Statystyki wyjściowe modelu

W prognozowaniu pogody statystyka wyjściowa modelu ( MOS ) jest techniką wielokrotnej regresji liniowej , w której prognozy , często wielkości bliskopowierzchniowe (takie jak temperatura powietrza dwa metry nad poziomem gruntu , widzialność pozioma oraz kierunek wiatru , prędkość i porywy ), są statystycznie powiązane z jednym lub większą liczbą predyktorów. Prognozy są zazwyczaj prognozami na podstawie numerycznej prognozy pogody (NWP), dane klimatyczne oraz, jeśli ma to zastosowanie, ostatnie obserwacje powierzchniowe. W ten sposób dane wyjściowe z modeli NWP można przekształcić za pomocą techniki MOS w rozsądne parametry pogodowe, które są znane laikowi.

Tło

warstwie granicznej Ziemi są w modelu z grubsza przybliżone (tj. parametryzacje fizyczne ) wraz z jego stosunkowo zgrubną rozdzielczością poziomą. Z powodu tego braku wierności i niedoskonałego stanu początkowego prognozy wielkości przypowierzchniowych uzyskane bezpośrednio z modelu są obarczone systematycznymi (obciążeniami) i przypadkowymi błędami modelu, które mają tendencję do narastania w czasie.

Przy opracowywaniu równań MOS wykorzystuje się wcześniejsze obserwacje i zarchiwizowane pola prognozy modelu NWP wraz z regresją przesiewową w celu określenia „najlepszych” predyktorów i ich współczynników dla określonej prognozy i czasu prognozy. Wykorzystując zarchiwizowane wyniki prognozy modelu wraz z weryfikacją obserwacji powierzchni, otrzymane równania pośrednio uwzględniają efekty fizyczne i procesy, których leżący u podstaw numeryczny model prognozowania pogody nie może jednoznacznie rozwiązać, co skutkuje znacznie lepszymi prognozami rozsądnych wielkości pogodowych. Oprócz korygowania błędów systematycznych MOS może generować wiarygodne prawdopodobieństwa zdarzeń pogodowych na podstawie pojedynczego przebiegu modelu. W przeciwieństwie do tego, pomimo ogromnej ilości zasobów obliczeniowych poświęconych na ich generowanie, względna częstotliwość zdarzeń prognoz modelu zespołowego — często używana jako wskaźnik prawdopodobieństwa — nie wykazuje użytecznej wiarygodności. W związku z tym wynik modelu zbiorczego NWP wymaga również dodatkowego przetwarzania końcowego w celu uzyskania wiarygodnych prognoz probabilistycznych przy użyciu niejednorodna regresja Gaussa lub inne metody.

Historia

Stany Zjednoczone

MOS został wymyślony, a planowanie jego wykorzystania rozpoczęło się w Laboratorium Rozwoju Technik (TDL) Narodowej Służby Pogodowej Stanów Zjednoczonych (NWS) w 1965 r., a prognozy zostały wydane po raz pierwszy w 1968 r. Od tego czasu TDL, obecnie Laboratorium Rozwoju Meteorologicznego ( MDL) , kontynuował tworzenie, udoskonalanie i aktualizowanie zestawów równań MOS w miarę opracowywania i uruchamiania dodatkowych modeli NWP w Narodowym Centrum Meteorologicznym (NMC), a następnie w Centrum Modelowania Środowiska lub EMC.

Biorąc pod uwagę jego wieloletnią historię w amerykańskim NWS oraz jego ciągłe doskonalenie i lepsze umiejętności niż bezpośrednie wyniki modelu NWP, wskazówki MOS są nadal jednym z najcenniejszych narzędzi prognostycznych używanych przez prognostów w agencji.

Wytyczne dotyczące prognozy w Stanach Zjednoczonych

Istnieje osiem zestawów wytycznych MOS dostępnych z MDL, operacyjnych i eksperymentalnych, obejmujących okres od następnej godziny do dziesięciu dni dla Stanów Zjednoczonych i większości ich terytoriów.

Nazwa	Częstotliwość aktualizacji
Lokalny program lotniczy MOS (LAMP)	Co godzinę
Mezoskala Ameryki Północnej (NAM) MOS	Dwa razy dziennie
Globalny system prognoz bliskiego zasięgu (GFS) MOS	Co sześć godzin
GFS MOS o rozszerzonym zasięgu	Dwa razy dziennie
North American Ensemble Forecast System MOS	Dwa razy dziennie
Krótki zasięg ECMWF MOS	Dwa razy dziennie
Rozszerzony zakres ECMWF MOS	Dwa razy dziennie
Zespół ECMWF MOS	Dwa razy dziennie

Zagnieżdżony model siatki MOS został wycofany w 2009 roku.

Początkowo wytyczne MOS zostały opracowane dla lotnisk i innych stałych lokalizacji, w których rutynowo wydawane były komunikaty METAR (lub podobne raporty). Dlatego wytyczne MOS były i nadal są dostarczane w formacie alfanumerycznego „biuletynu” dla tych lokalizacji. Oto przykład prognozy MOS krótkiego zasięgu dla lotniska Clinton-Sherman w stanie Oklahoma (KCSM) opartej na danych Global Forecast System firmy EMC .

KCSM GFS MOS GUIDANCE 8/06/2014 1200 UTC

DT /6 sierpnia/7 sierpnia /8 sierpnia /9 sierpnia HR 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 06 12 N/X 71 101 74 104 72 TMP 90 96 94 84 78 74 72 84 95100 98 87 82 78 75 88 98102 99 80 73 DPT 65 62 62 63 63 63 64 65 63 60 60 62 63 6 3 64 65 63 60 61 63 63 ZŁ ZŁ PZP ZŁ CL BK BK CL CL CL CL CL FW CL CL CL CL CL OV FW WDR 21 20 19 16 16 18 19 22 32 07 11 12 16 18 19 22 22 20 20 19 21 WSP 14 15 13 11 13 10 10 08 06 06 10 08 10 10 10 14 12 15 15 08 07 P06 2 9 6 1 2 4 2 4 2 6 5 P12 14 5 4 10 12 Q06 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Q12 0 0 0 0 0 T06 29 /27 38/21 22/ 6 8/ 2 26/14 24/ 8 16/ 5 12/ 4 27/18 20/ 7 T12 58/31 24/ 6 39/16 29/ 6 44/25 CIG 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 VIS 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 OBV NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN

Wraz z dostępnością prywatnych i rządowych mezonów pogodowych , nowych technik obiektywnej analizy i interpolacji, w 2006 roku stały się dostępne wytyczne GFS MOS z siatką.

Zalety i wady

Pozwoliła na to zaleta wskazówek dotyczących prognozy MOS opracowanych w Stanach Zjednoczonych

• usunięcie obciążenia modelu NWP,
• przewidywanie elementów pogody nieprzewidzianych przez model NWP, np. widzialności powierzchni, wysokości pułapu chmur ,
• wiarygodne prawdopodobieństwa zdarzeń binarnych, np. prawdopodobieństwo opadów atmosferycznych i (silnych) burz ,
• wiarygodne prawdopodobieństwa zdarzeń kategorycznych, np. prawdopodobieństwo czystego, rozproszonego, załamanego lub zachmurzonego nieba.

Te punkty, choć bardzo pożądane przez prognostów, mają swoją cenę. Od samego początku opracowanie solidnych równań MOS dla konkretnego modelu NWP wymagało co najmniej dwóch lat zarchiwizowanych wyników modelu i obserwacji, w którym to czasie model NWP powinien pozostać niezmieniony lub prawie taki. Wymóg ten jest konieczny, aby w pełni uchwycić charakterystykę błędów modelu w szerokim zakresie reżimów przepływu meteorologicznego dla dowolnej lokalizacji lub regionu. Ekstremalne zdarzenia meteorologiczne, takie jak niezwykłe fale zimna lub upałów, ulewne deszcze i opady śniegu, silne wiatry itp., są ważne w opracowywaniu solidnych równań MOS. Długie archiwum modeli ma największe szanse na uchwycenie takich wydarzeń.

Od lat 70-tych do 80-tych wymóg ten nie był zbyt uciążliwy, ponieważ EMC (wówczas NMC), będąc w tamtym czasie stosunkowo ograniczeni zasobami obliczeniowymi, mogli wprowadzać jedynie stosunkowo niewielkie, stopniowe ulepszenia swoich modeli NWP. Jednak od lat 90. modele NWP były coraz częściej aktualizowane, często ze znacznymi zmianami w fizyce oraz rozdzielczości siatki poziomej i pionowej. Ponieważ MOS koryguje systematyczne błędy modelu NWP, na którym jest oparty, wszelkie zmiany w charakterystyce błędów modelu NWP wpływają na wytyczne MOS, zwykle w sposób negatywny. To było przyczyną zaprzestania MOS dla poszczególnych członków zespołu GFS w kwietniu 2019 roku; produkt ten nie był aktualizowany od 2009 r., a NOAA postanowiła zaprzestać oferowania produktu zamiast go aktualizować.

W przypadku istotnej aktualizacji modelu NWP, EMC będzie uruchamiać nowszą wersję modelu równolegle z wersją operacyjną przez wiele miesięcy, aby umożliwić bezpośrednie porównanie wydajności modelu. Oprócz równoległych przebiegów w czasie rzeczywistym, EMC wykorzystuje również nowszy model do badania przeszłych wydarzeń i sezonów, tj. prognoz retrospektywnych.

Wszystkie te przebiegi z ulepszonego modelu pozwalają National Weather Service, Weather Prediction Center (WPC), National Hurricane Center (NHC) i Storm Prediction Center (SPC) ocenić jego wydajność przed podjęciem decyzji o zaakceptowaniu lub odrzuceniu go dla użytkowanie operacyjne. Naukowcy z MDL wykorzystali te przebiegi do oceny i przeformułowania równań MOS w razie potrzeby, aby uniknąć pogorszenia jakości wskazówek.

Inne centra pogodowe

Królewski Holenderski Instytut Meteorologiczny opracował system MOS do prognozowania prawdopodobieństwa (poważnych) burz w Holandii.

Naukowcy z Kanadyjskiej Służby Meteorologicznej opracowali system przetwarzania końcowego o nazwie Updateable MOS (UMOS), który szybko wprowadza zmiany do ich regionalnego modelu NWP bez potrzeby posiadania długiego archiwum modeli. Kanadyjski system UMOS generuje 2-dniową prognozę temperatur, prędkości i kierunku wiatru oraz prawdopodobieństwa opadów (POP). Prognozy temperatury i wiatru UMOS podawane są w odstępach 3-godzinnych, a POP w odstępach 6-godzinnych.

Naukowcy z Kongju National University wdrożyli również system UMOS do tworzenia prognoz temperatur powietrza nad Koreą Południową. Nie jest jasne, czy jest używany operacyjnie w Koreańskiej Administracji Meteorologicznej.

Dalsza lektura

•   Wilks, Daniel S. (2006). Metody statystyczne w naukach o atmosferze (wyd. Drugie). Prasa akademicka. P. 627. ISBN 0-12-751966-1 .