Субсезонное-сезонное прогнозирование (ССП): на пути к бесшовному прогнозированию

Фредерик Витар и Энди Браун, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП)

Исторически существует чёткое разграничение между прогнозированием погоды и климата, хотя и там и там используют аналогичные численные средства. Прогнозирование погоды, которое, по существу, связано с проблемой начальных атмосферных условий, представляет собой прогнозирование суточных погодных условий с заблаговременностью от нескольких часов до двух недель. Прогнозирование климата, которое связано с проблемой граничных условий, представляет собой прогнозирование колебаний климата, осреднённых за сезон или более продолжительный период. Это разделение по временным масштабам между прогнозированием погоды и прогнозированием климата стало причиной разделения между метеорологическим и климатическим научными сообществами. Однако сближение, вызванное растущим осознанием того, что погода и климат происходят в рамках непрерывного процесса, охватывающего различные временные и пространственные масштабы, также имеет место.

Взаимосвязанные явления, происходящие в различных масштабах на всём протяжении этого непрерывного пространственно-временного процесса, дают основания для прогнозируемости в масштабах от нескольких часов до нескольких недель, месяцев, лет, десятилетий и более (Hoskins, 2012). Временной диапазон от субсезонного до сезонного (ССП), который соответствует прогнозам с заблаговременностью более двух недель, но менее сезона, заполняет пробел между прогнозированием погоды и климата и представляет собой центральный компонент для бесшовного прогнозирования погоды и климата. Бесшовный подход в полной мере использует общность науки и непрерывность масштабов и, по мере возможности, направлен на использование единой системы моделирования, чтобы выпускать прогнозы во всех временных масштабах — от метеорологических до сезонных и в более долгосрочных климатических масштабах (Brunet et al., 2010).

Успехи в малоизученной области прогнозируемости

ССП часто считают сложным временным диапазоном для прогнозирования погоды. Он является слишком длинным для того, чтобы достаточно хорошо помнить начальные атмосферные условия и слишком коротким для того, чтобы достаточно сильно ощущать изменения граничных условий атмосферы (таких как температура поверхности моря), затрудняя тем самым преодоление консервативности. Первые попытки (Molteni et al., 1986) выпускать прогнозы с расширенным сроком действия потерпели неудачу, но значительно лучше было пытаться, чем просто упорно продолжать выпускать среднесрочные оперативные прогнозы. В течение долгого времени неутешительные результаты подтверждали мысль о том, что временной масштаб ССП был «пустыней в области прогнозируемости».

В последнее десятилетие интерес к временному диапазону ССП возродился вновь благодаря открытию источников прогнозируемости на основе процессов в атмосфере, океане и на суше, хотя эти процессы пока что не полностью понятны. К этим источникам относятся колебание Маддена-Джулиан (КМД) в тропиках, взаимодействие между стратосферой и тропосферой, почвенная влага, снежный и ледяной покров и температура поверхности моря.

В начале 2000-х годов лишь Японское метеорологическое агентство и Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП) выпускали оперативные прогнозы в субсезонном временном диапазоне. Сегодня, по меньшей мере, десять оперативных центров и большинство Глобальных центров подготовки прогнозов (ГЦП) ВМО регулярно выпускают прогнозы в диапазоне ССП. Они обеспечивают прекрасную возможность обществу принимать обоснованные решения за счёт использования успешных прогнозов рисков экстремальных погодных явлений.

В некоторых аспектах, касающихся прогнозов, достигнуты большие успехи. Например, в последние годы значительно повысилась успешность прогнозов КМД с помощью численных моделей (см. рис. 1). Но, по-прежнему, предстоит решить ещё ряд сложных задач, чтобы в некоторых областях применения использовать субсезонные прогнозы достаточно надёжно и успешно.

Сближение моделей

Как уже упоминалось, модели климата и численного прогноза погоды (ЧПП) основаны на одной и той же системе численных представлений полных уравнений. Однако модели климата обычно включают дополнительные компоненты системы Земля, чтобы представлять процессы, которые являются важными для более продолжительных временных масштабов. К ним относятся океан и криосфера, более полное представление поверхности суши, а также химия атмосферы (аэрозоли, озон, парниковые газы и др.). Предполагается, что временная эволюция этих компонентов слишком мала, чтобы оказывать значительное влияние на глобальные прогнозы погоды с заблаговременностью несколько дней Несмотря на это, дополнительная сложность моделей климата компенсируется более высоким разрешением и более тонкой формулировкой начальных условий в прогнозировании погоды.

Тем не менее исторически сложившиеся различия между моделями погоды и климата становятся всё более расплывчатыми при наличии прогнозов ССП в центре этого сближения. Это вызвано желанием метеорологического сообщества использовать более сложные модели, включающие дополнительные компоненты системы Земля, позволяющие расширить пределы для дальнейшего повышения успешности прогнозов.

С другой стороны, климатическое сообщество всё больше заинтересовано в проблеме начальных атмосферных условий и в статистических данных о погоде в условиях изменяющегося климата. Существует также мощный стимул тестировать модели климата в метеорологической конфигурации, чтобы идентифицировать систематические погрешности и повышать прогнозируемость метеорологических явлений. В этом, например, состоит цель проекта ВМО «Преобразованный вариант AМИП», в рамках которого модели климата используются экспериментально для прогноза погоды. Также прилагались усилия для реализации моделей прогноза погоды в климатическом режиме, чтобы проверить эволюцию систематических  погрешностей, связанных с медленно изменяющимися граничными условиями (Hazeleger et al., 2010).

С физической точки зрения не существует веских причин, обусловливающих различие между моделями погоды и климата, и некоторые оперативные центры, такие как Метеорологическое бюро Соединенного Королевства, уже используют одну и ту же модель атмосферы^[1] для прогнозирования погоды и климата. Это движение к бесшовному прогнозированию оказывает положительное воздействие на субсезонное прогнозирование, где прогнозируемость связана с начальными условиями, а также с граничными условиями.

Модель ЕЦСПП

ЕЦСПП даёт ещё один пример движения к бесшовному прогнозу во всех временных масштабах. Когда сезонное прогнозирование стало применяться в ЕЦСПП в 2004 году, прогнозы с расширенным сроком действия выпускались на основе системы прогнозирования, отличавшейся от той, которая использовалась для среднесрочного прогнозирования (высокое разрешение, только атмосфера) и сезонного прогнозирования (низкое разрешение, сопряжённая система океан—атмосфера). В то время система прогнозирования с расширенным сроком действия использовала характеристики двух других систем (среднее разрешение, сопряжённая система океан—атмосфера). В 2008 году для среднесрочного прогнозирования и прогнозирования с расширенным сроком действия стали использовать единую системой, при этом прогнозы с расширенным сроком действия выпускались дважды в неделю как расширение среднесрочных прогнозов до 32 дней. Это был первый шаг к системе бесшовного прогнозирования в ЕЦСПП.

В период такого слияния океан и атмосфера рассматривались как сопряженная система лишь после десятого дня постоянного воздействия на атмосферу аномалий температуры поверхности моря. Однако в 2013 году система ансамблевых прогнозов ЕЦСПП стала сопряжённой с нулевого дня (Janssen et al., 2013).

Важной мотивацией для этого шага послужил прогноз ССП, в котором, в частности, сопряжение атмосферы и океана оказало влияние на прогноз КМД. Оказалось, что сопряжение атмосферы и океана также оказывает положительное воздействие на среднесрочное прогнозирование, особенно на прогнозирование интенсивности тропических циклонов, и с 2017 года система детерминистических среднесрочных прогнозов высокого разрешения также сопряжена с интерактивной системой океана. Также наблюдается сближение системы ансамблевого среднесрочного прогнозирования и прогнозирования с расширенным сроком действия и системы сезонного прогнозирования с момента реализации самой последней системы сезонного прогнозирования (SEAS5)  причем физические параметры модели в настоящее время очень схожи (хотя пока что не идентичны) во всех системах.

Субсезонный-сезонный временной диапазон, как и другие временные диапазоны, также может получать пользу из возросшей сложности моделирования земной системы. Эта возросшая сложность может помочь в разработке новых видов продукции непосредственно на основе интеграции моделей, а с помощью обратной связи относительно метеорологических прогнозов может содействовать выпуску более успешных и надёжных прогнозов ССП. Например, в ЕЦСПП модель волнения сопряжена с компонентами океана и атмосферы прогностической системы вместо более традиционного подхода, предусматривающего воздействие апостериори атмосферных полей, взятых из прогнозов ССП, на отдельную модель волнения, эксплуатируемую в режиме офлайн. Такая полная интеграция модели волнения в прогностическую систему ЕЦСПП оказывает положительное воздействие на прогноз ветров в приземном слое и позволяет осуществлять более комплексную подготовку прогностической продукции. В будущем другие компоненты, такие как состав атмосферы и гидрология, могут также стать частью более бесшовной и интегрированной прогностической системы.

Информационная основа для принятия решений

Прогнозирование ССП являет собой прекрасную возможность для оказания помощи лицам, принимающим решения, путём предоставления достоверных прогнозов риска экстремальных метеорологических явлений. Погода и климат охватывают полный спектр временных масштабов, и прогностическая информация с различной заблаговременностью актуальна для разных видов решений и заблаговременных предупреждений. При уменьшении сезонного масштаба полученный прогноз с заблаговременностью меньше сезона может помочь при выборе сроков посева культур, а прогнозы с заблаговременностью меньше месяца могут помочь при планировании орошения и применении пестицидов и удобрений путём включения календаря выращивания сельскохозяйственных культур в прогноз ССП в качестве одной из его функций, делая тем самым этот календарь динамичным во времени. В ситуациях, когда сезонные прогнозы уже используются, субсезонные прогнозы могли бы использоваться в качестве уточнения, например, при оценке урожайности в конце сезона. Субсезонные прогнозы могут играть особенно важную роль там, где начальные условия и внутрисезонное колебание обеспечивают в результате хорошую субсезонную прогнозируемость, тогда как сезонная прогнозируемость является слабой, как в случае индийского летнего муссона.

При увеличении масштаба применения ЧПП, которое значительно более развито, чем численное прогнозирование в увеличенном масштабе, появляется потенциальная возможность увеличить заблаговременность прогнозирования паводков с помощью гидравлических моделей «осадки—сток». В контексте гуманитарной помощи и обеспечения готовности к бедствиям Климатический центр Красного Креста и Международный научно-исследовательский институт по климату и обществу (ИРИ) предложили концепцию «На старт, внимание, марш» для использования прогнозов во временных масштабах от масштабов прогнозирования погоды до сезонных.

• Сезонные прогнозы используются, чтобы начать мониторинг субсезонных и краткосрочных прогнозов, скорректировать планы действий в непредвиденных обстоятельствах, обучить волонтёров и обеспечить условия для работы систем заблаговременных предупреждений (на старт).
• Прогнозы с заблаговременностью менее месяца используются, чтобы оповестить об опасности волонтёров и предупредить сообщества (внимание).
• Затем используются прогнозы погоды, чтобы инициировать работу волонтёров, распространить инструкции в сообществах и при необходимости эвакуировать людей (марш).

На рис. 2 показан пример парадигмы «На старт, внимание, марш» для прогноза тропического циклона «Яси» (категория опасности 5), который вышел на сушу в северной части штата Квинсленд (Австралия) 3 февраля 2011 г., нанеся большой ущерб пострадавшим территориям. Эта парадигма могла бы быть полезна и в других отраслях как средство определения вклада субсезонных прогнозов в развитие климатического обслуживания в рамках Глобальной рамочной основы для климатического обслуживания (ГРОКО).

Научно-исследовательский проект ВМО

На основе потенциальной возможности и потребности в повышении успешности прогнозов во временных масштабах от субсезонного до сезонного и для заполнения пробела между прогнозированием погоды и климата объединёнными усилиями Всемирной программы метеорологических исследований (ВПМИ) и Всемирной программы исследований климата (ВПИК) был создан исследовательский проект по ССП. Его основная цель состоит в том, чтобы повысить успешность прогнозов и их понимание в масштабе ССП и поддержать его освоение оперативными центрами и использование сообществом, занимающимся применениями
(Vitart et al., 2012).