PŘEDPOVĚDNÍ SYSTÉM ECMWF, PRODUKTY A JEJICH VYUŽITÍ V PŘEDPOVĚDNÍ SLUŽBĚ ČHMÚ

PŘEDPOVĚDNÍ SYSTÉM ECMWF, PRODUKTY A JEJICH VYUŽITÍ V PŘEDPOVĚDNÍ SLUŽBĚ ČHMÚ

1. ÚVOD

Evropské centrum pro střednědobou předpověď (European Centre for Medium Range Weather Forecast, ECMWF) je produktem stoletého vývoje dynamické a synoptické meteorologie a padesátiletého vývoje numerických předpovědí počasí [1]. Myšlenka jeho vzniku se objevila v 60. letech, kdy se na základě zkušeností s krátkodobou předpovědí a klimatologickou simulací někteří odborníci poprvé pokusili vytvořit střednědobou předpověď počasí. Centrum bylo zřízeno v roce 1973 členskými zeměmi tehdejší EU a bývalou Jugoslávií. Na platformě multinacionální kooperace umožňuje společné financování nákladné činnosti (zejména vysoce výkonného superpočítače) a zároveň i sdílení kapacit odborníků-modelářů z členských zemí. Jedině tak se ECMWF daří produkovat kvalitní objektivní střednědobé meteorologické předpovědi a další informace. V současné době je v centru soustředěno 18 členských zemí (Belgie, Dánsko, Finsko, Francie, Holandsko, Irsko, Itálie, Lucembursko, Německo, Norsko, Portugalsko, Rakousko, Řecko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Turecko, Velká Británie). Smlouvu o spolupráci (přidružené členství) uzavřely Česká republika, Chorvatsko, Island, Maďarsko, Slovinsko, Srbsko a Černá Hora a dále Světová meteorologická organizace (WMO), Evropská organizace pro využití meteorologických družic (EUMETSAT) a Africké centrum meteorologických aplikací (ACMAD). V ECMWF pracuje přibližně 230 zaměstnanců, roční rozpočet je kolem 25 milionů liber. Operativní předpovědi jsou počítány od roku 1979, ansámblové od roku 1992.

V průběhu minulého roku měli někteří pracovníci ČHMÚ možnost zúčastnit se vybraných školicích kurzů pravidelně pořádaných evropským centrem. Kurzy umožnily podrobnější seznámení nejen se samotnými výstupy ECMWF a jejich použitím v předpovědní praxi meteorologa, ale i s předcházející přípravou dat pro výpočet výchozí analýzy, operativním modelem pro deterministickou předpověď, systémem ansámblových předpovědí, verifikací, předpovědí nebezpečných jevů a sezonními předpověďmi.

Účast zároveň umožnila podívat se do fungování špičkového předpovědního pracoviště a výměnu názorů s delegáty kurzu z jednotlivých meteorologických služeb v Evropě o zkušenostech a nových praktických poznatcích z této oblasti včetně možnosti jejich využití. Význam a přínos členství v ECMWF je nutné vysvětlit odborníkům v ČHMÚ i širší zainteresované veřejnosti. S novými produkty a metodami předpovídání se musejí hlavně seznámit provozní předpovědní služby ČHMÚ. K tomu mají sloužit již uskutečněné a nově plánované semináře a interní školení nebo přednášky České meteorologické společnosti. A právě na tato témata se článek zaměřuje.

2. PŘEDPOVĚDNÍ SYSTÉM ECMWF

Předpovědní systém ECMWF se skládá ze tří základních částí: příprava a systém asimilace dat, globální cirkulační model a ansámblový předpovědní systém.

Do globálního modelu vstupuje velké množství dat - SYNOP, TEMP, SHIP, BUOYS.... Dopad na zlepšení kvality předpovědí mají letecká a družicová měření, což umožňuje získat data i z míst s nedostatkem klasických měření. Např. díky družicovým měřením se kvalita předpovědí pro jižní polokouli dostala téměř na úroveň kvality předpovědí pro severní polokouli.

Všechna pozorování procházejí důslednou kontrolou kvality dat. Data mohou být vyřazována trvale, dočasně (každý měsíc aktualizace seznamu) i jednorázově, a to na základě srovnání s modelovým polem (předchozí krátkodobou předpovědí), se sousedními pozorováními i s jinými typy dat (hydrostatická kontrola TEMP dat apod.).

Výchozí analýza, tedy vlastně počáteční stav pro výpočet předpovědí, je získávána 4D VAR asimilací dat, která se provádí dvakrát denně na základě dat z období 03 až 15 UTC (asimilační okno) - pro analýzu ze 12 UTC, a z období 15 až 03 UTC - pro analýzu z 00 UTC.

Předpovědi jsou operativně počítány na 10 dní dopředu, a to dvakrát denně z výchozích analýz 12 UTC a experimentálně z 00 UTC. Hlavní (deterministická) předpověď je počítána globálním modelem T511 L60. T511 je tzv. vlnové číslo, které ukazuje na horizontální rozlišení modelu, v tomto případě 40 km, a L60 značí počet hladin modelu, v tomto případě 60 od země až po hladinu 0,1 hPa (ca do výšky 64 km), z čehož 12 hladin je pod úrovní hladiny 850 hPa. Časový krok modelu je 15 minut.

Obecně jsou chyby předpovědí numerických modelů způsobovány jak chybami samotného modelu (omezené rozlišení modelu, ne zcela přesná parametrizace fyzikálních procesů), tak i nepřesnou znalostí výchozího stavu atmosféry (chyby měření, nedostatek pozorování nad oceány apod.). I malé chyby výchozího stavu mohou během několika dní předpovědi narůst v rozsáhlé chyby. Nepřesná znalost výchozího stavu např. v oblasti Ameriky muže vést k chybné předpovědi povětrnostní situace a k neúspěšné předpovědi počasí nad Evropu. Tyto chyby se snaží postihnout tzv. systém ansámblových předpovědí (EPS). Spočívá ve spočtení 50 nepatrně pozměněných (perturbovaných) výchozích analýz tak, aby velikost jejich odchylek od neperturbované analýzy byla v rozsahu chyb stanovení výchozí analýzy. Jsou počítány metodou singulárních vektorů, která se snaží identifikovat dynamicky nestabilní regiony atmosféry tím, že studuje lineární vývoj perturbací výchozího stavu po dobu 48 hodin a vybírá takové, které rostou nejvíce. Na základě takto získaných 50 analýz je spočteno 50 předpovědí a dále jedna kontrolní předpověď z neperturbované analýzy. Všechny jsou spočteny modelem s menším rozlišením T255 L40 (80 km, 40 hladin). Tyto předpovědi tvoří základ systému ansámblové předpovědi (EPS).

3. PRODUKTY SYSTÉMU ANSÁMBLOVÉ PŘEDPOVĚDI

Přímý výstup těchto 51 předpovědí (členů EPS) lze vzhledem k jejich počtu a časovému omezení meteorologa jen velmi obtížně použít. Prakticky se meteorolog může v případě velké nejistoty předpovědi jen podívat, jaká část členů dává např. cyklonální a jaká anticyklonální vývoj. Pro usnadnění práce meteorologa jsou předpovědi zpracovávány různými způsoby, přitom se vytvářejí různé produkty:

•  Ensemble mean, tedy průměr všech členů ansámblu.
• Clustery (shluky, skupiny) se vytvářejí tak, že se předpovědi rozdělí do několika skupin (dle situace v počtu 1 až 6), přičemž do jednotlivých skupin jsou přiřazovány navzájem podobné předpovědi. Každá skupina je pak charakterizována svým průměrem. Touto metodou dostaneme nejvýše šest různých předpovědí (scénářů) a jejich spolehlivost je úměrná počtu členů, ze kterých byla vytvořena. Rozdělení do skupin se nyní provádí na základě RMS diferencí (odmocnina ze střední kvadratické odchylky) mezi geopotenciálem 500 hPa jednotlivých členů současně pro předpovědi na 120, 144 a 168 hodin.
• Tubes (tuby) nabízí jiný způsob vytváření skupin. Nejdříve se členy EPS, které jsou podobné k průměru všech členů (Ensemble mean), dají do tzv. nulté skupiny a spočte se jejich průměr. Tak dostaneme tzv. Tube 0 (central cluster mean). Ten udává nejpravděpodobnější vývoj, který je všeobecně podobný průměru všech členů ansámblu. Dále se z vyloučených (nepodobných) členů vytvoří Tube 1 až Tube 9 (počet dle situace), uspořádané podle snižujících se odchylek od Tube 0, přitom každá je reprezentovaná jeho nejextrémnějším členem pro lepší vizualizaci odlišných předpovědí. Tubes se (podobně jako clustery) vytvářejí na základě RMS diferencí mezi geopotenciálem 500 hPa jednotlivých členů. Pro každý referenční čas předpovědi (+ 96 h, + 144 h, + 168 h, + 192 h a + 240 h) se vytváří 48hodinová řada končící tímto časem (např. + 48/ + 72/ + 96 h pro referenční čas + 96 h).

Všechny tyto produkty jsou počítány pro 5 různých oblastí (celá Evropa, JZ, SZ, SV a JV Evropa) a výsledky jsou k dispozici ve formě polí geopotenciálu 500 a 1 000 hPa a teploty v 500 a 850 hPa.

Tvorba takovýchto produktů je vždy kompromisem; výhoda zhuštění informací jde na úkor nebezpečí ztráty informací, které v některých povětrnostních situacích mohou být významné. Pro rozdílné meteorologické situace nebo i délku předpovědního období mohou vyhovovat rozdílná zpracování, přičemž neexistuje ideální způsob. Zpracování může být provedeno na větší nebo menší geografické oblasti, na základě rozdílných parametrů, pro jednotlivé předpovědní termíny (kdy dochází ke ztrátě synoptické kontinuity) nebo pro delší (několikadenní) předpovědní období. Jako ideální se jeví tvorba několika způsobů zpracování, kdy meteorolog má možnost volby, který produkt v dané meteorologické situaci použije.

Dalšími produkty EPS jsou tzv. plumes (vlečky obr. 1), zobrazující předpověď teploty v hladině 850 hPa, celkových srážek po 12 hodinách a geopotenciální výšky 500 hPa jak z hlavního (čárkovaně) a kontrolního (plnou čarou) modelu, tak i z 50 perturbovaných předpovědí (tenkými čarami).

Dalším produktem jsou tzv. meteogramy (obr. 2), zobrazující předpovědi oblačnosti, celkových srážek, rychlosti větru v 10 m a teploty ve 2 m po 6 hodinách. Předpověď hlavního modelu je vyjádřena plnou čarou, kontrolního modelu čárkovanou čarou a předpověď 50 členů EPS pomocí sloupcového grafu (typ je blízký tzv. burzovnímu grafu), ukazujících jejich statistické rozdělení po 25 %.

4. VYUŽITÍ PRODUKTŮ SYSTÉMU ANSÁMBLOVÉ PŘEDPOVĚDI

Výstupy z hlavního modelu nám dávají jednu (deterministickou) předpověď, tedy jen jeden možný scénář vývoje počasí v příštích dnech. Z něho ovšem nepoznáme, jaká je míra nejistoty této předpovědi, nebo zda může nastat i zcela jiný scénář. V prvních dnech předpovědi je vhodné používat produkty deterministické předpovědi, vycházející z modelu s větším rozlišením, které jsou podrobnější, s rostoucí délkou předpovědního období narůstá význam ansámblových předpovědí, jehož produkty (Ensemble mean, Tube 0) mají lepší konzistenci a na více dnů dopředu i lepší úspěšnost než deterministická předpověď. Produkty ansámblových předpovědí, které se snaží postihnout dopad nepřesné znalosti výchozího stavu atmosféry, ukazují nejen na možné rozdílné scénáře, ale i na míru nejistoty předpovědi.

Lze je v zásadě využít třemi způsoby:

• Posouzení míry nejistoty předpovědět vývoj v atmosféře z rozbíhání jednotlivých předpovědí - členů EPS (spread). Na základě toho meteorolog vydá předpověď (kategorickou) se snižováním stupně podrobnosti dle míry nejistoty předpovědi.
• Indikátor možných alternativ vývoje - výsledkem může být vydání podrobnější předpovědi doplněné jednou, popř. více alternativami pro méně předpověditelné období.
• Lokální pravděpodobnostní předpovědi meteorologických prvků využitelné zejména při rozhodování, která jsou spojena s rizikem ekonomických ztrát v závislosti na stavu počasí (ekonomická hodnota předpovědi), pro provádění preventivních opatření, rozhodování zda vydat výstražnou informaci apod.

5. DALŠÍ PRODUKTY A SLUŽBY ECMWF

Vedle popsaných základních produktů pokračuje v ECMWF vývoj některých dalších. Pro předpověď extrémních srážek, teplot a větru byl zaveden Extrémní předpovědní index (Extreme Forecast Index - EFI), který udává „extrémnost“ meteorologického prvku ve srovnání s klimatologickým průměrem pro určité místo a období v roce na základě rozložení pravděpodobnosti prvku z EPS. Hodnota indexu se pohybuje od -100 % do +100 % (při -100 % předpověděné hodnoty prvku jsou velmi malé, při 0 % odpovídají klimatickému rozložení, při +100 % jsou extrémně velké). Indexy jsou zobrazovány do map v barevné škále jen tam, kde přesahují zpravidla ±50 %, tedy na první pohled jsou patrné oblasti či regiony, kde lze očekávat velkou odchylku meteorologického prvku od normálu. Vzhledem k malému počtu extrémních jevů je obtížné udělat přesnější hodnocení tohoto indexu.

V některých službách (např. ve Švýcarsku) se používá tzv. Confidence index. Udává důvěryhodnost (spolehlivost) předpovědi počasí na základě automatického vyhodnocení např. lokální předpovědi oblačnosti a srážek jednotlivých členů EPS na jednotlivé dny nebo dle rozložení povětrnostních situací předpovídaných jednotlivými členy EPS.

Od roku 1995 se zde také experimentálně počítají měsíční a sezonní předpovědi, a to až na 6 měsíců dopředu. Přitom se vždy používá atmosférický model s menším rozlišením spřažený s oceánským modelem. Jimi se počítají předpovědi na odpovídající období (např. v případě měsíční předpovědi se počítá dvakrát měsíčně 51 předpovědí - členů na 30 dnů dopředu). Přitom se vychází z dopadu změn teploty povrchu oceánu na atmosférickou cirkulaci a používá se oceánská asimilace dat, perturbace větru a povrchové teploty oceánů. Výstupy sezonních předpovědí jsou v mapové formě teplotních a srážkových odchylek k dispozici na webových stránkách ECMWF [2]. Použití sezonních předpovědí není jednoduché, je třeba pracovat s pravděpodobností a výsledky citlivě interpretovat. Vliv oceánu (povrchové teploty) na atmosféru je větší v tropických oblastech, kde je tak počasí lépe předpověditelné než v mírných zeměpisných šířkách, kde jsou sezonní předpovědi zvláště obtížné. V ECMWF bylo uvedeno, že vliv Atlantského oceánu na Evropu stále není dostatečně prozkoumán. Podle výzkumů se zdá, že velmi silné El Niño (1982, 1997) může mít vliv i na Evropu.

V ECMWF se nachází rozsáhlý archiv meteorologických dat za více než 25 let obsahující přes 250 Tbyte. Obsahuje především analýzy, ale i předpovědi a výzkumné experimenty ve standardních formátech GRIB a BUFR. Pro účely ovládání a přístupu do archivu byl vyvinut software MARS (Meteorological Archive and Retrieval System). Přístup do něho je možný pomocí web serveru členských zemí nebo po zvláštních linkách, po kterých přijímají data z ECMWF národní meteorologické služby.

V archivu jsou také tzv. reanalýzy, na které se v posledních letech kladl velký důraz. Jsou připraveny s využitím dostupných dat (včetně družicových) pomocí 3D VAR asimilace dat modelem T159 L60, který produkuje analýzy v šestihodinových intervalech. Poskytují globální analýzy stavu atmosféry, povrchu země, oceánů, včetně rozložení ozonu pro období od poloviny roku 1957, využitelné jako nástroj pro studie atmosférických a hydrologických mechanizmů a cyklů, vývoje pozorovacího systému, předpověditelnosti atd.

Pro tento rok je v ECMWF plánován test modelu s vyšším vertikálním rozlišením (L90), výpočty 100 členů EPS, pro výpočet vstupní analýzy použití většího množství družicových dat (MSG, ENVISAT, AIRS ..) a v roce 2004 i zvýšení horizontálního rozlišení u všech modelů (deterministický, EPS). Zároveň budou prováděny experimenty ohledně počtu členů EPS versus rozlišení modelu, popř. i četností jejich výpočtu, přičemž základní otázkou je, která varianta bude dávat lepší výsledky s nižšími provozními náklady.

Nejdůležitějšími cíli ECMWF pro období do roku 2008 je postupné prodlužování úspěšnosti střednědobých deterministických i pravděpodobnostních předpovědí počasí tempem jeden den za desetiletí, poskytovat spolehlivé předpovědi nebezpečných jevů postupně na 4 až 5 dnů dopředu, do roku 2004 vyhodnotit úspěšnost sezonních předpovědí na datech za posledních 40 let a zlepšit jejich spolehlivost. Tato zlepšení kvality a přesnosti předpovědí následně přinese podstatný zisk evropským ekonomikám a společnosti.

6. MOŽNOSTI A ÚSPĚŠNOST NUMERICKÝCH MODELŮ VE STŘEDNĚDOBÉ PŘEDPOVĚDI

Produkty tzv. systému ansámblové předpovědi mohou poukazovat na možné odlišné scénáře vývoje povětrnostní situace v závislosti na výchozím stavu (pozorování) atmosféry. Umožňují posouzení míry nejistoty předpovědi a vytváření pravděpodobnostních předpovědí. V operativní místnosti ECMWF se denně vyhodnocují aktuální pozorování včetně pozorování, která byla z dalšího použití vyřazena, a výsledné předpovědi. Vyhodnocují se odchylky předpovědí, jejich střední kvadratické chyby i konzistence, a hodnotí se i ve srovnání s výstupy z jiných center. Sledují se případné významné rozdíly (increments) mezi pozorováními a předcházející krátkodobou předpovědí, které mohou mít za následek odlišný vývoj meteorologické situace. Příčiny takových rozdílů jsou pak konzultovány s modelovým odborníkem. Dosti častým zdrojem chyb předpovědí jsou tropické cyklony, které nebývají pozorováními dostatečně podchyceny a vzhledem ke své energii a dynamice vývoje mají velký dopad na atmosférickou cirkulaci.

Vzniklé chyby se s délkou předpovědního období nejen zvětšují, ale zároveň v důsledku atmosférické cirkulace postupují s prouděním. To znamená, že předpověď pro střední Evropu na dva dny dopředu je obvykle závislá na počátečním stavu nad Evropou a Atlantikem, na tři až pět dnů nad počátečním stavem i nad severní Amerikou a na více než 5 dnů i nad severním Pacifikem.

I když v ECMWF počítají výsledky numerických modelů až na 10 dnů dopředu (model z NCEP ve Washingtonu je zveřejňuje až na 15 dnů), je všeobecná shoda, že předpovědní délka použitelnosti (smysluplnosti) těchto produktů pro všeobecné předpovědi v současné době je kolem 7 dnů. Po uplynutí tohoto období statistické výsledky klesají ke klimatologickým průměrům. Přitom útvary malých měřítek jsou hůře předpověditelné. Podrobnější přehled je uveden v tab. 1. Přitom předpověditelnost se může velmi lišit od situace k situaci. Někdy předpověď na 4 dny dopředu může být chybná i ve velkém měřítku, jindy naopak předpověď na 7 dní dopředu může být úspěšná i v detailech. Vzhledem k tomu, že výskyt nebezpečných jevů je často lokalizován do malých oblastí (někdy při velmi nestabilních podmínkách), lze je předpovídat dle druhu jevu s předstihem zpravidla maximálně na 3 až 5 dnů.

7. VYUŽITÍ PRODUKTŮ ECMWF V ČESKÉ REPUBLICE

Předpovědi ECMWF jsou k dispozici ve formě polí ve formátu GRIB, časových řad (meteogramů) ve formátu BUFR i postprocessingových produktů (clusters, tubes), opět ve formátu GRIB. Produkty sezonních předpovědí - anomálie jsou pouze grafické. Data a hotové produkty jsou členským i přidruženým zemím rozšiřovány pomocí zvláštní linky nebo pomocí webových stránek [2] (s omezením přístupu pro veřejnost k některým produktům). Omezený počet dat je rozšiřován pomocí GTS a dále přes družici Meteosat.

Do ČHMÚ data přicházejí po lince 64 kB/s. Po zpracování jsou meteorologům v předpovědní službě Centrálního předpovědního pracoviště (CPP) k dispozici v tištěné formě přízemní tlaková pole, teploty v hladině 850 hPa, geopotenciální výška a teplota 500 hPa a vlhkost v 700 hPa. Dále jsou pomocí intranetu zobrazovány předpovědi srážek a pravděpodobnosti srážek větších než 1, 5, 10 a 20 mm/24 h. Z webových stránek ECMWF se používají produkty ansámblových předpovědí. Všechny tyto produkty jsou k dispozici zpravidla po 12 hodinách až na 10 dnů dopředu. Pro zobrazování produktů, zejména pro účely jejich zpětného vyhodnocení, se používá software Metview.

I když jsou některé produkty ECMWF používány i při tvorbě krátkodobých předpovědí, jejich hlavní použití je v rozsahu střednědobých předpovědí včetně předpovědí možného výskytu nebezpečných jevů. S přidruženým členstvím České republiky byla délka střednědobých předpovědí vydávaných na CPP v Praze prodloužena celkem o dva dny. Nyní je vydávána na 2. až 4. den s vyhlídkou na 5. až 8. den. Část produktů používají i regionální předpovědní pracoviště, která ze zaměřují na regionální předpovědi na tři dny dopředu. Přitom jsou zároveň používány i německý globální model a model z Washingtonu (NCEP). V rozsahu krátkodobých předpovědí jsou předpovědi dále upřesňovány zejména pomocí regionálních modelů ALADIN a německého lokálního modelu LM. Produkty ECMWF byly používány i při předpovědi srážek a vydávání výstražných informací v průběhu povodně v srpnu 2002. Zejména výstupy z tohoto centra výrazně pomohly včas upozornit na nástup druhé povodňové vlny.

Informativně jsou využívány produkty sezonních předpovědí. Výsledky modelu včetně produktů systému ansámblových předpovědí jsou operativně využívány při výběru analogických povětrnostních typů pro měsíční předpověď. Dále jsou na základě produktů ECMWF počítány trojrozměrné trajektorie látek, uniklých při případné radiační nebo velké chemické havárii. Produkty ECMWF jsou také poskytovány Povětrnostnímu ústředí armády ČR.

8. ZÁVĚR

Česká republika se po delším úsilí stala přidruženým členem ECMWF, což ČHMÚ umožnilo dostat se k široké škále kvalitních podkladů pro přípravu a tvorbu předpovědí, především střednědobých. Během krátké doby začaly být využívány nejen na Centrálním předpovědním pracovišti, ale některé produkty i na regionálních pracovištích. To umožnilo prodloužit předpovědní období a do určité míry posunout dopředu možnost včasného varování na nebezpečné či limitní hydrometeorologické jevy.

Pro meteorology u nás jsou novým produktem zejména produkty tzv. systému ansámblové předpovědi, které mohou ukazovat na možné rozdílné scénáře vývoje povětrnostní situace, a tedy i počasí, umožňují vytvářet pravděpodobnostní předpovědi apod. Tyto produkty poněkud mění způsob předpovídání a prezentace samotných předpovědí ať už veřejnosti nebo speciálním uživatelům. Dále jsme získali možnost účastnit se školicích kurzů, které ECMWF každý rok pořádá jak pro meteorology, kteří produkty používají přímo v předpovědní službě, tak pro pracovníky zaměřující se na vývoj numerických předpovědí.

Z uživatelského hlediska bude třeba i nadále vytvářet nové produkty, nejlépe s použitím kombinace deterministické a pravděpodobnostní předpovědi, v případě předpovědi nebezpečných jevů může být pravděpodobnostní vyjádření lepší. Tvorba produktů může být i automatická a po kontrole meteorologa jednoduše dostupná uživatelům.

Literatura:

[1] PERSSON, A., 2001. User Guide to ECMWF forecast products. Meteorological Bulletin, M3.2, ECMWF, 119 s.

[2] Internetové stránky ECMWF http://www.ecmwf.int

František Sopko - Marjan Sandev, MZ 2003/4, ročník 56, str. 119-123