Модель прогноза тропических циклонов — это компьютерная программа, которая использует метеорологические данные для прогнозирования аспектов будущего состояния тропических циклонов . Существует три типа моделей: статистические, динамические или комбинированные статистико-динамические. [1] Динамические модели используют мощные суперкомпьютеры со сложным программным обеспечением для математического моделирования и метеорологические данные для расчета будущих погодных условий . Статистические модели прогнозируют эволюцию тропического циклона более простым способом, экстраполируя исторические наборы данных, и, таким образом, могут быстро запускаться на таких платформах, как персональные компьютеры . Статистико-динамические модели используют аспекты обоих типов прогнозирования. Для тропических циклонов существует четыре основных типа прогнозов: траектория , интенсивность, штормовой нагон и осадки . Динамические модели не были разработаны до 1970-х и 1980-х годов, причем более ранние усилия были сосредоточены на проблеме штормовых нагонов.
Модели треков не демонстрировали прогностических способностей по сравнению со статистическими моделями до 1980-х годов. Статистико-динамические модели использовались с 1970-х по 1990-е годы. Ранние модели используют данные из предыдущих прогонов моделей, в то время как поздние модели выдают выходные данные после отправки официального прогноза урагана. Использование консенсусных , ансамблевых и суперансамблевых прогнозов снижает ошибки больше, чем любая отдельная модель прогноза. Как консенсусные, так и суперансамблевые прогнозы могут использовать руководство глобальных и региональных прогонов моделей для улучшения производительности больше, чем любой из их соответствующих компонентов. Методы, используемые в Объединенном центре предупреждения о тайфунах, показывают, что суперансамблевые прогнозы являются очень мощным инструментом для прогнозирования треков.
Первым статистическим руководством, используемым Национальным центром ураганов, был метод анализа ураганов (Hurricane Analog Technique, HURRAN), который был доступен в 1969 году. Он использовал недавно разработанную базу данных тропических циклонов Северной Атлантики для поиска штормов с похожими траекториями. Затем он смещал их траектории по текущему пути шторма и использовал местоположение, направление и скорость движения, а также дату для поиска подходящих аналогов. Метод хорошо справлялся со штормами к югу от 25-й параллели , которые еще не повернули на север, но плохо с системами вблизи или после рекурвации. [2] С 1972 года статистическая модель Climatology and Persistence (CLIPER) использовалась для помощи в составлении прогнозов траекторий тропических циклонов. В эпоху искусных динамических прогнозов CLIPER теперь используется в качестве базовой линии для демонстрации мастерства модели и прогнозиста. [3] Статистический прогноз интенсивности ураганов (SHIFOR) используется с 1979 года для прогнозирования интенсивности тропических циклонов. Он использует климатологию и инерционность для прогнозирования будущей интенсивности, включая текущий юлианский день , текущую интенсивность циклона, интенсивность циклона 12 часов назад, начальную широту и долготу шторма, а также его зональные (восток-запад) и меридиональные (север-юг) компоненты движения. [2]
Серия статистико-динамических моделей, которые использовали уравнения регрессии, основанные на выходных данных CLIPER и последних выходных данных примитивных моделей уравнений, запущенных в Национальном метеорологическом центре, а затем Национальном центре прогнозирования окружающей среды , были разработаны в период с 1970-х по 1990-е годы и получили названия NHC73, NHC83, NHC90, NHC91 и NHC98. [1] [4] В области прогнозирования траекторий тропических циклонов , несмотря на постоянное улучшение динамического модельного руководства, которое происходило с ростом вычислительной мощности, только в десятилетие 1980-х годов численное прогнозирование погоды продемонстрировало свою эффективность , и только в 1990-х годах оно последовательно превосходило статистические или простые динамические модели. [5] В 1994 году была создана версия SHIFOR для северо-западной части Тихого океана для прогнозирования тайфунов , известная как Статистический прогноз интенсивности тайфунов (STIFOR), которая использовала данные 1971–1990 годов для этого региона для разработки прогнозов интенсивности на 72 часа вперед. [6]
Что касается прогнозирования интенсивности, то статистическая схема прогнозирования интенсивности ураганов (SHIPS) использует взаимосвязи между условиями окружающей среды из Глобальной системы прогнозирования (GFS), такими как вертикальный сдвиг ветра и температура поверхности моря , климатология и устойчивость (поведение шторма) с помощью методов множественной регрессии, чтобы составить прогноз интенсивности для систем в северной части Атлантического океана и северо-восточной части Тихого океана. [1] Похожая модель была разработана для северо-западной части Тихого океана и Южного полушария, известная как Статистическая система прогнозирования интенсивности (STIPS), которая учитывает взаимодействие с сушей через входные условия окружающей среды из модели Глобальной оперативной системы прогнозирования ВМС (NOGAPS). [7] Версия SHIPS с компонентом внутреннего распада известна как Decay SHIPS (DSHIPS). Модель уравнения логистического роста (LGEM) использует те же входные данные, что и SHIPS, но в рамках упрощенной динамической системы прогнозирования. [1] В рамках прогнозирования осадков тропических циклонов была разработана модель Rainfall Climatology and Persistence (r-CLIPER) с использованием микроволновых данных об осадках с полярно-орбитальных спутников над океаном и измерений осадков первого порядка с суши, чтобы получить реалистичное распределение осадков для тропических циклонов на основе прогноза траектории Национального центра ураганов. Она действует с 2004 года. [8] Была разработана статистико-параметрическая модель радиусов ветра для использования в Национальном центре ураганов и Объединенном центре предупреждения о тайфунах, которая использует климатологию и устойчивость для прогнозирования структуры ветра на пять дней вперед. [2]
Первая динамическая модель прогнозирования траектории ураганов, модель прогнозирования траектории баротропного тропического циклона Сандерса (SANBAR) [9] , была представлена в 1970 году и использовалась Национальным центром по наблюдению за ураганами в качестве части его оперативного руководства по траектории до 1989 года. Она была основана на упрощенном наборе атмосферных динамических уравнений (эквивалентная баротропная формулировка) с использованием ветра, усредненного по глубинному слою.
В 1972 году была разработана первая модель для прогнозирования штормовых нагонов вдоль континентального шельфа Соединенных Штатов, известная как Специальная программа по перечислению амплитуд нагонов от ураганов (SPLASH). [10] В 1978 году начала работать первая полнофизическая модель отслеживания ураганов, основанная на атмосферной динамике — модель подвижной мелкой сетки (MFM). [11] Квазилагранжева модель ограниченной области (QLM) — это многоуровневая примитивная модель уравнения, использующая декартову сетку и Глобальную систему прогнозирования (GFS) для граничных условий. [2] В начале 1980-х годов было обнаружено, что ассимиляция спутниковых ветров из водяного пара, инфракрасных и видимых спутниковых изображений улучшает прогнозирование траектории тропических циклонов. [12] Модель ураганов Геофизической лаборатории гидродинамики (GFDL) использовалась в исследовательских целях в период с 1973 по середину 1980-х годов. После того, как было установлено, что она может продемонстрировать эффективность в прогнозировании ураганов, многолетний переход преобразовал исследовательскую модель в оперативную модель, которую Национальная метеорологическая служба могла использовать как для прогнозирования траектории, так и для прогнозирования интенсивности в 1995 году. [13] К 1985 году была разработана модель Sea Lake and Overland Surges from Hurricanes (SLOSH) для использования в районах Мексиканского залива и вблизи восточного побережья США, которая оказалась более надежной, чем модель SPLASH. [14]
Модель бета-адвекции (BAM) используется в оперативном режиме с 1987 года с использованием управляющих ветров, усредненных в слое от 850 гПа до 200 гПа, и бета-эффекта, который заставляет шторм дрейфовать на северо-запад из-за различий в эффекте Кориолиса по всему тропическому циклону. [15] Чем больше циклон, тем больше, вероятно, будет воздействие бета-эффекта. [16] Начиная с 1990 года, в оперативном режиме использовались три версии BAM: BAM неглубокий (BAMS) средние ветры в слое от 850 гПа до 700 гПа, BAM средний (BAMM), который использует средние ветры в слое от 850 гПа до 400 гПа, и BAM глубокий (BAMD), который совпадает с BAM до 1990 года. [4] Для слабого урагана без развитой центральной грозовой активности BAMS работает хорошо, потому что слабые штормы, как правило, направляются ветрами низкого уровня. [1] По мере того, как шторм становится сильнее, а связанная с ним грозовая активность вблизи его центра становится глубже, BAMM и BAMD становятся более точными, поскольку эти типы штормов больше направляются ветрами верхнего уровня. Если прогноз из трех версий схож, то прогнозист может сделать вывод о минимальной неопределенности, но если версии сильно различаются, то прогнозист менее уверен в предсказанном пути из-за большей неопределенности. [17] Большие различия между прогнозами моделей также могут указывать на сдвиг ветра в атмосфере, что может повлиять на прогноз интенсивности. [1]
Протестированная в 1989 и 1990 годах, модель Vic Ooyama Barotropic (VICBAR) использовала кубическое B-сплайновое представление переменных для объективного анализа наблюдений и решений уравнений прогнозирования мелководья на вложенных доменах с граничными условиями, определенными как глобальная модель прогноза. [18] Она была реализована в оперативном порядке как модель Limited Area Sine Transform Barotropic (LBAR) в 1992 году с использованием GFS для граничных условий. [2] К 1990 году Австралия разработала собственную модель штормовых нагонов, которую можно было запустить за несколько минут на персональном компьютере. [19] Японское метеорологическое агентство (JMA) разработало собственную модель тайфунов (TYM) в 1994 году, [20] а в 1998 году агентство начало использовать собственную динамическую модель штормовых нагонов . [21]
Модель Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) является специализированной версией модели Weather Research and Forecasting (WRF) и используется для прогнозирования траектории и интенсивности тропических циклонов . Модель была разработана Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), Военно-морской исследовательской лабораторией США , Университетом Род-Айленда и Университетом штата Флорида . [22] Она была введена в эксплуатацию в 2007 году. [23] Несмотря на улучшения в прогнозировании траектории, прогнозирование интенсивности тропического циклона на основе численного прогноза погоды продолжает оставаться сложной задачей, поскольку статистические методы продолжают демонстрировать более высокую точность по сравнению с динамическим руководством. [24] Помимо специализированных руководств, для целей отслеживания и интенсивности используются такие глобальные руководства, как GFS, Unified Model (UKMET), NOGAPS, Japanese Global Spectral Model (GSM), European Centre for Medium-Range Weather Forecasts model, French Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle (ARPEGE) и Aire Limit´ee Adaptation Dynamique Initialisation (ALADIN), Indian National Centre for Medium Range Weather Forecasting model (NCMRWF), Korea's Global Data Assimilation and Prediction System (GDAPS) и Regional Data Assimilation and Prediction System (RDAPS), Hong Kong/China's Operational Regional Spectral Model (ORSM) и Canadian Global Environmental Multiscale Model (GEM). [2]
Некоторые модели не выдают результаты достаточно быстро, чтобы их можно было использовать для цикла прогнозирования сразу после запуска модели (включая HWRF, GFDL и FSSE). Большинству из вышеперечисленных моделей треков (кроме CLIPER) требуются данные из глобальных погодных моделей , таких как GFS, которые выдают результаты примерно через четыре часа после синоптического времени 00:00, 06:00, 12:00 и 18:00 по всемирному координированному времени (UTC). Для половины своих прогнозов NHC выпускает прогнозы только через три часа после этого времени, поэтому некоторые «ранние» модели — NHC90, BAM и LBAR — запускаются с использованием 12-часового прогноза на текущее время. «Поздние» модели, такие как GFS и GFDL, заканчивают работу после того, как рекомендация уже была выпущена. Эти модели интерполируются в текущее положение шторма для использования в следующем цикле прогнозирования — например, GFDI, интерполированная версия модели GFDL. [1] [25]
Использование консенсуса моделей прогнозирования снижает ошибку прогноза. [26] С точки зрения траектории, модель GUNA представляет собой консенсус интерполированных версий GFDL, UKMET с контролем качества, применяемым к трекеру циклонов, моделям NOGAPS ВМС США и GFS. Версия GUNA, скорректированная с учетом смещений модели, известна как CGUN. Консенсус TCON представляет собой консенсус GUNA плюс модель WRF для ураганов. Версия TCON, скорректированная с учетом смещений модели, известна как TCCN. Запаздывающее среднее последних двух запусков членов в рамках модели TCON плюс модель ECMWF известна как консенсус TVCN. Версия TVCN, скорректированная с учетом смещений модели, является консенсусом TVCC. [1]
В начале 2013 года NAVGEM заменила NOGAPS в качестве основной оперативной глобальной модели прогнозирования ВМС. В сезоне 2013 года и до тех пор, пока не будет проведена проверка модели, она не будет использоваться при разработке каких-либо консенсусных прогнозов.
Для интенсивности комбинация моделей LGEM, интерполированной GFDL, интерполированной HWRF и DSHIPS известна как консенсус ICON. Запаздывающее среднее последних двух запусков моделей в консенсусе ICON называется консенсусом IVCN. [1] По всей северо-западной части Тихого океана и Южному полушарию формируется консенсус STIPS из десяти членов на основе выходных данных NOGAPS, GFS, японской GSM, связанной системы прогнозирования мезомасштаба океана и атмосферы (COAMPS), UKMET, японской TYM, GFDL с граничными условиями NOGAPS, модели метеорологического агентства ВВС (AFWA), австралийской системы прогнозирования локальной зоны тропических циклонов и баротропной модели Вебера. [7]
Ни одна модель не является идеально точной, поскольку невозможно узнать все об атмосфере достаточно своевременно, а проводимые атмосферные измерения не являются абсолютно точными. [27] Использование ансамблевого метода прогнозирования, будь то ансамбль из нескольких моделей или многочисленные члены ансамбля, основанные на глобальной модели, помогает определить неопределенность и дополнительно ограничить ошибки. [28] [29]
JMA разработала систему ансамблевого прогнозирования тайфунов из 11 членов, известную как Typhoon Ensemble Prediction System (TEPS), с февраля 2008 года, которая работает на 132 часа вперед. Она использует версию GSM с более низким разрешением (с большим шагом сетки) с десятью возмущенными членами и одним невозмущенным членом. Система уменьшает ошибки в среднем на 40 километров (25 миль) на пять дней вперед по сравнению с GSM с более высоким разрешением. [30]
Florida State Super Ensemble (FSSE) создается из набора моделей, которые затем используют статистические уравнения регрессии, разработанные в течение фазы обучения, чтобы уменьшить их смещения, что дает прогнозы лучше, чем модели-члены или их среднее решение. Он использует 11 глобальных моделей, включая пять, разработанных в Университете штата Флорида , Унифицированную модель, GFS, NOGAPS, модель ВМС США NOGAPS, модель Австралийского бюро метеорологических исследований (BMRC) и канадскую модель Recherche en Prévision Numérique (RPN). Он демонстрирует значительную способность в прогнозировании пути, интенсивности и осадков тропических циклонов. [31]
Система Systematic Approach Forecast Aid (SAFA) была разработана Объединенным центром предупреждения о тайфунах для создания выборочного консенсусного прогноза, который исключал из рассмотрения больше ошибочных прогнозов в 72-часовом временном интервале с использованием модели ВМС США NOGAPS, GFDL, глобальных и тайфунных моделей Японского метеорологического агентства, а также UKMET. Все модели улучшились за пятилетнюю историю SAFA, и удаление ошибочных прогнозов оказалось сложным в ходе операций. [32]
Отчет 2010 года связывает низкую активность солнечных пятен с высокой активностью ураганов . Анализ исторических данных показал, что вероятность того, что хотя бы один ураган ударит по континентальной части США в год пиковой активности солнечных пятен, составляет 25%, а в год низкой активности солнечных пятен — 64%. В июне 2010 года предсказатели ураганов в США не использовали эту информацию. [33]
Точность моделей прогнозирования ураганов может значительно различаться от шторма к шторму. Для некоторых штормов факторы, влияющие на траекторию урагана, относительно просты, и модели не только точны, но и дают схожие прогнозы, в то время как для других штормов факторы, влияющие на траекторию урагана, более сложны, и разные модели дают очень разные прогнозы. [34]
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)