Aktuality SHMU

Nový regionálny ansámblový systém s vysokým rozlíšením

V rámci regionálnej spolupráce pre numerické modelovanie na ohraničenej oblasti v strednej Európe (RC LACE) bol vyvinutý nový ansámblový predpovedný systém s vysokým rozlíšením ALARO - Limited Area Ensemble Forecasting (A-LAEF). Tento systém je zameraný na ansámblovú predpoveď na najbližšie 3 dni.

Jeho hlavným cieľom je poskytovať pravdepodobnostnú predpoveď s vysokým rozlíšením pre národné meteorologické služby partnerov RC LACE (Česká republika, Maďarsko, Poľsko, Rakúsko, Rumunsko, Slovensko a Slovinsko). A-LAEF systém je v operatívnej prevádzke na výpočtovom klastri v európskom centre pre strednodobú predpoveď počasia (ECMWF), pretože žiadny z RC LACE partnerov nemá na to dostatočne výkonný počítač. Výstupy z A-LAEF systému okrem bežnej prevádzky v centre predpovedí a výstrah na SHMÚ (CPV) nájdu svoje využitie aj v nadväzujúcich hydrologických, energetických a nowcastingových modeloch.

Obr 1. Ukážka prediktability oblačnosti v 18 hodinovej predpovedi z 12 UTC pre oblasť Slovenska (16 perturbovaných členov A-LAEF ansámbla).

Prediktabilita atmosféry

Fyzikálne procesy v zemskej atmosfére a na zemskom povrchu sa síce riadia fyzikálnymi zákonmi, ale schopnosť tieto javy predpovedať je napriek tomu značne obmedzená. Je to dané predovšetkým tým, že dynamika atmosferických procesov je veľmi citlivá na počiatočné podmienky. Aj malá zmena počiatočného stavu dokáže niekedy vyvolať veľké zmeny na dlhších časových škálach. Odborne tomu hovoríme prediktabilita. Názorná ukážka prediktability predpovedanej ansámblovým systémom A-LAEF je demonštrovaná na obrázku č.1 (žiadne dve predpovede zo 17-členného ansámbla nie sú úplne identické). Čím menšie a kratšie trvajúce javy sa snažíme predpovedať, tým väčšia neurčitosť tam bude. Pri zvyšovaní priestorového rozlíšenia modelov sa preto v meteorológii stáva simulácia týchto neurčitostí čoraz dôležitejšou. Modely, ktoré s neurčitosťami pracujú, a teda nerobia čisto deterministické predpovede (“bude presne takto a nijako inak”), sa nazývajú ansámblové systémy. Neurčitosť pritom nie je iba v počiatočnom stave atmosféry, ale aj v samotnom predpovednom modeli, kedže žiadny model nepopisuje realitu dokonale. V meteorológii sme navyše limitovaní aj dostupným výpočtovým výkonom, lebo predpoveď treba spočítať v reálnom čase. Preto niektoré procesy musia byť v modeli zjednodušené alebo empiricky popísané (parametrizované), z čoho samozrejme pramenia ďalšie neurčitosti. 

V novom ansámblovom systéme A-LAEF používame rôzne sofistikované metódy na simuláciu takýchto neistôt v počiatočných podmienkach aj v numerickom modeli, zatiaľ čo neurčitosť na hraniciach výpočtovej oblasti je predpísaná globálnym ansámblom z ECMWF. Simuláciu neurčitosti robíme väčšinou aplikovaním tzv. perturbácií (malých zmien) oproti pôvodným hodnotám meteorologických prvkov tak, aby boli zmysluplne zachované ich fyzikálne vlastnosti určené prírodnými zákonmi (hlavne zákon zachovania energie). Samotný ansámbel potom pozostáva z viacerých možných scenárov vývoja atmosféry a vo výsledku preto vieme pracovať s pravdepodobnosťou výskytu predpovedaného javu. Veľkou výhodou oproti klasickej numerickej predpovedi je, že ansámblový systém dokáže často zachytiť aj extrémne prejavy počasia, ktoré v konkrétnej deterministickej predpovedi môžu vďaka nižšej prediktabilite úplne chýbať.

A-LAEF systém

Nový A-LAEF systém pozostáva zo 16-ich perturbovaných členov a jedného kontrolného (neperturbovaného) behu, všetky s horizontálnym rozlíšením 4.8 km a 60 vertikálnymi hladinami. Celý ansámbel teda obsahuje 17 rôznych predpovedí vo vysokom rozlíšení. Oblasť výpočtu A-LAEF systému je možné vidieť na obrázku č.2. Celkový počet uzlových bodov v doméne, kde prebiehajú výpočty, je takmer milión (937 500). Ak chceme mať lepšiu predstavu o objeme výpočtov, ktoré je nutné vykonať, musíme si toto číslo ďalej vynásobiť počtom vertikálnych hladín, počtom prognostických parametrov, počtom časových krokov v predpovedi a počtom všetkých členov ansámbla (a dostaneme číslo okolo 20 biliónov!). 

Obrázok č.3 znázorňuje schému procesov prebiehajúcich pre každý jeden člen ansámbla (prípravu vstupných dát z globálneho modelu a výrobu okrajových podmienok, asimilačný cyklus s perturbovanými meraniami, integráciu modelu s multi-fyzikou a so stochastickou perturbáciou fyzikálnych tendencií, výrobu a prenos výstupných produktov a niekoľko nutných manažovacích procesov). Tento systém počítame 2-krát za deň pre termíny 00 a 12 UTC na nasledujúcich 72 hodín. Výpočet celého ansámbla z jedného termínu na 4896-ich jadrách výpočtového klastra v ECMWF (17x288) trvá približne 2 hodiny.

Obr 2. Výpočtová oblasť A-LAEF systému a jej modelová topografia.

Obr 3. Schéma A-LAEF systému znázorňujúca procesy v rámci jedného člena ansámbla.

Verifikácia a prípadové štúdie

Hlavnou motiváciou pre vývoj a prevádzku ansámblového systému s vysokým rozlíšením A-LAEF je samozrejme jeho pridaná hodnota voči globálnemu ansámblu ECMWF. Túto pridanú hodnotu dokazuje jednak vzájomné porovnanie verifikačných skóre oboch systémov (obrázok č.4) a tiež viaceré prípadové štúdie z praxe (obrázky č.5 až 9).

Verifikácia

Štatistické skóre ukazuje signifikantné zlepšenie rozptylu A-LAEF ansámbla oproti ECMWF riadiacemu modelu pre teplotu aj relatívnu vlhkosť a zároveň zmenšenie ich strednej kvadratickej chyby RMSE (obrázok č.4 - a,b). Pre zrážky je skóre neutrálne (obrázok č.4 - c), čo môže byť spôsobené kratším verifikačným obdobím a tiež tzv. dvojitou penalizáciu v dôsledku vyššieho rozlíšenia A-LAEF systému. Stredná chyba A-LAEF ansámbla (obrázok č.4 - d,e,f) je nižšia hlavne zo začiatku predpovedného obdobia a podobne ako RMSE je menej ovplyvnená denným chodom meteorologických prvkov než v prípade ECMWF. Toto je hlavne vďaka ALARO fyzike v A-LAEF systéme, ktorá je lepšie prispôsobená vyššiemu rozlíšeniu. Čo sa týka percenta outlierov, A-LAEF systém je signifikantne lepší ako riadiaci model ECMWF pre všetky zobrazené parametre (obrázok č.4 - g,h,i). Toto znamená, že A-LAEF sa v krátkodobej predpovedi lepšie “triafa” svojím rozptylom do reálnych scenárov vývoja počasia ako riadiaci ECMWF ansámbel. Podobné zlepšenie štatistických skóre A-LAEF systému oproti referencii je možné vidieť aj pre rýchlosť vetra a iné parametre (nie je ukázané).

Obr 4. Verifikácia predpovedí systému A-LAEF (červená plná čiara) a ECMWF (čierna prerušovaná čiara), tieňované plochy predstavujú interval spoľahlivosti (10-90%). RMSE a rozptyl ansámbla (prvý riadok), BIAS (druhý riadok) a OUTLIERS (tretí riadok) pre teplotu (a, d, g), relatívnu vlhkosť (b, e, h) a 6-hodinové úhrny zrážok (c, f, i). Na horizontálnej osi je dĺžka predpovede v hodinách.

Prípadové štúdie

Kvalitu A-LAEF systému však najlepšie dokazujú aj viaceré prípadové štúdie extrémnych prejavov počasia z praxe. Jednou takouto udalosťou boli prívalové zrážky v Turecku zo 17. augusta 2019 (obrázok č.5). Silné zrážky súvisiace s mezoškálovým konvektívnym systémom postihli niekoľko okresov Istanbulu a spôsobili rozsiahle povodne. Podľa správ z médií jedna osoba zahynula, viaceré domy boli poškodené a zaplavilo niekoľko ulíc, čo viedlo k závažnému narušeniu dopravy v meste.

Predpoveď zrážkového poľa A-LAEF systému pre daný termín veľmi dobre korešponduje s analýzou poveternostnej situácie aj so satelitným pozorovaním oblačnosti (obrázok č.5). V doméne sa nachádzalo niekoľko systémov. Dva z nich, veľkopriestorové frontálne systémy (A, B), majú vyššiu prediktabilitu a preto ich môžeme vidieť dobre definované vo všetkých členoch ansámbla (obrázok č.6). Zatiaľ čo mezoškálový konvektívny systém zodpovedný za prívalové zrážky v Istanbule (C) je síce detegovaný priemerom ansámbla (obrázok č.5), ale už sa nenachádza v každom z predpovedaných scenárov (obrázok č.6). O jeho nižšej prediktabilite hovorí aj rozptyl ansámbla, ktorý je v danej oblasti vysoký (obrázok č.5). V praxi to znamená, že ak by niektorý jeden z takýchto členov ansámbla bol práve náš deterministický model, tento extrémny prejav počasia by sme nezachytili.

Obr 5. Prípad prívalových zrážok v Turecku (17. august 2019) súvisiacich s mezoškálovým konvektívnym systémom zachyteným v predpovedi A-LAEF ansámbla. Priložený je aj satelitný obrázok z MSG a analýza poveternostnej situácie z MetOffice.

Obr 6. Predpoveď zrážkového poľa pre 16 perturbovaných členov A-LAEF ansámbla k prípadovej štúdii v Turecku zo 17. augusta 2019.

Sofistikovanú ALARO fyziku použitú v A-LAEF systéme demonštruje porovnanie 12-hodinovej predpovede oblačnosti s realitou videnou z meteorologickej družice MSG (obrázok č.7). Zelenými čiarami sú označené rôzne typy oblačnosti, ako napríklad konvekcia nad južným Talianskom a Sicíliou, ktoré veľmi dobre korešpondujú medzi satelitným obrázkom (vľavo) a predpoveďou A-LAEF (vpravo). 

Obr 7. Oblačnosť videná z meteorologickej družice MSG (vľavo) a 12-hodinová predpoveď oblačnosti systémom A-LAEF platná na rovnaký termín (vpravo).

Ďalšou zaujímavou situáciou z pohľadu extrémnych prejavov počasia bola intenzívna nočná búrka z 24. augusta 2019, ktorá zasiahla aj Bratislavu. V nočných hodinách juhozápadnú časť Slovenska zasiahli silné búrky. Celkový počet úderov blesku bol v tomto čase okolo 15-tisíc a spadlo 15 až 50 milimetrov zrážok. Priamy zásah blesku dostal dokonca aj 30 metrov vysoký stožiar pred slovenským parlamentom a poškodil jeho náter. Predpoveď takýchto nočných konvektívnych javov je problematická, čo dokazuje aj fakt, že našim deterministickým modelom ALADIN/SHMÚ búrka nebola vôbec zachytená, zatiaľ čo ansámblový systém A-LAEF z rovnakého termínu bol úspešný (obrázok č. 8).

Obr 8. Prípadová štúdia nočnej búrky v Bratislave z 24. augusta 2019. Predpoveď deterministického modelu ALADIN/SHMÚ, ansámblového systému A-LAEF (priemer ansámbla a rozptyl ansámbla) a verifikačný IR obrázok z MSG.

Ansámblový systém je veľmi dobrým pomocníkom aj pri vydávaní výstrah na silný alebo nárazový vietor. Keď sa stred hlbokej tlakovej níže nachádzal 4. februára 2020 nad stredným Slovenskom, viedlo to k mimoriadne silnému a nárazovému vetru najmä v juhozápadnej časti nášho územia. V Bratislave a Nitre boli zaznamenané maximálne nárazy vetra okolo 28-29 m/s. Na malokarpatskom hrebeni boli nárazy vetra aj cez 30 m/s a inde to bolo väčšinou v intervale od 25 do 30 m/s. Bolo to vôbec prvýkrát v histórii, kedy bola najvyššia úroveň výstrahy na vietor (3. stupeň) vydaná pre hlavné mesto - Bratislavu. Silný, nárazový vietor fúkal tiež vo východnej časti Rakúska a severozápadnej časti Maďarska. Obrázok č.9 ukazuje príslušnú pravdepodobnosť výskytu daného stupňa výstrahy na vietor ansámblovým systémom A-LAEF (hore) a jednotlivé predpovede poľa vetra pre 16 perturbovaných členov ansámbla (dole).

Obr 9. Víchrica zo 4. februára 2020. Pravdepodobnostné mapy nárazov vetra pre rôzne prahové hodnoty zodpovedajúce stupňu výstrahy 1, 2 a 3 (hore - z ľava do prava) a jednotlivé predpovede rýchlosti a smeru vetra pre 16 perturbovaných členov A-LAEF ansámbla (dole).

Nový ansámblový systém A-LAEF je momentálne dostupný iba pre interné účely centra predpovedí a výstrah na SHMÚ. Príklady operatívnych máp sú na obrázkoch č.10 a 11. V dohľadnej dobe však plánujeme výstupy A-LAEF systému sprístupniť aj širšej verejnosti prostredníctvom SHMÚ webstránky. Treba si však uvedomiť, že interpretácia pravdepodobnostnej predpovede sa líši od toho, ako sú vnímané doteraz bežne dostupné deterministické materiály. Treba sa tomu prispôsobiť. V ansámblovej predpovedi je obsiahnutých niekoľkonásobne viac informácií a predpoveď môže byť aj vo forme pravdepodobnosti výskytu daného javu. Hraničné hodnoty jednotlivých meteorologických prvkov, ktorých pravdepodobnosť sa rieši, sú však závislé na konkrétnom používateľovi alebo konkrétnej aplikácii využitia týchto dát. Rôzne nároky na splnenie (resp. nesplnenie) určitých poveternostných podmienok bude mať napríklad stavebná firma chystajúca sa na betónovanie základov stavby, poľnohospodárska firma zvažujúca zabezpečovací postrek proti mrazu, spoločnosť prevádzkujúca veterné turbíny, alebo rodina s deťmi zvažujúca víkendový výlet do hôr.

Obr 10. Príklady operatívne generovaných A-LAEF máp (teplota, oblačnosť, zrážky, pravdepodobnosť nárazov vetra, priemerný vietor, zrážky po členoch ansámbla).

Obr 11. Animácia hodinových zrážkových úhrnov (priemer ansámbla vľavo hore, rozptyl ansámbla vpravo hore, minimum ansámbla vľavo dole a maximum ansámbla vpravo dole), na pozadí s tlakovým poľom na hladine mora a vektormi vetra v 10 metroch z kontrolného behu, na prvých 24 hodín A-LAEF predpovede.

Referencie

Belluš, M., Y. Wang, F. Meier, 2016: “Perturbing surface initial conditions in a regional ensemble prediction system”, Mon. Wea. Rev. 144:3377-3390, DOI:10.1175/MWR-D-16-0038.1

Belluš, M., F. Weidle, C. Wittmann, Y. Wang, S. Taşku, and M. Tudor, 2019: “Aire Limitée Adaptation dynamique Développement InterNational – Limited Area Ensemble Forecasting (ALADIN-LAEF)”, Adv. Sci. Res., 16, 63–68, DOI:10.5194/asr-16-63-2019

Wang, Y., M. Belluš, F. Weidle, et al., 2019: “Impact of land surface stochastic physics in ALADIN‐LAEF”, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1–19, DOI:10.1002/qj.3623

Derková, M., M. Belluš, 2007: Various applications of the blending by digital filter technique in the ALADIN numerical weather prediction system. Meteorologicky casopis, 10, 27–36.

Termonia, P., Fischer, C., Bazile, E., Bouyssel, F., Brožková, R., Bénard, P., Bochenek, B., Degrauwe, D., Derkova, M., El Khatib, R., Hamdi, R., Mašek, J., Pottier, P., Pristov, N., Seity, Y., Smolíková, P., Spaniel, O., Tudor, M., Wang, Y., Wittmann, C., Joly, A., 2018. The ALADIN System and its Canonical Model Configurations AROME CY41T1 and ALARO CY40T1. Geoscientific Model Development. 1–45. DOI:10.5194/gmd-11-257-2018

Wang, Y., M. Belluš, C. Wittmann, M. Steinheimer, F. Weidle, A. Kann, S. Ivatek-Šahdan, W. Tian, X. Ma, S. Tascu, and E. Bazile, 2011: The Central European limited-area ensemble forecasting system: ALADIN-LAEF. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 137, 483–502, DOI:10.1002/qj.751

Wang, Y., M. Belluš, J. Geleyn, X. Ma, W. Tian, and F. Weidle, 2014: A new method for generating initial perturbations in regional ensemble prediction system: blending. Mon. Wea. Rev. 142: 2043-2059, DOI:10.1175/MWR-D-12-00354.1

Wang, Y., A. Kann, M. Belluš, J. Pailleux, and C. Wittmann, 2010: A strategy for perturbing surface initial conditions in LAMEPS. Atmos. Sci. Lett., 11, 108–113, DOI:10.1002/asl.260

Wang, Y., M. Belluš, G. Smet, F. Weidle, 2010: Use of ECMWF EPS for ALADIN-LAEF. ECMWF Newsletter, 126, Winter 2010/2011, 18-22, DOI:10.21957/d9j1nx7p

Wang, Y., M. Belluš, A. Ehrlich, M. Mile, N. Pristov, P. Smolikova, O. Spaniel, A. Trojakova, R. Brozkova, J. Cedilnik, D. Klaric, T. Kovacic, J. Masek, F. Meier, B. Szintai, S. Tascu, J. Vivoda, C. Wastl, Ch. Wittmann, 2017: 27 years of Regional Co-operation for Limited Area Modelling in Central Europe (RC LACE). Bulletin of the Am. Met. Soc., Vol. 99 Issue 7, 1415-1432, DOI:10.1175/BAMS-D-16-0321.1