Παρασκευή, 1 Φεβρουαρίου 2013

Μοντελο καιρου GFS. Δεδομενα εισαγωγης αρχικων συνθηκων και προγνωστικη ικανοτητα.

Μοντελο καιρου GFS. Δεδομενα εισαγωγης αρχικων συνθηκων και προγνωστικη ικανοτητα.





 Επειδη διαβαζω γενικα καποια λανθασμενα ή τελοσπαντων υπεραπλουστευτικα και ελλειπη πραγματα για το GFS και τα δεδομενα εισοδου που λαμβανει, αποφασισα να γραψω μια συντομη περιγραφη του τι συμβαινει ακριβως.

Καταρχην να πω οτι οι ιδιοι οι υπευθυνοι και μετεωρολογοι του GFS λενε οτι και τα 4 τρεξιματα του, το 00z, το 06z, το 12z και το 18z ενω εχουν καποιες μικρες διαφορές ως προς την προγνωστικη αξιοπιστια και ικανοτητα, οι διαφορές αυτες δεν ειναι στατιστικως σημαντικες.
Τωρα, το 12z πχ που λεμε, αντιστοιχει στο τρεξιμο 12:00 η ωρα UTC(το z συμβολιζει το Zulu time δηλαδη UTC) βγαινει η ωρα 18 UTC και παιρνει τα δεδομενα του συνηθως(οχι παντα) αναμεσα στις ωρες 09z εως και 15z περιπου. Αντιστοιχα και τα άλλα τρεξιματα.

Τα μετεωρολογικα δεδομενα ομως που παιρνει καθε τρεξιμο ειναι ενας τεραστιος αριθμος και ας τα αναλυσουμε λιγο. Καταρχην εχουμε τα δεδομενα απο τα αεροπλανα παγκοσμιως και στο περιπου ισχυουν τα εξης νουμερα: Το 00z παιρνει περιπου απο 65000 εως 105000 δεδομενα απο αεροσκαφη, το 06z παιρνει περιπου απο 50000 εως 75000 δεδομενα απο αεροσκαφη, το 12z παιρνει περιπου απο 52000 εως 80000 δεδομενα απο αεροσκαφη, το 18z παιρνει περιπου απο 65000 εως 105000 δεδομενα απο αεροσκαφη(απο εναν μεσο ορο ανα ημερα για ενα διαστημα τριων(για 3 διαφορετικα ετη) 20ημερων που εβγαλα).

Ας δουμε τωρα πόσα δεδομενα ΑΝΑ ΗΜΕΡΑ για τον Δεκεμβριο του 2012 (μεσο όρο δηλαδη) αναλυτικα παιρνει περιπου το καθε τρεξιμο:

►ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΟ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥΣ:
•Δεδομενα που ΕΙΣΕΡΧΟΝΤΑΙ απο δορυφορους ΚΑΘΕ ΗΜΕΡΑ:
00z: 706390048 (706 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 00z!!)
06z: 680890319 (681 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 06z!!)
12z: 690560584 (691 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 12z!!)
18z: 698481105 (698 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 18z!!)

•Δεδομενα ανα ημερα που τελικως ΓΙΝΟΝΤΑΙ ΔΕΚΤΑ απο δορυφορους:
00z: 16860685
06z: 16294747
12z: 16592945
18z: 16690927

•Δεδομενα ανα ημερα που τελικως ΓΙΝΟΝΤΑΙ ΔΕΚΤΑ απο δορυφορους ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΖΟΝΤΑΙ τελικα απο το μοντελο:
00z: 3179834 (3.18 εκατομμυρια περιπου καθε τρεξιμο του 00z!!)
06z: 3169267 (3.17 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 06z!!)
12z: 3209578 (3.21 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 12z!!)
18z: 3225766 (3.23 εκατομμυρια σε καθε τρεξιμο του 18z!!)


►Δεδομενα ανα ημερα ΜΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ που τελικως ΓΙΝΟΝΤΑΙ ΔΕΚΤΑ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΖΟΝΤΑΙ τελικα απο το μοντελο:
00z: 188397 (σε καθε τρεξιμο του 00z)
06z: 146122 (σε καθε τρεξιμο του 06z)
12z: 146347 (σε καθε τρεξιμο του 12z)
18z: 190016 (σε καθε τρεξιμο του 18z)

Απο τα παραπανω:
•Απο METAR και SYNOP:
00z: 61898 (σε καθε τρεξιμο του 00z)
06z: 64007 (σε καθε τρεξιμο του 06z)
12z: 65780 (σε καθε τρεξιμο του 12z)
18z: 63844 (σε καθε τρεξιμο του 18z)

•Απο πλοια:
00z: 18541 (σε καθε τρεξιμο του 00z)
06z: 18662 (σε καθε τρεξιμο του 06z)
12z: 18926 (σε καθε τρεξιμο του 12z)
18z: 18902 (σε καθε τρεξιμο του 18z)

•Απο ραδιοβολησεις:
00z: 2333 (σε καθε τρεξιμο του 00z)
06z: 1758 (σε καθε τρεξιμο του 06z)
12z: 2274 (σε καθε τρεξιμο του 12z)
18z: 1700 (σε καθε τρεξιμο του 18z)

•Απο αεροσκαφη/αεροπλανα:
00z: 105625 (σε καθε τρεξιμο του 00z)
06z: 61695 (σε καθε τρεξιμο του 06z)
12z: 59367 (σε καθε τρεξιμο του 12z)
18z: 105600 (σε καθε τρεξιμο του 18z)



Και να δωσουμε μερικους χαρτες περι αυτων για να σχηματισει καποιος μια αποψη για το πως εχουν τα πραγματα:

Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος της κατηγοριας ACARS(κατι σαν αεροπλανα που εχουν εδρα την Αμερικη πιθανοτατα) για το υψος 300 hPa εως 150 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος της κατηγοριας ACARS(κατι σαν αεροπλανα που εχουν εδρα την Αμερικη πιθανοτατα) για το υψος 700 hPa εως 300 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος της κατηγοριας ACARS(κατι σαν αεροπλανα που εχουν εδρα την Αμερικη πιθανοτατα) για το υψος 1000 hPa εως 700 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος αλλα παγκοσμιως) για το υψος 300 hPa εως 150 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος αλλα παγκοσμιως και της κατηγοριας AMDAR/ASDAR(συστηματα που φερουν τα αεροπλανα ωστε να μεταδιδουν μετεωρολογικες πληροφοριες) για το υψος 300 hPa εως 150 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος αλλα παγκοσμιως και της κατηγοριας ESA(δεν εψαξα τι ειναι αυτο) για το υψος 1000 hPa εως 700 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο αερος αλλα παγκοσμιως και της κατηγοριας ESA(δεν εψαξα τι ειναι αυτο) για το υψος 300 hPa εως 150 hPa:




Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 για τον Ειρηνικο και Ατλαντικο ωκεανο πιθανοτατα απο δορυφορο για το υψος 1000 hPa εως 700 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 για τον Ειρηνικο και Ατλαντικο ωκεανο πιθανοτατα απο δορυφορο για το υψος 700 hPa εως 300 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 για τον Ειρηνικο και Ατλαντικο ωκεανο πιθανοτατα απο δορυφορο για το υψος 300 hPa εως 150 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο ΜΕΤΑΡ σταθμους(δεδομενα ατμοσφαιρικης πιεσης επιφανειας):



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο μετεωρολογικους σταθμους παγκοσμιως(δεδομενα θερμοκρασιας επιφανειας). Βλεπουμε οτι κανενα δεδομενο δεν εγινε αποδεκτο. Δεν ξερω το γιατι.:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο μετεωρολογικους σταθμους παγκοσμιως(δεδομενα ατμοσφαιρικης πιεσης επιφανειας):



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο ραδιοβολησεις για το υψος 700 hPa εως 300 hPa:



Δεδομενα για το 00z στις 31 Ιανουαριου 2013 απο ραδιοβολησεις για τις θερμοκρασιες για το υψος 1000 hPa εως 700 hPa:




Παρομοια διαδικασια γινεται και σε άλλα μοντελα πχ οπως το Ευρωπαικο IFS(του Ευρωπαικου κεντρου καιρου ECMWF), μόνο που το Ευρωπαικο μοντελο συμπεριλαμβανει πολυ περισσοτερες μετρησεις απο Ευρωπη και το "data assimilation" του οπως λεγεται, δηλαδη η επεξεργασια των δεδομενων προς εισαγωγη στο μοντελο, ειναι ΠΟΛΥ ΠΟΛΥ πιο εξελιγμενη απο του GFS αφου βαζισεται στην μεθοδο 4DVar ενω το GFS στην παλαιοτερη 3DVar και αυτο γιατι η πρωτη ειναι ΠΟΛΥ ΠΟΛΥ πιο απαιτητικη σε επεξεργαστικη ισχυ.
 Ειναι ενας απο τους λογους αλλωστε που το Ευρωπαικο μοντελο(IFS) ειναι καλυτερο του Αμερικανικου GFS, πραγμα που το αποδεχονται και οι Αμερικανοι και μαλιστα το 2009 ζητησαν και την βοηθεια του ECMWF ωστε να βρουνε τι φταιει και το GFS δεν ηταν τοσο καλο. Τελικα βρηκαν οτι το GFS με το data assimilation scheme(την δομη/σκελετο εισαγωγης και επεξεργασιας αρχικων δεδομενων) του Ευρωπαικου, γινοταν πολυ καλυτερο και πλησιαζε αρκετα στο Ευρωπαικο μοντελο!  Οποτε μια κατευθυνση εαν θελουν να κανουν καλυτερο το GFS θα ηταν να βελτιωσουν το data assimilation προγραμμα τους. Προφανως και το προσπαθουν και αυτο μεταξυ αλλων. Το Ευρωπαικο εξαλλου λειτουργει με φυσικη μοντελου Semi-Lagrangian ενω το GFS με την πιο "αδυναμη" Eulerian φυσικη θεωρηση, ενω βεβαια το GFS τρεχει με χειροτερη οριζοντια αλλά και κατακορυφη αναλυση απο το Ευρωπαικο.
Επικειται βεβαια μια ΤΕΡΑΣΤΙΑ αναβαθμιση του μοντελου του GFS απο πολλες αποψεις, και θα εχει και αυτο την φυσικη του μοντελου του βασισμενη σε Semi-Lagrangian θεωρηση αλλά και θα βελτιωθει και η οριζοντια και πιθανως και η καθετη αναλυση του. Για το data assimilation του δεν γνωριζω εαν θα αλλαξουν την πεπαλαιωμενη πλεον 3DVar θεωρηση.

Να δουμε τωρα πως τα πηγαινει καθε τρεξιμο του GFS και σχετικα μεταξυ τους αλλά και σχετικως με το Ευρωπαικο:

•Αρχικα να δουμε συνολικα το GFS πως παει σε σχεση με το Ευρωπαικο απο το 1996 εως σημερα για το βορειο ημισφαιριο στην προβλεψη των γεωδυναμικων υψων στα 500 hPa(που ειναι πολυ σημαντικη σταθμη και αυτη που λαμβανουμε κυριως υποψη για τις διεργασιες που κινουν τα συστηματα στην επιφανεια) για 5 μερες μπροστα:

Φανερα το Ευρωπαικο ειναι καλυτερα με τον δεικτη anomaly correlation(ενα δεικτης που μετραει την προγνωστικη ικανοτητα ενος μοντελου, και οσο μεγαλυτερη τιμη τοσο καλυτερη προγνωστικη ικανοτητα με το 100%(ή 1) να ειναι το μεγιστο) να ειναι στο Ευρωπαικο τον τελευταιο χρονο στο 89.9% μεσο όρο ενω για το GFS στο 87.4%.
Στο κατω διαγραμμα μπορουμε και να δουμε πόσο καλυτερο ειναι το Ευρωπαικο μοντελο(πόσο απεχει δηλαδη στον εν λογω δεικτη που μετραει την προγνωστικη ικανοτητα). Βλεπουμε οτι σχεδον για 17 συνεχομενα ετη το GFS ηταν χειροτερο απο το Ευρωπαικο με ελαχιστες εξαιρεσεις μικρων χρονικων διαστηματων.

Βλεπουμε επισης πόσο αργα αλλά σταθερα αυξανεται η προγνωστικη ικανοτητα των μοντελων.
Βεβαια το 90% που εχουν φτασει περιπου σημερα οπως δειχνει το διαγραμμα, δεν πρεπει να παρερμηνευθει ή να γενικευτει ή να εξειδικευθει. Το διαγραμμα λεει αυτο που λεει. ΔΕΝ λεει οτι τα μοντελα πιανουν τον καιρο με 90% πιθανοτητες/ακριβεια! ΚΑΜΙΑ ΣΧΕΣΗ! Οποιος κανει τετοιου ειδους εξειδικευσεις ή βγαζει τετοια συμπερασματα, ας μην κατηγορει τα μοντελα και τα διαγραμματα οτι δεν ξερουν τι τους γινεται, αλλά να κατηγορει τον εαυτο του οτι δεν ξερει τι του γινεται. Το διαγραμμα μιλαει για την προβλεψη των γεωδυναμικων υψων στα 500 hPa στο βορειο ημισφαιριο για 5 μερες μπροστα. Και τα 500 hPa μπορει να ειναι η σταθμη που βλεπουμε κυριως για να δουμε την γενικη κυκλοφορια της ατμοσφαιρας που ζουμε(η επιφανεια που μας ενδιαφερει δηλαδη) αλλά δεν δειχνει πόσα χιλιοστα βροχης θα πεσουν στο Νευροκοπι ή στο Οσλο. Η 90% ακριβεια του διαγραμματος δηλαδη, δεν μεταφερεται και στις θερμοκρασιες στο Σουφλι ή στον υετο της Κρητης. Μόνο οι ασχετοι ζητανε απο τα παγκοσμια μοντελα να τους βρουνε ποσο χιονι ή βροχη θα ριξει στην αυλη τους.
Ουτε αυτο βεβαια σημαινει οτι τα μοντελα δεν εχουν και μεγαλες αποτυχιες.


•Να δουμε τωρα μεταξυ των τεσσαρων τρεξιματων του GFS τι γινεται:
Και παλι για το βορειο ημισφαιριο στην προβλεψη των γεωδυναμικων υψων στα 500 hPa για 5 μερες μπροστα:


 Ξερουμε απο τους ανθρωπους του ΝΟΑΑ οτι γενικα το 00z ειναι το καλυτερο γενικα τρεξιμο με ελαχιστη βεβαια διαφορά και παντως οχι στατιστικως σημαντικη!
 Απο εκει και περα χρησιμοποιουμε αυτο για συγκριση σε σχεση με τα άλλα 3 τρεξιματα. Αυτο δειχνει και το ΚΑΤΩ διαγραμμα. Την διαφορά των 3 υπολοιπων τρεξιματων απο το 00z το οποιο ειναι η οριζοντια γραμμη του μηδεν.
Βλεπουμε λοιπον οτι πριν το 2008 η διαφορά των τρεξιματων 06z και 18z σε μεγαλυτερο βαθμο αλλά και του 12z σε μικροτερο βαθμο απο το 00z, ως προς την προγνωστικη ικανοτητα ηταν μεγαλυτερη και υπηρχε πραγματι διαφορά. Τα 06z και 18z ηταν χειροτερα του 00z με διαφορά ομως οχι και παλι στατιστικως σημαντικη αλλά αρκετη. Μετα το 2008 ομως και κυριως τα καλοκαιρια(του βορειου ημισφαιριου παντα) οπου η προβλεψη ειναι πολυ ευκολοτερη, η διαφορά των 2 τρεξιματων(16z,06z) εγινε πολυ μικρη(παροτι το 06z το 2010 ηταν αρκετα κακο σε σχεση με τα άλλα τρεξιματα) ενω το 2011 για μερικους μηνες ηταν και καλυτερο απο το 00z(η κοκκινη γραμμη πανω απο την οριζοντια 0 που δειχνει το 00z).
Βλεπουμε λοιπον οτι γενικα οι διαφορές αξιοπιστιας/προγνωστικης ικανοτητας μεταξυ των τεσσαρων τρεξιματων υπαρχουν αλλά ειναι μικρες και παντως ΟΧΙ στατιστικως σημαντικες οπως λεει και η εκθεση του NCEP.

 Πρεπει να γινει κατανοητο ομως, οτι παρολο που γενικως μιλωντας το 6ρι και το 18ρι τρεξιμο ειναι ελαφρως(και παντως στατιστικως μη σημαντικα) χειροτερα απο το 00z και το 12z, γενικως μιλωντας με την εννοια οτι σαν τρεξιματα εχουν ελαχιστη λιγοτερη προγνωστικη ικανοτητα, πρεπει να γινει κατανοητο ομως ο διαχωρισμος που θα αναφερω τωρα, οτι οι ανθρωποι του ΝΟΑΑ λενε ΡΗΤΩΣ οτι ΚΑΘΕ 06z(και λογω του οτι τρεχει με νεοτερα δεδομενα) ειναι ΚΑΛΥΤΕΡΟ(πιο καλη προγνωσιμοτητα) απο το προηγουμενο 00z, και καθε 18z ειναι καλυτερο απο το προηγουμενο 12z, οπως και ΚΑΘΕ τρεξιμο εχει μεγαλυτερη προγνωστικη αξια απο το αμεσως προηγουμενο του!

Για το 2012 ο δεικτης προγνωστικης ικανοτητας ηταν:
00z: 87.4%
06z: 86.9%
12z: 87.3%
18z: 86.8%

•Να δωσω και ενα αντιστοιχο διαγραμμα αλλά για 7 μερες μπροστα και οχι 5 οπως πανω:


•Και επισης ενα παρομοιο διαγραμμα για τον τελευταιο μηνα για το βορειο ημισφαιριο στην προβλεψη των γεωδυναμικων υψων στα 500 hPa για 5 μερες μπροστα για τα 2 τρεξιματα(00z,12z) του Ευρωπαικου μοντελου IFS και τα 4 προαναφερθεντα του Αμερικανικου GFS:



Βλεπουμε οτι τον τελευταιο μηνα ο δεικτης προγνωστικης ικανοτητας(anomaly correlation) ηταν(με ECMWF συμβολιζουμε το Ευρωπαικο μοντελο IFS):
ECMWF 12z: 89.4%
ECMWF 00z: 89.1%
GFS 00z: 88.1%
GFS 12z: 87.5%
GFS 06z: 87.3%
GFS 18z: 87.3%

Ενω οι επιμερους επιδοσεις ανα ημερα μπορουν να εξαχθουν απο το πανω διαγραμμα(το κατω ειναι για το νοτιο ημισφαιριο οπου εκει τα παει ακομα καλυτερα το Ευρωπαικο).




Τελος, να δωσω σε αυτο το σημειο και μια σχετικως καλη λιστα εις την Αγγλικη γλωσσα με ολους τους διαφορετικους τροπους και τα χρησιμοποιηθεντα μεσα που συλλεγονται τα δεδομενα που μπαινουν ως αρχικες συνθηκες στο Αμερικανικο GFS μοντελο καιρου:


Surface data - Land
Synoptic - restricted (WMO Resolution 40) manual and automatic
Synoptic - fixed manual and automatic
Synoptic - mobile manual and automatic
Aviation - METAR

Vertical soundings - other than Satellite
Rawinsonde - fixed land
Rawinsonde - mobile land
Rawinsonde - ship
Dropwinsonde
Pibal
NEXRAD Vertical Azimuth Display (VAD) winds

Single Level Upper-air data (other than satellite)
Flight level reconnaissance aircraft data
Automated MDCRS ACARS aircraft data (from ARINC)
Automated MDCRS ACARS aircraft data (from ARINC) via AFWA
Manual AIREP format aircraft data
Manual PIREP format aircraft data
Automated AMDAR format ASDAR/ACARS aircraft data
European ASDAR/ACARS Data Aquisition System (E-ADAS) aircraft data (originally in BUFR)
NOAA Profiler Network (NPN) winds
Profiler winds originating from PILOT (Pibal) bulletins
Japanese Meteorological Agency (JMA) profiler winds
Cooperative Agency Profiler (CAP) winds
RASS temperatures from NOAA Profiler Network (NPN) and Cooperative Agency Profilers (CAP)

Vertical soundings - satellite
GOES/NESDIS-processed 5x5 field-of-view soundings/brightness temperatures
GOES/NESDIS-processed 1x1 field-of-view soundings/brightness temperatures

Surface data - satellite
QuikSCAT products
DMSP/SSM-I - operational products derived at FNMOC
DMSP/SSM-I - Neural Net-3 products derived at NCEP
DMSP/SSM-I - processed brightness temperatures
NASA/Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)/TMI)

Single level upper air data - satellite 
GOES/NESDIS infrared derived cloud motion (from NESDIS server, originally in BUFR)
GOES/NESDIS water vapor imager derived cloud motion (from NESDIS server, originally in BUFR)
GOES/NESDIS visible derived cloud motion (from NESDIS server, originally in BUFR)
INSAT/India infrared derived cloud motion
INSAT/India visible derived cloud motion
INSAT/India water vapor derived cloud motion
GMS/JMA infrared derived cloud motion - low density (originally in SATOB format)
GMS/JMA visible derived cloud motion - low density (originally in SATOB format)
GMS/JMA water vapor imager derived cloud motion - low density (originally in SATOB format)
METEOSAT/EUMETSAT infrared derived cloud motion (originally in BUFR)
AQUA/TERRA MODIS infrared derived cloud motion
AQUA/TERRA MODIS water vapor imager derived cloud motion

Surface data - sea
Sea level pressure bogus
Ship - manual and automatic
Buoys in FM-18 format (moored or drifting)
Buoys in FM-13 format (moored)
Land-based CMAN station
Tide gauge reports in CREX format

Radiances - satellite measured
AQUA/AIRS, AMSU-A, HSB processed brightness temperatures

GOES NESDIS-processed 11x17 field-of-view imager (clear sky) brightness temperatures
NOAA-14/HIRS-2 (High resolution InfraRed Sounder-2) NCEP-processed brightness temperatures
NOAA-14/MSU (Microwave Sounding Unit) NCEP-processed brightness temperatures
NOAA-15,-16,-17,-18/AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) NCEP-processed brightness temperatures
NOAA-15,-16,-17/AMSU-B (Advanced Microwave Sounding Unit-B NCEP-processed brightness temperatures
NOAA-15,-16,-17/HIRS-3 (High resolution InfraRed Sounder-3) NCEP-processed brightness temperatures

Physical/chemical constituents
POES/NESDIS Solar backscatter ultraviolet radiances


2 σχόλια: