Czym są meteorologiczne prognozy wiązkowe (EPS – Ensemble Prediction System)?

Opracowanie: dr Andrzej Mazur, Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB

Niektórych procesów atmosferycznych nie jesteśmy w stanie opisać z nieskończoną dokładnością. Dlaczego? Ze względu na:

• niepewność (błąd) pomiaru i jego propagację do warunków początkowych modeli;
• brak wiedzy o chwilowych warunkach pogodowych na tyle dokładnej, aby błąd w długookresowych obliczeniach był niezauważalny;
• skończoną dokładność obliczeń, parametryzacje zamiast dokładnego opisu zjawisk;
• błędy metod numerycznych, które są coraz bardziej widoczne wraz z wydłużaniem horyzontu czasowego obliczeń;
• „efekt motyla” – wrażliwość na warunki początkowe (wg słów E. Lorenza, autora koncepcji „efektu motyla”: „dowolny układ fizyczny, który zachowuje się nieokresowo, jest nieprzewidywalny”).

Model meteorologiczny – jak wszystkie „modele” – opiera się na przyjętych założeniach, uproszczeniach i naszej wiedzy o warunkach początkowych, brzegowych, lokalnych nieciągłościach. Jednak nasza „niewiedza” jest olbrzymia w porównaniu do naszej „wiedzy”. ogromnej większości przypadków jesteśmy w stanie opisać jakieś zjawisko jedynie do pewnego poziomu szczegółowości i dokładności, wykorzystując dodatkowo przy tym parametryzacje, co do zasady upraszczające tenże opis.

W chwili obecnej nie jesteśmy w stanie przygotować stuprocentowo idealnej prognozy stanu atmosfery, jednak możemy określić, do jakiego stopnia możemy prognozie ufać, a narzędziem pozwalającym określić ten poziom zaufania są prognozy wiązkowe (ensemble) – zespół prognoz startujących z otoczenia stanu początkowego w granicach błędu pomiaru, czyli określenia tego stanu początkowego.

Ensemble (wiązka) jest to zatem zbiór realizacji prognozy, z których to realizacji każda startuje z różnego stanu początkowego, i/lub używa innej fizyki i/lub numeryki modelu, lub wręcz różnych modeli, np.:

• Numeryka modelu – różne schematy numeryczne (eulerowski, Cranka-Nicholsona, leap-frog, Rungego-Kutty…).
• Różna fizyka modelu – różne schematy parametryzacyjne różnych zjawisk (konwekcyjne, glebowe, turbulencji, radiacji, mikrofizyka chmurowa…).
• Stochastyczne zaburzanie warunków początkowych i/lub brzegowych.
• Różne modele, przygotowujące prognozę dla tego samego obszaru, na ten sam horyzont czasowy.
• … i inne metody…

Wynikiem (rezultatem obliczeń EPS, czyli prognoz po zespole statystycznym) są między innymi:

• Średnia po zespole (ensemble mean), czyli średnia ze zbioru wszystkich realizacji prognozy.

• Niepewność prognozy, określana przez wartość rozrzutu (spread), zwykle definiowanego jako odchylenie standardowe względem średniej po zespole lub prognozy deterministycznej.

• Różnica między wartością maksymalną a minimalną w zbiorze, określana dla danego zjawiska. W pewnym sensie jest to analogon rozrzutu, z tym wyjątkiem, że wyznaczana jest na podstawie maximum maximorum (absolutnego maksimum) i minimum minimorum (absolutnego minimum) po zespole.

• Określenie prawdopodobieństwa przekroczeń i/lub wystąpienia jakiegoś zjawiska, obliczanego poprzez określenia pewnego kryterium. Określając taki warunek, sprawdza się, ilu członków zespołu go spełnia (n_OK). Prawdopodobieństwo (%) – w naturalnym rozumieniu – wyznaczane jest przez iloraz tej liczby i całkowitej liczby n_ALL członków zespołu (n_OK/n_ALL*100%). Prawdopodobieństwo takie można określić, poprzez wprowadzenie odpowiedniego kryterium (np. temperatura wyższa niż 30°C, wiatr silniejszy niż 15 m/s itp.) praktycznie dla każdego prognozowanego elementu. Jest to przydatne do szybkiego podsumowania prawdopodobieństwa wystąpienia określonych warunków, takich jak to, czy temperatura powietrza, czy temperatura odczuwalna osiągną niebezpiecznie wysoki poziom lub staną się wystarczająco niskie, aby zagrozić roślinności lub zdrowiu, lub też, czy opady mogą spowodować powodzie.

• Uogólnione meteorogramy (EPS-gramy) to rozszerzenie standardowych meteorogramów – określających zmienność w czasie jednej wartości (np. z prognozy deterministycznej temperatury) dla jednej lokalizacji (np. stacji meteorologicznej) – do zawierającego przebieg czasowy średniej wraz z rozrzutem czy wartościami maksymalnymi i minimalnymi.

• Mapy baryczne i inne pola generowane na podstawie wyników prognozy wiązkowej na poziomach ciśnieniowych

Podsumowując:

• Prognozy wiązkowe to zbiór (zespół statystyczny, ensemble) realizacji prognozy, każda startuje z różnego stanu początkowego, lub/i używa innej parametryzacji procesów fizycznych lub innych schematów numerycznych modelu lub różnych modeli.
• Średnia ze zbioru realizacji, czyli tzw. „średnia po zespole” ma lepszą „sprawdzalność” (tzw. forecast skill, czy też zgodność z pomiarami) niż pojedyncze prognozy To założenie i podstawa systemu prognoz wiązkowych (EPS – Ensemble Prediction System, czyli prognoz po zespole statystycznym).
• Przyjmuje się również generalną zasadę, że o ile założenia nie stanowią inaczej, żadna realizacja nie jest bardziej prawdopodobna od innej.

Obecnie, jako wyniki operacyjnego systemu prognoz wiązkowych w IMGW-PIB, dostępne są poniższe pola :

— UDOSTĘPNIJ —