Ihász István AZ ECMWF közötti fejlesztési terve, az ECMWF modellek használatát elősegítő OMSZ-beli fejlesztések Beszámoló a 2001.

Átírás

1 Az ECMWF közötti fejlesztési terve, az ECMWF modellek használatát elősegítő OMSZ-beli. OMSZ intézeti továbbképzés Budapest február 6., 14.

2 Az ECMWF közötti fejlesztési terve, az ECMWF modellek használatát elősegítő OMSZ-beli fejlesztési tervek. Bevezetés július 1-én Magyarország a kelet-közép európai országok közül elsőként csatlakozott az Európai Középtávú Előrejelző Központhoz. A csatlakozásunk következtében az utóbbi 5 évben a hazai középtávú (2-10) napos előrejelzések beválása jelentősen megnőtt. Az Európai Középtávú Előrejelző Központ (közismert angol rövidítése ECMWF = European Centre for Medium Range Weather Forecast) 18 európai ország Ausztria, Belgium, Dánia, Franciaország, Görögország, Hollandia, Finnország, Írország, Jugoszlávia, Nagy-Britannia, Németország, Norvégia, Olaszország, Spanyolország, Svájc, Svédország, Portugália és Törökország - összefogásaként 1973-ban readingi (Egyesült Királyság) székhellyel alakult meg. Az első real-time középtávú előrejelzés júniusban készült, majd 1979 augusztus 1-től naponta operatívan fut a numerikus előrejelzési modell. Az ECMWF-hez később társult tagként időrendben a 70-es években Izland, majd a 90-es évek közepén Magyarország, Horvátország és Szlovénia csatlakozott. Az ECMWF-ről, tevékenységi köréről az ECMWF honlapjain ( ihttps:// kaphatunk információt, a tag és társult tagállamok részére a honlap még több információt tartalmaz.

3 Az előrejelző központ alapvető célja jó minőségű középtávú (2-10 napos időtartamú) numerikus előrejelzések készítése. Az ECMWF numerikus előrejelzési produktumok közvetlen az RMDCN (Regional Meteorological Data Communication Network) hálózatán - nagysebességű (legalább 64 kbit/s) vonalon - keresztül a tagállamok és társult tagállamok számára teljes egészében rendelkezésre állnak. A Meteorológiai Világszervezet (WMO = World Meteorological Organization) többi tagja részére a Globális Távközlési Rendszeren (GTS = Global Telecommunication System) keresztül csak három meteorológiai mező (tengerszinti légnyomás, 850 hpa-os hőmérséklet, 500 hpa-os magasság) kb. 250*250 km-es felbontású naponkénti mezői állnak rendelkezésre. Az ECMWF operatívan futó globális skálájú - az egész Földet lefedő - numerikus időjárás előrejelzési modell a hagyományos felszíni (SYNOP, SHIP) és magaslégköri (TEMP) megfigyelések mellett felhasználja a tengeri úszó bóják (BUOY), repülőgépes megfigyelések (AIREP) és a műholdas megfigyelések (SATEM, SATOB, stb) adatait is. A számítástechnika utóbbi évtizedbeli rohamos fejlődése miatt lehetővé vált a modell jelentős fejlesztése, így napjainkban az ECMWF 4 napos előrejelzésének beválása meghaladja a 70-es évekbeli 1 napos előrejelzését. Hosszú évek óta az ECMWF-ben található az egyik legnagyobb teljesítményű meteorológiai célú szuperszámítógép. A 90- es évek első felében használt CRAY Y MP-t néhány évvel ezelőtt a japán FUJITSU VPP 700 majd VPP 5000 számítógép váltotta fel. Az ECMWF operatív numerikus modelljei Az ECMWF-ben naponta a 12 UTC-s kezdeti meteorológiai mezőkből kiindulva 10 napos modell előrejelzéseket futtatnak, a determinisztikus modell a hidrotermodinamikai egyenleteket oldja meg. A modell számos fizikai kölcsönhatást vesz figyelembe, így például az óceán - légkör, talajnedvesség és légkör, hótakaró és légkör közötti kölcsönhatást. A modell parciális differenciál egyenleteit spektrális térben oldják meg. A determinisztikus modell a felszín és a 0.1 hpa nyomási felület között 59 réteget tartalmaz. A determinisztikus modell mellett un. ensemble - valószínűségi - előrejelzések is készülnek. Az előrejelzés bizonytalansága az előrejelzés időtartamának növekedésével általában növekszik. A valószínűségi előrejelzések megvalósítását az 1995 második felében operatívan meginduló un. ensemble előrejelzések megindulása tette lehetővé. Az ensemble előrejelzések készítése során a kiindulási meteorológiai állapotra az aktuális légköri állapottól függően perturbációt ültetnek, ily módon egymástól kissé eltérő kezdeti állapotból néhány nap múlva már egymástól jelentősebb mértékben eltérő előrejelzett állapot alakulhat ki. A perturbációt illetve a perturbáció tükörképet a légköri mozgásrendszerek fejlődése szempontjából kritikus térbeli földrajzi térségekben ültetik rá a kezdeti mezőre.

4 Napjainkban az ensemble előrejelzés során 50 különböző kezdeti állapotból indul a modell, az ensemble előrejelzési modell dinamikai és fizikai felépítése a determinisztikus modellével megegyezik, csupán a jelentős számítógép idő csökkentése céljából a térbeli felbontása gyengébb. Az ensemble modell térbeli felbontása fele (jelenleg 80 km) a determinisztikus modell felbontásának (jelenleg 40 km). A modell a 12 UTC-s megfigyelések felhasználásával készíti el a 10 napos érvényességű előrejelzést. Az ECMWF a kísérleti évszakos előrejelzési programot 1995-ben indította el. Az első operatív szezonális előrejelzés júniusban készült el. A kapcsolt légkör-óceán modellt hetente háromszor 6 hónapos időszakra integrálják. A következő időszakra vonatkozó előrejelzés minden hónap 28-án áll rendelkezésünkre. A legutóbbi években a tudomány és technika fejlődése lehetővé tette a tengerfelszín hőmérsékleti (SST sea surface temperature) rendellenességek - anomáliák - légkörre gyakorolt hatásának vizsgálatát is. A légkör alsó határfeltételei, mint a tengerfelszín hőmérséklet, talajnedvesség és hótakaró hosszabb időre erősen befolyásolja a légkör állapotát. Az általános légkörzésre jelentős hatása van az un. El Nino jelenségnek. Az El Nino a Csendes óceán Dél-Amerika partjaihoz közeli, egyenlítői területeken a tengerfelszín jelentős felmelegedésével jár, s szinte az egész Föld időjárására kihat. A kapcsolt légkör-óceán modellek alkalmazásával lehetővé válik az előrejelzási időtartam kiterjesztése. Az előrejelezhetőség javulása két tényezőnek köszönhető: 1. a helyszíni un. in situ megfigyelési technika fejlődése a Csendes óceán egyenlítői területein, amely révén a felső 500 m vastag réteg hőmérsékleti viszonyait ismerhetjük meg. Az európai, amerikai és japán mesterséges holdak mérései szintén sok információt adnak a szél, hőmérséklet és nedvesség eloszlásáról. 2. Az óceán és a légkör közötti kölcsönhatásokat leíró numerikus modellek szintén sokat fejlődtek az utóbbi időkben, s térbeli felbontásuk is sokat javult.

5 Az ECMWF 10 éves stratégiai terve ( ) Az elmúlt évtizedbeli eredményekre alapozva az ECMWF 1998-ban elkészítette az 1999 és 2008 közötti időszakra vonatkozó stratégiai tervét. A tervet az ECMWF Vezetői Tanácsa 1999 júniusban egyhangúlag elfogadta. A terv a következő fő stratégiai célokat tartalmazza: I. Az ECMWF elsődleges hosszútávú célkitűzése a kutatási és operatív tevékenység eredményeként a középtávú (3-10 napos) előrejelzések beválásának a növelése. II Megbízható évszakos előrejelzések megalapozása és fejlesztése. Célkitűzések I. A középtávú előrejelzések beválásának kiterjesztése 1 nappal I. Az elmúlt 40 évre visszamenőlegesen az évszakos előrejelzések elkészítése II. A produktumok megbízható előállításának növelése, valamint a számítástechnikai lehetőségek bővítése a tagállamok számára III. A szélsőséges időjárási események megbízható 4-5 napos előrejelzése Emellett az ECMWF - az európai igényeknek megfelelően - törekszik a kiterjesztett időtartamú (10-30 napos) előrejelzések kifejlesztésére. A fenti célok megvalósítása érdekében a kutatási és operatív tevékenység az alábbi fő területekre összpontosul. I. Az adatasszimilációs rendszer továbbfejlesztése, hogy a rendszer képes legyen az összes lehetséges adatforrás (különös tekintettel a műholdas adatok) analízisére és az analízis bizonytalanságának becslésére. II. III. IV. Nagyfelbontású modell fejlesztése, amely hatékony és gazdaságos numerikus módszereket valamint összetett fizikai parametrizációs csomagot tartalmaz. A középtávú, havi és évszakos előrejelzések esetében az ensemble előrejelzések módszertanának fejlesztése, különös tekintettel a veszélyes időjárási események előrejelzésére. A meteorológiai és kapcsolódó produktumok operatív szolgáltatásának fejlesztése V. A tudományos és technikai együttműködés kiszélesítése a tagállamok tudományos és technikai intézeteivel.

6 Az ECMWF 4 éves középtávú terve ( ) A hosszútávú stratégiai terv célkitűzéseivel összhangban elkészült a középtávú ( ) terv, amely szerint az operatív előrejelző rendszerben az alábbi fő fejlődés várható: Az ECMWF operatív előrejelző rendszert 2000 végén az un. 40/80/200 km-es rendszer jellemzi, ami azt jelenti, hogy a determinisztikus modell horizontális felbontása 40 km, az ensemble modellé 80km és az évszakos előrejelzési modellé 200 km. Év Konfiguráció /80/200 km modellrendszer az extrém időjárási események előrejelezhetőségének tesztelése a 100 tagú EPS modell használatával /80/200 km modellrendszer A felhőzet és csapadék asszimilációja a 4D-Var-ban AIRS (Atmosheric Infrared Sounder) adatok asszimilációja Nagyobb felbontás a felső troposzférában Veszélyes időjárási helyzeteket előrejelző rendszer futtatása /50/100 km modellrendszer IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) adatok asszimilációja /30/60 km modellrendszer Számítástechnikai igények Év Operatív konfiguráció Tflops Tflops Tflops Tflops

7 A kutatási fejlesztési terv főbb pontjai félév TL 255 felbontás a 4D-Var belső ciklusában Az évszakos előrejelzési modell továbbfejlesztése Az EPS modell továbbfejlesztése trópusi perturbációk alkalmazásával Hetenként 30 napos előrejelzés futtatása kapcsolt légkör-óceán modellel félév 100 tagú EPS előrejelzés alkalmazásával a veszélyes időjárás előrejelző rendszer tesztelése Reduced-rank Kalman filter alkalmazása Új PBL parametrizáció és javított konvekciós séma MSG, ENVISAT SeaWinds és AIRS adatok használhatóságának vizsgálata MSG (METEOSAT Second Generation), ENVISAT (Environmental Satellite / ESA ) és SeaWinds adatok vizsgálata AIRS adatok használhatóságának további vizsgálata Csatolt szél-hullám asszimiláció Az előrejelző rendszer új számítógépre telepítése Továbbfejlesztett fizikai adjungáltak használata a felhő/csapadék asszimilációban Megnövelt függőleges felbontás a tropopauza környezetében AIRS adatok asszimilációja A reduced-rank Kalman filter továbbfejlesztése METOP (Meteorological Operational Satellite) adatok használatának előkészítése A veszélyes időjárás előrejelző rendszer napi kétszeri futtatása IASI adatok asszimilációja 24 órás ciklus a 4D-Var asszimilációban A 4D-Var-beli felbontás növelés előkészítése Az operatív program főbb pontjai A es időszakban az operatív program 4 fő területre koncecentrálódik: I. az új nagyfelbontású műholdas adatok használatára való felkészülés, az adatok monitorizálása és kiértékelése II. a középtávú veszélyes időjárás előrejelző rendszer kifejlesztése, tesztelése és megvalósítása III. a számítógépes rendszer (High Perfomance Computing facilities + Data Handling System) cseréje, modernizációja IV. a tag és társult tagállamok számára új web szolgáltatások széleskörű fejlesztése

8 Az ECMWF modellek használatát elősegítő OMSZ-beli Múlt ( ): Magyarország ECMWF társult taggá válása után megnyílt a lehetőség az ECMWF produktumok széleskörű használatára. Az elmúlt években az operatív előrejelző gyakorlatban széleskörben elterjedt a determinisztikus és ensemble előrejelzések használata. A meteorológiai előrejelzések hagyományos kétdimenziós (mezőbeli) megjelenítése mellett meghonosodott a pontbeli előrejelzések (meteogram, EPS fáklya, stb) használata is. Az előrejelzéseket az operatív szinoptikus meteorológiai gyakorlaton kívül a meteorológia egyéb területein is széleskörűen használják: környezetvédelem, diszperziós és trajektória számítás, UV-B előrejelzés, felhőtető meghatározás, termésbecslés, stb ban megteremtődött a lehetőség az ECMWF archivumához (MARS Meteorological Archive and Retrieval System) való real-time hozzáféréshez ben megindult a prognóziskészítés automatizálása ben első alkalommal vált lehetővé, hogy magyar szakember résztvegyen az ECMWF-beli fejlesztő munkában. Az elmúlt évek során számos OMSZbeli szakember vett részt az ECMWFbeli tanfolyamokon, továbbképzéseken, szemináriumokon. A rendezvénzeken való részvétel jelentős segítséget jelentett a hazai ben s a produktumok jobb hasznosítása során. Az elmúlt években számos ECMWFbeli software-t installáltunk (MARS, MAGICS, EMOS, METVIEW) Az alábbiakban röviden áttekintjük az elmúlt évekbeli et, s a közeljövő terveit. 1995: Első operatív adatok fogadása: 9.6 kbit/s direkt vonal Reading Budapest Az op. determinisztikus modell előrejelzések deldolgozása a NIMBUS rendszerben: NETCDF file-ok előállítása Operatív megjelenítés IDL segítségével ECMWF modellből származó peremfeltételek használata az SMHI LAM számára GRIBEX GRIB dekódoló ECMWF software installációja január február Duska Gizella március Csigó István április július

9 1996: EPS fáklya előrejelzés Budapestre minden reggel faxon (T850, H500, csapadék) Operatív megjelenítés: determinisztikus modell mezők HAWK március július Horváth Ákos 1997: Forward és backward izobár trajektóriák május számítása Felhőtető meghatározása július R. Roger UV-B előrejelzés október Németh Péter 1998: ECMWF 00 UTC előrejelzés szubjektív február IEO szinoptikusok verifikációja és órás időszakra 9.6 kbit/s direkt vonal upgradje 64 kbit/s ra április Reading Budapest között MEDIA diszperziós modell adaptációja május (ALADIN/LACE és ECMWF modell előrejelzésekre épülően) + EPS anomália mezők op. vétele, dekódolása május Duska Gizella EPS anomália mezők megjelenítése június Kertész Sándor a HAWK-1 -ben Az ECMWF MARS archivum elérését július Duska Gizella lehetővé tevő software installációja ECMWF évszakos előrejelzés beindulása, hozzáférés az ECMWF honlapon lévő térképes formátumú előrejelzésekhez 100 hpa-ig terjedő előrejelzések használata a TOVS profilok előállítása során (ICI programcsomag) július július Borbás Éva

10 1999: ECMWF 00 és 12 UTC-s előrejelzés objektív verifikációja az ALADIN/LACE modell területére - területi átlagok számítása - Automatikus prognózis készítés beindulása 6 magyarországi körzetre Hozzáférés a jelszóval védett ECMWF honlaphoz: Automatikus prognózis készítés mintegy 100 magyar és 100 európai városra Évszakos előrejelzés (T2, csapadék) objektív verifikációja Trajektória és MEDIA diszperziós modell interaktív szinoptikusi használatának lehetővé tétele április augusztus szeptember október november Zoboki Judit november Kertész Sándor

11 Közelmúltbeli /2000/ 1 hpa-ig terjedő előrejelzések használata a TOVS profilok előállítása során (ICI programcsomag) Megjelenítő rendszer továbbfejlesztése: HAWK-2 I. det. és EPS modell mezők II. det. meteogram III. spagetthi diagram január Borbás Éva 2000 során Kertész Sándor METVIEW 2.0B installációja május 12 hetes tanulmányút az ECMWF-ben: téma a szélséséges időjárási helyzetek előrejelezhetőségének tanulmánzozása az un. Extreme Forecast Index (EFI) alkalmazásával július szeptember Az OMSZbeli analógiás és az ECMWFbeli dinamikai alapú előrejelzés összehasonlító vizsgálata Determinisztikus és EPS weather parameter BUFR file-ok dekódolása ősz Zoboki Judit november MAGICS 6.2 installációja november EPS fáklya rajzoló program installációja december

12 Extrém időjárási események középtávú előrejelezhetőségének a vizsgálata Magyarország 1994-ben lett az Európai Középtávú Előrejelző Központ társult tagja. Az elmúlt évek során az OMSZ-ban a folyamatos itthoni fejlesztőmunka jelentős mértékben elősegítette az ECMWF produktumok hazai széleskörű és sokoldaldalú operatív használatát. A további fejlődés megalapozása érdekében az ECMWF társult tagállamok szeptember 20-i budapesti ülésén Mersich Iván, az OMSZ elnöke kezdeményezte, hogy a társult országok szakemberei - a kiküldő ország költségére - néhány hónapos tanulmányutak keretében résztvehessenek az ECMWFbeli fejlesztő munkában. Az ECMWF a javaslatot pozitívan fogadta, s többhónapos előkészítő munka után nyarán - első OMSZbeli szakemberként - résztvehettem a Meteorological Operational Section munkájában. Az ECMWF közötti stratégiai fejlesztési tervében kiemelt szerepet kapott az extrém illetve veszélyes időjárási események középtávú előrejelzésének fejlesztése. A fenti téma újszerűsége, fontossága miatt az ECMWF által felajánlott lehetőségek közül feladatomnak a szelsőséges időjárási események középtávú előrejelezhetőségének vizsgálatát választottam Magyarország térségére. A munkám során a ECMWFbeli determinisztikus és ensemble (EPS) előrejelzések magyarországi megfigyelési adatokkal való összehasonlítását az ECMWFben rendelkezésre álló modellklimatológiai és az OMSZbeli magyar megfigyelés klimatológiai adatok felhasználásával végeztem. A 2m-es hőmérséklet, 10m-es szélsebesség, a 24 órás csapadék összeg előrejelzés beválását vizsgáltam az un. extreme forecast index (EFI) alkalmázásával. A fenti meteorológiai paraméterekre - 1%-os lépésközönkénti havonkénti eloszlásfüggvényt a néhány kiválasztott magyar meteorológiai állomásra gyors és pontos munkával Kövér Béláné (TIFO) állította elő. Az ECMWFbeli munkában Francois Lalaurette nyújtott sokoldalú és önzetlen segítséget. A munkám során nagy segítséget jelentettek a korábbi ECMWFbeli tanfolyamokon, workshopokon a modellről, ről szerzett ismeretek, valamint az ECMWFbeli produktumok hazai használata során szerzett tapasztalatok. Az elvégzett munka új eredményeket ad mind az ECMWFbeli mind a hazai szakemberek számára, mivel ilyen típusú vizsgálat korábban nem törtent. A munka eredményeit a tagállamok képviselői számára rövid összefoglaló keretében Francois Lalaurette ismertette a október 4-6-i Technical Advisory Committee (TAC) Ülésen. Az előadás során kérte a tagállamok jövőbeli együttműködését, a hosszú idősorú megfigyelési adatokból számított eloszlásfüggvények előállítását a nemzeti meteorológiai szolgálatoktól.

13 Az extreme forecast index statisztikai vizsgálata szerint a +72, +96, +120 órás ensemble előrejelzések beválása meglepően jó volt a nyári hőhullám idején. A vizsgálat során egyértelműen igazolódott, hogy a szélsőséges időjárási események ensemble modellre épülő középtávú előrejelzés megbízhatóbb, mint a determinisztikus előrejelzés. Az ECMWFbeli tanulmányúton szerzett tapasztalatok nagy segítséget jelentenek a már megkezdett hazai folytatásában is. Összefoglalóan megállapítható, hogy a háromhónapos ECMWFbeli tanulmányút során a kitűzött célokat maradéktalanul sikerült teljesíteni, s a tapasztalatok, ismeretek biztos alapot nyújtanak a jelen s jövőbeli hazai munkában is. Jelen, közeljövő /2001/ tervei Valószínűségi előrejelzések készítése a 2m hőmérsékletre Extreme Forecast Index használata EPS meteogram előállítása METVIEW 2.0 B használatához Users Guide készítése EPS verifikáció beindítása Weather parameter BUFR file-beli információk használata az automatikus prognózis készítés során A magyarországi 6 havi előrejelzés készítés során az analógiás módszer felváltása Tóth Helga Zoboki Judit Az ECMWF operatív és kutatási főosztály egy egy szakembere kétévente látogatást tesz a tag és társult tagállamokban. A látogatás során informális módon kölcsönösen tájékoztatja egymást az ECMWF és a fogadó ország meteorológiai szolgálata az elmúlt időszakbeli ről s a közeljövő terveiről. Horst Bottger és Martin Miller márciusban, Francois Bouttier és Martin Miller novemberben, Francois Lalaurette és Mariano Hortal novemberben látogatott az OMSZ-ba. Látogatóink minden alkalommal elismerésüket fejezték ki a végzett munkánkért.

14 Irodalom Anders Persson, 2000: User Guide to ECMWF forecast products, Meteorological Bulletin 3.2, ECMWF Reading UK ECMWF, 1999: A strategy for ECMWF , Reading, UK ECMWF, 1999: The scientific and technical foundation of the ECMWF strategy, ECMWF, Reading, UK ECMWF, 2000: Application and verification of ECMWF products in Member States and Co-operating States, Reading UK ECMWF: 2000: The first twenty-five years ( ), Reading, UK ECMWF, Technical Advisory Committee, 2000: Consideration of the Four Year Programme of Activities ( ), ECMWF TAC 6-8 October 2000, Reading UK, Automatikus kódolt prognózisok készítése az ECMWF modell produktumai alapján. Az OMSz innovációs tevékenység ösztönzésére kiírt pályázat Ihász, I. 1999: The application of MEDIA dispersion model and 3D trajectory model using ALADIN/LACE, ALADIN/HU and ECMWF model products at the Hungarian Meteorological Service. 7 th Proceeding of Workshop on use and verification of ALADIN model. Ljubljana November 1999, 1999: Az előrejelző szakember által meteorológiai munkaállomásról futtatható diszperziós és trajektória modell készítése az ALADIN és ECMWF numerikus előrejelzési modell produktumok alapján. Az OMSz innovációs tevékenység ösztönzésére kiírt pályázat, 2000: Magyarország 5 éve az Európai Középtávú Előrejelző Központ társult tagja, Légkör 2000/ , 2000: Nagytávolságú kémiai és radioaktiv szennyezőanyag-terjedés modellezése az OMSZban az ALADIN és ECMWF numerikus időjáráselőrejelzési valamint a MEDIA diszperziós modellrendszer alkalmazásával. Meteorológiai Tudományos Napok, november , 2000: ECMWF EPS weather parameter BUFR file-beli információk operatív használata, EPS fáklya készítés Az OMSz innovációs tevékenység ösztönzésére kiírt pályázat Kaba Magdolna, 1995: Csatlakozásunk a Középtávú Időjárás Előrejelzések Európai Központjához, Légkör 1995/ Zoboki, J. 2000: Comparison of dznamical and statistical seasonal forecasts for Hungary. Proceeding of ECAS 2000, Pisa October Zoboki Judit, 2000: Dinamikus évszakos előrejelzések és verifikációjuk Magyarországra HUNGEO, Piliscsaba, augusztus In: Előadáskivonatok, D10.