natureПриродопользованиеNature Management2079-3928Институт природопользования НАН Беларусиnature-101Research ArticleГЕОГРАФИЯ. ГЕОЭКОЛОГИЯGEOGRAPHY. GEOECOLOGYГеоинформационная система повышения оправдываемости гидродинамического прогноза погоды для территории Беларуси на основе данных дистанционного зондирования Земли и объективного анализа метеорологических полейGeographic information system for hydrodynamic weather forecast accuracy increasing for Belarusian territory based on Earth remote sensing data and the objective analysis of meteorological fieldsЛысенкоС. А.LysenkoS. A.

Сергей Александрович Лысенко, доктор физико-математических наук, профессор, директор

220076; ул. Ф. Скорины, 10; Минск

Sergey A. Lysenko, D. Sc. (Physical and Mathematical), Professor, Director

220076; 10, F. Skoriny Str.; Minsk

lysenko.nature@gmail.comЗайкоП. О.ZaikoP. O.

Полина Олеговна Зайко, научный сотрудник

220076; ул. Ф. Скорины, 10; Минск

Polina O. Zaiko, Researcher

220076; 10, F. Skoriny Str.; Minsk

polly_lo@tut.byИнститут природопользования НАН БеларусиInstitute of Nature Management of National Academy of Science of Belarus202402112025013040Copyright © Лысенко С.А., Зайко П.О., 20252025Лысенко С.А., Зайко П.О.Lysenko S.A., Zaiko P.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nature-journal.by/jour/article/view/101

   В статье представлена комплексная геоинформационная система повышения оправдываемости гидродинамического прогноза погоды, включающая актуализированные и оперативно обновляемые на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) пространственные распределения физических параметров подстилающей поверхности, адаптированные для территории Беларуси наборы параметризаций атмосферных процессов подсеточного масштаба и блоки усвоения данных наземных метеорологических, аэрологических и радиолокационных наблюдений. Показано, что усвоение данных метеорологических и аэрологических станций позволяет уменьшить вероятность абсолютных ошибок прогноза приземного давления ≥ 3 гПа на 5 %. Усвоение радиолокационных данных сокращает среднеквадратическую ошибку прогноза скорости приземного ветра на 0,33–0,74 м/c при заблаговременности в пределах 24 ч и позволяет более точно спрогнозировать территориальное распределение конвективных систем и области выпадения осадков на ранних часах прогноза (до 12 ч). Уточнение структуры землепользования и параметров подстилающей поверхности на основе оперативных спутниковых данных обеспечивает повышение оправдываемости краткосрочного гидродинамического прогноза приземной температуры воздуха на территории Беларуси на 4–9 % с максимальным проявлением в Минской, Гомельской и Гродненской областях в холодный период года.

   The article presents a complex geoinformation system for the validity of hydrodynamic weather forecasts improving, including updated and promptly updated on the basis of the remote sensing data spatial distributions of the physical parameters of the underlying surface, the sets of the parameterizations of atmospheric processes at the grid scale and blocks of the data assimilation from ground-based meteorological, aerological and radar observations adapted for the territory of Belarus. It is shown that the data assimilation of meteorological and aerological stations allows reducing theprobability of absolute errors in surface pressure forecast ≥ 3 hPa by 5 %. The assimilation of radar data reduces the mean-square error of surface wind speed forecast by 0.33-0.74 m/s at an advance time within 24 h, and allows more accurate forecasting of the territorial distribution of convective systems and precipitation areas at early hours of the forecast (up to 12 h). The clarification of the land use structure and underlying surface parameters on the base of operational satellite data provides an increase in the validity of the short-term hydrodynamic forecast of surface air temperature in Belarus by 4-9 % with maximum manifestation in Minsk, Gomel and Grodno regions in the cold period of a year.

численный прогноз погодыгидродинамическое моделированиеWRFпараметризация атмосферных процессовусвоение данныхдоплеровский метеорологический радиолокатордистанционное зондирование Землиnumerical weather forecastinghydrodynamic modelingWRFparameterization of atmospheric processesdata assimilationdoppler weather radarEarth remote sensingReferencesГандин, Л. С. Объективный анализ метеорологических полей / Л. С. Гандин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1963. – 287 с.Gandin L. S. Obectivnyi analiz meteorologicheskich polei [Objective analysis of meteorological fields]. Leningrad, Gidromeotizdat, 1963, 287 p. (in Russian)Investigating 3D and 4D variational rapid-update-cycling assimilation of weather radar reflectivity for a heavy rain event in central Italy [Electronic resourse] / V. Mazzarella [et al.] // Natural Hazards a. Earth System Sciences. – 2021. – Vol. 21, iss. 9. – Mode of access: https://nhess.copernicus.org/articles/21/2849/2021/. – Date of access: 20. 01. 2022.Mazzarella V., Ferretti R., Picciotti E., Marzano F. S. Investigating 3D and 4D variational rapid-update-cycling assimilation of weather radar reflectivity for a heavy rain event in central Italy. Natural Hazards a. Earth System Sciences, 2021, vol. 21, iss. 9. Available at: https://nhess.copernicus.org/articles/21/2849/2021/ (access January 20, 2022).System bias correction of short-term hub-height wind forecasts using the Kalman filter / J. Xu [et al.] // Protection a. Control of Mod. Power Systems. – 2021. – Vol. 6, iss. 1. – Art. № 37.Xu J., Xiao Z., Lin Z., Li M. System bias correction of short-term hub-height wind forecasts using the Kalman filter. Protection a. Control of Mod. Power Systems, 2021, vol. 6, iss. 1, art. № 37.Лаппо, П. О. (Зайко П. О.) Результаты верификации модели WRF–ARW в Гидромете Республики Беларусь / П. О. Лаппо (П. О. Зайко), В. Н. Шакур, М. Прохареня // Тр. Гидрометеорол. науч.-исслед. центра Рос. Федерации / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окруж. среды, Гидрометеорол. науч.-исслед. центр Рос. Федерации. – М., 2015. – Вып. 358: Гидрометеорологические прогнозы. – С. 67–77.Lapo P. O. (Zaiko P. O.), Shakur V. N., Proharenai M. P. Resultaty verificacii modeli WRF–ARW v Hydromet Respubliki Belarus [Verification of WRF–ARW model in Hydromet of the Republic of Belarus]. Trudy Gidrometeorologicheskogo nauchno-issledovatelskogo centra Rossijskoj Federacii [Proc. of the Hydrometeorological Research Center of the Russian Federation]. Federalnaya sluzhba po gidrometeorologii i monitoringu okruzhayushej sredy, Gidrometeorologicheskij nauchno-issledovatelskij centr Rossijskoj Federacii [Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring, Hydrometeorological Research Center of the Russian Federation]. 2015, iss. 358, pp. 67–77. (in Russian)Cressman, G. P. An operational objective analysis system [Electronic resourse] / G. P. Cressman // Month. Weather Rev. – 1959. – Vol. 87, iss. 10. – Mode of access: https://journals.ametsoc.org/downloadpdf/journals/mwre/87/10/1520-0493_1959_087_0367_aooas_2_0_co_2.pdf/. – Date of access: 01. 06. 2020).Cressman G. P. An operational objective analysis system. Month. Weather Rev., 1959, Vol. 87, iss. 10. Available at: https://journals.ametsoc.org/downloadpdf/journals/mwre/87/10/1520-0493_1959_087_0367_aooas_2_0_co_2.pdf (accessed June 1, 2020).Зайко, П. О. Система усвоения наземных и аэрологических наблюдений в мезомасштабную численную модель WRF–ARW в Белгидромете / П. О. Зайко // Природные ресурсы. – 2019. – № 1. – С. 88–95.Zaiko P. O. Sistema ucvoenia nazemnich i aerologicheskich nabludenii v mezomostabnuy cheslennyu model WRF–ARW v Belgidromete [System for assimilation of ground-based and aerological observations into the mesoscale numerical model WRF–ARW at Belhydromet]. Prirodnye resursy = Natural Resources, 2019, no. 1, pp. 88–95. (in Russian)Crisologo, I. Polarimetric rainfall retrieval from a C-Band weather radar in a tropical environment (The Philippines) / I. Crisologo // Asia-Pacific J. of the Atmospheric Sciences. – 2014. – Vol. 50, iss. 1. – P. 595–607.Crisologo I. Polarimetric rainfall retrieval from a C-Band weather radar in a tropical environment (The Philippines) // Asia-Pacific J. of the Atmospheric Sciences, 2014, vol. 50, iss. 1, pp. 595–607.Bringi, V. N. Polarimetric doppler weather radar: principles and applications / V. N. Bringi, V. Chandrasekar. – Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2001. – XXV, 636 p.Bringi V. N., Chandrasekar V. Polarimetric doppler weather radar: principles and applications. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2001, XXV, 636 p.Новая технология объективного анализа на основе схемы 3D-VAR / М. Д. Цырульников [и др.] // Информационный сборник / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окруж. среды, Гидрометеорол. науч.-исслед. центр Рос. Федерации. – [М. ; Обнинск], 2012. – № 39 : Результаты испытания новых и усовершенствованных технологий, моделей и методов гидрометеорологических прогнозов. – С. 7–14.Cirulnikov M. D., Svirenko P. I., Gorin V. E. [et al.] Novai technologia obiektivnogo analiza na osnove shemy 3D-VAR [New objective analysis technology based on 3D-VAR scheme]. Obninsk, 2012, no. 39, pp. 7–14. (in Russian)Inhomogeneous background error modeling for WRF-var using the NMC method / H. Wang [et al.] // J. of Appl. Meteorology a. Climatology. – 2014. – Vol. 53, iss. 10. – P. 2287–2309.Wang H., Huang X.-Y., Sun J. [et al.] Inhomogeneous background error modeling for WRF-var using the NMC method. J. of Appl. Meteorology a. Climatology, 2014, vol. 53, iss. 10, pp. 2287–2309.Охрана окружающей среды и природопользование. Гидрометеорология. Правила составления краткосрочных прогнозов погоды общего назначения : ТКП 17. 10-06-2008 (02120) : утв. М-вом природ. ресурсов и охраны окруж. среды Респ. Беларусь 31. 10. 08 : введ. 01. 01. 09. – Минск: Минприроды БелНИЦ «Экология», 2008. – IV, 30 с.Ohrana okrugauschei sredy. Hydrometeorologia. Pravila sostavlenia [Environmental protection and natural resource management. Hydrometeorology. Rules for compiling short-term weather forecasts for general purposes: TKP 17.10-06-2008 (02120): approved. M-vom nature. resources and environmental protection. environment Rep. Belarus 10/31/08: introduced. 01/01/09]. Minsk, 2008, no. IV, 30 p. (in Russian)The method for object-based diagnostic evaluation (MODE) applied to numerical forecasts from the 2005 NSSL/SPC spring program / C. A. Davis [et al.] // Weather a. Forecasting. – 2009. – Vol. 24, iss. 5. – 1252–1267.Davis C. A., Brown B. G., Bullock R., Halley-Gotway J. The method for object-based diagnostic evaluation (MODE) applied to numerical forecasts from the 2005 NSSL/SPC spring program. Weather a. Forecasting, 2009, vol. 24, iss. 5, pp. 1252–1267.Лысенко, С. А. Оценки влияния подстилающей поверхности на точность численного прогноза температуры воздуха на территории Беларуси с использованием модели WRF / С. А. Лысенко, П. О. Зайко // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. – 2021. – № 4. – С. 50–68.Lysenko S. A., Zaiko P. O. Ocenki vliyaniya podstilayushchej poverhnosti na tochnost' chislennogo prognoza temperatury vozduha na territorii Belarusi s ispol'zovaniem modeli WRF [Estimation of the study of the underlying surface on the accuracy of the calculated forecast of air temperature on the territory of Belarus using the WRF model]. Gidrometeorologicheskie issledovaniya i prognozy = Hydrometeorological research and forecasts, 2021, no. 4 (382), pp. 50–68. (in Russian)A long-term global land surface satellite (GLASS) data-set for environmental studies / S. Liang, X. Zhao, S. Liu [et al.] // Intern. J. of Digital Earth. – 2013. – Vol. 6, iss. suppl. 1. – P. 5–33.Liang S., Zhao X., Liu S. [et al.] A long-term global land surface satellite (GLASS) data-set for environmental studies. Intern. J. of Digital Earth., 2013, Vol. 6, iss. suppl. 1, pp. 5–33.Лысенко, С. А. Повышение точности численных прогнозов погоды на территории Беларуси с использованием оперативных спутниковых данных / С. А. Лысенко, П. О. Зайко // Природопользование. – 2022. – № 2. – С. 86–98.Lysenko S. A., Zaiko P. O. Povischenie tochnosti chislennich prognozov pogody na territorii Belarusi s ispolzovaniem operativnich sputnikovich dannich [Improving the accuracy of numerical weather forecasts in Belarus using operational satellite data]. Prirodopolzovanie = Nature Management, 2022, no. 2, pp. 86–98. (in Russian)Copernicus Global Land Operations "Vegetation and Energy" [Electronic resourse]: Moderate Dynamic Land Cover 100 m, version 3: algorithm theoretical basis document / M. Buchhorn [et al.]. – [S. l. : s. n.], 2020. – Mode of access: https://zenodo.org/record/4723924#.Y4YJTXbP2Uk. – Date of access: 03. 04. 2021).Buchhorn M., Bertels L., Smets B. [et al.]. Copernicus Global Land Operations "Vegetation and Energy": Moderate Dynamic Land Cover 100 m, version 3: algorithm theoretical basis document [S. l. : s. n.], 2020. Available at: https://zenodo.org/record/4723924#.Y4YJTXbP2Uk (accessed April 3, 2021).Milbrandt, J. A. A multimoment bulk microphysics parameterization. Part II : A proposed three-moment closure and scheme description / J. A. Milbrandt, M. K. Yau // J. of the Atmospheric Sciences. – 2005. – Vol. 62, iss. 9. – P. 3065–3081.Milbrandt J. A., Yau M. K. A multimoment bulk microphysics parameterization. Part II : A proposed three-moment closure and scheme description. J. of the Atmospheric Sciences, 2005, vol. 62, iss. 9, pp. 3065–3081.Kain, J. S. Convective parameterization for mesoscale models: The Kain-Fritsch scheme / J. S. Kain, J. M. Fritsch ; ed. by K. A. Emanuel, D. J. Raymond // The representation of cumulus convection in numerical models. – Boston, 1993. – Chap. 16. – P. 165–170.Kain J. S., Fritsch J. M. Convective parameterization for mesoscale models: The Kain-Fritsch scheme. The representation of cumulus convection in numerical models. Ed. by K. A. Emanuel, D. J. Raymond. Boston, 1993, chap. 16, pp. 165–170.Grell, G. A. A generalized approach to parameterizing convection combining ensemble and data assimilation techniques / G. A. Grell, D. Dévényi // Geophys. Research Letters. – 2002. – Vol. 29, iss. 14. – Art. № 1693.Grell G. A., Dévényi, D. A generalized approach to parameterizing convection combining ensemble and data assimilation techniques. Geophys. Research Letters, 2002, vol. 29, iss. 14, art. no. 1693.Багров, А. Н. Схема оперативного краткосрочного комплексного прогноза приземной температуры воздуха и влажности / А. Н. Багров, Ф. Л. Быков, В. А. Гордин // Метеорология и гидрология. – 2018. – № 8. – С. 5–18.Bagrov A. N., Bykov F. L., Gordin V. A. Schema operativnogo kratkosrochnogo kompleksnogo prognoza prizemnoi temperature vozdyha I vlagnosti [Scheme of operational short-term comprehensive forecast of surface air temperature and humidity]. Meteorologiya i gidrologiya = Meteorology and Hydrology, Moscow, 2018, no. 8, pp. 5–18. (in Russian)Зайко, П. О. Совершенствование мезомасштабного численного прогнозирования погоды WRF-ARW в Республике Беларусь путем ассимиляции радиолокационных данных о ветре и отражаемости / П. О. Зайко, А. Н. Красовский, С. К. Бородко // Журн. Белорус. гос. ун-та. География. Геология. – 2020. – № 2. – С. 3–13.Zaiko P. O., Krasouski A. N., Barodka S. K. Sovershenstvovnie mesomaschtabnogo chislennogo prognozirovania pogody WRF-ARW v Respublike Belarus putem assimilacii radiolokacionnich dannich o vetre I otrazaemosty [Improvement of mesoscale numerical weather prediction WRF-ARW in the Republic of Belarus by assimilation of radar wind and reflectivity data]. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Geografiya. Geologiya = Journal of the Belarusian State University. Geography and Geology, 2020, no. 2, pp. 3–13. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.