RainCast: Гибридный алгоритм наукастинга интенсивности осадков по данным спутниковых наблюдений КА Himawari-8/9

В работе предложен алгоритм RainCast (Rain Rate NowCast), предназначенный для краткосрочного прогноза интенсивности осадков на срок до двух часов. Данное направление метеорологии, в англоязычной литературе получившее название «наукастинг» (nowcasting), является одним из наиболее востребованных информационных продуктов во многих сферах человеческой деятельности. Вместе с тем, его доступность может быть сильно ограничена имеющейся наземной инфраструктурой. В настоящей работе авторами поставлена цель создания алгоритма прогноза осадков, предназначенного для одной из таких территорий на примере Азиатско-Тихоокеанского регионе с использованием спутниковых измерений космического аппарата Himawari-8/9. Предложенный алгоритм объединяет преимущества детерминированного и статистического подходов к задаче прогноза и основан на использовании двух нейросетевых моделей. Первая модель осуществляет предварительный прогноз общего направления движения осадков на мезомасштабном уровне с помощью физически-обусловленной нейронной сети NowcastNet. Вторая модель на основе архитектуры CasFormer служит для постобработки полученного прогноза методом диффузий с целью повышения его детализации. Разработанный с использованием данного метода гибридный алгоритм RainCast позволяет получать краткосрочный прогноз интенсивности осадков на срок до двух часов с частотой каждые 10 минут и пространственным разрешением 2 км/пиксель на основе спутниковых измерений в инфракрасном диапазоне. Спутниковые измерения используются для расчета интенсивности осадков по ранее предложенному авторами алгоритму. На основе карт осадков сформированы обучающие, валидационные и тестовые наборы данных, применяемые для обучения, настройки алгоритма и оценки качества прогнозов соответственно. Для предложенного алгоритма RainCast, а также применяемых в мировой практике актуальных решений, таких как NowcastNet, CasFormer, Earthformer, было проведено обучение с использованием сформированных наборов данных, после чего для указанных алгоритмов был рассчитан ряд показателей качества получаемых прогнозов. Из полученных результатов можно сделать вывод, что предложенный в настоящей работе гибридный алгоритм RainCast имеет более высокое качество прогноза в сравнении с другими вышеперечисленными решениями при равных условиях. Для валидационного набора данных на территории Дальневосточного региона при прогнозе алгоритмом RainCast c заблаговременностью 2 часа были получены следующие показатели для последнего спрогнозированного кадра: корень среднеквадратической ошибки RMSE составил 0.88 мм/ч, вероятность обнаружения POD – 0.78, коэффициент корреляции Пирсона – 0.75, индекс структурного сходства SSIM – 0.91, а пиковое отношение сигнала к шуму PSNR – 36.63. Дополнительно проведенный визуальный анализ прогнозов подтвердил, что наиболее близкие к фактическим наблюдениям результаты имеет предложенный гибридный региональный алгоритм RainCast.