Сезонные прогнозы для энергетики Китая: где система действительно работает ✎

Оригинал: "Skill and reliability of seasonal forecasts for the Chinese energy sector"
arXiv:1703.06662 · 2017-03-20 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Модель GloSea5 умеет предсказывать зимние ветры над Южно-Китайским морем и летнюю жару в Пекине, но в остальном её мастерство пока пятнистое.

Представьте карту Китая, на которой редкие зелёные пятна разбросаны по жёлтой пустыне. Эти пятна — места, где климатическая модель GloSea5 действительно умеет заглядывать на три месяца вперёд, а пустыня — всё остальное, где её прогнозы не лучше подбрасывания монетки. Исследователи изучили двадцать лет ретроспективных расчётов этой британской системы, чтобы понять, где ей можно доверять при планировании энергетики.

Главный оазис — зимние ветры над Южно-Китайским морем. Здесь корреляция между прогнозом и реальностью достигает 0.78, что сопоставимо с мастерством прогнозов Эль-Ниньо, признанного золотым стандартом сезонного прогнозирования. Причина в восточноазиатском зимнем муссоне: во время Эль-Ниньо градиент давления между сибирским холодом и тёплым океаном ослабевает, и ветры стихают. Модель улавливает эту связь.

Второй оазис — летняя температура в Пекине. Даже после удаления долгосрочного тренда потепления корреляция остаётся на уровне 0.48, то есть модель ловит настоящий предсказуемый сигнал, а не просто повторяет «будет теплее, чем в среднем за прошлые годы». Зимняя солнечная радиация в восточном Китае тоже прогнозируется неплохо, с корреляцией 0.62, вероятно, из-за связи с облачностью, которую контролируют Эль-Ниньо и температура Индийского океана.

Но за пределами этих оазисов пустыня. Летние ветры и зимняя температура почти всюду не показывают значимого мастерства. В том же Южно-Китайском море, где зимой корреляция 0.78, летом она падает до 0.13 — прогноз полностью теряет силу. Это похоже на компас, который отлично работает в ясную погоду, но сходит с ума в туман.

Почему так? Модель строится на физике атмосферы и океана, но хаотическая природа погоды ограничивает предсказуемость. Там, где есть сильные медленные процессы, вроде Эль-Ниньо, сигнал пробивается сквозь шум. Где их нет, случайность побеждает.

Для энергетики Китая это не абстрактный вопрос. Страна одновременно наращивает солнечные и ветровые мощности и сталкивается с растущим спросом на охлаждение летом. Знать заранее, будет ли зима ветреной, а лето жарким, значит лучше планировать закупки топлива, техобслуживание и нагрузку на сети. Пока что доверять можно только оазисам, но их уже достаточно для пилотных сервисов в Южно-Китайском море и Пекине.

Карта предсказуемости, составленная в этом исследовании, не статична. Увеличение ансамбля с 24 до 42 членов и статистическая калибровка на основе крупномасштабных атмосферных процессов могут расширить зелёные пятна. Пустыня случайности отступит, если мы научимся лучше понимать её ландшафт.

Корреляция 0.78 для зимних ветров в Южно-Китайском море сопоставима с мастерством прогнозов Эль-Ниньо, которое считается золотым стандартом сезонного прогнозирования. При этом в том же регионе летом корреляция падает до 0.13, то есть прогноз полностью теряет силу.

BSS = (RES - REL) / UNC
BSS положителен, если разрешающая способность прогноза превышает его ненадёжность, нормированную на неопределённость климатологии
ROCSS = 2 * AROC - 1
Площадь под ROC-кривой AROC преобразуется так, что 0 означает отсутствие навыка, а 1 — идеальное разделение событий
Понятия
навык прогноза NOAA CPC Ниньо 4 IRI прогнозирование сезонный цикл весенний барьер предсказуемости распространение экваториальных волн прогноз вспышка западных ветров прогнозирование солнечных вспышек океанический индекс нино ла-нинья муссон модель Джина–Тиммермана сезонный форсинг температура поверхности моря ERA5 ERSST энергетический дисбаланс земли