Сравнительный анализ качества прогноза траектории долгоживущего ПМЦ в Баренцевом и Карском морях в ноябре – декабре 2024 года по результатам моделирования и последующих расчетов по авторской методике локализации областей риска ПМЦ в режимах холодного старта и усвоения дополнительных синоптических и спутниковых данных

В НПО «Тайфун» был разработан программный комплекс, в состав которого входит полярная версия модели WRF (PWRF) и комплекс программ (в том числе и программ запуска расчетов по расписанию), позволяющих в автоматическом режиме формировать вероятностные прогностические карты угроз возникновения и перемещения ПМЦ в заданном районе на базе авторской методики. Расчетная область в данный момент включает в себя всю акваторию Баренцева и Карского морей, а также большую часть моря Лаптевых – это области, где сравнительно часто наблюдаются ПМЦ. В качестве начальных и граничных условий при проведении расчетов используются прогностические данные глобальной модели GFS с разрешением 0,5 (счет от 00 ч UTC).
Разработанная технологическая линия была запущена в работу в тестовом режиме [Петриченко и др. 2023, 2024]. В 2023 году были проведены ее авторские, а в 2024 году – независимые испытания в ААНИИ. В ходе независимых испытаний результаты прогностических расчетов для ААНИИ выкладывались на ежедневной основе на FTP-сервере НПО «Тайфун». Верификация прогнозов производилась в ААНИИ на базе спутниковых изображений с сайта Метео-Сибирь (Арктика-М №1 и №2). По результатам трех этапов проведенных независимых испытаний общая оправдываемость прогноза оценивается в 75%, доля ложных прогнозов – 5%, пропуск ПМЦ – 19% и 1% составили неверифицируемые прогнозы, из-за отсутствия на это время спутниковых данных. Очевидно, что пока основной проблемой требующей решения является снижение числа пропусков ПМЦ (повышение предупрежденности ПМЦ).
Разработанная в 2020-2024 гг. методика прогноза ПМЦ основывается на использовании специально отобранного перечня предикторов, рассчитываемых по выходным данным численной модели Polar WRF (PWRF) – иными словами в текущей версии технологии прогноз ПМЦ базируется только на прогностических данных.
Представляется перспективным для повышения качества прогноза ПМЦ включить в состав разработанной технологии новые модули, связанные с работой со спутниковыми данными (их усвоение в модели PWRF стандартными средствами пакета WRFDA по схеме 3D-VAR), а также, синоптическими данными и данными наземных наблюдений. Исходя из уже известного опыта усвоения спутниковых данных в численных моделях, предполагается в первую очередь ассимилировать данные о приводном ветре.
В докладе приведены первые сравнительные результаты расчетов «прогностических» траекторий долгоживущего ПМЦ, наблюдавшегося в Баренцевом и Карском морях в период с 28 ноября по 3 декабря 2024 года. Расчеты проводились как с использованием разработанного базового программного комплекса, предполагая учет начальных данных из результатов глобального моделирования GFS (холодный старт), так и варианта, включающего в себя блоки усвоения синоптических и спутниковых данных. Для оценки точности представления прогностической траектории «реальная» траектория вышеуказанного ПМЦ была построена на основе данных реанализа ERA5 (поле ветра на уровне 850 гПа).
Вычислительные эксперименты проведены в различных конфигурациях для выбора наилучшей с точки зрения качества прогноза траекторий ПМЦ. В частности конфигурации с использованием различных шагов сетки (8 и 12 км), различных стартовых сроков для запуска моделирования (18 ч и 12 ч предыдущих суток, а также 0 ч текущих суток), различных спутниковых данных для усвоения (SYNOP+ASCAT, AMSU-A, ATMS, HIRS, MHS), различных режимов усвоения (весь комплекс данных и данные каждого прибора по отдельности).
По результатам проведенных вычислительных экспериментов анализировалась пространственная ошибка воспроизведения моделью WRF траекторий ПМЦ (Ed) и полнота их воспроизведения (Ep). Установлено, что на сетке 12 км без усвоения данных средняя ошибка Ed составила 126 км, Ep – 92%, с усвоением: Ed – 112 км, Ep – 92%. На сетке 8 км без усвоения: Ed -113 км, Ep – 93%, с усвоением: Ed – 108 км, Ep – 87%. Кроме того установлено, что при старте счета в 12 ч или в 18 ч наилучшие результаты показывает схема одиночного усвоения данных AMSU-A (Ed – 111 км, Ep – 99%), вероятно по причине учета (усвоения) большего количества данных от этого прибора в пределах расчетной области. Однако в целом отличие результатов от использования тех или иных данных можно считать незначительным (∆Ed не более 10 км, ∆Ep не более 6%).
Наилучшие результаты (плавная, цельная траектория, идущая вдоль реальной с некоторым систематическим смещением) отмечаются на участке перемещения ПМЦ по открытой воде, на участке, где ПМЦ пересекает сушу качество прогноза заметно ухудшается - отмечаются скачкообразные, разрывные траектории, воспроизводящие лишь часть длины реальной траектории.
С учетом полученных результатов предлагается модифицировать схему численного моделирования в работе программного комплекса прогноза ПМЦ: уменьшить шаг расчетной сетки с 12 до 8 км, расширить западные границы расчетной области, включить схему усвоения данных (доступных на момент запуска) и отложенного старта в 18 ч.