Hydrometeorological equipment for short range weather forecasting used

Hydrometeorological equipment for short range weather forecasting used in Russian State Hydrometeorological University Prof. Kuznetsov Anatoly Dmitrievitch Prof. Solonin Alexander Sergeevich

Definitions of very short range weather forecasting and nowcasting Forecasting with a lead time less than 12 hours is very short range forecasting n Прогнозирование с заблаговременностью менее 12 часов называется сверхкраткосрочным (СКП). Forecasting with a lead time between 3 hours and several minutes is nowcasting n Прогнозирование с заблаговременностью от 3 часов до нескольких минут называется Nowcasting (текущее прогнозирование).

Nowcasting n n Nowcasting originates from “forecast”, where “fore” (definite time in a future) is replaced by “now” (the nearest time) Прогнозирование текущей погоды (nowcasting) происходит от термина "прогноз" (forecast), где префикс fore, обозначающий некоторое время в будущем, заменяется префиксом now, обозначающим ближайшее будущее. “Nowcasting” term was introduced in 1982 by Browning. It means detail overview of current weather and weather forecast for the next 3 hours using extrapolation method. Термин «наукастинг» , введенный Браунингом в 1982 г. , подразумевает детальный диагноз текущей погоды и прогноз до 3 часов экстраполяционными методами.

Object forecasting Local weather which is observed in a definite place (airport, city district, stadium, skiing route, road) n Объектом текущего прогноза является локальная погода – наблюдаемая в каком либо конкретном месте (аэропорт, р-н города, стадион, горнолыжная трасса, участок автодороги). Local weather is formed due to influence of mesoscale processes or mesoscale features of synoptic scale objects. n Локальная погода формируется под влиянием мезомасштабных процессов или мезомасштабных особенностей объектов синоптического масштаба.

Collection, learning and processing information system for VSRF and Nowcasting requires: Fast information exchange n быстрый обмен информацией Error detection and correction n выявление и исправление ошибок Matching of data formats n согласование формата данных Geographical data binding n географическая привязка данных Providing of high resolution visual images n обеспечение визуального изображения с высокой конечной графикой.

Data collection system Satellite data Спутниковые данные Remote sensing of the atmosphere Зондирование атмосферы Meteorological radars network Сеть метеорологических радаров Network of the surface observation stations Сеть станций наземного наблюдения

Satellite remote systems for measuring and observing of the Earth Purpose Information support of modern society with data on environmental conditions and trends in any changes of the environmental conditions Информационное обеспечение современного общества данными о состоянии и тенденциях изменения характеристик окружающей среды

Global space observation subsystem of hydrometeorological purposes It has been developed on the basis of national space systems with WMO coordination. This system has 2 levels: Сложилась на основе национальных космических систем при координирующей роли ВМО и является двухъярусной: n n The satellites of USA, EU, Japan, India, China in geostationary orbit (GOES -E, GOES-W, METEOSAT, MSG, MTSAT, INSAT, FY-2); спутники основных спутниковых операторов США, Европейского сообщества, Японии, Индии, КНР на геостационарной орбите (GOES-E, GOES-W, METEOSAT, MSG, MTSAT, INSAT, FY-2); The system of the USA operational satellites (NOAA) and the EU satellites (EPS/Met. Op) in mid-level near-polar solar-synchronous orbits система оперативных американских ИСЗ серии NOAA и европейский ИСЗ серии EPS/Met. Op на средневысотных приполярных солнечно-синхронных орбитах

Receiving of the Earth images in 12 -spectrum channels of VS and IR ranges by VCS station The information from geostationary satellites is used for: Принимаемая с геостационарных спутников информация используется для: n Current and VSRF weather forecast n для получения данных для текущего и сверхкраткосрочного прогноза погоды n Cloud dynamics observation n для наблюдения динамики облачности n n n Drawing of charts on cloud and surface temperature with 3 km resolution для построения карт температуры облаков и подстилающей поверхности с пространственным разрешением около 3 км, Evaluation of cloud and aerosol parameters для оценок параметров облачности и аэрозоля, Evaluation of water vapor and ozone content in the atmosphere n для оценок общего влагосодержания атмосферы и общего содержания озона n Determination of precipitation zones n для детектирования зон осадков

Russian Federal Space Program 2006 -2015 n n In 2008 to start reconstruction of orbital complex of hydrometeorological purpose “Метеор-М” (loworbital) and “ЭЛЕКТРО - Л” (geostationary) С 2008 г. начать восстановление орбитальной группировки КА гидрометеорологического назначения «Метеор-М» (низкоорбитальные КА) и «ЭЛЕКТРО -Л» (геостационарные КА) These satellites will be equipped by measurement devices, similar to NOAA, Met. Op and MSG equipment (It is planned to include so-called БРЛК radar for all-weather ice patrol) Эти КА будут оснащены измерительной аппаратурой, аналогичной аппаратуре ИСЗ NOAA, Met. Op и MSG (в состав целевой аппаратуры КА «Метеор-М» N 1 будет включен радиолокатор БРЛК для целей всепогодной ледовой разведки).

Roshydromet surface complexes of receiving, processing and distribution of satellite information The basis of such system are three federal centers: Основу НКПОР Росгидромета составляет три центра федерального значения: • In Moscow region (Obninsk-Moscow-Dolgoprudny), • в Московском регионе (Обнинск – Москва - Долгопрудный), • In West-Siberia region (Novosibirsk) • в Западно-Сибирском регионе(Новосибирск), • In Far-Eastern region (Khabarovsk) • в Дальневосточном регионе (Хабаровск). The complex includes more than 60 independent satellite data receiving stations, which receive information with low spatial resolution В НКПОР Росгидромета входит также сеть из более 60 автономных (малых) пунктов приема спутниковых данных, которые обеспечивают прием КИ низкого пространственного разрешения.

Roshydromet surface complexes of receiving, processing and distribution of satellite information The main goals of the complex: Основные задачи • receiving data from satellites • прием данных с КА • data preprocessing • проведение предварительной обработки • main data processing • проведение тематической (целевой) обработки • delivery of information to user • доставка информационных продуктов потребителю • data archiving and cataloging • архивация и каталогизация данных

Automated meteorological radar complexes The main features of МРЛ-5: Основные характеристики МРЛ-5: n Wavelenght - 3. 2 and 10 cm n Длина волны - 3. 2 и 10 см n Frequency of pulses -1 and 2 mcs n Частота посылок -1 и 2 мкс n Width of directional diagram – 1 degree n Ширина диаграммы направленности - 1 градус n Radius of observations– 300 km n Радиус обзора - 300 км

Purpose of “АМРК” is used for automation of meteorological radar “МРЛ 5” to get the information on cloudiness and associated dangerous hazards (showers, thunderstorms, hail, squall) АМРК предназначен для автоматизации метеорологического радиолокатора МРЛ-5 с целью обеспечения информацией об облачности и связанных с ней опасных явлениях погоды (сильные ливни, грозы, град, шквал): Such information is important for: Такая информация важна для: n Airports, automated air-traffic control systems n аэропортов и автоматизированных систем управления воздушным движением; n Roshydromet Weather Forecasting Departments n прогностических подразделений Гидрометслужбы

Meteorological phenomena chart The identification algorithms allow to determine different types of cloudiness and phenomena Алгоритмы распознавания позволяют выделить следующие типы облачности и явлений. n Types of cloudiness: n Типы облачности: n Middle level (As-Ac) n Среднего яруса (As-Ac) n Stratus-clouds n Слоистообразная n Cumulus clouds n Кучевая облачность n Precipitations: weak, moderate, strong n Обложные осадки (слабые, умеренные, сильные) n Showers: weak, moderate, strong n Ливневые осадки (слабые, умеренные, сильные) n Hail: with probability 30 -70%, 70 -90%, > 90% n Град (вероятность 30 -70%, 70 -90%, > 90%) n Thunderstorm: with probability 30 -70%, 7090%, > 90% n Гроза (вероятность 30 -70%, 70 -90%, >90%) n Squall n Шквал

Chart of top level of echo radar Карта высоты верхней границы радиоэхо n Measurement range 0 -20 km n Диапазон измерения: 0 -20 км n Measurement resolution is 250 m n Дискретность измерения - 250 м n Resolution of images is 1 km n Дискретность представления - 1 км.

Chart of squall velocity Outlines of squall zones. The maximal squall velocity (in m/s) is marked by colors. Контуры зон шквалов. Цветом показана максимальная скорость шквала в контуре в м/с.

Chart of hazardous weather phenomena

Storm warning

Work station “ССАД” Is used to provide road services with a radar information: Предназначена для обеспечения радиолокационной информацией специалистов службы содержания автомобильных дорог: n Determination of amount of precipitation for definite area at definite time n Определение количества осадков за заданный интервал времени для выбранного района n Determination of amount of precipitation for definite area with a lead-time of 2 hours n Прогноз количества осадков для выбранного района с заблаговременностью 2 часа n Visibility range forecast in precipitation area with a lead-time of 2 hours n Прогноз видимости в осадках с заблаговременностью 2 часа

Chart of precipitation intensity (mm/h) n n Is measured at every time of observation Измеряется за каждый срок наблюдений Is represented on each element of square 4*4 km Отображается по элементам площади 4*4 км

Chart of precipitation amount n n Calculation of precipitation amount for any interval of time Расчет суммы осадков за любой интервал времени n Isolines drawing n Построение изолиний n Print of charts n Печать карт

Forecaster Work Station n Calculation of speed and direction of echo radar motion n Расчет направления и скорости перемещения поля радиоэха n Determination of trends development n Определение тенденции развития n Inertial forecast for echo radar field n Инерционный прогноз поля радиоэха n n Inertial forecast of starting time of severe weather phenomena and precipitation for definite areas Инерционный прогноз времени начала опасных явлений погоды и осадков для пунктов

Inertial forecast for local areas • Weather forecast for local areas in 200 km distance from “МРЛ” with indication pf the starting time of the phenomena • Прогноз погоды для пунктов, расположенных в радиусе 200 км от МРЛ, с указанием времени начала явлений.

Work Station “МАРС” The working station is used to combine information from automated network of several meteorological radars Рабочая станция предназначена для объединения информации нескольких радиолокаторов метеорологической автоматизированной радарной сети n Size of area of data integrtion is 1000*1000 km 2 n Размер района объединения информации 1000 х1000 кв. км. n Number of Meteorological radars МРЛ is up to 32 n Число МРЛ - до 32 n Projection is polar stereography n Проекция - полярная стереографическая n The size of cell – 1’*1’ n Размер ячейки - 1’х1’

joint chart of meteorological phenomena n n n Combination of data from different MR Объединение информации нескольких МРЛ Determination of different types of cloudiness and phenomena Types of cloudiness: n Middle level (As-Ac) n Stratus-clouds n Cumulus clouds n Precipitations: weak, moderate, strong n Showers: weak, moderate, strong n Hail: with probability 30 -70%, 7090%, > 90% n Thunderstorm: with probability 30 - n Squall n Выделение следующих типов облачности и явлений : Типы облачности: n 70%, 70 -90%, > 90% q q q n n n Среднего яруса (As-Ac) Слоистообразная Кучевая облачность Обложные осадки (слабые, умеренные, сильные) Ливневые осадки (слабые, умеренные, сильные) Град (вероятность 30 -70%, 70 -90%, > 90%) Гроза (вероятность 30 -70%, 7090%, >90%) Шквал

Joint chart of hights • Measurement range is 0 -20 km • Диапазон измерения: 0 -20 км • Measurement resolution is 250 m • Дискретность измерения - 250 м • Resolution of images is 1 km • Дискретность представления - 1 км.

Vertical cross section n n The vertical cross section along azimuth Вертикальное сечение по азимуту The vertical cross section along the definite route Вертикальное сечение по выбранному маршруту

Upper-air sounding Аэрологическое зондирование Automated upper-air stations (AUAS) Автоматизированные аэрологические радиолокационные комплексы (ААРК)

Purpose of AUAS is used to measure vertical profiles of temperature, humidity, wind velocity, wind direction in the atmosphere using radiosonde. ААРК предназначены для измерений с помощью аэрологических радиозондов высотных профилей таких параметров атмосферы как температура, влажность, скорость и направление ветра.

Monitoring stations and radiosondes Станции слежения и радиозонды: Monitoring stations: Станции слежения: microelectronic upper-air radar (МАРЛ-А) with active phased array; monitoring stations such as «Метеор» , «Метеорит» (radiosonde МАРЗ-2 -1), Метеорит-2» (radiosonde МАРЗ-2 -2). АВК-1, АВК-1 М and «Вектор-М» . микроэлектронный аэрологический радиолокатор (МАРЛ-А) (с активной фазированной антенной решеткой); станции слежения типа «Метеор» , «Метеорит» (зонд МАРЗ-2 -1), «Метеорит-2» (зонд МАРЗ-2 -2). АВК-1, АВК-1 М и «Вектор-М» . Radiosondes: МАРЗ- 2 -1, МАРЗ- 2 -2, РФ-95, МРЗ-3 А МРЗ-ЗАТ Радиозонды: МАРЗ- 2 -1, МАРЗ- 2 -2, РФ-95, МРЗ-3 А МРЗ-ЗАТ

Upper-air sounding data Данные аэрологического зондирования

Automated information-measuring system АIMS «МЕТЕОТРАССА» for meteorological provision of road traffic Автоматизированная информационно - измерительная система метеорологического обеспечения дорожного движения

Purposes n Automation of processes of road surface control n автоматизация процессов контроля состояния поверхности дорог n Dangerous weather phenomena warning n выдача предупреждений об опасных явлениях n n Meteorological provision of road services, Forecasting Departments of the Ministry of Emergency Situations обеспечение оперативной метеорологической информацией служб содержания автодорог, прогностических подразделений и органов управления при чрезвычайных ситуациях

Main tasks n n n Receiving data from road meteostations net, meteorological radars net and forecasting depertment прием данных от сети дорожных метеостанций, сети метеорологических радиолокаторов и прогностического центра Processing, achiving and representation of information (graphs, tables, charts) обработка, архивация и отображение информации (графики, таблицы, карты) Dangerous weather phenomena warning выдача предупреждений об опасных явлениях

Scheme of AIMS «МЕТЕОТРАССА»

Road meteorological station ROSA n n Meteorological parameters (temperature, wind velocity, humidity, precipitation, pressure, visibility) Метеорологические параметры (температура, ветер, влажность, осадки, давление, видимость) n Surface parameters (conditions, temperature, freezing point, thickness of water level, amount of chemicals) n Данные о поверхности (состояние, температура, точка замерзания, толщина слоя воды, количество химикатов) n Dangerous weather phenomena warning n Предупреждения об опасных явлениях

МЕТЕОТРАССА Krasnodarsky region 7 (+6) ROSA+video, 4(+1) work station МЕТЕОТРАССА Краснодар. край 7(+6) ROSA+видео, 4(+1) раб. ст.

АIMS «МЕТЕОТРАССА» Graphs for 24 hours Графики за текущие сутки

Hoar-frost formation (typical situation) Формирование инея (типичный случай)

АIMS «МЕТЕОТРАССА» Input data forecast Входные данные для прогноза Sources: Источники: n Network of the road meteorological stations, n сеть дорожных метеостанций n meteorological centers, метеоорологические центры n n meteorological radar network сеть метеорологических радаров

MR data (chart of weather phenomena) Данные МРЛ (карта метеоявлений)

MR data (amount of precipitation) Данные МРЛ (количество осадков)

Information from Hydrometeorological Centre Информация гидрометеорологического центра n Charts n Карты n General forecasts n Oбщие прогнозы n Special forecasts n Cпециализирован-ные прогнозы

Automated information system “Meteoexpert” Автоматизированная информационная система «Метеоэксперт» Purposes: n n n Combination of meteorological information of different types объединение различных типов метеорологической информации; объединение различных типов метеорологической информации Dangerous weather phenomena forecast using computational methods прогноз опасных явлений погоды по расчетным методам; Weather forecast for aviation coded in TAF авиационный прогноз погоды в коде TAF ; Dangerous weather phenomena monitoring мониторинг опасных явлений погоды; Preparation of weather charts (surface/upper level) подготовка карт погоды (приземных/высотных); Preparation and translation of special weather phenomena charts подготовка и передача карт особых явлений погоды.

Basic functions Основные функции n Dangerous weather phenomena forecast using computational methods n Прогноз опасных явлений погоды по расчетным методам n Forecast for aviation (TAF) n авиационные прогнозы (TAF) n Preparation of weather charts n построение карт погоды n Preparation of forecasting charts n построение прогностических карт n Making of upper-air charts n построение аэрологической диаграммы n Representation of current weather n отображение текущей погоды n Representation of radar data n отображение радиолокационной информации n Representation of satellite data n отображение спутниковых данных n Dangerous weather phenomena monitoring n мониторинг опасных явлений погоды

Used data Используемые данные Regular standard nets: Регулярные стандартные сети: n Network of meteorological stations n сеть метеорологических станций n Network of upper-air sounding stations n сеть станций радиозондирования Asynchronous data: Асинхронные данные: n Net of meteorological radars n сеть метеорологических локаторов n Net of road meteostations n сеть дорожных метеостанций n Meteorological satellites n метеорологические спутники n World forecasting centers n мировые прогностические центры

Aerological diagram Aэрологическая диаграмма

Data from Forecasting Centre (GRIB, Reading) Данные прогностического центра (GRIB, Рединг )

Data from Forecasting Centre (GRIB, Braknel) Данные прогностического центра (GRIB, Брекнел )

Charts on data in codes GRIB and T 4 Карты по данным в кодах GRIB и T 4

Charts on BUFR code data Карты по данным в коде BUFR

Dangerous weather phenomena forecast Прогноз опасных явлений погоды n Thunderstorm n Гроза n Fog n n туман Visibility range in fog n видимость в тумане n Squall n шквал n Hail n град n Glaze n гололед n n n 30 computational methods ( 30 расчетных методов) n Low cloudiness нижняя облачность Wind and temperature ветер и температура

Some examples of dangerous weather phenomena forecast Примеры прогнозов опасных явлений

Forecast of radiation fog Прогноз радиационного тумана Numerical weather modeling Численное моделирование n n Numerical model of atmospheric boundary layer численная модель атмосферного пограничного слоя Forecasting profiles of temperature, humidity, wind, turbulence energy, rate of turbulent energy dissipation прогностические профили температуры, влажности, ветра, энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии n Accuracy of forecast – 90 % n точность прогноза 90%

Thunderstorm forecast Прогноз гроз Numerical weather modeling n Numerical model of convective cloud Scheme of appearance recognition Radar data for tuning n Accuracy of forecast – 90 % n n Численное моделирование n численная модель конвективного облака n схема распознавания образов n радиолокационные данные для настройки n точность прогноза 90%

Automated forecast of dangerous weather phenomena Автоматизированный прогноз опасных явлений

Calculation of trends Расчет тенденций n Using of weather data (receiving time step is 30 sec n Использование данных погоды ( с 30 сек-периодом поступления ) n Calculation of trends n Расчет тенденций n n Observation of front-line motion Слежение за прохождением линии фронта

Storm information (WAREP, SPECI, ШТОРМ) Штормовая информация (WAREP, SPECI, ШТОРМ)

Meteorological radar data (Meteocell) Данные метерологического радиолокатора (Meтео. Ячейка) n n n Charts of weather phenomena Карты метеоявлений Charts of precipitation intensity n карты интенсивности осадков n Storm warning n Штормоповещение n n Monitoring of dangerous weather phenomena мониторинг опасных явлений Computation of replacement расчет перемещения

Forecast verification Оценка оправдываемости прогнозов n n Dangerous weather phenomena forecast using computational methods /radar data and current weather is used also/ Прогнозов опасных явлений по расчетным методам /на основе данных радиолокатора и фактической погоды /

Main products: weather charts, forecasts Основная продукция: карты погоды, прогнозы

Charts of special weather phenomena Карты особых явлений погоды

The basis of system for Very Short Range Automated Forecasting is developed Создана основа системы автоматического сверхкраткосрочного прогнозирования n Combination of different data types n Объединение различных типов данных n Monitoring of dangerous weather phenomena n мониторинг опасных явлений погоды n Calculation of trends n расчет тенденций n Dangerous weather phenomena forecast using numerical weather prediction n прогноз опасных явлений погоды на основе численного моделирования n An expert estimated probability of dangerous weather phenomena with respect to synoptic situation n экспертная оценка вероятности опасных явлений погоды в зависимости от синоптической ситуации n Dangerous weather phenomena forecast in automated regime n прогноз опасных явлений погоды в автоматическом режиме n Calculation of forecast success rate n расчет оправдываемости прогнозов.