РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПРОВЕДЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ (ОПЕРАТИВНЫХ) ИСПЫТАНИИ НОВЫХ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ МЕТОДОВ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ

РД 52.27.284—91

КОМИТЕТ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ ПРИ КАБИНЕТЕ МИНИСТРОВ СССР МОСКВА 1991

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ    РД    52.27.284-91

Проведение производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов

Дата введения 01.01.92

Настоящий руководящий документ (РД) устанавливает общие правила проведения производственных (оперативных) испытаний новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов и их оценки.

Положения РД обязательны для организаций Госгидромета СССР, проводящих производственные испытания методов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов, для Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим прогнозам (ЦМКП) и Методической комиссии по снеголавинным прогнозам (МКПЛ).

1.1.2.1. Статистические характеристики оценки качества прогноза барического поля с заблаговременностью до 48 ч

Для оценки качества полушарных и региональных численных прогнозов на срок до 48 ч следует рассчитывать следующие статистические характеристики:

1)    средняя абсолютная ошибка прогноза (с точностью до 0,1)

N

⁶=тг £|^я"-^я*1‘^;    (’)

2)    средняя относительная ошибка прогноза (с точность до 0,01)

е = 6/6_Ф,    (2)

.V

где 6ф= -Jf- ^ |Я_Ф— H_u\i — средняя абсолютная фактическая изменчивость.

В формулах (1) и (2) N — общее число точек регулярной сетки по территории прогноза (/=/, 2,    Я),    Я_ш    Я_ф,    Я_и— соответст

венно прогностическое, фактическое (в срок прогноза) и исходное значения давления (геопотенциала).

Чем меньше 6 и е, тем лучше прогноз. При значении е=1 качество методических прогнозов находится на уровне инерционных прогнозов, а при е > 1 методические прогнозы барического поля хуже инерционных;

3)    средняя квадратическая ошибка прогноза (с точностью до 0,1)

(3)

Чем меньше а, тем выше качество прогноза. По сравнению со средней абсолютной ошибкой прогноза 6 в среднюю квадратическую ошибку о наибольший вклад вносят значительные разности (Я_п—Я_ф). При нормальном распределении ошибок <у=1,25 6. В реальных условиях значения а примерно на 20 % превышают значения 6;

4)    средняя арифметическая (систематическая) ошибка прогноза (с точностью до 0,1)

ЛГ

» = т    (4)

i = l

Систематическая ошибка позволяет судить о так называемой фоновой погрешности, т. е. о методическом среднем смещении про-

гностического поля давления или геопотенциала. Положительные

/N

значения б указывают на систематическое завышение прогностических значений давления или геопотенциала, отрицательные 6 —на их занижение;

5) среднее квадратическое отклонение ошибки прогноза (стандартная ошибка), с точностью до 0,1

а = д/-±-£, [(Я_п - я_ф), - (я_п - я_ф)]².    (5)

По сравнению с а, величина а учитывает вклад систематических ошибок, что помогает автору вносить необходимую коррекцию в численную модель прогноза;

6) корреляция тенденций — коэффициент корреляции между прогностическими и фактическими изменениями давления (геопо-тснциала), с точностью до 0,01

;V

Z [(«п)(-*п][(б4,),-бф]

1=1_

/Уа„аф

где б_п = --- ^(Я_п —Я_и)/; 6_Ф =    £    (Я_ф    —    Я„)*;

При точном прогнозе г=1, при плохом г=0. Следует отметить, что значения е и г при нормальном распределении проверяемых

величин связаны между собой соотношением г— V1 —е², или г² + е²=1. Отсюда следует, что с уменьшением (увеличением) е должен увеличиваться (уменьшаться) коэффициент корреляции г;

7) оценка прогнозов с учетом градиентов давления (геопотенциала)

лг

Z 1№-Яф)/-(Я_п-Яф)**₁|

S] = 100 —jy--— .    (7)

£ шах (|(//ф)* — (Я_Ф)* + 1 I; \(И_п)1 — (Я_п)/ +i1)

где числитель указывает ошибку в прогнозе разности давления (геопотенциала) в i-й паре точек, а знаменатель — фактическую

или прогностическую изменчивость в той же паре точек (наибольшую по значению), N — число пар точек.

Критерий S1 позволяет дать оценку подобия градиентов сравниваемых барических полей. При идеальном прогнозе Si = 0.

При современном уровне развития гидродинамических прогнозов прогноз приземного давления можно считать отличным при Sj^20, хорошим при 20<S|^40, удовлетворительным при 40 < <5j^70 и бесполезным при Si > 70; прогноз высотного барического ноля можно считать отличным при Sj^15 и бесполезным при S_x > 60.

Рассчитанные для каждой изобарической поверхности (чаще у поверхности Земли и для 500 гПа) статистические характеристики приводятся в виде таблицы осредненных по месяцам и за период испытаний значений оценок, в которой также указывается для каждой испытываемой модели территория оценки, период испытаний, заблаговременность прогнозов, количество прогнозов.

1.1.2.2. Синоптико-статистические характеристики прогноза барического поля с заблаговременностью до 48 ч

Синоптико-статистические оценки численных прогнозов барического поля включают:

оценку оправдываемости прогноза давления (геопотенциала) в центре барических образований и их эволюции;

оценку оправдываемости прогнозов положения и траекторий барических образований за период, соответствующий заблаговременности прогноза;

оценку прогнозов факта возникновения (исчезновения) барических образований.

Для расчета указанных оценок исходные данные снимаются с исходных, фактических и прогностических карт в центрах циклонов и антициклонов. Циклоны и антициклоны включаются в выборку, если они имеют хотя бы одну замкнутую изобару (изогипсу) на фактической или прогностической карте.

Примечание. Принимая во внимание, что современные отечественные численные модели по точности прогноза барического поля приближаются к точности передовых зарубежных численных схем, а также большую трудоемкость и невысокую точность расчета синоптико-статистических оценок, их следует рассматривать как дополнительные и в некоторых случаях ограничиваться расчетом только статистических оценок, приведенных в п. 1.1.2.1. Такое ограничение может быть принято Ученым советом института-разработчика с учетом результатов авторских испытаний и обязательно должно быть отражено в программе испытаний.

1.1.2.2.1. Оценка оправдываемости прогноза давления (геопотенциала) в центре барических образований и их эволюции

Для оценки оправдываемое™ прогноза значений давления (геопотенциала) в центрах барических образований и его эволюции рассчитываются средние абсолютные 6_Ц по формуле (1), средние

арифметические 6_Ц по формуле (4) ошибки прогноза давления (геопотенциала), относительные ошибки е_ц по формуле (2) и оправдываемое™ прогнозов знака эволюции давления (геопотенциала) р_ц по формуле (8). Указанные характеристики успешности рассчитываются для всех барических образований, а также отдельно для циклонов и антициклонов.

Для расчета 6_П и б_п значения давления (геопотенциала) снимаются с прогностических и фактических карт в центрах барических образований с точностью 1—2 гПа. Положительные значения

6ц указывают на систематическое завышение давления в центре

барического образования, а отрицательные значения бц —на занижение.

Расчет относительной ошибки прогноза давления (геопотенциала) в центрах барических образований (е_ц) определяется по формуле (2), где N — общее количество барических образований либо количество циклонов или антициклонов.

Оправдываемое™ прогнозов знака эволюции давления (геопотенциала) оценивается с помощью величины:

По — n_v По -f- Л» ’

где п₀ и пн — соответственно число центров, в которых прогноз знака изменения давления (геопотенциала) оправдался или не оправдался.

При вычислении р_ц необходимо для каждого центра найти значения фактической изменчивости 6ф=(#ф— #_и) * и прогностической изменчивости 6n=(H,T—#„), за соответствующий заблаговременности прогноза интервал времени и произвести их сравнение. В случае если знаки 6ф и 6„ в центре циклона (антициклона) совпадают, прогноз считается оправдавшимся и получает оценку со знаком « + ». В случае если знаки 6ф и б_п оказались противоположными, прогноз эволюции не оправдался и получает оценку со знаком «—». Затем определяются п₀ и я„. а также рассчитывается среднее значение р_ц для каждой заблаговременности прогноза и испытываемой численной модели.

Для более детального анализа знака эволюции давления в центрах барических образований на разных стадиях их развития желательно рассчитывать р_ц для случаев фактического углубления

(усиления), заполнения (ослабления) циклонов (антициклонов) и для случаев, когда давление (геопотенциал) в их центрах не менялось.

/-ч

Вычисленные средние значения б_ц, 6_Ц, е_ц и р_ц представляются в виде табл. 2.

Таблица 2 Оценка оправдываемое™ прогнозов давления (геопотенциала) в центрах барических образований и их эволюции у поверхности Земли и на различных изобарических поверхностях

S о я •X «1 S3 Средняя изменчивость Средняя ошибка Л н о б я Схема я X Е7 2 л* II Я8 |а «а. О V X = 3* X фактиче ская <«ф) прогности ческая (вп) абсолют ная (М арифмети ческая (V относи тельная (ец) Онравдыва по знаку р

У поверхности Земли

1 24 155 4,74 3,98 4,68 —2,15 0,83 2 24 155 4,65 4,37 5,58 —1,05 0,90 1 48 129 6,25 4,85 5,75 —2,01 0,91 2 48 129 6,30 5,01 6,34 1,52 1,00

Поверхность 500 гПа

1 24 139 3,37 3,00 3,61 0,52 0,79 2 24 139 3,37 3,04 3,67 — 1,64 0,84 1 48 120 4,77 4,72 5,05 1,00 0,85 2 48 120 5,09 4,53 5,47 — 1,85 0,93

В приведенном примере оценки численных схем (табл. 2) схема 1 имеет более высокие характеристики успешности по сравнению со схемой 2.

1.1.2.2.2. Оценка оправдываемости прогнозов положения и траектории барических образований

Для определения качества прогноза перемещения барических образований вычисляются:

ошибка в прогнозе положения барических образований (Дг, км); ошибка в прогнозе траектории барических образований за период, соответствующий заблаговременности прогноза (Д5, км); ошибка в прогнозе направления перемещения (Дер).

Величина Дг определяется как расстояние между прогностическим и фактическим положениями центров барических образований с точностью до 10 км. Значения Дг рассчитываются как от-

дельно для циклонов и антициклонов, так и для тех и других вместе.

Ошибка в прогнозе траектории циклонов и антициклонов определяется как разность между прогностическим и фактическим перемещениями центров циклонов (антициклонов) за период заблаговременности прогноза с точностью до 10 км. ДS* рассчитывается как разность протяженностей фактической и прогностической траекторий барических центров, считая их прямолинейными за период заблаговременности прогноза. Затем для всех барических образований и отдельно для циклонов и антициклонов рассчитываются

средние значения AS по модулю и средние значения AS с учетом знака. AS указывает на систематическое замедление или ускорение перемещения прогностических центров циклонов (антициклонов), так как траектории численно равны средней скорости перемещения барических центров за период заблаговременности прогноза.

Ошибка в прогнозе направления перемещения циклонов и антициклонов Дф определяется значением угла между прогностической и фактической траекториями движения циклонов (антициклонов) с точностью до Г. При этом выделяются случаи отклонения прогностической траектории от фактической влево (вл.) и вправо (вп.). Вычисляются средние значения Дф для всех барических образований, отдельно для циклонов и антициклонов, а также для случаев отклонения траекторий влево и вправо. Значения средних оценок, рассчитанные отдельно для циклонов и антициклонов, приводятся в тексте отчета по результатам испытания.

Опыт работы по испытанию численных прогнозов барического поля показал, что допустимыми ошибками при прогнозах заблаговременностью до 36 ч являются Дг 200 км, AS ^ 300 км/24 ч, Дф ^ 15° при хорошем прогнозе; 200 км ^ Дг ^ 400 км, 300 км/24 ч ^ AS ^ 600 км/24 ч; 15° < Дф ^ 30° при удовлетворительном; Дг > 400 км, AS > 600 км/24 ч, Дф > 30° при плохом.

1.1.2.2.3. Оценка прогнозов возникновения (исчезновения) барических образований

Для полной характеристики качества численной схемы очень важно оценить прогноз возникновения новых барических образований, а также прогноз заполнения циклонов и разрушения антициклонов, существовавших в исходный срок.

Используя исходные, фактические и прогностические карты, подсчитывается количество оправдавшихся новых центров (а); количество оправдавшихся исчезнувших центров (6); количество предсказанных, но не наблюдавшихся (ложных) новых центров (с); количество наблюдавшихся, но не предсказанных (сглаженных) центров (d). Используя эти данные, рассчитываются следующие характеристики:

оправдываемость в процентах прогноза возникновения новых центров

<Э^к=^-^100;

оправдываемость в процентах прогноза исчезновения центров

^Q" = TTd- ■^100;

общая оправдываемость в процентах новообразования и исчезновения барических центров

Q- a + 6 + T+iT ' ¹⁰⁰~    <⁹>

Результаты проверки прогнозов положения, скорости перемещения, возникновения и исчезновения барических образований следует представить по форме 1.

Сопоставление статистических и синоптико-статистических характеристик позволит оценить надежность проверяемой численной схемы прогноза барического поля в сравнении с использующимися в оперативной практике. При этом предпочтение отдается той из них, оценки которой являются лучшими. При решении вопроса о внедрении учитывается также технологичность и экономичность численных схем, принимаются во внимание количество и качество прогнозов различных метеорологических элементов, рассчитываемых той или иной численной схемой.

Для установления успешности прогнозов по проверяемой численной схеме в различных физико-географических районах и выявления областей систематических ошибок прогноза необходим анализ рассчитанных статистических характеристик по территории прогноза. Показательными в этом отношении являются карты рас-

пределения б, е, а и б, осредненных для каждого узла регулярной сетки по месяцам и сезонам. Очень полезным является выделение и анализ статистических характеристик для определенных синоптических ситуаций, в особенности тех, которые приводят к резким изменениям и неблагоприятным условиям погоды в различные сезоны года.

Для установления источников ошибок проверяемой численной схемы можно провести дополнительный анализ статистических характеристик в районах, занимаемых циклонами и антициклонами. В этих случаях область оценки является переменной и ее следует смещать в направлении перемещения барических образований, а полученные при этом статистические характеристики несравнимы с характеристиками для всей области прогноза. Такие оценки представляют определенную ценность, так как дают возможность установления применимости численной схемы в определенных синопти-

ческих ситуациях и физико-географических условиях. Это важно как для синоптиков, использующих численные прогнозы в оперативной работе, так и для авторов, работающих над усовершенствованием численных схем.

1.1.2.3. Характеристики качества объективного анализа полей метеорологических элементов

Главной трудностью, с которой приходится сталкиваться при оценке надежности новых численных схем объективного анализа (ОА) полей метеорологических элементов, является получение исходных данных, которые можно уверенно использовать в качестве «эталонных» для сравнения с данными испытываемой схемы ОА.

Предлагаются следующие четыре способа возможной оценки ОА, каждый из которых может использоваться с учетом имеющихся возможностей и имеет свои преимущества и недостатки:

1) сравнение испытываемой схемы ОА с анализом полей метеорологических элементов, выполненным вручную синоптиком, полагая, что последний наиболее близок к истине. Способ этот используется для оценки ОА барического поля. Понятно, что синоптический (субъективный) анализ обладает определенными недостатками, тем не менее синоптик при анализе использует историю развития синоптических процессов, а также наблюдения за ветром, что позволяет в некоторых случаях восстанавливать целые барические образования особенно над малоосвещенными районами. Одновременно производится сравнение с синоптическим анализом и схемы ОА, ранее внедренной в оперативную практику.

При сопоставлении численной схемы ОА барического поля с синоптическим анализом на картах вручную выделяются экстремальные точки барических полей (центры циклонов и антициклонов) и рассчитываются следующие синоптико-статистические характеристики:

А г— ошибки в прогнозе положения центров барических образований, определяемые как расстояния между сравниваемыми центрами (с точностью до 10 км);

бц —абсолютные ошибки давления (геопотенциала) в центрах барических образований;

бц — средние арифметические ошибки давления (геопотенциала) в центрах барических образований с учетом знака. Положительные значения указывают на систематическое завышение давления в центрах, отрицательные — на занижение.

Ошибки Дг, бц и бц рассчитываются как отдельно для циклонов и антициклонов, так и для тех и других вместе.

При использовании схем объективного анализа барического поля важно также оценить, насколько правильно испытываемая схема ОА представляет количество барических центров, т. е. оце-

нить сглаживания наблюдавшихся барических центров либо представления ложных центров. С этой целью определяется количество центров на картах испытываемой схемы О А (п\) и количество центров на картах синоптического ОА (я₂) и рассчитывается величина Q=/Zi//i₂. Если Q > 1, то испытываемая схема ОА имеет тенденцию к диагнозу ложных центров, если Q < 1, то происходит сглаживание центров. Величину Q желательно рассчитывать как отдельно для циклонов и антициклонов, так и для тех и других вместе.

Синоптико-статистические оценки ОА барического поля представляются по форме 2;

2)    сравнение данных в узлах регулярной сетки, полученных по испытываемой схеме ОА, с данными наблюдений на станциях. Для этой цели предварительно выбираются станции, совпадающие с узлами регулярной сетки ОА либо отстоящими от них не более чем на 50 км;

3)    сравнение испытываемой схемы ОА с объективными анализами лучших зарубежных центров (например, НМЦ США или ЕЦСПП), принимая во внимание, что в настоящее время успешность ОА зарубежных центров выше успешности отечественных схем ОА.

При проведении сравнения испытываемой схемы ОА с данными метеорологических станций или ОА зарубежных центров в автоматизированном режиме рассчитываются следующие оценки: сред-

✓ч

ние абсолютные ошибки 6, средние систематические ошибки б, средние квадратические ошибки о и коэффициент корреляции г между значениями метеорологических элементов в узлах сетки сравниваемых объективных анализов. Лучшим считается объективный анализ, имеющий более высокие оценки успешности;

4)    сравнение качества численных прогнозов, рассчитанных по одной и той же численной прогностической модели, но с использованием в качестве исходных данные в узлах регулярной сетки, полученные с помощью сравниваемых численных схем ОА. В автоматизированном режиме рассчитываются статистические оценки по-

лучаемых прогнозов (б, е, а, б, r, Si), расчетные формулы которых приведены в п. 1.1.2. Сравнение статистических характеристик прогнозов, полученных по разным схемам ОА, позволяет сделать вывод о качестве сравниваемых объективных анализов: вариант прогноза с ОА лучшего качества имеет лучшие показатели успешности.

Сопоставление объективных анализов производится по территории северного полушария либо для отдельных регионов, например, для Европы (10° з. д. — 50° в. д., 35—75° с. ш.), Азии (60—140° в. д.,

0—75° с. ш.), Африки (10° з. д. — 50° в. д., 0—30° с. ш.), Тихого океана (150° в. д.— 140° з. д.), Северной Америки (130° в. д.— 70° з. д.), Атлантического океана (60—20° з. д.), Приполярного района (80—90° с. ш.).

Производственные (оперативные) испытания новых и усовершенствованных методов гидрометеорологических прогнозов являются неотъемлемой частью процесса их внедрения в оперативную практику учреждений Госгидромета СССР.

Производственные испытания преследуют две основные цели: определение степени надежности испытываемых методов или численных схем прогноза в сравнении с имеющимися и установление возможности их внедрения в оперативную практику;

анализ ошибок прогнозов и выработка рекомендаций по дальнейшему усовершенствованию методов прогнозов.

Вопросы организации производственных испытаний, порядок их проведения и подведение итогов определены Положением Госгидромета СССР [1].

Результаты производственных испытаний новых и усовершенствованных методов прогнозов, разработанных для крупных физико-географических и экономических районов, для сельскохозяйственных зон, акваторий морей и океанов, методов прогнозов стихийных гидрометеорологических явлений, а также методов среднесрочных, долгосрочных, краткосрочных, сверхкраткосрочных прогнозов погоды и методов гслиогеофизических прогнозов рассматриваются Центральной методической комиссией по гидрометеорологическим прогнозам Госгидромета СССР. Результаты производственных испытаний методов, имеющих локальное значение, рассматриваются на Технических советах управлений-заказчиков.

Результаты производственных испытаний новых и усовершенствованных методов (способов) прогнозов снеголавинной опасности рассматриваются Методической комиссией по снеголавинным прогнозам, организованной Госгидрометом СССР при САНИГМИ.

Решения о целесообразности внедрения в оперативную практику организаций Госгидромета СССР новых и усовершенствованных методов прогнозов принимаются при положительных результатах их производственных испытаний.

Установлена следующая продолжительность испытания различных видов прогнозов:

для численных схем прогноза метеорологических элементов — не более шести месяцев (на оперативном материале или с использованием стандартных архивов метеорологических полей);

для краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды, гидрологических и морских прогнозов — до одного года;

для долгосрочных прогнозов погоды, гидрологических, морских и агрометеорологических прогнозов — до двух лет.

Для сокращения сроков испытания и получения статистически надежных выводов о надежности методов прогноза гидрометеорологических явлений с малой природной повторяемостью (опасных и стихийных), а также долгосрочных прогнозов в период производственных испытаний рекомендуется использовать независимый ряд наблюдений по архивам прошлых лет.

На основании рассмотрения ‘результатов испытаний ЦМКП и Технические (Ученые) советы принимают решение о целесообразности внедрения разработанного метода в качестве основного, вспомогательного или консультативного, а также о нецелесообразности внедрения в связи с низкой надежностью метода, в случае необходимости — о дальнейшем усовершенствовании метода.

В качестве основного для внедрения рекомендуется метод прогноза, являющийся лучшим в сравнении с применяемыми методами по надежности или технологичности (при одинаковом уровне надежности).

В качестве вспомогательного рекомендуется метод прогноза, являющийся лучшим в сравнении с применяемыми методами по надежности в отдельные периоды, в отдельных районах (пунктах, водных объектах), при определенных гидрометеорологических условиях или дающий объективную основу при составлении прогнозов.

В качестве консультативных могут быть рекомендованы отдельные методы прогнозов, имеющие невысокую надежность, но являющиеся единственными для определенных гидрометеорологических условий, районов или заблаговременностей.

Накопленный ранее опыт оперативных испытаний в Гидрометцентре СССР, других НИУ, республиканских и территориальных управлениях по гидрометеорологии Госгидромста СССР был обобщен в [2, 3], а также в наставлениях по оценке различных видов прогнозов и в отдельных публикациях, помещаемых в ежегодных информационных сборниках о результатах испытаний новых методов гидрометеорологических прогнозов, подготавливаемых лабораторией испытания новых методов прогнозов Гидрометцентра СССР.

В последние годы появились новые направления в разработке методов гидрометеорологических прогнозов, новые виды прогнозов, дальнейшее развитие получили методы проведения испытаний, разработаны некоторые характеристики оценки качества прогнозов. Эти обстоятельства явились причиной подготовки настоящих методических указаний по проведению производственных (оперативных) испытаний, в которых учтен опыт, накопленный при использовании методических указаний, изданных в 1977 г. [2], а также международный опыт. В настоящие методические указания включены современные системы оценок и методики проведения производственных испытаний различных видов гидрометеорологических и гелиогеофизических прогнозов.

В основу приводимых ниже оценок различных видов прогнозов положены принципы, изложенные в соответствующих наставлениях по службе прогнозов, учтены рекомендации ВМО по_:оценке численных схем и рекомендации ИКАО по оценке авиационных прогнозов. Как показала практика проведения производственных испытаний, анализа и обобщения их результатов, одних этих оценок бывает недостаточно для всесторонней характеристики метода. По-

этому для различных видов прогнозов рекомендуются еще дополнительные характеристики качества.

Учитывая сложность организации и проведения производственных испытаний в различных подразделениях Госгидромета, их следует считать ответственным научным экспериментом, имеющим существенное значение не только для быстрейшего внедрения новых научных достижений, но и для дальнейшего усовершенствования испытываемых методов прогноза.

1. КРАТКОСРОЧНЫЕ И СРЕДНЕСРОЧНЫЕ ПРОГНОЗЫ ПОГОДЫ

Современный уровень развития гидродинамических, физико-статистических и синоптических методов прогноза дает возможность количественного прогноза различных метеорологических элементов и явлений погоды (атмосферного давления, температуры, осадков, скорости и направления ветра, опасных,и стихийных явлений и др.) как в отдельных пунктах, так и на больших территориях. Большое количество прогнозируемых элементов и методов их предвычисления диктует необходимость унификации и автоматизации процесса испытаний.

Принципиально важными при проведении испытаний являются: правильный выбор территории, по которой необходимо проводить оценку;

выбор и контроль фактических данных наблюдений или объективного анализа, используемых для сравнения;

тины синоптических процессов, содержащие случаи с большой и малой изменчивостью фактических полей метеорологических элементов для различных сезонов года;

количество случаев для испытаний, обеспечивающее статистическую достоверность выводов;

единообразие используемых оценок, позволяющее установить надежность проверяемых численных схем и расчетных методов прогноза.

Выполнение указанных требований обеспечит методически правильное проведение производственных испытаний и сравнимость оценок‘в прогностических подразделениях, проводящих испытания.

1.1.    Испытание численных схем прогноза и объективного анализа полей метеорологических элементов и явлений

1.1.1.    Особенности испытания численных схем прогноза

н объективного анализа полей метеорологических элементов

1.1.1.1. Испытание численных схем прогноза и объективного анализа полей метеорологических элементов и явлений погоды обычно проводится в Гидрометцентре СССР, региональных или территориальных центрах, располагающих электронно-вычислительной техникой и обеспечивающих составление численных прогнозов. При испытании новых численных схем должно проводиться

определение их эффективности в сравнении с используемыми численными схемами в данном центре.

1.1.1.2.    Численный прогноз полей метеорологических элементов (давления, геопотенциала, температуры, ветра и др.) рассчитывается для различных уровней атмосферы в узлах регулярной сетки по территориям от региона до полушария с заблаговременностью до 72 ч (краткосрочные прогнозы) и от 72 ч до 10 суток (среднесрочные прогнозы).

1.1.1.3.    При испытании численных схем прогноза и объективного анализа метеорологических элементов необходимо руководствоваться следующими основными положениями:

1)    оценка должна производиться для каждой изобарической поверхности и для каждого срока прогноза отдельно;

2)    территория для оценки прогнозов выбирается в зависимости от назначения численных прогнозов. Оценка надежности численной схемы производится по всей области прогноза, а также по территории, обслуживаемой данным прогностическим центром;

3)    сравнение испытываемой численной модели с используемыми в оперативной работе производится на одном и том же материале, т. е. по одинаковым территориям, регулярным сеткам, срокам прогноза, изобарическим поверхностям, периодам и количеству прогнозов;

4)    испытания численных схем могут проводиться либо в оперативном (полуоперативном) режиме, либо на материале специально разработанного автоматизированного архива стандартных синоптических ситуаций;

5)    случаи для испытания численных схем прогноза метеорологических явлений должны содержать разнообразные‘типы синоптических положений за различные сезоны года с большой и малой фактической изменчивостью полей. При испытании численных схем прогноза барического поля и ветра должны использоваться случаи углубляющихся и заполняющихся циклонов, усиливающихся и разрушающихся антициклонов, стационарных и быстро смещающихся в различных направлениях, случаи появления новых барических образований, при испытании численных схем прогноза температуры воздуха и точки росы — случаи их интенсивной и слабой адвекции, трансформации, выделения теплоты конденсации при выпадении осадков, наличие или отсутствие интенсивных вертикальных движений;

6)    для определения качества численного прогноза метеорологических элементов необходимо рассчитывать статистические оценки. При этом в качестве исходных и фактических данных используются результаты объективного анализа соответствующих полей, применяющихся в данной численной схеме.

Для оценки качества численного прогноза давления и геопотенциала для центров барических образований (циклонов, антициклонов) рассчитываются синоптико-статистические характеристики пу-

тем использования исходных, прогностических и фактических синоптических карт и карт барической топографии;

7)    при оценке качества схемы объективного анализа метеорологических элементов рассчитывают статистические и синоптикостатистические характеристики. Испытываемая схема объективного анализа сравнивается с «ручным» анализом, выполненным синоптиками, с ранее внедренными объективными анализами и с данными метеорологических станций. Приемлемой методикой испытания различных схем объективного анализа является также сравнение качества численных прогнозов, рассчитанных на основе одной прогностической модели, использующей в качестве исходной информации данные сравниваемых объективных анализов;

8)    статистические показатели успешности численных прогнозов и объективного анализа имеют реальный смысл лишь при наличии достаточно длинных рядов испытываемых переменных (расчетных точек), которые обеспечивают необходимый доверительный интервал и репрезентативность рассчитываемых оценок.

Влияние количества расчетных точек на доверительный интервал коэффициента корреляции г и относительной ошибки е можно оценить по следующим формулам:

А г —    —, Дг — Д г—_щ

Vn    ^е

ГДе 8 = втеор = V1 — Г².

В табл. 1 приведены доверительные интервалы для различных значений г и е в зависимости от количества расчетных точек (п).

Таблица 1 Доверительный интервал коэффициента корреляции (Дг) и относительной ошибки (Де)

г егеэр Д г Де л=30 л=ИЗ я—841 л=30 л=143 л—841 0,3 0,95 0,17 0,08 0,03 0,05 0,02 0,01 0,4 0,92 0,15 0,07 0,03 0,06 0,03 0,01 0,5 0,87 0,14 0,06 0,02 0,08 0,03 0,01 0,6 0,80 0,12 0,05 0,02 0,09 0,04 0,02 0,7 0,71 0,09 0,04 0,02 0,09 0,04 0,02 0,8 0,60 0,06 0,03 0,01 0,08 0,04 0,02 0,9 0,44 0,03 0,02 0,01 0,06 0,04 0,02

Принимая во внимание данные табл. 1 и то, что значения г и е рассчитываются с точностью до 0,01, количество расчетных узлов должно в совокупности составлять 1000 или более. Зная количе-

ство расчетных точек по территории одного численного прогноза, легко определить минимальное количество прогнозов, необходимое для получения достоверных значений статистических оценок полей метеорологических элементов. Так, для региона размером 11x13 точек количество оцениваемых прогнозов должно быть не менее 6—7. Однако для обеспечения достаточной репрезентативности оценок прогноза особых точек барических образований (центров циклонов и антициклонов) объем выборки (исходных сроков прогноза) должен быть большим: для полусферных прогнозов — не менее 16 случаев, а для региональных прогнозов (территория ИХ Х13 точек) —нс менее 32 случаев;

9) принимая во внимание, что слишком густая сетка точек увеличивает взаимную корреляцию между исходными данными, используемыми при расчете статистических оценок, расстояние между точками регулярной сетки около 600 км можно считать близким к оптимальному.

1.1.1.4.    Численные прогнозы метеорологических явлений (осадки, шквалы, гололед, град и др.) рассчитываются либо для узлов регулярной сетки, либо непосредственно для пунктов региона с заблаговременностью 12 и 36 ч (день), 24 и 48 ч (ночь).

1.1.1.5.    При испытании численных схем прогноза метеорологических явлений необходимо руководствоваться следующими условиями:

1)    оценка производится для каждого срока прогноза отдельно: для дневных прогнозов — по данным наблюдений о явлениях в период с 9 до 21 ч, для ночных прогнозов — по данным наблюдений в период с 21 до 9 ч;

2)    оценка оправдываемости прогнозов метеорологических явлений производится по пунктам и по районам. Если прогнозы рассчитываются для узлов регулярной сетки, то при оценке оправдываемости прогнозов по пунктам используется выбранная для испытаний сеть метеорологических станций, расположенных на расстоянии не более 50 км от узлов сетки.

Оценка оправдываемости прогнозов по району производится по данным метеорологических станций, находящихся в радиусе, составляющем половину шага сетки (например, радиус 150 км при шаге сетки 300 км). При этом используется вся имеющаяся информация о явлениях погоды в данной зоне на картах погоды за все сроки наблюдений и из донесений об опасных и стихийных явлениях погоды, относящихся к периоду действия прогноза;

3)    при испытании численных схем прогноза метеорологических явлений в выборку должны входить случаи с явлениями и без явлений за соответствующие сезоны;

4)    количество случаев (прогнозов) при испытании указанных численных схем должно составлять не менее 60. Так, для испытания численных схем прогноза осадков, гроз и града можно ограничиться одним летним сезоном, если повторяемость данного явле-

ния по территории региона достаточно велика. В некоторых случаях для обеспечения репрезентативности оценок успешности для различных сезонов года период испытания схем прогноза метеорологических явлений может быть продлен до одного года.

Для сокращения сроков испытаний и получения статистически надежных выводов об успешности схем прогноза явлений с малой природной повторяемостью рекомендуется использовать независимый ряд наблюдений по архивам прошлых лет;

5)    при испытании численных схем прогноза метеорологических явлений, а также полей температуры (точки росы) и ветра с привлечением к испытанию прогностических подразделений эффективность новой схемы выявляется на основании результатов ее сравнения с применяемыми численными моделями, а также расчетными и синоптическими методами прогноза, согласно действующему Наставлению [4] и статистическим оценкам, приведенным ниже;

6)    при отсутствии аналогичных методов и численных схем прогнозов метеорологических явлений следует производить сопоставление качества методических прогнозов с качеством «псевдопрогнозов»: инерционных, случайных и климатических прогнозов (последние— при оценке среднесрочных численных прогнозов). В этих случаях методические прогнозы могут быть признаны удовлетворительными лишь в том случае, когда рассчитанные оценки (или хотя бы часть из них) для этих прогнозов будут выше, чем соответствующие оценки для «псевдопрогнозов».

1.1.2. Оценка качества прогноза и объективного анализа нолей давления воздуха у поверхности Земли и геопотенциала на изобарических поверхностях

Для наиболее полной оценки качества численных схем прогноза и анализа барического поля необходимо использовать статистические и синоптико-статистические характеристики успешности, взаимно дополняющие друг друга. Статистические оценки качества прогнозов, объективно рассчитываемые на ЭВМ, позволяют установить успешность прогнозов в целом и произвести сопоставление различных схем прогноза с целью отбора наилучшей.

Синоптико-статистические характеристики успешности позволяют установить, насколько успешно та или другая численная схема прогнозирует положение, скорость и направление перемещения и эволюцию основных барических образований (циклонов, антициклонов). Расчет синоптико-статистических характеристик успешности производится в основном вручную с использованием исходных, прогностических и фактических карт и поэтому является весьма трудоемким.