validationofweatherradarobservationsofsevereweather ... · 96 Информатика, вычисл....

ТРУДЫ МФТИ. 2016. Том 8, № 1 Ю. Б. Павлюков, Н. И. Серебрянник, Б.Н. Карпов 95

УДК 621.396.96

Ю.Б. Павлюков1, Н.И. Серебрянник1, Б.Н. Карпов1,21Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета

2Институт физики атмосферы имени А.М. Обухова Российской академии наук

Валидация радиолокационных наблюдений опасныхявлений погоды на сети ДМРЛ по данным наземной

наблюдательной сети Росгидромета

Представлена автоматизированная система «ВАЛИРАД», разработанная вФГБУ «ЦАО» Росгидромета и предназначенная для обеспечения валидации инфор-мации метеорологических радиолокаторов об опасных явлениях погоды по данным на-земных наблюдений погодных условий на сети метеостанций Росгидромета. Приводятсярезультаты сравнительного анализа информации 18 ДМРЛ и данных наблюдений насети метеостанций в 2014–2015 гг.

Ключевые слова: метеорологические радиолокаторы, опасные явления погоды,ДМРЛ-С, валидация, метеорологические наблюдения, атмосфера.

Yu.B.Pavlyukov1 N. I.Serebryannik1 B.N.Karpov1,21Central Aerological Observatory of ROSHYDROMET

2Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS

Validation of weather radar observations of severe weatherphenomena with the ROSHYDROMET ground-based

weather stations

The automatic system «VALIRAD» is developed at the Central Aerological Observatoryof ROSHYDROMET for validation of weather radar product «Severe Weather PhenomenaMap» by ground-based manual observation through ROSHYDROMET weather stationsnetwork. This paper gives the results of comparison analysis of 18 weather radars DMRL-Cdata with independent observations data through the weather station network in 2014–2015.

Key words: weather radar, severe weather phenomena, DMRL-C, validation,meteorological observation, atmosphere.

1. Введение

В жизни современного общества значительное место занимают вопросы безопасностижизнедеятельности, в том числе и предупреждения населения и промышленности об опас-ных явлениях погоды – грозах, мощных и катастрофических ливнях, вызывающих оползнии наводнения, градобитиях, смерчах и пр. В условиях климатических изменений частотатаких опасных явлений погоды (ОЯП) нарастает год от года, что фиксируется в доку-ментах Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). Особое место при решенииэтой задачи занимают средства дистанционного зондирования, обеспечивающие оператив-ный контроль ОЯП на значительных территориях. Наземные наблюдения за погодой наметеостанциях решить эту задачу из-за относительной малочисленности и разреженностинаблюдательной сети, особенно в российских условиях, решить не в состоянии и могут ис-пользоваться только для контроля и валидации дистанционных наблюдений. Во всех раз-витых странах для мониторинга ОЯП, включая сверхкраткосрочный прогноз (наукастинг),успешно используются сети метеорологических радиолокаторов (далее – ДМРЛ), в задачу

96 Информатика, вычисл. техника и управление ТРУДЫ МФТИ. 2016. Том 8, № 1

которых входят круглосуточные наблюдения за облачной атмосферой и осадками и свя-занными с ними ОЯП, а также измерения осадков радиолокационным методом. В России с2012 г. также начато развертывание сети современных метеорологических радиолокаторовотечественного производства [1], задачами которой является, в частности, идентификацияявлений погоды, в том числе опасных, получение сумм выпавших осадков и построениеобъединенных 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 наблюденийпо данным независимых метеорологических наблюдений (эталонов), таких как наблюде-ния за явлениями погоды на метеостанциях, регистрация времени и координат молниевыхразрядов современными сетями грозопеленгаторов, самолетных наблюдений и др.

При этом значительной организационной и технической проблемой является созданиеавтоматизированной системы валидации, которая обеспечивала бы выполнение сбора, на-копления наблюдений ДМРЛ и эталонных наблюдательных систем, сопоставления данныхнаблюдений и анализ полученных результатов.

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

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

На основе анализа полученных данных строятся карты метеорологических характери-стик атмосферы, включая карты высоты верхней границы облачности, интенсивности инакопленной суммы осадков, а также в результате решения задачи распознавания – кар-та метеорологических явлений. ДМРЛ позволяет идентифицировать местоположение зонследующих опасных явлений погоды: смерч, град, гроза, шквалы, связанные с грозами,интенсивные ливни. Пространственное разрешение полученных карт составляет 1 × 1 км.Полученный в результате наблюдений набор карт передается на автоматизированные рабо-


чие места специализированных потребителей, в основном в оперативные прогностическиеподразделения Росгидромета, и используется ими для выдачи штормпредупреждений исверхкраткосрочного прогнозирования погодных условий, для метеообеспечения аэронави-гации и др.

2. Система валидации данных ДМРЛ «ВАЛИРАД»

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

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

Эталонные данные передаются в различных цифровых кодах по специализирован-ным каналам связи и представляют собой сообщения о времени наблюдения грозыметеорологом-наблюдателем на МС. В ФГБУ «ЦАО» поступают два вида эталонных ме-теоданных:

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

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

Коды явлений об ОЯП в КН-01 делятся на группы – явления в срок (в последние 10минут до срока), явления в последний час, явления между сроками. Поскольку междусроч-ные данные обладают низкой локализацией ОЯП во времени и не содержат информации оего 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 аппаратно-программного комплекса Центра сбора и обработки радиолокационной информации сетиДМРЛ ЦАО.

3. Характеристики качества информации ДМРЛ

Для характеристики качества радиолокационных наблюдений используются такие ин-дикаторы, как оправдываемость РО и достоверность РД обнаружения ОЯП по ДМРЛ[2]. РО есть вероятность обнаружения с помощью ДМРЛ гроз, зафиксированных эталоном(наблюдателем МС). За 100% принимается число эталонных наблюдений; РО рассчиты-вается как отношение числа гроз, зафиксированных эталоном и совпавших с грозами поДМРЛ-С – 𝑁Э−ДМРЛ, к числу случаев гроз по данным эталонных наблюдений – 𝑁Э, вы-раженное в %:

РО =𝑁Э−ДМРЛ

𝑁Э· 100%.

РД – вероятность подтвержденных эталоном (наблюдателем МС) гроз, отмеченных наДМРЛ-С; за 100% принимается число наблюдений гроз по ДМРЛ. Рд рассчитываетсякак отношение числа случаев гроз по ДМРЛ-С, подтвержденных грозами по эталону –𝑁ДМРЛ−Э, к числу случаев гроз по ДМРЛ-С – 𝑁ДМРЛ, в %:

РД =𝑁ДМРЛ−Э

𝑁ДМРЛ· 100%.


Соответственно величина РЛТ = 100% − РД характеризует вероятность «ложных тре-вог». Методика сопоставления подробно изложена в [2]. Можно добавить, что при рас-чете РО сопоставление данных МС и ДМРЛ проводилось в радиусе 170 км относительноДМРЛ, радиус контрольного круга (РКК) выбора радиолокационной информации об ОЯПв окрестности МС задавался равным 30 км и представлял собой радиус возможного наблю-дения грозы наблюдателем МС. Если в срок 𝑇𝑇 ч 𝑡𝑡 мин наблюдателем МС «Х» зафик-сирована гроза, а по карте ОЯП ДМРЛ в пределах РКК = 30 км от МС «Х» в интервалевремени (𝑇𝑇 ч 𝑡𝑡 мин ± 10 мин) есть хотя бы один пиксель с грозой, считалось, что в срок𝑇𝑇 ч 𝑡𝑡 мин гроза, зафиксированная наблюдателем, оправдалась, в противном случае – неоправдалась.

При расчете РД сопоставление радиолокационных данных и данных МС проводилосьв радиусе 170 км, РКК задавался равным 10 км и представлял собой радиус достовернойфиксации грозы наблюдателем МС. Если в срок 𝑃𝑃 ч 𝑝𝑝 мин по ДМРЛ в радиусе 10 кмот МС «Y» идентифицировано явление грозы и наблюдателем МС «Y» в период времени(𝑃𝑃 ч 𝑝𝑝 мин ± 10 мин) была зафиксирована гроза, явление грозы по ДМРЛ считаетсяподтвержденным (достоверным), в противном случае – «ложной тревогой».

4. Результаты

Далее представлены некоторые результаты валидации наблюдений сети ДМРЛ за лет-ние периоды 2014–2015 годов. В табл. 1 приведены значения РО и РД, рассчитанные запериод 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 РОи РД.

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

В табл. 2 приведены средневзвешенные значения РО и РД, рассчитанные по двум типамданных для 18 ДМРЛ в 2014 г. за период с 01 мая по 30 сентября и для 23 ДМРЛ в 2015 г. запериод 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 РО и РД, рассчитанные по ТМС и оператив-ным данным в коде КН-01 с точностью до целых, оказались равны (РО=82% и РД=69%,соответственно). За период с 01 мая по 31 июля 2015 г. разброс значений РО и РД по ТМСи КН-01 оказался существеннее – разность в значениях РО по ТМС и КН-01 составила 3%(размеры выборок различались при этом на порядок). Разность в значениях РД по ТМС иКН-01 составила 13%. Но в целом можно отметить несущественные отличия значений РОи РД, рассчитанных по двум видам данных – оперативным (КН-01) и «апостериорным» –ТМС, что позволяет проводить ежедневный мониторинг качества радиолокационной ме-теоинформации по ДМРЛ-С с привлечением оперативных данных.

На рис. 2 приведена диаграмма распределения значений РО (синий цвет) и РД (красныйцвет) по метеостанциям, расположенным на разных удалениях от ДМРЛ-С – от 0 до 250км. Выборка была сформирована за период времени с 01 мая по 30 сентября 2014 г. по13-ти ДМРЛ-С. Каждая точка характеризует одну метеостанцию.

Линии тренда на диаграммах показывают, что с удалением метеостанции от ДМРЛ от0 км до 250 км наблюдается очень незначительное (порядка 5%) снижение значений РО всилу 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 удалениемот ДМРЛ-С незначительно (порядка 8–10%) возрастает. Это можно объяснить тем, что,


Т а б л и ц а 1Значения РО и РД, рассчитанные по КН-01 и ТМС за период май-июль 2015 г.

№ ДМРЛ ТМС КН-01РО 𝑁 РД 𝑁 РО 𝑁 РД 𝑁

1 Архангельск 73 1030 59 478 76 78 72 1262 Барабинск 80 1419 68 732 85 209 77 3803 Брянск 74 6473 77 2492 75 476 79 6054 Валдай 78 786 47 592 83 69 74 995 Владивосток 73 1009 49 598 66 50 51 1146 Внуково 82 4409 63 3133 87 310 76 7137 Воейково 86 806 38 938 92 84 55 3468 Волгоград 76 3818 69 2349 82 286 86 4929 Вологда 79 4762 58 3387 80 266 67 61010 Ижевск 81 5330 68 3215 83 462 84 85011 Казань 76 5583 71 3299 86 374 84 80612 Киров 96 245 43 9055 96 245 56 109613 Кострома 75 6785 67 4114 81 424 75 75014 Краснодар 89 10322 59 10879 90 736 73 222515 Минеральные воды 78 5467 67 3623 78 355 83 59216 Нижний Новгород 83 7418 60 5959 86 390 68 100617 Оренбург 83 4385 68 3122 81 290 76 63618 Петрозаводск 96 180 55 143 95 37 58 7619 Профсоюзная 74 7795 74 3515 76 434 84 83020 Смоленск 80 3213 68 2008 80 276 77 60921 Ставрополь 89 8528 66 7177 90 561 78 141622 Уфа 94 6699 57 7260 95 377 77 104123 Шереметьево 69 4139 73 1651 75 313 83 444Средневзвешенное 81 100601 62 79719 84 7326 75 15831

Т а б л и ц а 2Значения РО и РД, рассчитанные по ТМС и КН-01 за периоды май–сентябрь

2014 г. и май–июль 2015 г.

Год ТМС КН-01РО 𝑁 РД 𝑁 РО 𝑁 РД 𝑁

2014 82 73393 69 44237 82 8057 69 119362015 81 100601 62 79719 84 7326 75 15831

несмотря на ослабление радиоизлучения и ухудшение разрешения с расстоянием, для ре-ально существующих гроз эти эффекты не оказывают столь сильного влияния, и реальныегрозы идентифицируются с помощью ДМРЛ правильным образом.

В целом разброс значений РО и РД незначительно увеличивается с удалением от ДМРЛ.

5. Выводы

• Анализ результатов сопоставления радиолокационных и наземных наблюдений ОЯПс помощью системы «ВАЛИРАД» продемонстрировал высокий уровень согласованияданных об опасных явлениях погоды по информации сети ДМРЛ-С и по данным наМС. Средние значения РО за теплый период 2014 г. и за 3 месяца 2015 г. превышают80%, что соответствует оценке «хорошо» [2].


Рис. 2. Значения РО и РД, рассчитанные по ТМС и КН-01 за периоды май-сентябрь 2014 г. имай-июль 2015 г.

• Оценки оправдываемости и достоверности обнаружения ОЯП (гроз) по ДМРЛ-С хо-рошо согласуются при расчете их как по менее точным оперативным данным (в ко-де КН-01), так и по более точным апостериорным данным (по таблицам ТМС), чтопозволяет быть уверенным, что получаемые оценки РО и РД при ежедневно проводи-мом в ЦАО мониторинге информации ДМРЛ с использованием оперативных данныхвполне адекватны.

• Показана возможность уверенной идентификации с помощью ДМРЛ-С ОЯП (гроз) доудалений в 250 км; с минимальным количеством «лишних гроз» («ложных тревог»).Радиус надежного обнаружения и распознавания ОЯП (гроз) по ДМРЛ-С составляет250 км.

• Оправдываемость обнаружения ОЯП (гроз) РО незначительно уменьшается с удале-нием от ДМРЛ: на 250 км она снижается на 5–7% в силу уменьшения разрешающейспособности ДМРЛ и влияния эффекта ослабления радиоизлучения;

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

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

Авторы выражают благодарность сотрудникам ФГБУ «ЦАО», участвовавшим вподготовке материалов статьи: В. А. Охрименко, Е.С. Астафьевой, Т. А. Беляковой,Т. А.Ратниковой, А. В. Травову, А.А. Шумилину.


Литература

1. Дядюченко В.Н., Вылегжанин И.С., Павлюков Ю.Б. Доплеровские радиолокаторы вРоссии // Наука в России. 2014. № 1. 5 с.

2. Временные методические указания по использованию информации доплеровского ме-теорологического радиолокатора ДМРЛ-С в синоптической практике. М.: Росгидромет,ФГБУ «ЦАО», 2014. 110 с.

References

1. Dyadyuchenko V.N., Vylegzhanin I.S., Pavlyukov Yu.B. Doppler radars in Russia. Sciencein Russia. 2014. N 1. 5 p. (in Russian).

2. Temporary methodical guidance on the use of Doppler weather radar information DMRL-Cin synoptic practice. M.: Roshydromet, FSBI «CAO», 2014. 110 с. (in Russian).

Поступила в редакцию 01.09.2015

validationofweatherradarobservationsofsevereweather ... · 96 Информатика, вычисл....

Documents