Валидация радиолокационных наблюдений опасных явлений погоды на сети ДМРЛ по данным наземной наблюдательной сети Росгидромета

В жизни современного общества значительное место занимают вопросы безопасности жизнедеятельности, в том числе и предупреждения населения и промышленности об опасных явлениях погоды – грозах, мощных и катастрофических ливнях, вызывающих оползни и наводнения, градобитиях, смерчах и пр. В условиях климатических изменений частота таких опасных явлений погоды (ОЯП) нарастает год от года, что фиксируется в документах Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). Особое место при решении этой задачи занимают средства дистанционного зондирования, обеспечивающие оперативный контроль ОЯП на значительных территориях. Наземные наблюдения за погодой на метеостанциях решить эту задачу из-за относительной малочисленности и разреженности наблюдательной сети, особенно в российских условиях, решить не в состоянии и могут использоваться только для контроля и валидации дистанционных наблюдений. Во всех развитых странах для мониторинга ОЯП, включая сверхкраткосрочный прогноз (наукастинг), успешно используются сети метеорологических радиолокаторов (далее – ДМРЛ), в задачу которых входят круглосуточные наблюдения за облачной атмосферой и осадками и связанными с ними ОЯП, а также измерения осадков радиолокационным методом. В России с 2012 г. также начато развертывание сети современных метеорологических радиолокаторов отечественного производства [1], задачами которой является, в частности, идентификация явлений погоды, в том числе опасных, получение сумм выпавших осадков и построение объединенных карт этих и других, получаемых с помощью ДМРЛ, продуктов.

Рис. 1. Объединенная карта метеоявлений сети ДМРЛ Росгидромета

Для успешного решения задач очень важна валидация радиолокационных наблюдений по данным независимых метеорологических наблюдений (эталонов), таких как наблюдения за явлениями погоды на метеостанциях, регистрация времени и координат молниевых разрядов современными сетями грозопеленгаторов, самолетных наблюдений и др.

При этом значительной организационной и технической проблемой является создание автоматизированной системы валидации, которая обеспечивала бы выполнение сбора, накопления наблюдений ДМРЛ и эталонных наблюдательных систем, сопоставления данных наблюдений и анализ полученных результатов.

В данной работе описываются возможности такой системы и первые результаты, полученные в Центральной аэрологической обсерватории (ФГБУ «ЦАО») Росгидромета (г. Долгопрудный).

На сегодняшний день радиолокационная сеть состоит из 27 ДМРЛ с двойной поляризацией, каждый из которых проводит круглосуточные, в автоматизированном режиме, с периодичностью 10 минут, обзоры верхней полусферы в радиусе 250 км от ДМРЛ, от поверхности земли до высоты примерно 20 км.

На основе анализа полученных данных строятся карты метеорологических характеристик атмосферы, включая карты высоты верхней границы облачности, интенсивности и накопленной суммы осадков, а также в результате решения задачи распознавания – карта метеорологических явлений. ДМРЛ позволяет идентифицировать местоположение зон следующих опасных явлений погоды: смерч, град, гроза, шквалы, связанные с грозами, интенсивные ливни. Пространственное разрешение полученных карт составляет 1 х 1 км. Полученный в результате наблюдений набор карт передается на автоматизированные рабо- чие места специализированных потребителей, в основном в оперативные прогностические подразделения Росгидромета, и используется ими для выдачи штормпредупреждений и сверхкраткосрочного прогнозирования погодных условий, для метеообеспечения аэронавигации и др.

• 2.    Система валидации данных ДМРЛ «ВАЛИРАД»

Поскольку, с учетом важности метеорологической радиолокационной информации сети ДМРЛ, остро стоит вопрос ее качества и достоверности, в ФГБУ «ЦАО», отвечающем за методическое руководство сетью ДМРЛ, создана автоматизированная система «ВАЛИРАД» для валидации данных наблюдений сети ДМРЛ [1].

В задачу системы «ВАЛИРАД» входит проведение оценок точности радиолокационных наблюдений на ДМРЛ с привлечением различных эталонов. В статье пойдет речь о сопоставлении с наблюдениями текущих метеоявлений на сети метеостанций (МС) Росгидромета, которых в настоящее время насчитывается на территории РФ около 3.5 тысяч.

Эталонные данные передаются в различных цифровых кодах по специализированным каналам связи и представляют собой сообщения о времени наблюдения грозы метеорологом-наблюдателем на МС. В ФГБУ «ЦАО» поступают два вида эталонных метеоданных:

• •    в коде КН-01 (данные низкого разрешения) – оперативные, поступающие в течение двух часов после проведения наблюдений;

• •    данные в виде метеорологических таблиц ТМС (данные высокого разрешения – «апостериорные»), содержащие время начала и окончания явления, поступающие с задержкой в 1.5 месяца по электронной почте.

• 3.    Характеристики качества информации ДМРЛ

Коды явлений об ОЯП в КН-01 делятся на группы – явления в срок (в последние 10 минут до срока), явления в последний час, явления между сроками. Поскольку междусроч-ные данные обладают низкой локализацией ОЯП во времени и не содержат информации о его продолжительности, они были исключены из анализа.

В задачу «ВАЛИРАД» входит сбор, обработка и накопление информации в базе данных (БД) для последующего использования.

Система «ВАЛИРАД» функционирует в среде ОС Linux на базе аппаратнопрограммного комплекса Центра сбора и обработки радиолокационной информации сети ДМРЛ ЦАО.

Для характеристики качества радиолокационных наблюдений используются такие индикаторы, как оправдываемость Р О и достоверность Р Д обнаружения ОЯП по ДМРЛ [2]. Р О есть вероятность обнаружения с помощью ДМРЛ гроз, зафиксированных эталоном (наблюдателем МС). За 100% принимается число эталонных наблюдений; Р О рассчитывается как отношение числа гроз, зафиксированных эталоном и совпавших с грозами по ДМРЛ-С - Т э — дмрл , к числу случаев гроз по данным эталонных наблюдений - Т э , выраженное в %:

Р о = « Э-ДМРЛ • _100% .

Тэ

Р Д – вероятность подтвержденных эталоном (наблюдателем МС) гроз, отмеченных на ДМРЛ-С; за 100% принимается число наблюдений гроз по ДМРЛ. Рд рассчитывается как отношение числа случаев гроз по ДМРЛ-С, подтвержденных грозами по эталону – Т дмрл — э , к числу случаев гроз по ДМРЛ-С - Тдмрл , в %:

Рд = ТДМРЛ-Э • 100%.

ТДМРЛ

Соответственно величина Р лт = 100% — Р д характеризует вероятность «ложных тревог». Методика сопоставления подробно изложена в [2]. Можно добавить, что при расчете Р О сопоставление данных МС и ДМРЛ проводилось в радиусе 170 км относительно ДМРЛ, радиус контрольного круга (РКК) выбора радиолокационной информации об ОЯП в окрестности МС задавался равным 30 км и представлял собой радиус возможного наблюдения грозы наблюдателем МС. Если в срок ТТ ч tt мин наблюдателем МС «Х» зафиксирована гроза, а по карте ОЯП ДМРЛ в пределах РКК = 30 км от МС «Х» в интервале времени ( ТТ ч tt мин ± 10 мин) есть хотя бы один пиксель с грозой, считалось, что в срок ТТ ч tt мин гроза, зафиксированная наблюдателем, оправдалась, в противном случае - не оправдалась.

При расчете Р Д сопоставление радиолокационных данных и данных МС проводилось в радиусе 170 км, РКК задавался равным 10 км и представлял собой радиус достоверной фиксации грозы наблюдателем МС. Если в срок РР ч рр мин по ДМРЛ в радиусе 10 км от МС «Y» идентифицировано явление грозы и наблюдателем МС «Y» в период времени (РР ч рр мин ± 10 мин) была зафиксирована гроза, явление грозы по ДМРЛ считается подтвержденным (достоверным), в противном случае – «ложной тревогой».

• 4.    Результаты

  Далее представлены некоторые результаты валидации наблюдений сети ДМРЛ за летние периоды 2014–2015 годов. В табл. 1 приведены значения Р О и Р Д , рассчитанные за период с 01 мая по 31 июля 2015 г. по всем работавшим в течение летнего сезона ДМРЛ. В качестве средней оценки по всем ДМРЛ рассчитаны средние взвешенные значения Р О и Р Д .

По табл. 1 можно оценить качество работы каждого ДМРЛ-С. Для большинства ДМРЛ Р О превышает 80%, Р Д – чаще всего более 60%. Достаточно низкие значения Р Д для ДМРЛ «Воейково» и «Киров» свидетельствуют о том, что существует необходимость корректировки настроек этих ДМРЛ и пересмотра критериев идентификации ОЯП (гроз). Можно отметить несущественные отличия значений Р О и Р Д , рассчитанных по двум видам данных – оперативным (КН-01) и «апостериорным» – ТМС.

В табл. 2 приведены средневзвешенные значения Р О и Р Д , рассчитанные по двум типам данных для 18 ДМРЛ в 2014 г. за период с 01 мая по 30 сентября и для 23 ДМРЛ в 2015 г. за период с 01 мая по 31 июля (поскольку данные ТМС за август–сентябрь еще не поступили). N - число случаев, по которому проведен расчет.

Как следует из табл. 2, за 2014 г. значения Р О и Р Д , рассчитанные по ТМС и оперативным данным в коде КН-01 с точностью до целых, оказались равны (Р О =82% и Р Д =69%, соответственно). За период с 01 мая по 31 июля 2015 г. разброс значений Р О и Р Д по ТМС и КН-01 оказался существеннее – разность в значениях Р О по ТМС и КН-01 составила 3% (размеры выборок различались при этом на порядок). Разность в значениях Р Д по ТМС и КН-01 составила 13%. Но в целом можно отметить несущественные отличия значений Р О и Р Д , рассчитанных по двум видам данных – оперативным (КН-01) и «апостериорным» – ТМС, что позволяет проводить ежедневный мониторинг качества радиолокационной метеоинформации по ДМРЛ-С с привлечением оперативных данных.

На рис. 2 приведена диаграмма распределения значений Р О (синий цвет) и Р Д (красный цвет) по метеостанциям, расположенным на разных удалениях от ДМРЛ-С – от 0 до 250 км. Выборка была сформирована за период времени с 01 мая по 30 сентября 2014 г. по 13-ти ДМРЛ-С. Каждая точка характеризует одну метеостанцию.

Линии тренда на диаграммах показывают, что с удалением метеостанции от ДМРЛ от 0 км до 250 км наблюдается очень незначительное (порядка 5%) снижение значений Р О в силу уменьшения на таких удалениях разрешающей способности ДМРЛ, с одной стороны, и влияния эффекта ослабления радиоизлучения – с другой.

Достоверность обнаружения ОЯП (гроз) на метеостанции, напротив, с ее удалением от ДМРЛ-С незначительно (порядка 8–10%) возрастает. Это можно объяснить тем, что,

Таблица1

Значения Р О и Р Д , рассчитанные по КН-01 и ТМС за период май-июль 2015 г.

№	ДМРЛ	ТМС				КН-01
		Р О	N	Р Д	N	Р О	N	Р Д	N
1	Архангельск	73	1030	59	478	76	78	72	126
2	Барабинск	80	1419	68	732	85	209	77	380
3	Брянск	74	6473	77	2492	75	476	79	605
4	Валдай	78	786	47	592	83	69	74	99
5	Владивосток	73	1009	49	598	66	50	51	114
6	Внуково	82	4409	63	3133	87	310	76	713
7	Воейково	86	806	38	938	92	84	55	346
8	Волгоград	76	3818	69	2349	82	286	86	492
9	Вологда	79	4762	58	3387	80	266	67	610
10	Ижевск	81	5330	68	3215	83	462	84	850
11	Казань	76	5583	71	3299	86	374	84	806
12	Киров	96	245	43	9055	96	245	56	1096
13	Кострома	75	6785	67	4114	81	424	75	750
14	Краснодар	89	10322	59	10879	90	736	73	2225
15	Минеральные воды	78	5467	67	3623	78	355	83	592
16	Нижний Новгород	83	7418	60	5959	86	390	68	1006
17	Оренбург	83	4385	68	3122	81	290	76	636
18	Петрозаводск	96	180	55	143	95	37	58	76
19	Профсоюзная	74	7795	74	3515	76	434	84	830
20	Смоленск	80	3213	68	2008	80	276	77	609
21	Ставрополь	89	8528	66	7177	90	561	78	1416
22	Уфа	94	6699	57	7260	95	377	77	1041
23	Шереметьево	69	4139	73	1651	75	313	83	444
Средневзвешенное		81	100601	62	79719	84	7326	75	15831

Таблица2

Значения Р О и Р Д , рассчитанные по ТМС и КН-01 за периоды май–сентябрь 2014 г. и май–июль 2015 г.

Год ТМС КН-01 РО N РД N РО N РД N 2014 82 73393 69 44237 82 8057 69 11936 2015 81 100601 62 79719 84 7326 75 15831 несмотря на ослабление радиоизлучения и ухудшение разрешения с расстоянием, для реально существующих гроз эти эффекты не оказывают столь сильного влияния, и реальные грозы идентифицируются с помощью ДМРЛ правильным образом.

В целом разброс значений Р О и Р Д незначительно увеличивается с удалением от ДМРЛ.

• 5.    Выводы

  • •    Анализ результатов сопоставления радиолокационных и наземных наблюдений ОЯП с помощью системы «ВАЛИРАД» продемонстрировал высокий уровень согласования данных об опасных явлениях погоды по информации сети ДМРЛ-С и по данным на МС. Средние значения Р О за теплый период 2014 г. и за 3 месяца 2015 г. превышают 80%, что соответствует оценке «хорошо» [2].

Рис. 2. Значения Р О и Р Д , рассчитанные по ТМС и КН-01 за периоды май-сентябрь 2014 г. и май-июль 2015 г.

• •    Оценки оправдываемости и достоверности обнаружения ОЯП (гроз) по ДМРЛ-С хорошо согласуются при расчете их как по менее точным оперативным данным (в коде КН-01), так и по более точным апостериорным данным (по таблицам ТМС), что позволяет быть уверенным, что получаемые оценки Р О и Р Д при ежедневно проводимом в ЦАО мониторинге информации ДМРЛ с использованием оперативных данных вполне адекватны.

• •    Показана возможность уверенной идентификации с помощью ДМРЛ-С ОЯП (гроз) до удалений в 250 км; с минимальным количеством «лишних гроз» («ложных тревог»). Радиус надежного обнаружения и распознавания ОЯП (гроз) по ДМРЛ-С составляет 250 км.

• •    Оправдываемость обнаружения ОЯП (гроз) Р О незначительно уменьшается с удалением от ДМРЛ: на 250 км она снижается на 5–7% в силу уменьшения разрешающей способности ДМРЛ и влияния эффекта ослабления радиоизлучения;

• •    Достоверность обнаружения ОЯП (гроз) Р Д , напротив, увеличивается с удалением от ДМРЛ – на удалении 250 км от ДМРЛ она возрастает на 8–10% , т. к. с расстоянием, благодаря указанным эффектам ослабления радиоизлучения и уменьшения разрешающей способности ДМРЛ, в большей степени отбраковываются случаи «лишних» гроз, как правило, «слабых», а реальные грозы идентифицируются с помощью ДМРЛ правильным образом.

• •    Для повышения точности оценки достоверности требуется привлечение альтернативных источников объективных данных, таких как данные грозопеленгационных систем (ГПС).