1 FTP or production of Input Data Pre-processing and model run Post- processing Χρόνος Output available to the users Παράδειγμα λειτουργίας ενός αριθμητικού μοντέλου 6) Στοχαστική πρόγνωση (Ensemble Forecasting) Ανάλυση είναι το σύνολο των μετεωρολογικών δεδομένων που έχουν κατάλληλα προετοιμαστεί σε σημεία πλέγματος σε διάφορα επίπεδα της ατμόσφαιρας, τα οποία αποδίδουν όσο το δυνατόν καλύτερα τις μετεωρολογικές συνθήκες για κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ένα αριθμητικό μοντέλο είτε σαν αρχικά δεδομένα για τη δημιουργία της πρόγνωσης είτε και σαν οριακές συνθήκες σε προσομοιώσεις (hindcasts). Πρέπει να γίνει σαφές ότι ενώ ο στόχος της ανάλυσης είναι η όσο το δυνατόν καλύτερη αποτύπωση των μετεωρολογικών συνθηκών σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, υπάρχει σχεδόν πάντα μια απόκλιση της ανάλυσης από τις πραγματικές συνθήκες. Δεδομένα από πολλές πηγές (όπως SYNOP, METAR, ραδιοβολίσεις, παρατηρήσεις αεροπλάνων, δορυφορικά δεδομένα, προγνώσεις μοντέλων) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία της ανάλυσης.

2 x Παρατηρήσεις Αποτέλεσμα πρόγνωσης Χρόνοι εφαρμογής Παράθυρο δεδομένων χρόνος Κατάσταση μοντέλου x x Πρόγνωση x x x x Ανάλυση που προκύπτει από το σύστημα αφομοίωσης δεδομένων Ο στόχος της Αφομοίωσης Δεδομένων (data assimilation) είναι ο συνδυασμός όλων των δεδομένων εισόδου (παρατηρήσεις, προγνώσεις μοντέλου) με κατάλληλο τρόπο έτσι ώστε στην ανάλυση που θα προκύψει τα πεδία της κίνησης και της μάζας να είναι σε ισορροπία. Η ανάλυση αυτή, στη συνέχεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αρχικοποίηση (initialization) του αριθμητικού μοντέλου και τη δημιουργία της πρόγνωσης.

3 Συσχέτιση ανωμαλιών του σφάλματος πρόγνωσης του γεωδυναμικού ύψους στα 500 hPa στο Β. Ημισφαίριο για 329 ημέρες του 2003 και ECMWF

4 Η μέθοδος της στοχαστικής ή συνολικής πρόγνωσης (ensemble forecasting) παρέχει ένα μέτρο του βαθμού της αβεβαιότητας των αριθμητικών προγνώσεων, γνωρίζοντας ότι οι προγνώσεις περιέχουν σφάλματα. Η μέθοδος της στοχαστικής ή συνολικής πρόγνωσης (ensemble forecasting) παρέχει ένα μέτρο του βαθμού της αβεβαιότητας των αριθμητικών προγνώσεων, γνωρίζοντας ότι οι προγνώσεις περιέχουν σφάλματα. Τα σφάλματα των προγνώσεων προέρχονται κυρίως από: Τα σφάλματα των προγνώσεων προέρχονται κυρίως από: 1) Σφάλματα στις αρχικές συνθήκες των μοντέλων, π.χ. έλλειψη παρατηρήσεων, σφάλματα των οργάνων μέτρησης, σφάλματα του μοντέλου που διατηρούνται στο σύστημα αφομοίωσης δεδομένων 1) Σφάλματα στις αρχικές συνθήκες των μοντέλων, π.χ. έλλειψη παρατηρήσεων, σφάλματα των οργάνων μέτρησης, σφάλματα του μοντέλου που διατηρούνται στο σύστημα αφομοίωσης δεδομένων 2) Το ότι οι προγνωστικές εξισώσεις των μοντέλων είναι σχετικά απλοποιημένες μορφές των φυσικών νόμων που διέπουν την κίνηση της ατμόσφαιρας. Επίσης επιλύονται με αριθμητικές μεθόδους, άρα προσεγγιστικά. 2) Το ότι οι προγνωστικές εξισώσεις των μοντέλων είναι σχετικά απλοποιημένες μορφές των φυσικών νόμων που διέπουν την κίνηση της ατμόσφαιρας. Επίσης επιλύονται με αριθμητικές μεθόδους, άρα προσεγγιστικά. 3) Το ότι οι διάφορες φυσικές διεργασίες (π.χ. τυρβώδη ροή στο οριακό στρώμα, κατακόρυφη μεταφορά λόγω αστάθειας, ηλιακή ακτινοβολία) αναπαριστώνται μέσω παραμετροποιήσεων που περιέχουν υποθέσεις και προσεγγίσεις. 3) Το ότι οι διάφορες φυσικές διεργασίες (π.χ. τυρβώδη ροή στο οριακό στρώμα, κατακόρυφη μεταφορά λόγω αστάθειας, ηλιακή ακτινοβολία) αναπαριστώνται μέσω παραμετροποιήσεων που περιέχουν υποθέσεις και προσεγγίσεις. 4) Την χωρική ανάλυση του μοντέλου που δεν επιτρέπει μικρότερης κλίμακας διαταραχές να αναλυθούν επαρκώς. Επίσης η χωρική ανάλυση θέτει ένα όριο στην ανάλυση των χαρακτηριστικών του εδάφους (π.χ. ορογραφία, φυτοκάλυψη) 4) Την χωρική ανάλυση του μοντέλου που δεν επιτρέπει μικρότερης κλίμακας διαταραχές να αναλυθούν επαρκώς. Επίσης η χωρική ανάλυση θέτει ένα όριο στην ανάλυση των χαρακτηριστικών του εδάφους (π.χ. ορογραφία, φυτοκάλυψη)

5 6.1) Σχηματική Αναπαράσταση των Στοχαστικών Προγνώσεων Η ρητή προσέγγιση της αριθμητικής πρόγνωσης καιρού παρέχει μοναδική πρόγνωση (μπλε γραμμή) της πραγματικής εξέλιξης του συστήματος (κόκκινη γραμμή) Η ρητή προσέγγιση της αριθμητικής πρόγνωσης καιρού παρέχει μοναδική πρόγνωση (μπλε γραμμή) της πραγματικής εξέλιξης του συστήματος (κόκκινη γραμμή) Οι στοχαστικές προγνώσεις παρέχουν εκτιμήσεις της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας μελλοντικών καταστάσεων (κλειστοί μωβ σχηματισμοί) Οι στοχαστικές προγνώσεις παρέχουν εκτιμήσεις της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας μελλοντικών καταστάσεων (κλειστοί μωβ σχηματισμοί)

) ΜΕΘΟΔΟΣ «ΤΩΝ ΦΤΩΧΩΝ» (POOR-MAN’S ENSEMBLE) Συνδυασμός ανεξάρτητων αριθμητικών προγνώσεων από διάφορα μοντέλα ή προγνωστικά κέντρα Συνδυασμός ανεξάρτητων αριθμητικών προγνώσεων από διάφορα μοντέλα ή προγνωστικά κέντρα Παλαιότερα αυτή η μέθοδος είχε δώσει καλύτερα αποτελέσματα από το EPS (Ziehmann 1998, Atger 1999). Παλαιότερα αυτή η μέθοδος είχε δώσει καλύτερα αποτελέσματα από το EPS (Ziehmann 1998, Atger 1999). Όμως, η νεότερη έκδοση (T255L40) του EPS εμφανίζει καλύτερα αποτελέσματα (Buizza et al. 2003) Όμως, η νεότερη έκδοση (T255L40) του EPS εμφανίζει καλύτερα αποτελέσματα (Buizza et al. 2003)

) ΜΕΘΟΔΟΣ LAF Το πλήθος των μελών της LAF περιορίζεται από τον αριθμό των διαθέσιμων αναλύσεων, ενώ τα προγνωστικά μέλη δεν μπορούν να θεωρηθούν ισοπίθανα Το πλήθος των μελών της LAF περιορίζεται από τον αριθμό των διαθέσιμων αναλύσεων, ενώ τα προγνωστικά μέλη δεν μπορούν να θεωρηθούν ισοπίθανα Η LAF (Lagged Average Forecasting) προτάθηκε από τους Hoffman και Kalnay το Κατά τη συγκεκριμένη διαδικασία τα προγνωστικά μέλη προέρχονται από ολοκληρώσεις διαδοχικών κύκλων ανάλυσης Η LAF (Lagged Average Forecasting) προτάθηκε από τους Hoffman και Kalnay το Κατά τη συγκεκριμένη διαδικασία τα προγνωστικά μέλη προέρχονται από ολοκληρώσεις διαδοχικών κύκλων ανάλυσης

8 Η EPS (Ensemble Prediction System) προτάθηκε από τους Palmer et al. (1993) και Molteni et al. (1996) και χρησιμοποιείται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (European Center for Medium range Weather Forecasts - ECMWF) στην Αγγλία. Η EPS (Ensemble Prediction System) προτάθηκε από τους Palmer et al. (1993) και Molteni et al. (1996) και χρησιμοποιείται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (European Center for Medium range Weather Forecasts - ECMWF) στην Αγγλία. Η βασική αρχή της μεθόδου είναι ότι μικρά λάθη στην ανάλυση, ιδιαίτερα σε ευαίσθητες περιοχές της ατμόσφαιρας, μπορούν να επηρεάσουν την πρόγνωση της ατμοσφαιρικής ροής κατά τη διάρκεια της προγνωστικής περιόδου. Δηλαδή, μία πολύ λίγο διαφορετική ανάλυση μπορεί να προκαλέσει μία σημαντικά διαφορετική πρόγνωση. Η βασική αρχή της μεθόδου είναι ότι μικρά λάθη στην ανάλυση, ιδιαίτερα σε ευαίσθητες περιοχές της ατμόσφαιρας, μπορούν να επηρεάσουν την πρόγνωση της ατμοσφαιρικής ροής κατά τη διάρκεια της προγνωστικής περιόδου. Δηλαδή, μία πολύ λίγο διαφορετική ανάλυση μπορεί να προκαλέσει μία σημαντικά διαφορετική πρόγνωση. Για την αναπαράσταση της αβεβαιότητας της πρόγνωσης λόγω των αρχικών συνθηκών, προστίθενται στην ανάλυση επιλεγμένες διαταραχές προκαλώντας ένα εύρος διαφορετικών αρχικών συνθηκών. Για την αναπαράσταση της αβεβαιότητας της πρόγνωσης λόγω των αρχικών συνθηκών, προστίθενται στην ανάλυση επιλεγμένες διαταραχές προκαλώντας ένα εύρος διαφορετικών αρχικών συνθηκών. Οι αριθμητικές προγνώσεις που προέρχονται από αυτές τις τροποποιημένες αναλύσεις έχουν ίσες πιθανότητες μεταξύ τους, αλλά είναι γενικά λιγότερο καλές από την επιχειρησιακή πρόγνωση που προήλθε από την μη-τροποποιημένη ανάλυση. Οι αριθμητικές προγνώσεις που προέρχονται από αυτές τις τροποποιημένες αναλύσεις έχουν ίσες πιθανότητες μεταξύ τους, αλλά είναι γενικά λιγότερο καλές από την επιχειρησιακή πρόγνωση που προήλθε από την μη-τροποποιημένη ανάλυση ) ΜΕΘΟΔΟΣ EPS (Ensemble Prediction System)

9 ΜΕΘΟΔΟΣ EPS Ευαίσθητες περιοχές – Μοναδιαία διανύσματα (Singular Vectors) Πίεση μίας διαταραχής στη μέση στάθμη της θάλασσας κόκκινο χρώμα = θετικές τιμές μπλε χρώμα = αρνητικές τιμές Τ+0Τ+12Τ+24Τ+42 Πηγή: Montani (1998) Με τα μοναδιαία διανύσματα εντοπίζονται οι δυναμικά πιο ασταθείς περιοχές της ατμόσφαιρας. Αυτές είναι οι περιοχές όπου μικρές αρχικές αβεβαιότητες θα επηρεάσουν μία 48-ωρη πρόγνωση πιο γρήγορα.

10 Πρόγνωση της θερμοκρασίας στα 850 hPa για το Ελσίνκι. Μαύρη γραμμή = Επιχειρησιακή Πρόγνωση (deterministic model) Μπλε γραμμή = Ανάλυση Κόκκινες γραμμές = Μέλη Στοχαστικής Πρόγνωσης Πετρολιάγκης (2002)

11 ΜΕΘΟΔΟΣ EPS στο ECMWF Τ63L προγνωστικά μέλη T159L προγνωστικά μέλη Εισαγωγή αλγορίθμου που προσομοιώνει τις αβεβαιότητες του μοντέλου λόγω τυχαίων σφαλμάτων στις παραμετροποιήσεις T159L προγνωστικά μέλη T255L προγνωστικά μέλη T399L προγνωστικά μέλη. Τα 50 προγνωστικά μέλη δημιουργούνται με χρήση: α) της χαμηλής-ανάλυσης έκδοσης του μοντέλου που χρησιμοποιεί το EPS, β) των 50 διαταραγμένων αναλύσεων Το 51 ο μέλος χρησιμοποιεί: α) την χαμηλής-ανάλυσης έκδοση του μοντέλου του EPS, β) την επιχειρησιακή ανάλυση

12 Επιχειρησιακό (ντιτερμινιστικό) Σύστημα Στοχαστικής Πρόγνωσης (EPS) Μέχρι 1/2/2006 Από 1/2/2006 Μέχρι 1/2/2006 Από 1/2/2006 ΦασματικόT511Τ799Τ255Τ399 ΓκαουσιανόN256Ν400Ν128Ν200 Διασπορά (LL) Κατακόρυφα Επίπεδα του μοντέλου Νέα έκδοση: IFS c30r1

13 6.2) Διαθέσιμα Προϊόντα από το EPS A)Οριζόντιες τομές Α1) Προγνώσεις με χρήση της επιχειρησιακής ανάλυσης και των διαταραγμένων αρχικών συνθηκών

14

15

16

17

18 Ισοβαρικά επίπεδα: 1000, 925, 850, 700, 500, 200 hPa. Τα πεδία επίσης μπορούν να διατεθούν στα επίπεδα του μοντέλου. Ισοβαρικά επίπεδα: 1000, 925, 850, 700, 500, 200 hPa. Τα πεδία επίσης μπορούν να διατεθούν στα επίπεδα του μοντέλου. Πεδία στο επίπεδο δυναμικού στροβιλισμού ίσο με 2000 Πεδία στο επίπεδο δυναμικού στροβιλισμού ίσο με 2000 Δυναμική θερμοκρασία (PT) Δυναμική θερμοκρασία (PT) Πίεση (PRES) Γεωδυναμικό (Z) Ταχύτητες ανέμου U και V (U, V) Ειδική υγρασία (Q) Πίεση (PRES) Γεωδυναμικό (Z) Ταχύτητες ανέμου U και V (U, V) Ειδική υγρασία (Q) Πεδία στα ισεντροπικά επίπεδα των 300, 315, 330, 350, 370, 395, 475, 600 και 850 K Πεδία στα ισεντροπικά επίπεδα των 300, 315, 330, 350, 370, 395, 475, 600 και 850 K Πίεση (PRES) Δυναμικός Στροβιλισμός (PV) Στροβιλισμός (VO) Απόκλιση (D) Πίεση (PRES) Δυναμικός Στροβιλισμός (PV) Στροβιλισμός (VO) Απόκλιση (D) } Διαθέσιμη από όλα τα 51 μέλη Διαθέσιμα μόνο από το μέλος του EPS με την αδιατάρακτη ανάλυση }

19 Πεδία διαθέσιμα σε πλέγμα σημείων 0.5ºx0.5º και για οποιαδήποτε περιοχή Πεδία διαθέσιμα σε πλέγμα σημείων 0.5ºx0.5º και για οποιαδήποτε περιοχή Προγνώσεις από κύκλους 00 και 12 UTC Προγνώσεις από κύκλους 00 και 12 UTC Τα επιφανειακά πεδία και τα πεδία σε ισοβαρικά, ισεντροπικά επίπεδα και σε επίπεδα ίσου δυναμικού στροβιλισμού διατίθενται από Τα επιφανειακά πεδία και τα πεδία σε ισοβαρικά, ισεντροπικά επίπεδα και σε επίπεδα ίσου δυναμικού στροβιλισμού διατίθενται από Τ+0 – Τ+132 ανά 3-ωρο Τ+138 – Τ+240 ανά 6-ωρο Τα SWV2, SWV3, SWV4, STL2, STL4, SRC, SKT διαθέσιμα μέχρι Τ+168 Τα SWV2, SWV3, SWV4, STL2, STL4, SRC, SKT διαθέσιμα μέχρι Τ+168

20 Κάνει εφικτή την υποκειμενική ομαδοποίηση των προγνωστικών μελών Ο προγνώστης μπορεί να διακρίνει αν η συνοπτική κυκλοφορία σε ένα ή περισσότερα μέλη είναι ασυνήθιστη

21 Α2) Μέσος όρος και τυπική απόκλιση ομαδοποιημένων στοχαστικών προγνώσεων

22 C L U S T E R 1 C L U S T E R 2 C L U S T E R 3 T+96 T+120 T+144 T+168 T+96 T+120 T+144 T+168

23 C L U S T E R 4 T+96 T+120 T+144 T+168 T+96 T+120 T+144 T+168

24 Α3) Χάρτες πιθανοτήτων Οι χάρτες πιθανοτήτων αποτελούνται από 2-διάστατα πεδία που παρέχουν τις πιθανότητες εμφάνισης συγκεκριμένων μετεωρολογικών συνθηκών για κάθε σημείο πλέγματος και για συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή χρονική περίοδοΟι χάρτες πιθανοτήτων αποτελούνται από 2-διάστατα πεδία που παρέχουν τις πιθανότητες εμφάνισης συγκεκριμένων μετεωρολογικών συνθηκών για κάθε σημείο πλέγματος και για συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή χρονική περίοδο

25 Πιθανότητα Θερμοκρ. 2μ < 0ºC Valid: 00 UTC, Τρ. 24/1/06 Πιθανότητα Θερμοκρ. 2μ < 0ºC Valid: 12 UTC, Τρ. 24/1/06

26 Πιθανότητα ανέμου στα 10μ > 15 m/s Valid: 12 UTC, Δευ. 23/1/06 Πιθανότητα Ριπών ανέμου 10μ > 25 m/s Από 12 UTC, Κυρ. 22/1/06 Έως 12 UTC, Δευ. 23/1/06

27 Α4) Δείκτης πρόγνωσης ακραίων φαινομένων - EFI Ο δείκτης EFI (Extreme Forecast Index) παίρνει τιμές από –1 έως 1 ανάλογα με τη διαφορά ανάμεσα στις στοχαστικές προγνώσεις και την κλιματολογία του μοντέλου.Ο δείκτης EFI (Extreme Forecast Index) παίρνει τιμές από –1 έως 1 ανάλογα με τη διαφορά ανάμεσα στις στοχαστικές προγνώσεις και την κλιματολογία του μοντέλου. Τιμή του δείκτη ίση με 1 σημαίνει ότι σύμφωνα με το EPS υπάρχει 100% πιθανότητα ότι οι τιμές του πεδίου θα είναι μεγαλύτερες από την απολύτως μέγιστη τιμή της κλιματολογίας του μοντέλου.Τιμή του δείκτη ίση με 1 σημαίνει ότι σύμφωνα με το EPS υπάρχει 100% πιθανότητα ότι οι τιμές του πεδίου θα είναι μεγαλύτερες από την απολύτως μέγιστη τιμή της κλιματολογίας του μοντέλου. Αντίστοιχα, τιμές ίσες με –1 δηλώνουν βεβαιότητα για εξαιρετικά χαμηλές τιμές.Αντίστοιχα, τιμές ίσες με –1 δηλώνουν βεβαιότητα για εξαιρετικά χαμηλές τιμές. Ο δείκτης παίρνει την τιμή 0 όταν όλα τα μέλη της στοχαστικής πρόγνωσης προβλέπουν τιμές ίσες με τη διάμεσο της κλιματολογίας.Ο δείκτης παίρνει την τιμή 0 όταν όλα τα μέλη της στοχαστικής πρόγνωσης προβλέπουν τιμές ίσες με τη διάμεσο της κλιματολογίας.

28 Δείκτης θερμοκρασίας στα 2μ Valid: 12 UTC, Παρ. 20/1/06 Δείκτης θερμοκρασίας στα 2μ Valid: 12 UTC, Σαβ. 21/1/06

29 Δείκτης θερμοκρασίας στα 2μ Valid: 12 UTC, Δευ. 23/1/06 Δείκτης θερμοκρασίας στα 2μ Valid: 12 UTC, Τρ. 24/1/06

30 Δείκτης Υετού 06 UTC, Κυρ. 22/1/06 – 06 UTC, Δευ. 23/1/06 Δείκτης Ταχύτητας Ανέμου 10μ. 12 UTC, Δευ. 23/1/06

31 Β) Χρονοσειρές μετεωρολογικών παραμέτρων (51 μέλη) ΚωδικόςΣυντόμευσηΌνομα ΠεδίουΜονάδες 4910FGΡιπές ανέμου στα 10 μέτραm/s 59 CAPEΔιαθέσιμη δυναμική ενέργεια για ανωμεταφοράJ/K 129ZΓεωδυναμικό*m 2 s TΘερμοκρασία*K 131UU-ταχύτητα*m/s 132VV-ταχύτητα*m/s * διαθέσιμα στα ισοβαρικά επίπεδα των 1000, 850, 700, 500, 200 hPa

32 142LSPΜεγάλης-Κλίμακας Υετόςm 143CPΥετός λόγω ανωμεταφοράςm 157RΣχετική Υγρασία *- 228TPΣυνολικός υετόςkg/m 2 164TCCΟλική νεφοκάλυψη(0-1) 1672TΘερμοκρασία στα 2 μέτραK 1682DΘερμοκρασία σημείου δρόσου στα 2 μέτραK 16510UU στα 10 μ.m/s 16610VV στα 10 μ.m/s 144SFΧιονόπτωσηm 201 MX2T Μέγιστη θερμοκρασία στα 2 μ. από την προηγούμενη μετεπεξεργασία αποτελεσμάτων K 202MN2T Ελάχιστη θερμοκρασία στα 2 μ. από την προηγούμενη μετεπεξεργασία αποτελεσμάτων K 172LSMΜάσκα Ξηράς/Θάλασσας(0-1) 151MSLΠίεση στη μέση στάθμη της θάλασσαςPa 189SUNDΔιάρκεια ηλιοφάνειαςmin

33

34 Τ+0 : 00 UTC, Παρ. 20/1/06 Π Σ Κ Δ Τ Τ Π Π Σ Κ Δ