Вероятностные прогнозы и гражданская защита

Прогнозам погоды присущи неопределенности в силу хаотичности атмосферы и ограниченности моделей прогноза погоды. Системы ансамблевого прогнозирования (САП) широко используются в метеорологическом сообществе для количественной оценки этих неопределенностей, но до последнего времени о них не сообщали конечным пользователям. Однако такая информация о неопределенностях имеет большие возможности, чтобы усовершенствовать процессы срочного принятия решений органами по гражданской защите и другими заинтересованными сторонами, особенно если она адаптирована к их потребностям и составлена с использованием их терминологии. Именно такую информацию предоставляет PROFORCE посредством многодисциплинарного и межотраслевого сотрудничества между метеорологическими службами и конечными пользователями. Она повышает информированность органов гражданской защиты о потенциальных воздействиях экстремальных явлений.

Проект PROFORCE начался в декабре 2013 г. и продолжался два года. Его финансирование осуществлялось совместно с Департаментом по гуманитарной помощи и гражданской защите Европейской комиссии (ECHO), а руководила проектом Метеорологическая служба Австрии (ZAMG). На основе транснационального сотрудничества между национальными метеорологическими службами Австрии и Венгрии (соответственно ZAMG и OMSZ) и партнерами по гражданской защите в районах Нижней Австрии и округа Шомодь PROFORCE призван усовершенствовать процедуры обеспечения готовности и принятия решений в органах по гражданской защите за счет создания инновационной системы бесшовного вероятностного прогнозирования.

Основной характеристикой системы бесшовного прогнозирования PROFORCE является вероятностный элемент, содержащий информацию о неопределенности и прогнозируемости суровых метеорологических явлений. Органы по гражданской защите должны иметь возможность использовать эту информацию для оптимизации процесса принятия решений с точки зрения обеспечения готовности и информированности и, следовательно, для более эффективной защиты общества и окружающей среды от воздействия суровой погоды.

Бесшовное вероятностное прогнозирование PROFORCE объединяет четыре различных системы:

• систему ансамблевого прогнозирования (САП) Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП), представляющую среднесрочный прогноз и прогноз синоптического масштаба;
• систему ансамблевого прогнозирования для ограниченной территории Центральной Европы (ALADIN-LAEF), представляющую прогнозы для этого региона (и ALADIN-HUNEPS – для территории Венгрии);
• САП Французской мезомасштабной модели прогнозирования погоды (AROME) которая предоставляет прогнозы с заблаговременностью до 30 часов с акцентом на конвекции;
• ансамбль интегрированного прогноза текущей погоды посредством комплексного анализа (INCA), обеспечивающий информацию для принятия решений с тем, чтобы органы по гражданской защите выносили более обоснованные суждения перед лицом надвигающейся опасности бедствия.

Каждая система играет свою роль в подготовке конечной бесшовной продукции в соответствии с характером прогнозируемого метеорологического явления (будь то явление конвективного масштаба или крупномасштабное явление) и сроком действия прогноза. Полагая, что каждая САП дает наилучшие результаты в своих временных рамках, на каждом отдельном временном этапе прогноза используются данные соответствующей САП, следовательно, прогноз получается бесшовным. Таким образом, с каждым днем, приближающим экстремальное явление, точность прогнозов и предупреждений повышается. Четко различимые пробелы во временных шагах, образующиеся из-за разных фоновых моделей, отражены в конечной продукции с учетом того, что сотрудникам органов по гражданской защите, специально подготовленным для  проекта PROFORCE, предстоит работать с такими неопределенностями.

Бесшовные предупреждения ➔ бесшовные действия

Бесшовные обмены информацией между метеорологами и персоналом по гражданской защите и действия построены по следующей схеме:

Предварительное предупреждение/реагирование –

САП ЕЦСПП показывает потенциальное суровое метеорологическое явление, имеющее относительно высокую вероятность, и первые предварительные предупреждения направляются органам по гражданской защите, которые приступают к этапу практических действий «реагирование» и принимают заблаговременные меры, такие как составление графика дежурств.

Более конкретное предупреждение/подготовка – За два или три дня до возможного явления следующая САП передает прогнозы, которые являются более точными в отношении как пространства, так и времени. Таким образом, она может дать более конкретное предупреждение. Руководствуясь этим предупреждением, персонал по гражданской защите приступает к этапу практических действий «подготовка», который предполагает более активные действия, такие как предоставление оборудования и людей. На следующий день САП, позволяющая учитывать конвекцию, предоставляет более подробную информацию, особенно для районов со сложной топографией, таких как Альпы.

Прогноз текущей погоды/активное включение в работу – Наконец, САП по прогнозу текущей погоды дает наиболее точную картину суровой метеорологической ситуации, которая позволяет принять окончательные решения. Персонал по гражданской защите приступает к третьему этапу «активные действия», во время которого реализуются окончательные планы, например концентрация оперативной деятельности в районах, подвергающихся наибольшей опасности. Этот подход на основе прогноза текущей погоды особенно важен для конвективных явлений в летний сезон, которые характеризуются высокой пространственно-временной изменчивостью. По этой причине расчеты по ансамблю моделей прогноза текущей погоды INCA выполняются каждый час, тогда как другие модели – САП AROME, ALADINLAEF и САП ЕЦСПП – обновляются лишь каждые 12 ч; что касается Венгрии, модель ALADIN-HUNEPS обновляется лишь раз в сутки.

Создание веб-порталов

Метеорологи и персонал по гражданской защите совместно разработали соответствующие комплекты метеорологических данных, которые ясно и просто показывают прогнозы, поддерживая тем самым процесс быстрого принятия решений. Прежде всего, партнеры по гражданской защите определили приемлемые пороговые значения для основных метеорологических параметров: скорости ветра, осадков и температуры. Эти пороговые значения значительно отличались в двух странах. Например, порыв ветра 60 км/ч является обычным и часто наблюдается в горных районах Австрии, но представляет серьезную опасность для чрезвычайно уязвимого района озера Балатон в Венгрии, места летнего проведения множества водных спортивных мероприятий. В результате были созданы два отдельных веб-портала, по одному для каждой страны с разными пороговыми значениями и визуализацией.

На местах показ продукции готовится таким образом, чтобы прогноз был бесшовным, т. е. прогнозы средней заблаговременности и более низкого разрешения автоматически замещаются прогнозами более высокого разрешения с более коротким сроком. Таким образом, пользователю не надо идентифицировать конкретную модель САП.  Результаты отдельных систем САП визуализируются как в виде вероятностных карт, показывающих вероятность

превышения определенных пороговых значений, так и в виде информации по конкретному месту для заранее выбранных мест в форме метеограмм или шлейфов. Вероятностные карты на австрийском портале сопровождаются элементами изображений, которые наглядно показывают уровень угрозы подобно сигналам светофора: зеленый, желтый, оранжевый и красный по мере возрастания угрозы.

Совокупный показатель угрозы был создан для того, чтобы обеспечить органы гражданской защиты общей информацией сразу после входа на веб-портал. Он учитывает вероятность явления, его опасность (интенсивность) и заблаговременность при условии, что прогноз большей заблаговременности обычно содержит более высокие неопределенности. Другими словами, «желтое» предупреждение за неделю не должно вызывать панику, а «красное» предупреждение в прогнозе на следующий день должно послужить сигналом тревоги.

Обучение и личный опыт

Междисциплинарное сотрудничество между метеорологами и органами по гражданской защите послужило ключом к успеху PROFORCE. Персонал по гражданской защите должен был научиться работать с вероятностными прогнозами, чтобы получить максимальную пользу от использования веб-портала. Учебные занятия в обеих странах помогли укрепить межнациональное сотрудничество, а отзывы органов по гражданской защите относительно вероятностной информации также позволили разработчикам моделей усовершенствовать свои САП.

Информация бесшовного вероятностного прогнозирования обрабатывается, визуализируется и затем отправляется на специально созданный веб-портал, который доступен для органов гражданской защиты и специалистов в области управления бедствиями (пример с веб-портала Австрии).

В ходе проекта система подвергалась интенсивной проверке во время суровых погодных условий в контрольных районах Нижней Австрии и округа Шомодь (декабрь 2013 г. – ноябрь 2015 г.). Отзывы конечных пользователей и заинтересованных лиц в основном были положительными, и пригодность системы для оперативного использования в органах по гражданской защите была подтверждена. При наличии новой системы превентивные действия и меры по обеспечению готовности можно было бы предпринять гораздо раньше, и они были бы более конкретными, чем при использовании классического детерминистского прогноза погоды.

Хорошим примером в этой связи является ураган «Никлас» (30 марта – 2 апреля 2015 г.). За 7 дней до урагана САП ЕЦСПП предупредила о высокой вероятности порывов ветра с превышением порогового значения на большой территории Австрии. Как только глобальная САП впервые выявляет суровое метеорологическое явление, необходимо непрерывно проверять достоверность его местоположения, времени и интенсивности от одного прогноза до следующего. Это привело к появлению первоначальных предварительных предупреждений в соответствующих районах за пять дней до начала явления. За три дня до начала явления САП более высокого разрешения показала очень высокую вероятность порывов ветра выше 80 км/ч (уровень 2) и высокую вероятность порывов, превышающих 100 км/ч (уровень 3, наивысший уровень предупреждения). Наконец, максимальный порыв, зарегистрированный на низкорасположенных метеорологических станциях, составил 121 км/ч в местечке Эннс, Верхняя Австрия. Дополнительная информация о надежности и неопределенности в новой системе позволила дать более точную оценку ситуации; однако САП текущей погоды не обеспечила дополнительную выгоду. Работа системы проверялась путем сопоставления предупреждений с картами развертывания действий органов по гражданской защите. Отмечалась очень высокая корреляция между районами интенсивных действий по обеспечению гражданской защиты и выделенными районами в прогностической продукции САП, особенно для крупномасштабных бурь и паводков.

Во время летних сезонов 2014 и 2015 гг. Венгерский центр управления стихийными бедствиями широко использовал систему вероятностного прогнозирования при подготовке к нескольким спортивным соревнованиям на озере Балатон и вблизи него, включая парусные гонки «Blue Ribbon Race», заплыв через озеро Балатон. Для последнего, мероприятия информация САП оказалась полезной, когда настало время решать, надо ли откладывать соревнования. Мероприятия на озере Балатон уязвимы к внезапным изменениям погоды, которые иногда могут ограничиваться отдельными регионами. Опыт проекта PROFORCE показал, что, хотя методы прогнозирования с помощью САП могут повысить прогнозируемость этих изменений, по-прежнему необходимо дальнейшее усовершенствование, особенно в области прогнозирования текущей погоды.

Сочетание степени риска, вероятности и заблаговременности для определения общего уровня угрозы

Длительное продолжение в будущем

PROFORCE был трудным, но интересным проектом, который фактически преследовал две цели. Первая цель состояла в том, чтобы наладить связь между прогностическим сообществом, которое осуществляет мониторинг погоды и знает сильные и слабые стороны каждой отдельной модели, и сообществом по гражданской защите, которое уделяет основное внимание воздействиям суровой погоды. Наладить понимание между этими двумя группами оказалось непросто.

Вторая цель касалась вероятностей. Хотя органы гражданской защиты и были знакомы с метеорологическими и климатическими исследованиями, они, как и прогнозисты, только в большей степени, лишь начинают учиться управлять вероятностями и доверять им. Персонал по гражданской защите должен регулярно проходить обучение, чтобы более уверенно применять концепцию вероятностного прогнозирования, принимая ежедневные решения относительно распределения помощи или отмены массовых мероприятий.

Важно подчеркнуть, что бесшовная система САП не заменяет полностью стандартные предупреждения, выпускаемые прогностическим бюро, которое также принимает во внимание результаты, полученные с помощью других моделей численного прогноза погоды, и данные наблюдений. В первую очередь она предназначена для того, чтобы предоставлять дополнительную информацию и подробные данные относительно пространственного распределения и интенсивности метеорологических параметров.

В конечном счете каждое звено в цепочке предупреждений, от официальных органов власти до местных заинтересованных сторон и, наконец, до широкой публики, может получить пользу от этого проекта. Меняющаяся погода всегда влечет за собой новые сложные проблемы как для метеорологов, так и для экспертов в области гражданской защиты. Хотя проект PROFORCE уже завершился, созданное им межрегиональное и междисциплинарное сотрудничество будет продолжаться еще многие годы.

Композитное изображение высокого разрешения в видимом и инфракрасном диапазонах, полученн ое с метеорологического спутника (MSG), показывающее ситуацию во время заплыва через озеро Балатон 19 июля 2014 г.

Вероятностный прогноз САП ЕЦСПП индекса грозы (САРЕ) с превышением пороговых значений 100 дж/кг (возможен слабый ливень или гроза) и 300 дж/кг (возможна обычная гроза)

Выражение признательности

Авторы благодарят всех коллег, внесших вклад в проект PROFORCE. Особой благодарности заслуживают члены Научно-консультативного совета: Фриц Нойвирт, Матиас Штайнер, Зигфрид Якс, Цзяньцзи Вань, Саймон Джексон и Эллис Соарес. Выражаем благодарность за все материалы и информацию, предоставленные Герги Хейзлером (DMDSC) и Йоханом Дантингером (NOEL-CP). На 75 % проект PROFORCE финансировался за счет Департамента по гуманитарной помощи и гражданской защите Европейской комиссии (ECHO).

Авторы:

Клеменс Вастл^[1], Юн Ван¹, Андрэ Саймон^[2], Мартин Кулмер¹ и Андреа Сигл¹