, связанным со стандартными ошибками среднего.
Максимальная случайная ошибка прогнозируемой вероятности, ер , определяется как:
и
Р(Е1) = ^Р(тсИ.)Р(Е1\тс111)
(5-1)
(5.2)
где е = п "2о - стандартная ошибка среднего ансамбля из и прогнозов индивидуальной модели со стандартным отклонением сг; f(X) - Гауссова функция плотности вероятностей:
= (5.3)
ow2;r 2а
и \Х-/и\<еи /2 (по теореме о среднем для интегрирования). Для стандартных ошибок среднего, ассоциирующихся с размерами ансамблей, варьирующими от 5 членов до 31 члена, значения экспоненциального члена в уравнении (5.3) лежат в интервале от 0.98 до 0.9999, и он может рассматриваться как константа. В результате уравнение (5.3) приобретает вид:
constant constant rz л\
£р = ст £fJ = ' (5>4)
Поэтому для прогнозов индивидуальных моделей были приняты веса, пропорциональные квадратному корню из размера ансамбля, . Принимая во внимание, что сумма модельных весов должна быть равна единице, окончательная формула для каждого события j приобретает вид:
м м
P(EJ) = W2r,TJ»Y2p(Ej\mdh)- (5-5)
¿-1
В разделе 5.4 приводится описание метода оперативного вероятностного мультимодельного сезонного прогноза АРСС (РММЕ - Probabilistic Multimodel Ensemble), в котором индивидуальные модельные прогнозы комплексируются с весами, обратно пропорциональными максимальным ошибкам в прогнозируемых вероятностях, связанным со стандартными ошибками среднего. Заблаговременность сезонных прогнозов АРСС составляет один месяц.
В разделе 5.5 анализируется успешность прогнозов АРСС, оцениваемая по историческим прогнозам и по прогнозам, выпускаемым в реальном времени. Все расчеты проведены в соответствии с рекомендациями Стандартизированной Верификационной Системы для долгосрочных прогнозов ВМО (WMO SVS-LRF, 2002; Наставление, 2005). Верификационные оценки исторических прогнозов получены на основе кроссвалидированных рядов за 21 год (1983 - 2003). Статистическая значимость полученных верификационных оценок оценивалась с использованием метода Монте Карло.
Агрегированные по земному шару диаграммы надежности для вероятностных мультимодельных прогнозов вместе с соответствующими частотными гистограммами показаны на рис. 4. С одной стороны, диаграммы надежности демонстрируют превосходство мультимодельного ансамблевого прогноза в терминах и надежности, и разрешения по сравнению с прогнозами индивидуальных моделей, входящих в ансамбль. С другой стороны, диаграммы
надежности, особенно частотные гистограммы, показывают основной недостаток мультимодельных прогнозов по сравнению с (только успешными) прогнозами отдельных моделей - это тенденция выпускать прогнозы, близкие к климатическим, особенно для осадков, в то же время прогнозы больших вероятностей события выпускаются сравнительно редко. Низкая информативность - это недостаток свойственный большинству систем, построенных на осреднении. Но именно осреднение дает преимущество в надежности и разрешении. Более того, в методе АРСС, оно повышает успешность прогнозов экстремальных и около экстремальных вероятностей, так как эти прогнозы поддерживаются большинством моделей, участвующих в мультимодельном ансамбле.
Рисунок. 4. Диаграмма надежности (атрибутов) и частотная гистограмма прогнозов зимней температуры воздуха (а, б) и осадков (в, г) категорий АЫ (а, в) и ЕШ (б, г) для земного шара. Линия с закрашенными кружочками -мультимодельный прогнозы, линии с незакрашенными кружочками — прогнозы отдельных моделей. По оси ординат диаграмм надежности отложены Р -прогностические вероятности, по оси абсцисс — Р — наблюдаемые частоты прогнозируемых событий. В верхнем левом углу рисунков — показатели мастерства вероятностных прогнозов Брайера (ВБЗ).
Пространственное распределение сравнительной оперативной характеристики (ROC) для температуры и осадков приводится на рис. 5. Для категорий AN и BN регион успешных прогнозов температуры с показателем ROC, превышающим 0.7, распространяется далеко во внетропические широты, а в тропическом поясе показатели ROC в основном превышают 0.8, причем, в тропической восточной части Тихого океана показатели ROC превышают 0.9. Однако, для большей части Северной Евразии показатели ROC статистически незначимы.
Рисунок 5. Показатели ROC для зимней температуры воздуха (а, в) и летних осадков (б, г) для категорий AN (а, б) и BN (в, г). Черный контур окаймляет узлы сетки, для которых показатели ДОС значимы на 10% уровне.
Прогнозы осадков успешны только в тропиках, южно-тихоокеанской зоне конвергенции и южной части Тихого океана. Использование мультимодельного ансамбля улучшает успешность прогнозов и температуры, и осадков по сравнению с прогнозами индивидуальных моделей, однако, успешность прогноза осадков остается весьма скромной.
Обобщенные оценки успешности сезонных прогнозов температуры, осадков и Н500 с использованием показателя ROC приведены в таблице 1. Успешность прогнозов Н500 превосходит успешность прогнозов и температуры, и осадков во все сезоны для земного шара и для тропиков. Для внетропических широт северного полушария оценки успешности прогнозов Н500 и температуры сравнимы. Самые проблематичные прогнозы - это прогнозы осадков, особенно прогноз летних осадков для внетропических широт. Агрегированные показатели
ROC статистически значимы на 1% уровне по результатам тестов Монте-Карло с 500 случайными перестановками.
Вероятностные мультимодельные сезонные прогнозы с заблаговременностью один месяц выпускаются в АРСС в оперативном режиме с мая 2006 г. Для прогнозов в реальном времени значения оценок ROC превышают 0.5, то есть прогнозы успешны, причем оценки ROC для прогнозов в реальном времени лежат внутри диапазона изменчивости оценок исторических прогнозов.
Прогнозы РММЕ сравнивались с прогнозами, рассчитанными четырьмя различными методами мультимодельного комплексирования: с равными весами индивидуальных модельных прогнозов; с весами, обратно пропорциональными квадрату ошибки прогноза, ассоциирующейся с выборочной ошибкой среднего; с весами, обратно пропорциональными ошибке выборочного среднего; с весами, обратно пропорциональными дисперсии ансамбля. Оценки успешности для этих четырех методов оказались или на одном уровне, или существенно ниже оценок, полученных для РММЕ.
Таблица 1. Регионально агрегированные показатели ROC мультимодельных прогнозов температуры воздуха, осадков, Н5оо для зимнего и летнего сезонов.
Зима Лето
Регион AN NN BN AN NN BN
Темпе- Земной шар 0.70 0.56 0.69 0.70 0.55 0.70
ратура Тропики 0.79 0.62 0.77 0.76 0.59 0.76
Сев. внетроп. 0.67 0.53 0.67 0.66 0.52 0.66
широты
Осадки Земной шар 0.59 0.52 0.58 0.59 0.52 0.59
Тропики 0.64 0.55 0.62 0.66 0.56 0.66
Сев. внетроп. 0.57 0.51 0.58 0.52 0.51 0.51
широты
Н500 Земной шар 0.79 0.59 0.74 0.74 0.58 0.75
Тропики 0.93 0.68 0.86 0.84 0.64 0.85
Сев. внетроп. 0.66 0.53 0.68 0.69 0.56 0.67
широты
Выводы
Разработан новый метод постобработки модельных прогнозов, решающий проблему вероятностной интерпретации прогноза мультимодельного ансамбля, состоящего из большого числа моделей, различающихся размерами прогностических ансамблей, и характеризующегося несоответствием весов моделей в исторических и прогностических наборах данных. Эта проблема оказалась новой в области вероятностного прогнозирования на сезон. Она была решена в представленном методе. Прогностические вероятности в нем
рассчитываются для каждой из участвующих моделей отдельно, а затем эти прогностические вероятности комплексируются с использованием формулы полной вероятности. При этом используются веса, пропорциональные квадратному корню из размера прогностического ансамбля.
Для категорий AN и BN прогнозы температуры воздуха и Н500 с использованием РММЕ превосходят по успешности климатические прогнозы. Прогнозы осадков не столь успешны, но и они более успешны, чем случайные прогнозы для внетропических широт и климатические прогнозы для тропиков.
Оценки успешности прогнозов, выпускаемых в реальном времени, так же показали, что эти прогнозы обладают мастерством. Причем, оценки успешности прогнозов в реальном времени лежат в диапазоне изменчивости оценок успешности исторических прогнозов, то есть последние представительны для оценки метода в целом.
Проведенное исследование выявило основной недостаток РММЕ и других тестируемых мультимодельных методов. Это низкая информативность их прогнозов, по сравнению с прогнозами индивидуальных моделей (Kryjov, 2012). Этот недостаток присущ практически всем системам, основанным на осреднении. Однако, именно процедура осреднения обеспечивает взаимное уничтожение ошибок прогнозов индивидуальных моделей, и, в конечном счете, улучшает оценки успешности мультимодельных прогнозов.
Метод РММЕ был разработан в АРСС как оперативный метод и используется в оперативной практике АРСС для выпуска глобальных вероятностных сезонных мультимодельных прогнозов осадков, температуры и Н500 с момента внедрения в мае 2006 г. и по настоящее время. В июле 2011 г. этот метод был внедрен в оперативную практику Ведущего центра ВМО по мультимодельным прогнозам для выпуска глобальных вероятностных сезонных мультимодельных прогнозов осадков, температуры воздуха приземной и на уровне Н85о, давления на уровне моря и Н500.
Глава 6. Регрессионный метод региональной детализации мультимодельных ансамблевых прогнозов с вероятностной интерпретацией на основе расчета суммарной неопределенности прогноза, связанной с погрешностями регрессии и разбросом ансамблей
В шестой главе рассматривается технология региональной детализации (даунскейлинга) модельных ансамблевых прогнозов на основе регрессии с вероятностной интерпретацией (Min, Kryjov, Oh, 2011). Новизна технологии заключается в предложенном методе расчета суммарной неопределенности прогноза, позволяющей избежать использования инфляции. Применение технологии анализируется на примере прогнозов зимней температуры и зимних
24
осадков для станций Южной Кореи. Показывается преимущество разработанной технологии по сравнению с интерполяцией «сырых» модельных прогнозов из узлов сетки на станции. Здесь и далее термин «сырые» применяется к модельным прогнозам, в которых смещение модельного климата относительно наблюдаемого исправлено.
В разделе 6.1 приводится мотивировка исследования. Неопределенность, ассоциирующаяся с калибровкой ансамблевых модельных прогнозов, частным случаем чего является региональная детализация прогнозов, с применением регрессии, имеет два источника. Во-первых, это ошибка самой регрессии -случайные отклонения от линейной зависимости предиктанта от предиктора. Во-вторых, это случайная выборочная ошибка среднего значения ансамбля, связанная с разбросом ансамбля.
В классическом регрессионном подходе предполагается, что источник неопределенности - это случайные ошибки предиктанта (зависимой величины), в то время как предиктор (независимая величина) точен (Андерсон, 1976; и др.). В то же время, в методах детализации ансамблевых модельных прогнозов, основанных на регрессии, и предиктант, и предиктор содержат случайные ошибки, которые вносят вклад в общую неопределенность. Обычно неопределенность прогноза, связанная со случайными ошибками предиктанта, оценивается непосредственно в ходе регрессионного анализа, в то время как случайные ошибки предиктора, связанные с разбросом ансамбля, не учитываются, а дисперсия (неопределенность) прогноза полагается равной дисперсии наблюдений, и ее величина приводится к дисперсии наблюдений с помощью инфляции. И, наоборот, когда уравнение регрессии применяется к членам ансамбля, результирующий прогностический ансамбль имеет заниженную дисперсию, что так же исправляется с помощью инфляции (Feddersen, Andersen, 2005).
Подход к оценке неопределенности прогноза, отличный от описанных выше, был разработан диссертантом (Min, Kryjov, Oh, 2011). Этот метод основывается на анализе ошибок (Тейлор, 1985), а его новизна заключается в том, что общая неопределенность прогноза, связанная со случайными ошибками и в предиктанте, и в предикторе, оценивается в рамках единого регрессионного анализа без необходимости применения инфляции. Оценки общей неопределенности (полной дисперсии) прогноза необходимы для вероятностной интерпретации прогноза.
Разработанный метод оценки неопределенности был применен в схемах региональной детализации прогноза, основанных на регрессии, для прогноза значений метеорологических величин на станциях Южной Кореи с использованием прогностических мультимодельных данных АРСС (см. ниже в
этой главе), и для прогноза станционных значений метеорологических величин на станциях Северной Евразии, с использованием прогностических данных модели ПЛАВ ФГБУ «Гидрометцентр России» (Глава 7).
В разделе 6.2 выводятся уравнения для расчета суммарной неопределенности прогноза. Применение простой линейной регрессионной модели в методе детализации подразумевает, что прогноз, полученный в результате регрессии температуры на станции на гидродинамический модельный прогноз в узле сетки, можно представить как гауссову функцию распределения
„ 2 случайной величины с параметрами У у и &/ — средним значением и дисперсиеи
(характеризующей неопределенность) прогноза температуры на станции (индекс / указывает на год прогноза), по которой можно рассчитать вероятности осуществления прогноза в каждой из трех категорий (АТЧ, N14, В^.
Среднее значение распределения >у определяется с помощью уравнения регрессии:
у/=а + Ьх/, (6.1)
где а и Ъ - коэффициенты регрессии, а Ху - среднее по ансамблю значение модельного прогноза в узле сетки.
Дисперсия прогноза температуры на станции рассчитывается как (Мш, Кгуру, ОЬ, 2011)
= + а1 + <*1*\ + Ъге), (6.2)
где
-Т~2--(63)
— ощибка регрессии (дисперсия остатков регрессии е, = у, ~(а + Ъх,) ), Т — размер обучающей выборки, t — индекс по времени внутри обучающей выборки; ста и аь ~ случайные выборочные ошибки в определении коэффициентов регрессии будут рассмотрены ниже; последнее слагаемое в правой части - это погрешность, связанная с разбросом модельного ансамбля, характеризуемого стандартной погрешностью среднего значения ансамбля (Min, Kiyjov, Park, 2009):
ef=sf/nlj2 (6.4)
где sf — стандартное отклонение прогнозов в ансамбле, a nf - размер ансамбля
Формулы для определения сга и иь без учета разброса ансамбля приводятся, например, в (Андерсон, 1976; и др.). Так как при ансамблевом подходе источник неопределенности - это и случайные ошибки регрессии, и разброс ансамбля, то аа и аь будут связаны с обоими источниками
26
неопределенности. С использованием правил расчета неопределенности от нескольких источников (Тейлор, 1985) запишем:
•г-£(!«>■
После подстановки определений а и Ъ по методу наименьших квадратов, взятия производных и суммирования получаем:
„2 2 .2 (Т — 2) 2 . 0 1,2 2
= °а\у + <Тф = Т2 ^ (6.7)
Т
2
+ 2 (Г-2) oj (Г-1)
=СГИ,. +СГ„, =------+
% + = ^--?-+ —--Т-(6.8)
/=1 М
Где &е определяется уравнением (6.3), а & е - уравнением: 1 V7" 2
(6.9)
Таким образом, все слагаемые правой части уравнения (2) определены.
Далее, по вычисленным значениям yf и с2 рассчитываются вероятности осуществления прогноза в каждой из трех категорий. Такие вероятностные прогнозы рассчитываются для каждой станции с использованием каждого из оптимальных предикторов, а окончательный вероятностный прогноз температуры на станции рассчитывается как среднее значение из этого набора для каждой категории (AN, NN, BN).
В разделе 6.3 разбирается практическое применение описанного выше метода на основе прогноза для 60 станций Южной Кореи для зимнего сезона (декабрь - февраль). Данные наблюдений температуры и осадков для 60 станций за 1981 - 2003 гг. (23 года) были предоставлены Корейской Метеорологической Администрацией. В регрессионном анализе использовались аномалии станционных данных. В качестве исходных прогностических полей для расчета детализированных прогнозов и их оценки использовались исторические прогнозы шести оперативных прогностических моделей на зимний сезон с заблаговременностью один месяц. Все эти модельные данные получены в ходе экспериментов, соответствующих протоколу ВМО Seasonal Prediction Model Intercomparison Project-2/Historical Forecast Project (SMIP2/HFP), а прогнозы этих моделей используются в оперативной практике АРСС. Исторические прогнозы представлены на сетке 2.5°х2.5°.
В качестве потенциальных предикторов для температуры использовались прогностические поля аномалий давления на уровне моря (Р), Н500, Т850; для прогноза осадков использовались только поля Р и Н500. Только эти величины были отобраны в качестве потенциальных предикторов по трем причинам: (1) отобранные величины должны прогнозироваться всеми моделями; (2) отобранные величины должны быть предсказуемы; (3) между предикторами и предиктантами должны существовать физические связи. Предикторы Р и Н500 отвечают этим критериям (Капд и др., 2004; Кздщ, 8Ьик1а, 2006).
Разработанный метод региональной детализации гидродинамических прогнозов использует технику скользящего окна. С целью повышения стабильности отбора предикторов была применена схема двойной кроссвалидации. Оптимальные предикторы отбирались в более коротком внутреннем кроссвалидационном цикле, а успешность прогнозов оценивалась в более продолжительном внешнем цикле. Во внутреннем цикле внутри обучающей выборки последовательно исключался один год, по оставшейся выборке составлялись регрессионные уравнения для каждой из станций (предиктант) со всеми возможными предикторами (модельными прогнозами в точках сетки) и рассчитывались прогнозы, которые верифицировались. Оптимальные предикторы отбирались как набор модельных прогнозов, обеспечивающий наивысший осредненный по окну коэффициент конгруэнтности между прогнозируемой и наблюдаемой величиной аномалии. Этот внутренний цикл не следует путать с обычной кроссвалидацией (внешний цикл в рассматриваемом методе), которая используется для оценки успешности исторических прогнозов.
Параметры прогностического распределения для индивидуальных моделей рассчитывались как арифметическое среднее параметров распределения (у { и аг), прогнозируемых методом простой линейной регрессии станционного ряда наблюдений на ряды отобранных модельных данных в узлах сетки в отобранном окне, при условии значимости коэффициента конгруэнтности на 5% уровне (в зависимости от эффективного числа степеней свободы пороговое значение коэффициента конгруэнтности слегка варьировало около 0.45). Следует отметить, что использование арифметического среднего значений параметров а 1 в узлах сетки подразумевает, что данные в узлах не считаются независимыми.
Детализированные прогнозы формулируются в виде терцильных вероятностей, то есть вероятностей осуществления явления в равновероятных категориях «выше нормы», «около нормы» и «ниже нормы», определяемых по отношению к климату станции. Следует подчеркнуть, что в данном случае климатическая функция плотности вероятностей определяется параметрами ус1 и сгс,, рассчитываемыми как климатическое среднее и стандартное отклонение
прогнозируемой метеорологической величины на станции. На основе этой
28
климатической функции плотности вероятностей можно рассчитать границы между равновероятными категориями (терцили) и рассчитать прогнозируемые вероятности по категориям, основываясь на рассчитанных терцилях и прогностическом распределении (Kharin, Zwiers, 2001; Min и др., 2009).
Вероятностный мультимодельный ансамблевый прогноз для каждой из категорий рассчитывается как взвешенное среднее индивидуальных модельных вероятностных прогнозов:
P(Ej)fmme =^—fJ™„P(Ei)m , (6.10)
2>и -m-1
где М - число моделей; P(Ej)pmme - мультимодельный вероятностный прогноз категории Ej (AN, или NN, или BN); P{Ej)m - вероятностный прогноз /и-индивидуальной модели категории ; wm - вес /и-модели, он был установлен пропорциональным коэффициенту конгруэнтности, осредненному по окну, полученному во внутреннем кроссвалидационном цикле для m-модели. Размер окна был установлен 5 широтных на 7 долготных узлов сетки, так как для средних широт это примерно соответствует трапецоиду со сторонами 1000 - 1500 км, что сопоставимо с размером климатических объектов, таких как центры действия атмосферы.
В разделе 6.4 представлены результаты испытаний. Оценка успешности детализированных прогнозов (табл. 2), рассчитанных на основе регрессии с оценкой общей неопределенности, была проведена на основе кроссвалидированных исторических прогнозов температуры и осадков для 60 станций Южной Кореи по 23 зимним сезонам (зима 1981/82 гг. — зима 2003/04 гг.). Для сравнения также была проведена оценка вероятностных модельных прогнозов, рассчитанных с помощью интерполяции на станции из узлов сетки вероятностных прогнозов АРСС (Min и др., 2009).
Таблица 2. Оценки прогнозов, агрегированные по 60 станциям Южной Кореи
Детализированные Интерполированные
Показатель Температура Осадки Температура Осадки
КОС AN 0.65 0.66 0.48 0.42
NN 0.56 0.49 0.47 0.46
BN 0.72 0.67 0.56 0.49
RPSS 0.046 0.043 -0.098 -0.122
Оценки успешности вероятностных прогнозов, агрегированные по 60 станциям Южной Кореи, демонстрируют полное превосходство регионально детализированных прогнозов по сравнению с интерполированными.
Общая неопределенность прогноза, выраженная в терминах дисперсии прогноза, оценивалась на основе кроссвалидированных модельных прогнозов. Она сравнивалась с дисперсией метеорологических величин, рассчитанной по станционным наблюдениям. Значения отношений между дисперсией прогнозов, задаваемой уравнением 6.11, и дисперсией серий наблюдений на станциях варьирует от года к году и от станции к станции. Средние значения отношений равны 0.79 для температуры и 0.90 для осадков.
Главный вклад в общую неопределенность прогнозов и для температуры, и для осадков дают остатки дисперсии ( а] ). На их долю приходится 75-80% неопределенности в среднем и до 95% как максимум (Таблица 3). Однако, вклад второго наиболее значимого фактора, стандартной ошибки среднего (ансамбля), умноженного на коэффициент регрессии (ьге)), так же значителен, на его долю приходится 10-15% общей неопределенности в среднем и 55-60% как максимум. То есть бывают ситуации, когда на долю Ь2еу приходится более половины общей неопределенности, и при этом превышается вклад остатков регрессии. Третий фактор, случайная ошибка в коэффициенте регрессии, связанная с разбросом ансамбля, умноженная на модельный прогноз (о , этот фактор так же не учитывается уравнением 3), дает вклад до 35-40%. Следует отметить, что максимальный совместный вклад Ь2е} и а\ххг( составляет около 60-65%. Четвертый по значимости вклад (до 30-35%) включает неопределенность коэффициента регрессии, связанную с остатками регрессии ( сг\ухгг ). То есть неучет разброса ансамбля, приводит к недооценке неопределенности примерно на 15% в среднем и на 60-65% как максимум.
Таблица 3. Вклады различных источников ошибок (неопределенности) в суммарную неопределенность прогноза
Ошибка Температура Среднее (%) Мах (%) Осадки Среднее(%) Мах (%)
79 95 77 95
_2 У а1\х а*ух) 3 1 3 5 5 30 3 1 4 5 5 35
О"*!,*/ 2 40 2 35
Ьге) 12 55 13 60
Анализ неопределенностей показывает, что вклад разброса ансамбля становится существенным, когда ошибки регрессии (остатки) — а* — малы. В этом случае, неопределенность, рассчитанная по уравнению (3), мала и главный вклад в общую неопределенность дает случайная ошибка среднего ансамбля, связанная с разбросом ансамбля, который не зависит от ошибок регрессии и который, главным образом, учитывается последним членом уравнения - Ь2е2{ . Следует заметить, что случаи, когда доля неопределенности, связанная с ошибками регрессии, не превышает 50%, наблюдаются достаточно редко (частота их появления не превышает 1%) и могут считаться случайными. Однако, повторяемость случаев, когда недоучет разброса ансамбля приводит к недооценке неопределенности более чем на 30%, превышает 10%.
Выводы
Разработан новый статистический метод региональной детализации глобальных гидродинамических модельных прогнозов.
Отличие представленного метода от других методов, так же основанных на регрессии и предусматривающих вероятностную интерпретацию прогноза, состоит в том, что суммарная неопределенность прогноза рассчитывается внутри процедуры регрессии и учитывает и ошибки регрессии, и разброс ансамбля, что исключает необходимость инфляции. При разработке метода выведено уравнение для расчета неопределенности, основанное на анализе ошибок. Тесты с детализированными прогнозами для 60 станций Южной Кореи показали, что общая неопределенность прогноза составляет в среднем 0.79 от дисперсии наблюдений для температуры и 0.90 для осадков. Если разброс модельного ансамбля не учитывается, то суммарная неопределенность недооценивается примерно на 15% и для температуры, и для осадков.
Результаты испытаний свидетельствуют, что детализированные вероятностные мультимодельные прогнозы, рассчитанные описанным методом, превосходят в успешности интерполированные прогнозы и температуры, и осадков. Агрегированный показатель ROC для температуры (осадков) в категории AN равен 0.65 (0.66), а для категории BN - 0.72 (0.67), что значительно выше, чем соответствующие показатели для «сырого» интерполированного вероятностного прогноза. Разработанный метод демонстрирует превосходство детализированных вероятностных прогнозов над «сырыми» модельными вероятностными прогнозами и целесообразность применения постобработки глобальных модельных прогнозов с использованием региональной детализации.
Глава 7. Прогноз зимней температуры воздуха на станциях Северной Евразии на основе региональной детализации глобальных сезонных прогнозов давления на уровне моря, рассчитанных по модели ПЛАВ ФГБУ «Гидрометцентр России»
В Северо-Евразийском климатическом центре в ФГБУ «Гидрометцентр России» выпускается семейство долгосрочных прогнозов для территории Северной Евразии на основе глобальных численных ансамблевых прогнозов, рассчитываемых по моделям ФГБУ «ГГО им. А.И. Воейкова» и ФГБУ «Гидрометцентр России» (Мирвис и др., 2006а; Мирвис и др., 20066; Толстых, 2010). Прогноз на сезон с заблаговременностью один месяц выпускается на основе ансамблевого прогноза рассчитываемого по модели ПЛАВ, разработанной в ИВМ РАН и ФГБУ "Гидрометцентр России». Для повышения успешности прогноза с заблаговременностью один месяц были разработаны представленные в этой главе методы региональной детализации.
Изменчивость зимней температуры Северной Евразии связана с изменчивостью адвекции теплого морского воздуха с Северной Атлантики. До определенной степени эти процессы могут характеризоваться индексами САК и АО. Следовательно, достаточно надежный сезонный прогноз зимней циркуляции создает основу для успешного прогноза зимней температуры воздуха.
В разделе 7.1 анализируется воспроизведение циркуляции в северном полушарии и различных секторах северного полушария моделью ПЛАВ ФГБУ «Гидрометцентр России». Показывается, что воспроизведение циркуляции в атлантико-европейском секторе весьма реалистично. В частности, среднее зимнее значение индекса северо-атлантического колебания, определяемое как первый главный компонент разложения на ЭОФ поля давления на уровне моря в атлантико-европейском секторе, прогнозируется с коэффициентом корреляции около 0.5. В то же время, надежных положительных оценок воспроизведения циркуляции в других секторах средних и высоких широт и циркуляции над полушарием в целом получено не было. Принимая во внимание достаточно тесную связь индексов САК и АО и достаточно тесную связь средней зимней температуры воздуха над большей частью Северной Евразии с зимним индексом АО (главы 1-3), целесообразно осуществлять прогноз зимнего индекса АО, характеризуемой им циркуляции, и температуры воздуха в Северной Евразии на основе статистической постобработки гидродинамических прогнозов модели ПЛАВ с использованием технологий региональной детализации.
Методы региональной детализации прогнозов модели ПЛАВ и результаты их применения анализируются в разделе 7.2. В работе использовались ансамблевые (10 членов ансамбля) прогнозы атмосферного давления модели ПЛАВ ГУ «Гидрометцентр России» на сезон с заблаговременностью один месяц. Прогноз на зимний сезон (декабрь-февраль) - это результат интегрирования на
четыре месяца, проведенного в конце октября. Исторические прогнозы модели ПЛАВ выполнены для 25 лет (зимы 1979/80 - 2003/04 гг.) Метод тестировался с использованием данных приземной температуры воздуха по 70 станциям бывшего СССР, имеющихся в Отделе долгосрочного прогноза погоды ФГБУ «Гидрометцентр России». Прогноз среднего зимнего индекса АО тестировался с использованием среднего зимнего индекса АО, рассчитанного автором на основе полей Нюоо из Реанализа-2 (Капаш^и и др., 2002).
Методы статистической региональной детализации с вероятностной интерпретацией прогноза для станций состоят из двух стадий. На первой стадии для целевой станции отбираются оптимальные предикторы из множества модельных прогнозов в узлах сетки. На второй стадии с использованием отобранных предикторов рассчитывается прогностическая функция распределения вероятностей температуры на станции, по которой определяются вероятности попадания температуры в категории «выше нормы», «около нормы» и «ниже нормы».
Технология отбора оптимальных предикторов при работе с модельными прогностическими полями сходна с технологией отбора предикторов в многофакторных схемах физико-статистического прогноза (Мещерская и др., 1999). Так как число узлов прогностических полей велико, есть вероятность случайного получения статистически значимых оценок связи (например, коэффициентов корреляции) между рядами температуры на станциях и в узлах сетки. Поэтому при отборе оптимальных предикторов была использована схема с «внутренним» кроссвалидационным циклом, сходная со схемой, описанной в главе 6. Для этого для каждой станции с использованием внутренней кроссвалидации рассчитывался набор прогнозов на основе модельного прогноза в каждом узле сетки, и проверялась успешность этих прогнозов. В качестве оптимальных предикторов отбирались только те узлы, оценки связи между прогнозами из которых и наблюдениями на станциях были значимы на 5% уровне. Основное отличие применяемой схемы от других «внутренних» кроссвалидационных схем (Кщ и др., 2008с; Каг^ и др., 2009 и др.) заключается в том, что эти схемы применимы только к мультимодельному ансамблю, так как нацелены на отбор «лучших» моделей, в то время как разработанная автором схема нацелена на отбор наиболее устойчивого предиктора и применима как к мультимодельному ансамблю глобальных прогнозов, так и к одномодельному прогнозу.
Оценка прогнозов проводилась во «внешнем» кроссвалидационном цикле, на каждом шаге которого полностью имитировался прогноз в реальном времени от отбора предикторов до расчета вероятностей. При общей длине рядов 25 лет для оценки успешности исключались три года, а 22 года использовались как
обучающая выборка. Внутренняя кроссвалндация проводилась внутри 22-летних обучающих выборок с исключением трех лет и использованием оставшихся 19 лет в качестве обучающих. Пропуск трех лет объясняется тем, что для подавляющего большинства станций автокорреляционная функция меняет знак на отрицательный при сдвиге два года (Крыжов, 2012).
В испытаниях приняли участие три разработанных автором и описанных ниже метода (для прогноза индекса АО результаты второго и третьего методов совпадают):
1. Регрессионный метод с вероятностной интерпретацией прогноза (Крыжов, 2012). В этом методе в качестве критерия отбора оптимальных предикторов используется коэффициент корреляции, характеризующий степень линейной связи между рядами, значимый на 5% уровне.
2. Вновь разработанный автором вероятностный метод региональной детализации прогнозов на основе теоремы Байеса, в котором для отбора оптимальных предикторов используется оценка успешности вероятностного прогноза температуры. В этом методе и во внутреннем кроссвалидационном цикле прогнозы температуры рассчитываются в вероятностной форме с применением теоремы Байеса.
3. Вероятностный метод региональной детализации, аналогичный предыдущему, но с использованием индекса АО. Отбор оптимальных предикторов осуществляется во внутреннем кроссвалидационном цикле на основе прогнозов среднего зимнего индекса АО. Отобранные таким образом предикторы используются для вероятностного прогноза температуры.
Для сравнения тестировались «сырые» модельные прогнозы, в которых прогнозы температуры воздуха на станциях рассчитывались путем интерполяции модельных прогнозов температуры воздуха (с исправленным смещением климата) в узлах сетки - вершинах трапецоида, в который попала станция, с весами, обратно пропорциональными расстояниям от станции до узлов. Кроме того, в испытаниях участвовал метод региональной детализации прогнозов, описанный в работе (Kang и др., 2009). Этот метод построен на регрессии без внутренней кроссвалидации и с инфляционным расчетом неопределенности.
Верификация исторических прогнозов проводилась по рядам 25 лет с применением кроссвалидации с пропуском трех лет. Верификация прогнозов, выпущенных в реальном времени проводилась по пяти годам (зимы 2006/07 -2010/11 гг.). Для оценки прогнозов применялся показатель мастерства вероятностных прогнозов в ранжированных категориях (ЯР$5). Методические прогнозы сравнивались с климатическими. ЛЛСТ варьирует в диапазоне от минус бесконечности до единицы, причем ЯРЯЯ идеальных прогнозов равен единице. Положительные значения говорят о превосходстве методических
прогнозов, отрицательные - о превосходстве климатических. Оценка статистической значимости полученных результатов и тест неслучайности полученного числа статистически значимых оценок проводились с использованием метода Монте-Карло.
Исторические прогнозы среднего зимнего индекса АО с применением разработанных методов успешны (ДДВД превышает 0.12, ЯСС = 0.65, ЯО = 0.6 -правильный прогноз знака аномалии в 20 прогнозах из 25). Прогнозы по методу из (Kang и др., 2009) оказались хуже климатических (ЛР55 = -0.146, АСС = 0.17, ЯО = 0.28). Оценки прогнозов индекса АО в реальном времени были весьма высокими - ДРДО = 0.60 для регрессионного метода и 0.67 для вероятностного. При оценке знака индекса по среднему значению распределения плотности вероятностей прогноза показатель ЯО для обоих методов равен 0.6 - правильный прогноз знака аномалии в четырех случаях из пяти.
Оценки мастерства исторических прогнозов средней зимней температуры воздуха показаны в таблице 4. Все три разработанных метода показывают сравнимые результаты. Метод 3 (с отбором предикторов по индексу АО), не будучи ориентированным в отборе предикторов непосредственно на станции, дает меньшее число высоких оценок, но общий уровень оценок оказывается несколько выше первых двух. Отобранные для всех трех методов предикторы оказались очень близки — это узлы модельного прогноза атмосферного давления над Северной Атлантикой. Поэтому оценки, агрегированные по ЕТР и Западной Сибири, оказались выше, чем по Северной Евразии в целом, что отражает ведущую роль адвекции с Северной Атлантики в формировании аномалий температуры в западной части Северной Евразии. Вероятность получения значений ЯРББ, значимых на 2.5% уровне, для 29 - 34 станций из 70 не превышает 1%. Результаты методических прогнозов существенно превосходят результаты интерполированных прогнозов, и прогнозов по (Кш^ и др., 2009).
Таблица 4. Число станций, для которых оценки ЯРББ исторических прогнозов зимней температуры значимы на 2.5% уровне, положительны. Оценки ЯРББ, агрегированные по 70 станциям Северной Евразии, 23 станциям ЕТР и Западной Сибири. Исторические прогнозы 1979 - 2003 гг.
Число станций, для которых Средние значения ЯРББ,
Метод ЯРББ значим рассчитанные для
детализации на 2.5% уровне Сев.Евразии ЕТР и ЗС
Регрессионный 32 48 0.030 0.096
Вероятностный 34 52 0.049 0.087
Вероятностный-АО 29 53 0.051 0.088
Интерполяция 11 30 -0.045 -0.062
Капд и др. (2009) 18 26 -0.020 0.019
Оценки мастерства прогнозов средней зимней температуры воздуха для Метода 3 показаны на рис. 6. Значения ЯРЗЯ 0.08 и 0.04 примерно соответствуют односторонним уровням значимости 2.5% и 5%, соответственно.
Рис. 6. KPSS исторических прогнозов средней зимней температуры воздуха на станциях с использованием региональной детализации на основе теоремы Байеса и с отбором предикторов по индексу АО.
Оценка прогнозов в реальном времени проводилась для зим 2006/07 -2010/11 гг. В качестве обучающей выборки использовались модельные прогнозы и наблюдения на станциях за весь период исторических прогнозов с 1979 по 2003 г. (25 лет). Обобщенные оценки мастерства прогнозов приведены в таблице 5.
Таблица 5. Число станций, для которых оценки ЛРББ прогнозов в реальном времени зимней температуры значимы на 2.5% уровне, положительны. Оценки ДР55, агрегированные по 70 станциям Северной Евразии, 23 станциям ЕТР и Западной Сибири. Прогнозы в реальном времени, зимы 2006/07 - 2010/11 гг.
Число станций, для которых Средние значения ЙРВД
Метод ЙР55 значим КРББ>0 рассчитанные для
детализации на 2.5% уровне Сев.Евразии ЕТР и ЗС
Регрессионный 16 45 0.168 0.242
Вероятностный 14 51 0.155 0.251
Вероятностный-АО 22 47 0.192 0.278
Интерполяция 3 47 0.071 0.069
Все три разработанных метода дают сравнимые оценки и существенно превосходят интерполяционный прогноз.
Оценки мастерства прогнозов средней зимней температуры воздуха по станциям для Метода 3 показаны на рис. 7. Ряды независимых прогнозов очень короткие - всего пять лет, поэтому пороги уровней значимости оказались весьма высокими - пороговые значения ЙРХУ для односторонних уровней значимости
2.5% и 5% примерно равны 0.38 и 0.30, соответственно. Вероятность случайного получения 2.5% - значимых оценок для 22 станций не превышает 1%.
Рис. 7. Показатель Л/'Л'Л' прогнозов в реальном времени средней зимней температуры воздуха на станциях с использованием региональной детализации на основе теоремы Байеса и с отбором предикторов по индексу АО.
Разработано семейство методов вероятностной региональной детализации глобальных одно- и мультимодельных прогнозов, сочетающих систему отбора предикторов на основе внутренней кроссвалидации и вероятностную интерпретацию детализированных прогнозов.
Результаты верификации, полученные и на исторических прогнозах, и на прогнозах в реальном времени, свидетельствуют, что прогнозы средней зимней температуры воздуха на станциях Северной Евразии, рассчитанные с применением вероятностной региональной детализации глобальных прогнозов атмосферного давления модели ПЛАВ, превосходят в успешности и климатические прогнозы температуры, и прогнозы температуры, интерполированные из узлов сетки глобальных прогнозов температуры модели
Успешность прогноза среднего зимнего индекса АО с применением разработанных методов характеризуется оценками АСС = 0.65, Я О = 0.6 и в вероятностной интерпретации ЯРББ = 0.12 (исторические прогнозы) и RPSS превышает 0.6 (прогнозы в реальном времени).
Практически, по результатам испытаний с использованием и исторических прогнозов, и прогнозов в реальном времени постобработка сезонных гидродинамических прогнозов модели ПЛАВ с применением технологий региональной детализации выводит успешность прогнозов средней сезонной зимней температуры на станциях большей части Северной Евразии на тот уровень, который делает целесообразным практическое применение этих прогнозов.
+ <0< О < 0.3 < • < 0.38 < ■
Выводы
ПЛАВ.
В Заключении формулируются наиболее важные результаты работы.
1. Показано, что средняя годовая температура воздуха - наиболее часто используемый индикатор изменений климата - на северо-востоке Европы статистически значимо (г2=0.5б) связана только с январской и февральской формой циркуляции, причем структура изменчивости этой формы циркуляции очень близка к структуре АО и САК.
2. Получены оценки влияния средней январско-февральской фазы АО на среднюю годовую, весеннюю, летнее-осеннюю температуру в северной части ЕТР, и показано, что это влияние обеспечивается «памятью» свойств подстилающей поверхности о зимних условиях своего формирования под воздействием зимней фазы АО.
3. Дано объяснение наблюдавшемуся на ЕТР понижению ноябрьской температуры в 1970-х - 1990-х годах и последующему ее повышению. Определена форма изменчивости ноябрьской атмосферной циркуляции - диполь с полюсами над морем Лабрадор и Скандинавией-Балтийским морем, обусловившая межгодовые (и многолетние) вариации ноябрьской температуры, и показана ее связь с полярностью АО в предшествующую зиму. Получены оценки, говорящие о том, что сигнал передается через летне-осенние характеристики ледяного покрова, сформировавшиеся в предыдущую зиму под воздействием зимней фазы АО.
4. Продемонстрирована связь полярности зимнего индекса арктической осцилляции с предшествующей октябрьской конфигурацией европейско-азиатской ветви арктического фронта. Показано, что положительной полярности зимнего индекса АО предшествует осеннее ослабление исландской депрессии и смещение циклонов вдоль оси арктического фронта далеко на восток, вплоть до п-ова Таймыр; отрицательной полярности, наоборот, предшествует интенсификация исландской депрессии и стационирование циклонов в атлантико-европейском секторе при малом смещении на восток. Это различие обусловливает аномальную адвекцию тепла (холода) в Восточной Сибири ослабляющую (усиливающую) генерирование длинных климатические волн. Тестирование выявленных зависимостей в режиме прогноза показало статистически значимые оценки успешности рассчитанных сезонных прогнозов зимнего индекса АО и температуры воздуха для ЕТР.
5. Предложен механизм стратосферной модуляции воздействия осенней фазы ЭНЮК на зимнюю фазу АО, объясняющий неустойчивость связи зимней полярности АО и осенней полярности ЭНЮК.
6. Предложен метод комплексации прогнозов гидродинамических моделей с неравными и непропорциональными размерами ансамблей в исторических и
текущих прогнозах. На основе этого метода разработана технология производства глобального вероятностного мультимодельного прогноза. Технология внедрена в оперативную практику двух международных климатических центров.
7. Предложен метод вероятностной интерпретации результатов региональной детализации мультимодельных глобальных прогнозов, в котором суммарная неопределенность прогноза, связанная с погрешностями регрессии и разбросом ансамбля, рассчитывается без применения инфляции. На основе этого метода была разработана технология региональной детализации мультимодельных прогнозов. Испытания технологии показали очевидное преимущество детализированных вероятностных прогнозов по сравнению с недетализированными вероятностными модельными прогнозами.
8. Разработано семейство методов вероятностной региональной детализации глобальных одно- и мультимодельных прогнозов, сочетающих систему отбора предикторов на основе внутренней кроссвалидации и вероятностную интерпретацию детализированных прогнозов. С использованием этих методов разработана технология прогноза средней сезонной температуры воздуха на станциях Северной Евразии на основе региональной детализации сезонных ансамблевых прогнозов атмосферного давления модели ПЛАВ.
9. Испытания разработанной технологии показали существенное преимущество в успешности рассчитываемых прогнозов средней зимней температуры воздуха и среднего зимнего индекса АО по сравнению с климатическими прогнозами и с недетализированными модельными прогнозами.
Основным практическим результатом исследований диссертанта стало решение важной народно-хозяйственной задачи - обеспечение в оперативном режиме работы Северо-Евразийского климатического центра мультимодельными сезонными прогнозами международных климатических центров - АРСС и WMO LC LRF-MME, внедривших разработки диссертанта.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК
1. Крыжов В.Н.: Региональная коррекция глобальных сезонных прогнозов Гидрометцентра России для Северной Евразии. - Метеорология и гидрология, 2012, №5, с. 5-14.
2. Kryjov V.N.: Seasonal climate prediction for North Eurasia. - Environ. Res. Lett. 7, 2012, 6 pp., 015203, doi: 10.1088/1748-9326/7/1/015203
3. Min Y.-M., V.N. Kryjov, K.-H. An, Saji N.H., S.-J. Sohn, W.-J. Lee and J.-H. Oh: Evaluation of the Weather Generator CLIGEN with Daily Precipitation Characteristics in Korea. - Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 47(3), p. 255-263, 2011, DOI: 10.1007/s 13143-011 -0014-y.
4. Min Y.-M., V.N. Kryjov, J.-H. Oh: Probabilistic Interpretation of Regression-Based Downscaled Seasonal Ensemble Predictions with the Estimation of Uncertainty. -Journal of Geophysical Research, 116, D08101, doi:10.1029/2010JD015284.
5. Бундель А.Ю., B.H. Крыжов, Ён-Ми Мин, B.M. Хан, P.M. Вильфанд, В.А. Тищенко: Оценка мультимодельного вероятностного прогноза на сезон на основе данных моделей АРСС. - Метеорология и гидрология, 2011, № 3, с. 519.
6. Хан В.М., В.Н. Крыжов, P.M. Вильфанд, В.А. Тищенко, А.Ю. Бундель: Мультимодельный подход при составлении прогнозов погоды на сезон. — Метеорология и гидрология, 2011, № 1, с. 19-29.
7. Min Y.-M., V.N. Kryjov, C.-K. Park: Probabilistic Multimodel Ensemble Approach to Seasonal Prediction. - Weather and Forecasting, 24, p. 812-828.
8. Крыжов B.H.: Причины ноябрьских похолоданий 1980-х - 1990-х годов на Европейской территории России. - Метеорология и гидрология, 2008, № 1, с. 5-14.
9. Kryjov V.N., С.-К. Park: Solar modulation of the El-Nino/Southern Oscillation impact on the Northern Hemisphere annular mode. - Geophysical Research Letters, 34, L10701, doi: 10.1029/2006GL028015, 2007.
10.Kryjov V.N.: Searching for Circulation Patterns Affecting Northern Europe Annual Temperature. - Atmospheric Science Letters, 2004, 5, No.l, pp. 23-34
П.Киктев Д.Б., B.H. Крыжов: О сравнении различных методов оценки статистической значимости линейных трендов. — Метеорология и гидрология, 2004, № 11, с. 27-38.
12.Крыжов В.Н.: Связь средней годовой температуры воздуха в Северо-Западной Евразии с арктическим колебанием. — Метеорология и гидрология, 2004, № 1, с. 5-14.
13.Крыжов В.Н.: Связь средней месячной, сезонной и годовой температуры воздуха на севере России с индексами зональной циркуляции зимой. -Метеорология и гидрология, 2003, № 2, с. 15-28.
14.Kryjov V.N.: The Influence of the Winter Arctic Oscillation on the Northern Russia Spring Temperature. - International Journal of Climatology, 2002, 22, No. 7, pp. 779-785.
15.Возжинская В.Б., Г.М. Виноградов, B.C. Кузин, B.H. Крыжов: Многолетние колебания элементов морской биоты в приарктических регионах (на примере Белого и Карского морей). - Докл. РАН, т.357, № 3, с.401-403, 1997.
Публикации в монографиях
16.Природные условия Байдарацкой губы. Основные результаты исследований для строительства подводного перехода. Раздел 2.1. Погода и климат (Крыжов В.Н. подразделы 2.1-2.6; стр. 2.1.1-2.1.16; Крыжов В.Н., В.С.Тужилкин подраздел 2.1.7, стр. 2.1.16-2.1.17). -Геос, Москва, 1997, 254 стр.
Публикации в технических документах ВМО
17.Bissolli Р., С. Cassou, L. Chen, D. Kiktev, V. Kryjov, D.R. Pattanaik, M. Schneider, F. Vinit: Assessment of the observed extreme conditions during the 2009/2010 boreal winter. - WMO/TD-No. 1550, 2010, 8 pp.
18.Kryjov V.N.: Response of the Summer and Autumn Circulation to the Wintertime Arctic Oscillation. - WCPR-118, WMO/TD No. 1232, 2004. 4 pp.- CD-ROM
19.Kryjov V.N.: Regional Peculiarities of Two 20th Century Abrupt Warmings in North-Western Eurasia: Empirical Evidences of Distinction in Causes. - WCPR-118, WMO/TD No. 1232, 2004, 4 pp. - CD-ROM.
Публикации в рецензируемых трудах конференций
20.Kryjov V.N.: The Relationships between the Winter North Western Siberia Wind Velocity and the North Atlantic Oscillation. - Proc. of the Eleventh (2001) International Offshore and Polar Engineering Conference. Stavanger, Norway, June 17-22, 2001, V2,pp.387-390.
21.Goryainov Y.A., Kryjov V.N.: Baydaratskaya Bay coastal climate conditions in recent years. - Proc. of the Tenth (2000) International Offshore and Polar Engineering Conference. Seattle, USA, May 28-June 2, 2000, V 3, pp. 144-149.
22.Kryjov V.N.: Duration Characteristics of Storm and Calm Weather Periods over the North Western Siberian Shelf. - Proc. of the Ninth (1999) International Offshore and Polar Engineering Conference. Brest, France, May 24-29, 1999, V 3, pp.121-125.
23.Kryjov V.N., A.S.Tsvetsinsky, G.I.Dubikov, S.A.Melnikov, A.I.Danilov: Investigation into Environmental Conditions of the Ob and Taz Bay Shelf Gas Fields. - Proc. of the Eighth (1998) International Offshore and Polar Engineering Conference. Montreal, Canada, May 24-29, 1998, V 2, pp.291-295
24.Kryjov V.N. A.S.Tsvetsinsky, S.A.Melnikov, A.I.Danilov: Monitoring System of the Ice Conditions in the Kara Sea Shelf Gas and Oil Fields. - Proc. of the Eighth (1998) International Offshore and Polar Engineering Conference. Montreal, Canada, May 24-29, 1998, V 2, pp. 504-507.
25.Kryjov V.N.: Accuracy Estimates of Multidecade Return Period Wind Velocity Values over Shelf. - Proc. of the Seventh (1997) International Offshore and Polar Engineering Conference. Honolulu, USA, May 25-30, 1997, V3, p. 259-264.
Другие публикации
26.Крыжов В.Н.: К долгосрочному прогнозу зимнего индекса Арктической осцилляции. - Труды Международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных климатических изменений в XXI веке (причины, последствия, прогнозы)», 26 - 27 июня 2012 г., Воронеж, с. 66-69
27.Горелиц О.В., Земляное И.В, Крыжов В.Н.: Гидрологический режим реки Онеги в условиях современных климатических изменений. - Труды Международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных климатических изменений в XXI веке (причины, последствия, прогнозы)», 26 -27 июня 2012 г., Воронеж, с. 109-110.
28. Seo J.-Y., Y.-M. Min, V.N.Kryjov, H.-J. Park, J.-H. Yoo, Y.-S. Lee, J.-S. Jung: Improved climate information services in WMO Lead Center : probabilistic forecast and verification information. - Proceedings of the 2011 KMS Fall Conference, 2011.10.25-27, Busan, Korea, p. 198-199.
29.Min Y.-M., V.N.Kryjov: Evaluation of the Weather Generator CLIGEN with Daily Precipitation Characteristics in Korea. - APEC Climate Center Newsletter, 2011, Vol.6(2), p.8-10.
30.Горелиц O.B., Земляное И.В., Крыжов B.H.: Водные ресурсы бассейна Онеги в условиях современных климатических изменений. - Труды конференции Climate Change and Water Management, Архангельск, 15-16.06.2011.
31.Min Y.-M., J.-Y. Lee, J.-S. Kug, B. Wang, V.N. Kryjov, S.-J. Sohn, J.-H. Yoo, J.-H. Oh: Improvement of the APCC Probabilistic Multi-Model Seasonal Prediction by Systematic Error Correction and Uncertainty Estimation. - Proceedings of the Spring 2011 Conference of Korea Meteorological Society, Busan, Korea, 2011.04.20-22.
32.Min Y.-M., V.N. Kryjov, J.-H. Oh: Probabilistic Interpretation of Regression-Based Downscaled Seasonal Prediction from Multi-Model Ensemble Global Forecasts. -APEC Climate Center Newsletter, 2010, Vol.5(4), p.7-8.
33.Min Y.-M., V.N. Kryjov, S.-J. Sohn, J.-H. Oh: A comparison study on multi-model combinations for probability forecasts over East Asia. - Proceedings of the Fall 2010 Conference of Korea Meteorological Society, Busan, Korea, 2010.10.14-15, p. 100103.
34.Sabade S„ D. Nohara, V.N.Kryjov: CRIEPI-APCC Collaborative Research -Improvement of Seasonal Forecast Skill for its Application. - APEC Climate Center Newsletter, 2010, Vol.5(l), p.6-7.
35.Kryjov, V.N.: DJF'09/10: A Winter of Extremely Low Northern Annular Mode. -APEC Climate Center Newsletter, 2010, Vol.5(l), p.4-5.
36.Крыжов, В.Н.: Постпроцессинг модельных долгосрочных прогнозов в Североевразийском климатическом центре. - Юбилейный сборник, посвященный 80-летию Гидрометцентра РФ, Москва, 2010, с. 247-253.
37.Хан В.М., Д.Б. Киктев, В.А. Тищенко, В.Н. Крыжов: Об успешности долгосрочных прогнозов в холодный период 2008-2009 гг. - I Международная Конференция «Использование гидрометеорологической информации для нужд энергетической отрасли Российской Федерации», Москва, 2009, 2 стр.
38.Ashok К., S. Sabade, D. Nohara, Kryjov V.N., Y.Yoshida, W.J.Lee: Downscaling Seasonal Prediction for East Asia: Status, Prospectus and Challenges. - Proceedings of the 2009 Autumn Meeting of Korea Meteorological Society, 29 - 30 October, 2009, Daegu, Korea, 7 pp.
39.Gorelits О., I. Zemlianov, V.Kryjov: Water resourses management for the Terek river delta (Western Caspian Region). - In "Role of Hydrology in Water Resources Management" Edited by Prof.Hans-Jurgen Liebscher. IAHS Publ. 327, 2009, p. 184190.
40.Gorelits О., I. Zemlianov, V.Kryjov: Modern climate changes and channel network formation in Terek delta. - Proceedings of International Interdisciplinary Conference on Predictions for Hydrology, Ecology, and Water Resources Management, HydroPredict'2008, 15-18 September 2008, Prague, Czech Republic, 4 pp.
41.Крыжов B.H., Ч.-К. Пак: Развитие системы раннего предупреждения опасных климатических явлений в Азиатско-Тихоокеанском регионе. - Труды Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности, Москва, 26-29 сентября 2006 г., Москва, 2007, 8 стр.
42.Min Y.-M., V.N. Kryjov, С.-К. Park: Development of Probabilistic Forecast Method for Extremes. - APCC Technical Report 2007, Vol. 2, No.2. - APCC Annual Report on Research and Development. 4 pp.
43.Min Y.-M., V.N. Kryjov: Comparison between PMME Prediction Methods based on different PDFs. - APCC Technical Report 2007, Vol. 2, p.31-48.
44.Min Y.-M., V.N. Kryjov: Probabilistic Multi-Model Ensemble Prediction Methods Based on Different PDFs. - Proceedings of the Spring 2007 Conference of Korea Meteorological Society, Dejon, Korea, 2007.04.25-28, 5 pp.
45.Min Y.-M., V.N. Kryjov: Development of APCC Multi-Model Probabilistic Forecast System. - APCC Technical Report 2006, No.l. Vol. 4. APCC Annual Report on Research and Development, p. 21 - 35.
46.V.N. Kryjov, H.-W. Kang, D. Nohara, B.-G. Song, D.-Y. Lee, K.-H. An, S.-J. Sohn, Y.-M. Min, Saji N. H., C.-Y. F. Tam: Assessment of the Climate Forecasts Produced by Individual Models and MME Methods. - APCC Technical Report 2006, No.l. Vol. 1. 534 pp.
47.Kryjov V.N., C.-K. Park: The Northern Hemisphere Annular Mode: Impacts on the Extratropics and relationships with the Tropics. - Proceedings of the 12th Seoul International Symposium on Polar Sciences, KOPRI, Ansan, Korea, 17-19 May 2005, 4 pp.
48.Kryjov V.N.: Causes of the November Cooling over the Eastern Europe in the Late 20th Century. - Proceedings of the Int. Conf. on High Impact Weather and Climate, Seoul, Korea, 2004.03.22-24, 4 pp.
49.Крыжов B.H., В.Ф.Комчатов: Влияние изменений климата на скорость ветра над арктическим шельфом. - Труды Международной корференции RAO-2003. С.-П., 16-18.09.03, с.344-346.
50.Крыжов В.Н.: Синхронные связи температуры воздуха на арктическом побережье России с аномалиями Н700 в атлантико-европеиском секторе. — Труды Гидрометцентра России, 2002, вып. 337, с.
51.Крыжов В.Н.: Региональные особенности резких климатических изменений на севере Европы и Западной Сибири в XX веке. - Труды конференции "Научные основы экологических проблем России" Москва, РАН, 13-16 июня 2001 г., 6 стр.
52.Крыжов В.Н.: Связь скорости ветра на побережье северо-западной Сибири и Североатлантического колебания в зимний период. - Труды Гидрометцентра России, вып. 336, с.138-148, СП, Гидрометеоиздат, 2001.
53.Kryjov V.N.: North-Eastern Europe Long Term Climate Variability. - Proc. of the ECAC 2000 - 3rd European Conference on Applied Climatology Pisa, Italy, October 16-20, 2000, 6 pp. CD-ROM.
54.Крыжов B.H., А.С.Цвецинский, Г.И.Дубиков, С.А.Мельников, А.И.Данилов: Комплексное исследование природных условий района Харасавэйского и Крузенштерновского ГКМ. - Труды международной конференции РАО-99, С.-П., 23-26 июня. 1999, 7 стр.
55.Kryjov V.N., A.S.Tsvetsinsky, V.S. Toujilkine, B.V.Arhipiv: Baydaratskaya Bay Pipeline Crossing: Environmental Problems. - Proc. of the Second (1999) ISOPE European Offshore Mechanics Symposium: Pipelines Moscow, Russia, June 6-12, 1999, pp. 106-108.
56.Крыжов B.H., А.С.Цвецинский, Г.И.Дубиков, С.А.Мельников, А.И.Данилов: Изучение природных условий газо- и нефтеносных районов Обской и Тазовской губ. - Труды международной конференции РАО-97, С.-П., 23-26 сент. 1997, 7 стр.
57.Kryjov V.N, A.S.Tsvetsinsky, A.V.Beloshapkov, V.S. Toujilkine, B.V.Arhipiv, G.I.Dubikov, S.A.Melnikov, A.I.Danilov: Problems and Experience on the South Western Kara Sea Coastal Zone Study. - Proc. of the BORDOMER-97 Conf., Bordeaux, Oct.26 - 29,1997, 9 pp.
58.Kryjov V.N.: Estimation of the North Western Siberian Coastal Extreme Winds. -BORDOMER-97 Conf., Bordeaux, Oct.26 - 29, 1997, 7 pp.
59.Kryjov V.N., V.S.Toujilkine, P.V.Lyushvin: Atmospheric and Hydrological Processes Led to the Extreme Thermohaline Anomaly in the South Western Kara Sea in September 1994. - Proc. of POAC'95, 13th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Aug. 15-18,1995 Murmansk, Russia, St.Petersburg, 1995, Vol.4, pp.108-116.
60.Крыжов, B.H.: Структура приводного слоя атмосферы в районе субтропического максимума в северо-западной части Тихого океана. - Труды Гидрометцентра РФ, вып.329, 1996, с. 67-71.
61.Чучкалов Б.С., Крыжов В.Н., В.И.Козлова: Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Северное полушарие. - Раздел 8. Бюллетень. Гидрометцентра СССР-ВНИИГМИ-МЦЦ, Обнинск, 1992. 9 стр.
62..Чучкалов Б.С., Крыжов В.Н., В.И.Козлова: Мониторинг общей циркуляции атмосферы. Северное полушарие. - Раздел 8. Бюллетень. Гидрометцентр СССР-ВНИИГМИ-МЦЦ, Обнинск, 1991, 8 стр.
63.Крыжов В.Н.: О влиянии градиента температуры поверхности океана на поле ветра в приводном слое. - Труды Гидрометцентра СССР, вып.316,1991, стр. 124-127.
64.Крыжов В.Н.: Межгодовая изменчивость зависимости температуры воздуха от температуры поверхности океана в юго-восточной части Тихого океана. -Труды Гидрометцентра СССР, вып.316,1991, стр. 118-123.
65.Крыжов, В.Н.: К анализу метеорологической информации, поступающей с акватории океанов. - Труды Гидрометцентра СССР, вып.316, 1991, стр. 112117.
Заказ № 112-П/10/2012 Подписано в печать 30.10.2012 Тираж 150 экз. Усл. п.л.2,4
"Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; e-mail:info@cfr.ru
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Крыжов, Владимир Николаевич, Москва
МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ и экологии РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ
И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
(РОСГИДРОМЕТ)
ФГБУ "ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ"
(ФГБУ «ГИДРОМЕТЦЕНТР РОССИИ»)
На правах рукописи
05201350275
Крыжов Владимир Николаевич
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ СЕЗОННЫЙ ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Специальность 25.00.30 Метеорология, климатология, агрометеорология
Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук
Москва-2012
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................................... 6
ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 9
Глава 1. СЕЗОННЫЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ И ДАЛЬНИЕ СВЯЗИ В АТМОСФЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ ЗИМНЕЙ ПОГОДЫ И КЛИМАТА СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ............................................................... 19
1.1 Сезонный метеорологический прогноз........................... 19
1.2 Характеристики атмосферной циркуляции..................... 25
1.3 Региональные дальние связи атмосферы северного полушария............................................................. 30
1.4 Арктическая осцилляция........................................... 37
1.5 Выводы................................................................. 43
Глава 2. ЭМПИРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНХРОННЫХ И АСИНХРОННЫХ СВЯЗЕЙ ЗИМНЕЙ ЗОНАЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ НА РАЗЛИЧНЫХ ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБАХ................. 45
2.1 Используемые данные и методы статистического анализа.. 45
2.2 Связь зимней температуры воздуха и зимнего индекса арктической осцилляции............................................ 47
2.3 Анализ типов циркуляции, влияющих на среднюю годовую температуру воздуха на Европейской территории России.................................................................. 50
2.4 Связь средней годовой и средних сезонных аномалий температуры воздуха с полярностью среднего январско-февральского индекса арктической осцилляции............... 59
2.5 Механизмы, обеспечивающие пролонгированное влияние зимней фазы арктической осцилляции на температуру
воздуха на ЕТР......................................................... 68
2.6 Влияние средней январско-февральской фазы арктической осцилляции на ноябрьскую циркуляцию и ноябрьскую температуру воздуха................................................. 72
2.7 Выводы.................................................................. 86
Глава 3. СВЯЗЬ ПОЛЯРНОСТИ СРЕДНЕГО ЗИМНЕГО ИНДЕКСА АРКТИЧЕСКОЙ ОСЦИЛЛЯЦИИ С ЦИРКУЛЯЦИЕЙ В ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ ОКТЯБРИ............................... 88
3.1. Мотивация исследования........................................... 88
3.2. Анализ возможных предикторов среднего зимнего индекса арктической осцилляции............................................ 92
3.3. Анализ связей октябрьской циркуляции и зимней фазы арктической осцилляции............................................ 108
3.4. Статистический прогноз зимнего индекса арктической осцилляции и зимней температуры воздуха над Северной Евразией на основе октябрьской циркуляции.................. 116
3.5. Выводы.................................................................. 122
Глава 4. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПОСТОБРАБОТКА
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕЗОННЫХ ПРОГНОЗОВ..... 124
4.1. Краткий вводный обзор............................................................................................124
4.2. Ансамблевый прогноз................................................................................................126
4.2.1. Вероятностная интерпретация ансамблевого прогноза... 128
4.2.3. Методы расчета вероятностных прогнозов....................................131
4.3. Мультимодельный ансамблевый прогноз................................................143
4.3.1. Цели применения мультимодельного подхода в прогнозировании на сезон....................................... 143
4.3.2. Основа рациональности мультимодельного подхода...... 147
4.3.3. Комплексация модельных прогнозов с учетом прошлого мастер ства моделей............................................... 152
4.4. Особенности верификации модельных сезонных прогнозов. 158
4.5. Выводы................................................................... 161
Глава 5. МЕТОД ГЛОБАЛЬНОГО ВЕРОЯТНОСТНОГО
МУЛЬТИМОДЕЛЬНОГО ПРОГНОЗА НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗОВ МОДЕЛЕЙ С НЕРАВНЫМИ И НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНЫМИ РАЗМЕРАМИ АНСАМБЛЕЙ В ИСТОРИЧЕСКИХ И ТЕКУЩИХ ПРОГНОЗАХ........................................................... 163
5.1. Краткий обзор методов комплексирования сезонных гидродинамических прогнозов...................................... 163
5.2. Модели, участвующие в проекте АРСС (2006 г.)............... 167
5.3. Разработка метода комплексации модельных прогнозов
АРСС..................................................................... 170
5.4. Метод оперативного мультимодельного вероятностного прогноза АРСС......................................................... 176
5.5. Оценка успешности сезонных прогнозов АРСС................ 178
5.5.1. Оценка успешности исторических прогнозов............... 179
5.5.2. Оценка успешности прогнозов в реальном времени....... 187
5.6. Сравнение успешности различных методов комплексации
мультимодельных прогнозов........................................ 188
5.7. Выводы................................................................... 194
Глава 6. РЕГРЕССИОННЫЙ МЕТОД РЕГИОНАЛЬНОЙ ДЕТАЛИЗАЦИИ МУЛЬТИМОДЕЛЬНЫХ АНСАМБЛЕВЫХ ПРОГНОЗОВ С ВЕРОЯТНОСТНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ РАСЧЕТА СУММАРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРОГНОЗА, СВЯЗАННОЙ С ПОГРЕШНОСТЯМИ РЕГРЕССИИ И
РАЗБРОСОМ АНСАМБЛЕЙ....................................... 197
6.1. Краткий обзор методов региональной детализации на
основе регрессии....................................................... 197
6.2. Расчет суммарной неопределенности прогноза, связанной с разбросом прогностического ансамбля и погрешностями регрессии................................................................. 200
6.3. Применение на практике. Вероятностный прогноз зимней температуры и осадков на станциях Республики Корея на основе детализации глобальных сезонных
му льтимодельных прогнозов........................................ 204
6.3.1. Используемые данные............................................. 204
6.3.2. Метод региональной детализации............................................................206
6.3.3. Оценка успешности детализированных прогнозов..................208
6.3.4. Оценка неопределенности детализированных прогнозов. 216
6.4. Выводы....................................................................................................................................219
Глава 7. ПРОГНОЗ ЗИМНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА СТАНЦИЯХ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ НА ОСНОВЕ РЕГИОНАЛЬНОЙ ДЕТАЛИЗАЦИИ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕЗОННЫХ ПРОГНОЗОВ ДАВЛЕНИЯ НА УРОВНЕ МОРЯ, РАССЧИТАННЫХ ПО МОДЕЛИ ПЛАВ ФГБУ «ГИДРОМЕТЦЕНТР РОССИИ»................................... 221
7.1. Оценка успешности воспроизведения зимней циркуляции в прогнозах модели ПЛАВ............................................. 222
7.1.1. Данные и методы анализа........................................ 224
7.1.2. Анализ воспроизведения изменчивости полей давления
на уровне моря в атлантико-европейском секторе.......... 227
7.1.3. Анализ воспроизведения изменчивости циркуляции в средней тропосфере северного полушария................... 233
7.1.4. Обобщенные результаты оценки воспроизводимости ведущих мод изменчивости циркуляции северного полушария моделью ПЛАВ...................................... 247
7.2. Прогноз средних зимних значений индекса арктического колебания и температуры воздуха на станциях на основе региональной детализации гидродинамических прогнозов модели ПЛАВ........................................................... 249
7.2.1. Методы региональной детализации............................ 250
7.2.2. Верификационные оценки исторических прогнозов....... 256
7.2.3. Верификационные оценки прогнозов в реальном
времени............................................................... 263
7.3. Выводы................................................................... 266
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 267
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................... 271
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АМК Анализ максимальных ковариаций
АО Арктическая осцилляция
АТЭС Азиатско-Тихоокеанское Экономическое Сотрудничество
ВМО Всемирная метеорологическая организация
ГК Главный компонент
ЕТР Европейская территория России
ЕЦСПП Европейский центр среднесрочного прогноза погоды
ЗШ Земной шар
МОЦА Модель общей циркуляции атмосферы
ПЛАВ ПолуЛагранжева, основанная на уравнении Абсолютной
заВихренности, глобальная модель Гидрометцентра России
САК Североатлантическое колебание
СМАО Совместная модель атмосферы и океана
СП Сингулярная переменная
СП Северное полушарие
стд.откл. Стандартное отклонение
ТПО Температура поверхности океана
ЭОФ Эмпирические ортогональные функции
ИЦ Индекс циркуляции
ММА Мультимодельный ансамбль
CEA Северная Евразия
СЕАКЦ Северо-Евразийский климатический центр
ЭНЮК Эль-Ниньо - Южное колебание
ВПИК Всемирная программа исследования климата
АО Arctic Oscillation
АСС Anomaly Correlation Coefficient - нецентрированный коэффициент корреляции аномалий (коэффициент конгруэнтности аномалий)
AN Above-Normal - выше нормы
АРСС Asia Pacific Economic Cooperation Climate Center
BN Below-Normal - ниже нормы
BS Brier Score - показатель Брайера
BSS Brier Skill Score - Показатель мастерства Брайера
CDC Climate Data Center
CI Circulation index
CPC Climate Prediction Center
CWB Central Weather Bureau (акроним модели, Тайвань)
DEMETER Development of a European Multi-model Ensemble System for Seasonal to Inter-Annual Prediction
DOE Department of Energy
DSP Dynamical Seasonal Prediction
ECMWF European Centre for Median-range Weather Forecasts
EUROSIP European Multimodel Seasonal to Interannual Prediction
FAR False Alarm Rate
GCPS Global Climate Prediction System
GDAPS Global Data Analysis and Prediction System (Акроним модели, Корея)
GPC Global Producing Center
HMC Hydrometcenter (акроним модели ПЛАВ Гидрометцентра России, принятый в АРСС)
HR Hit Rate
IPCC Intergovernmental Panel for Climate Change
IRI International Research Institute for Climate and Society
JMA Japan Meterological Agency
KMA Korea Meteorological Administration
MetOffice Meteorological Office
MGO Main Geophysical Observatory (акроним модели Главной Геофизической Обсерватории, принятый в АРСС)
ММЕ Multi-Model Ensemble
MSC Meteorological Service of Canada
NAM Northern Hemisphere Annular Mode
NAO North Atlantic Oscillation
NHTI Northern Hemisphere Teleconnection Indices
NN Near-Normal - около нормы
NCAR National Center for Atmospheric Research
NCEP National Centers for Environmental Prediction
г Коэффициент корреляции
P вероятность
POAMA Predictive Ocean-Atmosphere Model for Australia
PMME Probabilistic MultiModel Ensrmble
PROVOST Prediction of Climate Variations on Seasonal to Interannual Timescales
RO Показатель соответствия знаков аномалий
ROC Relative Operating Characteristic - Сравнительная оперативная
характеристика
RPS Rank Probability Score - Показатель успешности
вероятностных прогнозов в ранжированных категориях
RPSS Rank Probability Skill Score - Показатель мастерства
вероятностных прогнозов в ранжированных категориях
SMIP2/HFP Seasonal Model Intercomparison Project -2 / Historical Forecast Project
SVD Singular value decomposition
SVS WMO Standardized Verification System of World Meteorological Organization
TOGA Tropical Ocean Global Atmosphere
UEA CRU University of East Anglia Climatic Research Unit
WMO World Meteorological Organization
WMO LC WMO Lead Center for Long range Forecasting - Multimodel LRF-MME Ensemble - Ведущий центр ВМО по мультимодельному долгосрочному прогнозированию
/
ВВЕДЕНИЕ
1. Актуальность темы диссертации
Долгосрочный метеорологический прогноз для внетропических широт, в частности, сезонный прогноз с заблаговременностью месяц, по-прежнему остается одной из приоритетных научных и практических задач современной метеорологии. Поэтому в настоящее время проводится множество эмпирических и модельных исследований низкочастотной изменчивости общей циркуляции атмосферы и климатической системы в целом с целью повышения качества сезонных прогнозов во внетропических широтах.
Определенные успехи в прогнозировании на сезон с помощью гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы и совместных моделей атмосферы и океана были достигнуты только для отдельных районов земного шара, главным образом для тропиков, в частности, для экваториальной части Тихого океана. Тем не менее, развитие прогнозирования на сезон, в том числе для средних и высоких широт, связывается, в основном, с развитием гидродинамических моделей. В последние десятилетия, наряду с совершенствованием моделей, все возрастающее внимание уделяется совершенствованию и внедрению в оперативную практику новых методов интерпретации модельных прогнозов. В частности, в оперативную практику уже прочно вошло производство ансамблевых сезонных прогнозов, а в последнее десятилетие -мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов, представляемых в вероятностной форме. В начале 2000-х годов выпуск мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов был начат в Западной Европе в Европейском центре среднесрочного прогноза погоды (ЕЦСПП) и в США в Научно-исследовательском институте климата и общества (International
Research Institute for Climate and Society - IRI). В это же время в Республике Коря был создан Климатический центр Азиатско-Тихоокеанского сотрудничества (Asia Pacific Economic Cooperation Climate Center - APCC), специализирующийся на выпуске мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов, а в 2011 г. выпуск вероятностных глобальных мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов был начат во вновь образованном Ведущем центре ВМО по мультимодельному ансамблевому долгосрочному прогнозированию (WMO Lead Center for Long Range Forecasting - MultiModel Ensemble - WMO LC LRF-MME). В настоящее время по инициативе ВМО, разработавшей концепцию региональных климатических центров, нацеленных на производство региональных прогнозов, интенсивно идут разработки методов региональной интерпретации глобальных модельных прогнозов на основе технологий региональной детализации (даунскейлинга).
В фокусе диссертационной работы - сезонный прогноз температуры воздуха на севере Евразийского континента с заблаговременностью один месяц. В работе рассмотрены различные аспекты разработки такого прогноза, начиная от анализа связей температуры воздуха с циркуляцией, и заканчивая постобработкой модельных прогнозов с использованием технологий региональной детализации с учетом связей температуры воздуха и циркуляции. Повышенное внимание уделяется вероятностной интерпретации, мультимодельным ансамблевым прогнозам, региональной детализации глобальных прогнозов, то есть, самым современным методам интерпретации гидродинамических модельных прогнозов.
Особую актуальность этот вопрос имеет для России и стран СНГ, полностью расположенных в средних и высоких широтах, чье социальное и экономическое развитие весьма климатозависимо.
Цель работы
Цель работы - исследования низкочастотной изменчивости общей циркуляции атмосферы, направленные на повышение качества сезонных прогнозов большой заблаговременности для внетропических широт на основе усовершенствования методов интерпретации гидродинамических модельных прогнозов с учетом эмпирически установленных связей метеорологических величин. Задачи исследования:
- анализ синхронных и асинхронных связей между зимней зональной циркуляцией и температурой воздуха различного временного осреднения;
- анализ связи среднего зимнего индекса арктического колебания с предшествующими осенними атмосферными процессами как основы для разработки статистического метода сезонного прогноза (с заблаговременностью один месяц) среднего зимнего индекса арктической осцилляции и температуры воздуха;
- разработка методов статистической постобработки, вероятностной интерпретации и комплексации сезонных ансамблевых гидродинамических модельных прогнозов в мультимодельный прогноз;
- разработка статистических методов региональной детализации глобальных
мультимодельных ансамблевых прогнозов с вероятностной интерпретацией.
Положения, выносимые на защиту, и их новизна
1. Результаты анализа синхронных и асинхронных связей зимней зональной циркуляции и метеорологических величин на Европейской территории России (ЕТР) на различных временных масштабах. Эмпирические исследования показали пролонгированное влияние зимней фазы арктической осцилляции на температуру воздуха на ЕТР. Впервые показана
связь ноябрьской температуры воздуха на ЕТР с фазой арктической осцилляции в предшествующую зиму, объясняющая понижение ноябрьской температуры воздуха 1970-х - 1990-х годов и последующее ее повышение. Впервые продемонстрирована связь полярности зимнего индекса арктической осцилляции с предшествующей октябрьской конфигурацией европейско-азиатской ветви арктического фронта.
2. Усовершенствованные методы вероятностной интерпретации мультимодельных ансамблевых сезонных прогнозов. Впервые предложен метод глобального вероятностного мультимодельного прогноза на основе комплексации прогнозов моделей с неравными и непропорциональными размерами ансамблей в исторических и текущих прогнозах. Впервые предложен регрессионный метод региональной детализации мульти- и одномодельных ансамблевых прогнозов с вероятностной интерпретацией на основе расчета суммарной неопределенности прогноза, связанной с погрешностями регрессии и разбросом ансамбля.
3. Разработанные диссертантом методы детализации глобальных ансамблевых прогнозов атмосферного давления модели ПЛАВ Гидрометцентра России для расчета вероятностного прогноза зимней температуры воздуха на территории Северной Евразии.
Достоверность результатов
Все опубликованные и показанные в диссертации результаты были получены на общедоступном фактическом материале с использованием стандартных методов анализа, что обеспечивает полную их воспроизводимость другими исследователями. В целях проверки и избежания ложных выводов все результаты были воспроизведены автором на фактических материалах из различных источников, для различных временных интервалов, с применением различных методов.
Практическая значимость результатов работы.
В мае 2006 г. разработанный диссертантом метод глобального вероятностного мультимодельног
-
Крыжов, Владимир Николаевич
-
доктора географических наук
-
Москва, 2013
-
ВАК 25.00.30
- Особенности климата Башкирии за последнее тридцателетие и их влияние на энергосбережение
- Особенности климата Башкирии за последнее тридцатилетие и их влияние на энергосбережение
- Разработка методов ансамблевого прогноза характеристик сезонного речного стока
- Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза
- Региональный прогноз температуры и влажности воздуха в тропосфере над центральной частью Европейской территории РФ
