Введение

Глобальная метеорологическая модель прогнозирования погоды

Глобальная система прогнозов (GFS) — это глобальная система численного прогнозирования погоды, включающая глобальную компьютерную модель и вариационный анализ, выполняемая Национальной метеорологической службой США (NWS).

Операция

Математическая модель запускается четыре раза в день и выдает прогнозы на срок до 16 дней, но с пониженным пространственным разрешением после 10 дней. Точность прогнозов обычно снижается со временем (как и в любой модели численного прогноза погоды), и для долгосрочных прогнозов значительную точность сохраняют только крупномасштабные явления. Это одна из основных моделей среднего диапазона синоптического масштаба, используемых в настоящее время.

Принципы

Модель GFS является моделью FV3 с приблизительным горизонтальным разрешением около 13 км на период с 0 по 16 сутки. По вертикали модель разделена на 127 слоев и простирается до мезопаузы (примерно ~80 км), а по времени выдает результаты прогноза каждый час в течение первых 120 часов, каждые три часа до 10 суток и каждые 12 часов до 16 суток. Данные, полученные из GFS, также используются для создания статистики результатов модели.

Варианты

В дополнение к основной модели, GFS также служит основой для ансамбля с более низким разрешением, состоящего из 30 членов (31, включая контрольный и оперативные члены), который выполняется одновременно с оперативным GFS и доступен в тех же временных масштабах. Этот ансамбль называется "Глобальная система ансамблевого прогнозирования" (GEFS). Ансамбль GFS объединяется с ансамблем канадской Глобальной экологической многомасштабной модели для формирования Североамериканской системы ансамблевого прогнозирования (NAEFS).

Использование

Как и большинство продуктов, созданных правительством США, данные GFS не защищены авторским правом и находятся в свободном доступе в общественном достоянии в соответствии с законодательством США. Благодаря этому, модель служит основой для прогнозов многочисленных частных, коммерческих и зарубежных метеорологических компаний.

Точность

К 2015 году модель GFS отстала по точности от других глобальных моделей прогноза погоды. Это наиболее ярко проявилось в том, что модель GFS до четырех дней до выхода урагана Сэнди на сушу ошибочно предсказывала его выход в открытое море, в то время как модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды правильно предсказала выход на сушу за 7 дней. Значительная часть этого объяснялась ограниченностью вычислительных ресурсов в Национальной метеорологической службе. В ответ на это NWS приобрела новые суперкомпьютеры, увеличив вычислительную мощность с 776 терафлопсов до 5,78 петафлопсов. С момента выпуска 12z 19 июля 2017 года модель GFS была модернизирована. В отличие от недавно обновленного ECMWF, новая версия GFS ведет себя несколько иначе в тропиках и других регионах по сравнению с предыдущей версией. Эта версия точнее учитывает такие факторы, как колебание Маддена — Джулиана и Сахарский слой воздуха. В 2018 году вычислительная мощность была увеличена до 8,4 петафлопсов. Агентство также тестировало потенциальную замену модели с иной механикой – конечно-объемную икосаэдрическую модель, следующую за потоком (FIM), в начале 2010-х годов, но отказалось от нее около 2016 года, поскольку она не продемонстрировала существенного улучшения по сравнению с GFS. В 2019 году для GFS была проведена масштабная модернизация, в ходе которой он был преобразован из GSM (Global Spectral Model) в новый вычислительный ядро FV3. Горизонтальное и вертикальное разрешение остались прежними, но это заложило основу для того, что сейчас известно как UFS (Unified Forecast System). 22 марта 2021 года NOAA обновила модель GFS, объединив ее с глобальной волновой моделью WaveWatch III, что увеличит разрешение GFS с 64 до 127 вертикальных уровней и одновременно продлит окно прогнозирования WaveWatch III с 10 до 16 дней. Это вселило надежду в некоторых метеорологов, что обновления GFSv16 будет достаточно, чтобы сократить разрыв в точности с моделью ECMWF, которая в то время считалась наиболее точной глобальной моделью прогноза погоды.

Модернизированное динамическое ядро

12 июня 2019 года, после нескольких лет испытаний, NOAA обновило модель GFS новым динамическим ядром – GFDL Finite Volume Cubed Sphere Dynamical Core (FV3), использующим метод конечных объемов вместо спектрального метода, применявшегося в предыдущих версиях GFS. Итоговая модель, первоначально разработанная под названием FV3GFS, получила название GFS, а прежняя версия GFS продолжала функционировать до сентября 2019 года. Первоначальное тестирование GFS на основе FV3 продемонстрировало многообещающие результаты, улучшив точность прогнозов крупномасштабных явлений и траекторий ураганов по сравнению с устаревшей версией GFS.