Сопоставление результатов прогнозирования полей температуры и давления глобальных моделей NCEP и Exeter, применяемых в спутниковом анализе параметров облачного покрова и осадков

Прогностическая информация о температуре приземного воздуха (Та), атмосферном давлении на уровне моря (Psea) и температуре воздуха на стандартных барических уровнях (Та-р, р – барический уровень в гПа) необходима для детектирования параметров облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по спутниковым данным. При этом точность спутниковой классификации сильно зависит от точности дополнительной информации. Авторами было проведено сопоставление разных видов прогностической информации (численный анализ и прогноз Exeter (Великобритания, за 0 и 12 ч ВСВ, разрешение 2,5°), прогноз NCEP (National Centers for Environmental Prediction (GFS - Global Forecast System), США, за 0, 6, 12 и 18 ч ВСВ, разрешение 0,5°) с заблаговременностью 0 ч (NCEP00) и 6 ч (NCEP06)) друг с другом и с наземными наблюдениями на метеостанциях (сроки 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч ВСВ) о Та, Psea и Та-р, в т.ч. с разным пространственным и временным разрешением. Исследования выполнены отдельно для северного и южного полушарий и всего земного шара, а также для Европейской территории России (ЕТР) и сопредельных стран за несколько лет (для анализа и прогноза Exeter с 2011 г., для NCEP00 с 2015 г., а для NCEP06 с 2017 г. по август 2018 г.). Было выявлено следующее:
--- данные анализа и прогноза Exeter, а также прогнозов NCEP00 и NCEP06 о Psea слабо отличаются друг от друга и от наземных наблюдений Psea, особенно начиная с 2017 г.: для любых сочетаний контрольных и тестируемых данных среднемесячные средние по региону dev≤±1-2 гПа, однако для отдельных точек, в т.ч. метеостанций, сроков и дней, возможны dev до ±100-140 гПа. Среднемесячные средние по региону СКО=3-7 гПа (для южного полушария и данных NCEP при сопоставлении с наземными наблюдениями СКО=7-12 гПа). Сезонный и суточный ходы среднемесячных значений dev и СКО для северного полушария обычно хорошо выражены, а для южного − нет. Для ЕТР годовые амплитуды значений dev и СКО, а также локальные экстремумы dev заметно меньше, чем для северного полушария в целом. Таким образом, все 4 вида информации о Psea достаточно точно описывают реальную ситуацию в целом при сопоставлении с наземными наблюдениями и взаимозаменяемы (особенно для северного полушария, в т.ч. ЕТР; для южного полушария прогнозы NCEP менее точны);
--- данные анализа Exeter сильно (dev=4-11 К, СКО=4-14 К), особенно для сроков 9, 12 и 15 ч ВСВ, занижают значения Та относительно наземных измерений на метеостанциях. Точность прогноза Exeter слабо зависит от срока (среднемесячные dev≤±2,5 К, СКО=2-6 К в зависимости от срока, региона и сезона). Максимум отличий приходится на тёплый период года и 9-15 ч ВСВ, минимум – на холодный и 0-3 ч ВСВ. В южном полушарии годовой ход значений dev более сглаженный, чем в северном. Для северного полушария прогнозы NCEP обычно на 1-6 К завышают (в зависимости от месяца и срока), а для южного на столько же занижают значения Та относительно наземных измерений (СКО=4-20 К). Сезонный и суточный ходы среднемесячных средних по региону значений dev и СКО сильнее выражены для северного полушария, чем для южного. Данные анализа Exeter занижают оценки Та относительно прогноза Exeter в среднем на 4-6 К (СКО=4-10 К) практически независимо от срока, сезона и региона (для ЕТР для летних месяцев и срока 12 ч ВСВ dev до 14 К (СКО до 16 К)). Оценки Та по данным анализа Exeter оказываются заниженными и относительно прогноза NCEP на 2-15 К (СКО=3-18 К) в зависимости от региона, сезона и срока (максимум различий летом для 6 и 12 ч ВСВ для северного полушария (особенно ЕТР); для южного полушария различия минимальны). Отличие оценок Та прогноза Exeter от прогноза NCEP заметно меньше: в зависимости от срока, сезона и региона dev≤±3 К, СКО=2-10 К: для северного полушария (особенно ЕТР) летом для сроков 6 и 12 ч прогноз NCEP заметно завышает значения Та относительно прогноза Exeter, а зимой, наоборот, на столько же занижает; для южного полушария различия минимальны. Прогнозы NCEP00 и NCEP06 независимо от срока, сезона и региона различаются не более чем на ±0,5 К, СКО<1 К (в среднем за месяц по региону); для северного полушария, в т.ч. ЕТР, различия больше, чем для южного. Таким образом, данные о Та прогнозов Exeter и NCEP можно условно считать похожими и взаимозаменяемыми (особенно для южного полушария), хотя для отдельных точек, сроков и дней dev до ±80 К. Для северного полушария (особенно ЕТР) взаимозаменять прогнозы Exeter и NCEP следует с большой осторожностью. Данные анализа Exeter о Та (особенно для срока 12 ч ВСВ лета и северного полушария (особенно для ЕТР)) следует считать уникальными, т.к. они слишком сильно отличаются как от наземных измерений Та, так и от прогнозов Exeter и NCEP;
---- независимо от барического уровня, срока, сезона и региона заблаговременность прогнозов NCEP почти не влияет на качество оценок Та-р: dev<±0,5 К, СКО≤0,5-1 К. Данные анализа и прогноза Exeter заметно различаются только для самых нижних слоёв атмосферы (Та-1000 и Та-925): в зависимости от сезона, срока и региона dev≤±2-4 К (для ЕТР сезонный ход сильнее выражен, чем для северного полушария); СКО=4-12 К с хорошо заметным сезонным ходом (максимум значений dev и СКО у Та-1000 в тёплый период года, а у Та-925 в холодный), особенно для ЕТР. Для остальных барических уровней dev≈0 К, а СКО=2-6 К (до 2017 г.) или dev=СКО=0 К (начиная с 2017 г.). Различия оценок Та-р между данными анализа и прогноза Exeter и прогнозом NСEP минимальны только для самых нижних слоёв атмосферы: dev≤±3 К, СКО=2-10 К (прогноз NCEP занижает значения Та-1000 и завышает Та-925 относительно анализа и прогноза Exeter). С повышением барического уровня различия в оценках Та-р нарастают: прогноз NCEP существенно завышает (независимо от сезона, срока и региона) значения Та-р относительно анализа и прогноза Exeter для уровней от 850 гПа (dev≈6 К, СКО≈7 К) до 300 гПа (dev≈15 К, СКО≈16 К). Для уровней 250 гПа и особенно 200 гПа только для ЕТР dev≈0 К (СКО=3-7 К), а для полушарий dev=-4 ÷ -9 К (СКО=7-10 К). Таким образом, данные анализа и прогноза Exeter и прогноза NCEP можно взаимозаменять только для Та-1000 и Та-925, а для средних и верхних слоёв атмосферы − только данные анализа и прогноза Exeter (Та-р по данным прогнозов NCEP существенно завышена по сравнению с ними);
--- рассматриваемые виды (анализ Exeter, прогноз Exeter, прогноз NCEP) данных о Psea, Та и Та-р не являются полностью взаимозаменяемыми (только прогноз NCEP с разной заблаговременностью). Поэтому необходимо создавать 3 разных варианта методик отдельно для каждого вида используемых данных: для анализа Exeter, прогноза Exeter и прогноза NCEP. Иначе при использовании единой методики при переходе с одной прогностической модели на другую возможны серьёзные ошибки классификации;
--- данные анализа Exeter о Psea, Та и Та-р более надёжны для климатических исследований, т.к. в целом, ближе к наземным оценкам и более стабильны по качеству, чем данные прогнозов Exeter и NCEP, которые иногда испытывают достаточно сильные и резкие изменения («всплески» значений dev и СКО) на протяжении как одного, так и нескольких месяцев (например, в течение всего 2016 г., в июле 2018 г. и др.).;
--- заблаговременность (0 или 6 ч), пространственное (0,5° или 2,5°) и временное (2 или 4 раза в сутки) разрешение прогностической информации, в т.ч. пространственная и временная интерполяция для промежуточных сроков и точек, оказывают существенно меньшее влияние на результаты классификации, чем прогностическая модель.