Для составления прогноза погоды NWP использует последние наблюдения за погодой вместе с математической компьютерной моделью атмосферы (например, унифицированной моделью , используемой в Метеобюро).
Метеорологическое бюро признано мировым лидером в области ЧПП, начиная с новаторской работы Льюиса Фрая Ричардсона, начавшейся после его прихода в Метеорологическое бюро в 1913 году. Метеорологическое бюро выпустило свой первый оперативный компьютерный прогноз 2 ноября 1965 года.
В настоящее время ЧПП лежит в основе всех прогнозов погоды и предупреждений, а также многих исследований и разработок , направленных на изучение нашей погоды и климата.
1952–1965 гг. — начало NWP в Великобритании.
Ранние эксперименты
Первый прогноз ЧПП в Великобритании был выполнен Ф. Х. Бушби и М. К. Хайндсом в 1952 году под руководством Дж. С. Сойера, FRS. Эти экспериментальные прогнозы были получены с использованием сетки 12 × 8 с шагом сетки 260 км, шагом времени в один час и потребовали четырех часов вычислительного времени для 24-часового прогноза на компьютере EDSAC в Кембридже и компьютере LEO в округе Лайонс.
После этих первоначальных экспериментов работа переместилась на компьютер Ferranti Mark 1 на кафедре электротехники Манчестерского университета.
Метеор
В январе 1959 года в Метеорологическом бюро в Данстейбле был установлен компьютер Ferranti Mercury, известный как «Метеор». Это было важным событием, поскольку это был первый компьютер, предназначенный для исследования ЧПП.
В начале 1960-х годов Meteor использовался для испытания оперативного пакета прогнозов с использованием усовершенствованной трехуровневой модели Бушби-Уайтлама, охватывающей Западную Европу и Северную Атлантику.
Он состоял из шестичасового прогноза из анализа 0000 UTC, за которым следовал повторный анализ 0600 UTC и 24-часовой прогноз. Прогнозы выполнялись слишком долго, и было сделано заключение, что требуется более мощный и надежный компьютер.
Комета
Компьютером, пришедшим на смену Meteor, стал English Electric KDF9, названный «Comet», который был установлен в Метеорологическом бюро в Бракнелле в 1965 году и стоил 500 000 фунтов стерлингов.
Comet использовал транзисторы, имел скорость 60 000 арифметических операций в секунду, память на 12 000 чисел и мог выводить диаграммы в форме зебры как на линейном принтере, так и позднее на перьевом плоттере.
1965 и далее — оперативные прогнозы ЧПП в Метеобюро
Первый оперативный компьютерный прогноз был составлен Метеобюро 2 ноября 1965 года с использованием компьютера Comet. Представители СМИ были приглашены стать свидетелями этого важного события в истории Метеобюро и дали ему беспрецедентное освещение как в прессе, так и на телевидении.
Первый оперативный прогноз ЧПП, подготовленный Метеорологической службой 2 ноября 1965 года. Прогноз показывает давление на поверхности, действительное в 00:00 по Гринвичу 3 ноября 1965 года.
Comet предоставил возможность составлять прогнозы дважды в день с использованием трехуровневой модели Бушби-Уайтлама с сухой фильтрацией, охватывающей Северную Атлантику и Западную Европу на горизонтальной сетке длиной 300 км на 60° с.ш. Первоначальные статистические данные были получены с использованием метода подгонки локальной поверхности для поля высот и уравнения баланса для ветров.
Компьютер English Electric KDF9 «Comet» в Метеорологической службе (Бракнелл) в 1966 году.
1970-е годы — Глобальный обмен данными наблюдений за погодой
Глобальный обмен данными наблюдений за погодой быстро рос, поскольку Глобальная система телекоммуникаций Всемирной метеорологической организации (ВМО) преобразовала связь между национальными метеорологическими службами, и начался обмен спутниковыми данными. В качестве одного из узлов в Главной магистральной сети (MTN) Метеорологическое бюро установило пару компьютеров Marconi Myriad, предназначенных для маршрутизации сообщений.
1971 - компьютер IBM 360/195
Компьютер IBM 360/195 использовался в период с 1971 по 1982 год. Он имел скорость 4 миллиона арифметических операций в секунду и память на 250 000 чисел и был установлен в недавно построенном крыле Ричардсона штаб-квартиры Метеорологического бюро.
В отличие от своего предшественника, этот компьютер был построен с использованием интегральных схем. Прогнозисты могли взаимодействовать с компьютером через интерактивный экран и клавиатуру. Микрофильм-плоттер предоставил новый, гибкий, выходной носитель.
Вид на компьютерный зал с IBM 360/195 в Метеорологическом бюро (Бракнелл) в 1971 году.
1972 г. - 10-уровневая модель
Десятиуровневая модель Бушби-Тимпсона, основанная на схеме, сформулированной Дж. С. Сойером, решила уравнения Навье-Стокса движения жидкости, а также уравнения термодинамики, теплопередачи и неразрывности в их примитивных формах, что исключило необходимость в геострофическом предположении.
Он был реализован в 1972 году, сначала в модели Octagon с длиной сетки 300 км на 60 o с.ш., и запускался дважды в день для трехдневных прогнозов погоды для Северного полушария.
Год спустя была реализована модель Rectangle с сеткой в 100 км, охватывающей большую часть Северной Атлантики и Европы (показано более темной серой штриховкой на изображении справа). Это имело конкретную цель — прогнозирование осадков от фронтов.
Модели были инициализированы путем подгонки ортогональных полиномиальных поверхностей через наблюдения за высотой, а затем вывода ветров с использованием уравнений баланса и омега. Радиозонды были основным источником наблюдений, дополненным AIREPS и первыми спутниковыми наблюдениями: SIRS и SATEMS.
1976 - Прогнозы океанских волн
Метеорологическое бюро начало заниматься численным прогнозированием волнения в 1974 году, когда метеорологическим службам для развивающейся нефтяной промышленности Северного моря потребовалась поддержка в прогнозировании долгосрочных волн.
Модель первого поколения была реализована в 1976 году, за ней в 1979 году последовала более сложная модель второго поколения. Она оставалась основой служб метеорологической службы по океанским волнам до 2008 года, когда была реализована модель третьего поколения US WAVEWATCH III ® .
Один из ранних прогнозов океанских волн.
1980-е годы — Руководство для прогнозистов
В 1980-х годах результаты ЧПП поступали к синоптикам Центрального бюро прогнозов через интерактивные мониторы и на картах, созданных большими планшетными плоттерами, в то время как достижения в области связи позволили отправлять результаты ЧПП на удаленные станции прогнозирования с помощью факсимильной связи (GRAFNET) и системы отображения информации на удаленных станциях (ODS).
Один из интерактивных мониторов в Центральном бюро прогнозов в 1980-х годах.
Так выглядели первые прогнозы погоды в 1980-х годах, отображаемые на интерактивных мониторах.
1982 – Выход на мировой уровень
Новая 15-уровневая модель ЧПП была реализована в 1982 году с использованием разработки 10-уровневого динамического ядра модели для сетки широты и долготы с физическими параметризациями, полученными из модели общей циркуляции, разработанной для исследований в ходе первого глобального эксперимента GARP (FGGE) в конце 1970-х годов.
После вторжения на Фолклендские острова в 1982 году эта возможность была быстро расширена до глобального масштаба и стала оказывать военную поддержку.
Он использовал схему оптимальной интерполяции данных ассимиляции в сочетании с подталкиванием, также используемым в FGGE. Пример раннего глобального прогноза ЧПП показан на изображении справа.
1985 - Мезомасштабное ЧПП
Для устранения ограничений на представление вертикальной циркуляции, связанной с конвекцией и сложной топографией, в начале 1970-х годов была разработана новая модель с более высоким разрешением, использующая негидростатическую, сжимаемую систему уравнений с полунеявной обработкой звуковых волн (Тэпп и Уайт, 1976).
Она была внедрена для рутинного прогнозирования погоды в 1985 году и стала первой такой моделью, которая использовалась в оперативном режиме в мире. Она охватывала только Великобританию и была нацелена на прогнозирование топографически обусловленной местной погоды, такой как конвекция морского бриза и туман.
Параметризация облаков и турбулентности была намного более сложной, чем та, что использовалась в глобальных и региональных моделях того времени. Модель была инициализирована путем уменьшения масштаба региональной модели и последующего добавления локальных деталей из радиолокационных, спутниковых и поверхностных наблюдений с использованием интерактивной мезомасштабной инициализации (IMI). Пример ее вывода показан на изображении выше.
1986 - Чернобыль и NAME
После широкомасштабного распространения радиоактивного облака в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году была первоначально разработана система моделирования рассеивания NAME .
Впоследствии модель NAME постоянно совершенствовалась и использовалась для моделирования рассеивания еще более широкого спектра опасностей, включая химические пожары, извержения вулканов и вспышки заболеваний.
Прогноз рассеивания радиоактивного шлейфа после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году с использованием современной версии NAME.
1990 - Единая модель
Унифицированная модель — это численная модель атмосферы, которая используется как для метеорологических, так и для климатических приложений. Тестирование в реальном времени было проведено в 1990 году, а оперативная реализация — 12 июня 1991 года.
Унифицированная модель была создана с глобальной и ограниченной по площади моделью для краткосрочных прогнозов и возможностью запуска долгосрочных климатических симуляций. На момент внедрения глобальная модель для краткосрочных прогнозов имела горизонтальное разрешение 0,833 градуса широты × 1,25 градуса долготы (~90 км), глобальная модель для климатических симуляций имела горизонтальное разрешение 2,5 градуса широты × 3,75 градуса долготы (~300 км). Первоначальная реализация также имела набор стандартных уровней модели по вертикали, с 20 уровнями, используемыми для краткосрочных прогнозов, и 42 уровнями, используемыми для глобальных климатических симуляций.
Ранний пример 24-часового прогноза, показывающего среднее давление на уровне моря и осадки из версии Единой модели для ограниченной территории, действительной в 00:00 UTC 21 марта 1991 года. Из Каллена (1993).
Унифицированная модель постоянно развивается Метеобюро и его партнерами, добавляя современное понимание атмосферных процессов в новые выпуски. Например, операционный глобальный прогон разрешения в Метеобюро улучшился с 90 км в 1991 году до 10 км в 2017 году. Во втором примере схема усвоения данных была обновлена до 3D-Var в 1999 году, до 4D-Var в 2004 году и теперь использует ансамбль для предоставления информации о структуре ошибки первого предположения модели. В последнем примере в 2003 году Унифицированная модель была обновлена с помощью сжимаемого, негидростатического, динамического ядра. Совсем недавно она претерпела дальнейшие обновления с помощью более точного ядра ENDGame.
1995 - Прогноз текущей погоды
Система человеко-машинного прогнозирования осадков FRONTIERS, основанная на данных радаров и спутников, была впервые реализована в конце 1980-х годов.
Его полностью автоматизированным преемником стал Nimrod, выпущенный в 1995 году, который предоставлял подробные прогнозы различных погодных условий на первые несколько часов вперед.
Пример прогноза, полученного с помощью системы краткосрочного прогнозирования погоды Nimrod в середине 1990-х годов.
2000 г. – Прогнозы по конкретным участкам
Первые попытки создания автоматических прогнозов, специфичных для конкретного участка, были сделаны в 1970-х годах с использованием выходных данных точек сетки модели Rectangle. Учет локальной топографии и землепользования был выполнен с использованием модели прогнозирования, специфичной для конкретного участка (SSFM) в конце 1990-х годов.
Появление мобильной связи сделало реалистичной доставку локальных прогнозов с высокой плотностью данных, и в 2000 году Метеорологическое бюро запустило услугу «Время и место», предоставляемую с использованием протокола мобильной связи WAP.
Пример прогноза погоды по конкретному участку за 2001 год, представленный на мобильном телефоне.
Благодаря высокому разрешению ЧПП прогнозы погоды для тысяч мест в Великобритании и по всему миру теперь генерируются путем диагностического масштабирования и доступны для просмотра на нашем веб-сайте и в приложении «Погода».
2003 — Перемещение суперкомпьютера
Переезд Метеорологического бюро из Бракнелла в Эксетер в 2003 году повлек за собой одно из крупнейших перемещений ИТ-оборудования, когда-либо предпринимавшихся, включая физическую транспортировку существующих суперкомпьютеров (суперкомпьютеры Cray T3E; показаны ниже).
Два компьютера были перемещены по отдельности, один из которых поддерживал прогнозы в Бракнелле, пока другой не взялся за дело в Эксетере. Переезд был завершен на две недели раньше, без единого пропущенного прогноза.
2005 - Ансамблевое прогнозирование
После начала работы над сезонным ансамблевым прогнозированием в конце 1980-х годов Метеорологическое бюро сосредоточилось на интерпретации среднесрочных ансамблевых прогнозов ECMWF .
Однако, когда ценность ансамблевых прогнозов на более короткие сроки стала очевидной, в 2005 году была внедрена Глобальная и региональная система ансамблевых прогнозов Метеобюро ( MOGREPS ), которая полностью вступила в строй в 2007 году (Боулер и др., 2008).
36-часовой прогноз от каждого участника ансамбля в рамках регионального компонента MOGREPS перед штормовым нагоном на Восточном побережье 9 ноября 2007 года.
2010 г. — конвективная масштабная модель Великобритании
После более ранней работы с моделью сетки длиной 4 км в 2010 году была представлена первая модель Великобритании, действительно учитывающая конвекцию, а один из ранних оперативных прогнозов представлен ниже.
Один из первых оперативных прогнозов, допускающих конвекцию, в 2010 году.
Эта модель используется и сегодня и имеет переменное горизонтальное разрешение, что привело к тому, что она стала известна как модель 'UKV'. Переменная длина сетки дает разрешение сетки 1,5 км над Британскими островами, предоставляя беспрецедентную детализацию местной погоды, включая конвекцию (Tang et al., 2012).
Главным преимуществом UKV является более эффективное устранение конвективных ливней или штормов, которые в экстремальных случаях могут привести к крупным наводнениям или разрушительным снегопадам зимой.
Конвективные облака обычно имеют горизонтальную протяженность менее 10 км и поэтому должны быть представлены как подсеточные процессы при глобальных разрешениях модели. Напротив, модель 1,5 км часто может явно воспроизводить конвекцию на сетке модели.
2012 - Ансамбль, допускающий конвекцию
Признавая, что детали конвективного масштаба имеют ограниченную предсказуемость из-за коротких масштабов длины и быстрого хаотического роста ошибок, модель UKV была дополнена ансамблем на основе UKV размером 2,2 км, MOGREPS-UK, который впервые был продемонстрирован на Олимпийских играх 2012 года в Лондоне (Golding et al. , 2014 и Tennant, 2015).
Пример использования MOGREPS-UK для учета неопределенностей в точном месте выпадения сильных осадков в Великобритании, связанных с фронтальной системой. Левое изображение: прогнозы осадков от 12 членов ансамбля MOGREPS-UK. Правое изображение: вероятность сильных осадков, полученная путем обработки соседей 12 членов ансамбля.
2015–2017 гг. — суперкомпьютер Cray XC40
Первая часть новейшего суперкомпьютера Метеорологического бюро прибыла в 2015 году и была полностью установлена к 2017 году.
Теперь, когда этот новый компьютер (показан ниже) полностью готов, он имеет 460 000 ядер, что обеспечивает пиковую производительность в 16 петафлопс. Он имеет 2 петабайта памяти для выполнения сложных вычислений и 24 петабайта хранилища для сохранения данных.
Увеличенная мощность позволяет делать прогнозы с еще более высоким разрешением. Эксперименты с разрешением менее 1 км уже показывают удивительно точные детали, в то время как уточнения наших прогнозов на более длительный срок воспроизводят изменения циркуляции в глобальном масштабе, которые влияют на характер нашей сезонной погоды.