Кіріспе

Ауа райын болжау үшін көптеген симуляциялық әдіс

Ансамбльдік болжау – сандық ауа райын болжауда қолданылатын әдіс. Ең мүмкін болатын ауа райының бір ғана болжамын жасаудың орнына, болжамдар жиынтығы (немесе ансамблі) жасалады. Бұл болжамдар жиынтығы атмосфераның болашақтағы мүмкін жағдайларының ауқымын көрсетуге бағытталған. Ансамбльдік болжау – Монте-Карло талдауының бір түрі. Болжам модельдеріндегі екі негізгі белгісіздік көзін ескеру үшін көптеген симуляциялар жүргізіледі: (1) атмосфераның эволюция теңдеулерінің хаотикалық сипатынан күшейтіліп, толық емес бастапқы жағдайларды пайдаланудан туындаған қателер, бұл көбінесе бастапқы жағдайларға сезімталдық деп аталады; және (2) теңдеулерді шешуге арналған шамамен математикалық әдістер сияқты модельдің құрастырылуындағы кемшіліктерден туындаған қателер. Идеалды жағдайда, болашақтағы тексерілген атмосфера жағдайы болжамдалған ансамбльдің таралу шегіне кіруі керек, ал таралу мөлшері болжамның белгісіздігіне (қателігіне) байланысты болуы керек. Жалпы, бұл тәсілді ауа райын болжау ғана емес, кез келген динамикалық жүйенің ықтималдық болжамын жасау үшін де қолдануға болады.

Тарих

Эдвард Лоренц 1963 жылы ұсынғандай, ұзақ мерзімді болжаулар – екі аптадан астам уақыт бұрын жасалатындар – атмосфераның күйін қандай да бір дәрежеде шеберлікпен болжау мүмкін емес. Бұған себебі, қолданылатын сұйық динамика теңдеулерінің хаотикалық табиғаты. Сонымен қатар, қазіргі бақылау желілерінің кеңістіктік және уақыттық ажыратымдылығы шектеулі (мысалы, Тынық мұхиты сияқты үлкен су алаптарында), бұл атмосфераның нақты бастапқы күйіне белгісіздік енгізеді. Модельдік бастау кезіндегі бастапқы белгісіздікті анықтау үшін Лиувилль теңдеулері деп аталатын теңдеулер жиынтығы бар болғанымен, оларды суперкомпьютерлерді пайдаланғанның өзінде нақты уақытта есептеу өте қиын. Ансамбльдік болжаулардың практикалық маңызы хаотикалық, демек, сызықтық емес жүйеде болжау қателігінің өсу қарқыны бастапқы шарттарға байланысты екендігінде. Сондықтан, ансамбльдік болжам күйге байланысты болжамдылықтың алдын ала бағасын береді, яғни болжамның бастапқы шарттарындағы және теңдеулердің есептеулік бейнелеуінің дәлдігіндегі болжауға қабілеттіліктің қандай түрлері болуы мүмкін екенін бағалауға мүмкіндік береді. Бұл белгісіздіктер болжам моделінің дәлдіғын болашақта шамамен алты күнге дейін шектейді. Бірінші операциялық ансамбльдік болжамдар 1985 жылы маусымдық емес кезеңдер үшін жасалды. Алайда, мұндай болжамдардың негізіндегі принциптер бұрын таза детерминистік тәсілдермен жасалған қысқа мерзімді болжаулар үшін де маңызды екені анықталды. Эдвард Эпштейн 1969 жылы атмосфераны бір ғана болжаммен толық сипаттау мүмкін емес екенін мойындады, себебі ол ішкі белгісіздікке ие, және атмосфераның күйіне орташа мәндер мен дисперсияны шығаратын стохастикалық динамикалық модельді ұсынды. Монте-Карло симуляциялары нәтижелі болғанымен, 1974 жылы Сесил Лейт олардың атмосферадағы ықтималдық таралуын көрсететін ансамбльдік ықтималдық таралуына сәйкес келген жағдайда ғана жарамды болжамдар жасағанын көрсетті. 1992 жылға дейін Еуропалық орта мерзімді ауа-райы болжау орталығы (ECMWF) және Ұлттық қоршаған ортаны болжау орталығы (NCEP) ансамбльдік болжамдарды дайындауға кіріспеді.

Белгісіздікті бейнелеу әдістері

Ауа райының жиынтық болжамын жасағанда ескерілуі тиіс екі негізгі белгісіздік көзі бар: бастапқы жағдайдың белгісіздігі және модельдік белгісіздік.

Бастапқы шарттың белгісіздігі

Бастапқы жағдайдың белгісіздігі болжамның бастапқы жағдайларын бағалаудағы қателерден туындайды, атмосфераның шектеулі байқауларынан және атмосфералық айнымалылардың жағдайын өлшеу үшін спутниктік деректер сияқты тікелей емес өлшемдерді пайдаланудағы белгісіздіктерден де туындайды. Бастапқы жағдайдың белгісіздігі әртүрлі ансамбль мүшелері арасындағы бастапқы жағдайларды өзгерту арқылы көрсетіледі. Бұл атмосфераның қазіргі жағдайы туралы білімімізге сәйкес келетін бастапқы жағдайлардың диапазонын, сондай-ақ оның бұрынғы эволюциясын зерттейді. Осы бастапқы жағдайдың өзгертулерін жасаудың бірнеше тәсілі бар. ECMWF моделі, Ensemble Prediction System (EPS), бастапқы ықтималдық тығыздығын модельдеу үшін ерекше векторлар мен деректерді ассимиляциялаудың ансамблін (EDA) қолданады. Ерекше векторлық бұзылыстар қосымша тропиктерде белсендірек, ал EDA бұзылыстары тропиктерде белсендірек. NCEP ансамблі, Global Ensemble Forecasting System, векторлық өсіру деп аталатын әдісті пайдаланады.

Үлгілік белгісіздік

Модельдің белгісіздігі болжам моделінің мүмкіндіктерінің шектеулілігінен туындайды. Атмосфераны компьютерлік модельде көрсету процесі көптеген қарапайымдауларды қамтиды, мысалы, параметрлеу схемаларын жасау, бұл болжамға қателер енгізеді. Модельдің белгісіздігін көрсету үшін бірнеше техникалар ұсынылған.

Қате параметрлер схемалары

Параметрлеу схемасын әзірлеу кезінде физикалық процестерді жеңілдету үшін көптеген жаңа параметрлер енгізіледі. Бұл параметрлердің мәні өте белгісіз болуы мүмкін. Мысалы, "көшіру коэффициенті" құрғақ қоршаған орта ауасының конвективті бұлтқа араласуын көрсетеді, яғни бір сан арқылы күрделі физикалық процесті бейнелейді. Белгісіздік параметрлік тәсілінде модельдің параметрлеу схемаларындағы белгісіз параметрлер анықталып, ансамбль мүшелері арасында олардың мәні өзгертіледі. Климатты болжау сияқты ықтималдық климатты модельдеуде бұл параметрлер көбінесе бүкіл аумақта және интеграция бойында тұрақты сақталады. Ал қазіргі заманғы сандық ауа райы болжамында параметрлердің мәні уақыт және кеңістік бойынша стохастикалық түрде өзгертілуі жиі кездеседі. Параметрлердің өзгеру дәрежесі сарапшылар пікірімен немесе берілген модель үшін параметрлердің белгісіздік дәрежесін тікелей бағалау арқылы анықталады.

Стохастикалық параметрлеулер

Дәстүрлі параметрлеу схемасы субжелілік масштабтағы қозғалыстың (мысалы, конвективтік бұлттардың) шешілген масштабтағы күйге (мысалы, ірі масштабты температура және жел өрістеріне) тигізетін орташа әсерін бейнелеуге тырысады. Стохастикалық параметрлеу схемасы белгілі бір шешілген масштабтағы күйге сәйкес келетін көптеген субжелілік масштабтағы күйлер болуы мүмкін екенін мойындайды. Ең мүмкін субжелілік масштабтағы қозғалысты болжаудың орнына, стохастикалық параметрлеу схемасы субжелінің бір мүмкін іске асырылуын көрсетеді. Ол бұл үшін қозғалыс теңдеулеріне кездейсоқ сандарды енгізеді. Бұл белгісіз процестерге тағайындалған ықтималдық таралуынан үлгі алуға мүмкіндік береді. Стохастикалық параметрлеулер ауа райын болжау модельдерінің дәлдігін едәуір арттырды және бүкіл әлемдегі операциялық болжау орталықтарында қолданылуда. Стохастикалық параметрлеулер алғаш рет Еуропалық орта мерзімдік ауа райы болжау орталығында әзірленген.

Көп модельді жиынтықтар

Болжам жасау үшін көптеген түрлі болжау модельдері қолданылғанда, бұл тәсіл көп модельдік ансамбльдік болжау деп аталады. Бұл әдіс, бір модельге негізделген болжамға қарағанда, болжамның дәлдігін арттыруға мүмкіндік береді. Көп модельдік ансамбльдегі модельдер өздерінің түрлі қателіктеріне қарай түзетілгенде, бұл процеске "супер ансамбльдік болжау" деп аталады. Осындай болжам модельдердің нәтижесіндегі қателерді айтарлықтай төмендетеді. Егер әртүрлі физикалық процестердің модельдері, мысалы атмосфералық, мұхит және толқын модельдері біріктірілсе, онда көп модельдік ансамбль гипер ансамбль деп аталады.

Ықтималдықты бағалау

Ансамбльдік болжам әдетте бір болжамдық айнымалы үшін жеке болжамдардың ансамбльдік орташасын сол айнымалының ("қателік") байқалған мәнімен салыстыру арқылы бағаланады. Бұл, ансамбльдік жүйедегі әртүрлі болжамдар арасындағы келісім дәрежесін қарастырумен біріктіріледі, ол олардың жалпы стандартты ауытқуымен немесе "таралумен" көрсетіледі. Ансамбль таралуын болашақтағы белгілі бір уақыт кезеңдеріндегі болжамдық диаграммаларда бір шаманың таралуын көрсететін спагетти диаграммалары сияқты құралдар арқылы визуализациялауға болады. Ансамбль таралуы қолданылатын тағы бір құрал – метеограмма, ол бір нақты орналасқан жер үшін бір шаманың болжамындағы таралуды көрсетеді. Ансамбль таралуының тым кішкентай болуы жиі кездеседі, соның салдарынан байқалатын атмосфералық жағдай ансамбльдік болжам шегінен шығып кетеді. Бұл болжам жасаушының өзінің болжамына артық сенуіне алып келуі мүмкін, әсіресе модельдің белгісіздігі болжамда ескерілмесе.

Сенімділік және ажырату қабілеті (калибрлеу және өткірлік)

Ансамбльдің таралуы болжаушының өзінің болжамына қаншалықты сенімді бола алатынын көрсетеді. Егер ансамбль таралуы кішкентай болса және модельдік есептеулердің нәтижелері бірнеше рет орындалғанда үйлесімді болса, болжаушылар жалпы болжамға көбірек сенімділікпен қарайды. Егер таралу үлкен болса, бұл болжамның сенімсіздігін көрсетеді. Идеалды жағдайда, таралу мен дағды арасындағы байланыс болуы керек, яғни ансамбльдің таралуы ансамбльдің орташа мәніндегі күтілетін қателікті дұрыс болжауы тиіс. Егер болжам сенімді болса, байқалатын жағдай, болжамдық ықтималдық таралуынан алынғандай болады. Сенімділікті (немесе калибрлеуді) ансамбльдің орташа мәніндегі қателіктің стандартты ауытқуын болжамдық таралумен салыстыру арқылы бағалауға болады: сенімді болжам үшін екеуі де әртүрлі болжам уақытында және әртүрлі орналасқан жерлерде сәйкес келуі керек. Сонымен қатар, нақты бір ауа райы құбылысының болжамының сенімділігін де бағалауға болады. Мысалы, егер 50 мүшеден 30-ы келесі 24 сағат ішінде 1 см-ден артық жауын-шашын күтілсе, 1 см-ден асып түру ықтималдығы 60% деп есептелуі мүмкін. Егер бұрынғыда 60% ықтималдық болжаған жағдайлардың 60% -ында жауын-шашын шынымен 1 см-ден асып кеткен болса, онда бұл болжам сенімді деп есептеледі. Іс жүзінде, операциялық ауа райы ансамбль болжамдарынан алынған ықтималдықтар аса сенімді емес, бірақ өткен болжамдардың (қайта есептеулер немесе ретроспективтік есептеулер) және байқаулар жиынтығымен ансамбльден алынған ықтималдық бағалауларын сенімділікті арттыру үшін түзетуге болады. Ансамбльдік болжамдардың тағы бір қажетті қасиеті – ажыратымдылық. Бұл болжамның климаттық оқиғалардың жиілігінен қаншалықты өзгеше екенін көрсетеді. Егер ансамбль сенімді болса, бұл өзгешелікті арттыру болжамның пайдалылығын арттырады. Бұл болжамның сапасын өткірлік тұрғысынан да қарастыруға болады, яғни болжам таралуының қаншалықты кішкентай екендігін бағалауға болады. Болжаушының басты мақсаты – сенімділікті сақтай отырып, өткірлікті барынша арттыру. Ұзақ мерзімді болжаулар, әдетте, аса өткір болмайды (жоғары ажыратымдылыққа ие болмайды), өйткені бастапқы жағдайдағы қателер (көбінесе шағын) болжам уақыты ұзарған сайын өседі, екі модельдік жағдай арасындағы күтілетін айырмашылық болжам моделінің климатынан алынған екі кездейсоқ жағдай арасындағы айырмашылықтан асып кетеді.

Ұжымдық болжамдарды калибрлеу

Егер жиынтық болжамдар ауа райының байқалған айнымалыларының ықтималдықтарын болжау үшін қолданылса, олар бұрмаланбаған және сенімді болжамдар жасау үшін калибрлеуді қажет етеді. Температураны болжау үшін калибрлеудің қарапайым және тиімді әдісі – сызықтық регрессия, бұл жағдайда көбінесе модельдік шығыс статистикасы деп аталады. Сызықтық регрессия моделі жиынтық орташаны нақты температураның болжаушысы ретінде қабылдайды, жиынтық мүшелерінің орташа шамасы бойынша үлестірілімін ескермейді және регрессиядан қалғандардың үлестірілімін пайдалана отырып, ықтималдықтарды болжайды. Осы калибрлеуде жиынтықтың болжамды жақсартудағы құндылығы – жиынтық орташа көрсеткіші әдетте кез келген жеке жиынтық мүшесіне қарағанда жақсы болжам береді, ал жиынтық мүшелерінің орташа шамадағы ені немесе пішіні бойынша таралуындағы кез келген ақпаратқа байланысты емес. Алайда, 2004 жылы сызықтық регрессияның жалпылама түрі (қазіргі кезде Біртекті емес Гаусс регрессиясы деп белгілі) енгізілді, ол болжамдық үлестірудің енін беру үшін жиынтық таралуының сызықтық түрлендіруін қолданады, және бұл тек сызықтық регрессияға негізделген болжамдарға қарағанда жоғары нәтижелі болжамдар жасауға мүмкіндік беретіні көрсетілді. Бұл алғаш рет жиынтықтың мүшелерінің орташа шамасы бойынша үлестірілімінің түріндегі ақпарат, осы жағдайда жиынтық таралуымен қорытындыланған, сызықтық регрессияға қарағанда болжамдарды жақсарту үшін пайдаланылатынын дәлелдеді. Сызықтық регрессияны осылай жиынтық таралуын қолдану арқылы жеңуге бола ма, жоқ па, бұл болжам жүйесіне, болжам айнымалысына және уақытқа байланысты өзгереді.

Болжаудағы өзгерістердің көлемін болжау

Белгісіздікті болжауды жақсартумен қатар, ансамбльді таралу орташа болжамның бір болжамнан екіншісіне өзгеруінің ықтимал мөлшерін болжау үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл мынадай себеппен жұмыс істейді: кейбір ансамбльдік болжау жүйелерінде тар ансамбльдер орташа мәннің аз өзгеруіне дейін, ал кең ансамбльдер орташа мәннің үлкен өзгеруіне дейін келеді. Бұл болашақ болжамдардың қаншалықты өзгеруі мүмкін екенін түсінуі маңызды сауда салалары үшін пайдалы болуы мүмкін.

Үйлестірілген зерттеулер

Наблюдение жүйесі зерттеулері және болжамдылық эксперименті (THORPEX) – қоғамның, экономиканың және қоршаған ортаның мүддесі үшін бір күндік және екі апталық күшті әсер ететін ауа райы болжамдарының дәлдігін арттыруды үдетуге бағытталған 10 жылдық халықаралық ғылыми-зерттеу және даму бағдарламасы. Ол ауа райы зерттеулері мен болжамдау мәселелерін шешетін ұйымдық құрылымды құрады, олардың шешімдері академиялық мекемелер, операциялық болжам орталықтары және болжам өнімдерін пайдаланушылар арасындағы халықаралық ынтымақтастық арқылы жеделдетіледі. Оның маңызды бөлігі – THORPEX Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE), адамзаттың игілігі үшін бір күндік және екі апталық күшті әсер ететін ауа райы болжамдарының дәлдігін арттыруды үдетуге арналған Дүниежүзілік ауа райы зерттеу бағдарламасы. Көптеген халықаралық орталықтардан алынған ансамбльдік модельдердің болжамдық деректерінің біріктірілген архиві кең ауқымды деректермен бөлісуге және зерттеулер жүргізуге мүмкіндік береді.