Когда-то погоду предсказывали по форме облаков. Сейчас у нас есть суперкомпьютеры, но и они не всегда точны. Разбираемся, как прогнозируют погоду в XXI веке
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 15 октября 2021 года; проверки требует 21 правка.
Почему разные приложения дают разные прогнозы
Это происходит потому, что провайдеры используют разные алгоритмы, основанные на разных моделях прогнозов с разным уровнем детализации. Кто-то просто «штампует» прогнозы моделей, не делая поправку на реальную погоду. Другие нанимают синоптиков для наблюдений и исправлений ошибок.
Большинство популярных сайтов с прогнозами в интернете, отображают данные либо из американской GFS, либо из европейской ECMWF. Национальные метеослужбы делают прогнозы по собственным локальным моделям. Поэтому прогнозы погоды на Гисметео будет отличаться от Росгидромета.
Что такое прогнозирование погоды
Прогноз погоды — научно обоснованное предположение о том, какая погода будет в определенное время в определенном месте. Наука о погоде и методах ее предсказания называется синоптической метеорологией. Она является частью метеорологии — науки, изучающей атмосферу Земли и происходящих в ней явлениях. Специалистов, которые составляют прогнозы, называют синоптиками.
Прогнозы погоды можно условно разделить:
Прогноз погоды могут делать с помощью:
Сегодня почти во всех странах существуют региональные национальные метеослужбы. Гидрометцентр для России, Метеофранс для Франции, Оффенбах для Германии и т. д. Туда стекаются метеоданные о текущем состоянии атмосферы для дальнейших расчетов прогнозов погоды. Все национальные метеослужбы обмениваются информацией со Всемирной метеорологической организацией (ВМО), членами которого являются 193 государства и 6 территорий.
Метеостанция. Виттен (Германия), 2006.
Различают аналоговые и цифровые метеорологические станции.
На классической (аналоговой) метеостанции имеются:
При больших объёмах работы на метеостанциях могут дополнительно использоваться
и иные приборы.
В узком смысле метеостанция — учреждение, проводящее метеорологические наблюдения. Основным официальным метеостанциям мира присвоены синоптические индексы. В России большинство метеостанций находятся в ведении Росгидромета. В зависимости от установленного объёма наблюдений, метеостанции имеют определённый разряд. Данные метеостанций СССР публиковались в «Метеорологическом ежемесячнике».
Почему синоптики ошибаются
Точность краткосрочных прогнозов равна 95%. Прогнозы на пятые сутки имеют успешность на 80%, на 10 и более дней — только в половине случаев.
На точность прогнозов влияет множество факторов: количество и качество собираемых данных, способы их сбора и обработки, компьютерные ошибки и тот простой факт, что атмосфера Земли хаотична и ее очень трудно предсказать.
Ниже — основные причины, по которым погода не соответствует предсказаниям.
Неполнота наблюдений
Для идеального прогноза погоды необходимо точно знать текущие данные о фактической погоде на территории в несколько тысяч километров. Прогноз больше, чем на неделю, требует информации о том, что происходит с погодой на всем земном шаре.
На сегодня текущее состояние атмосферы известно приближенно, поскольку многие области планеты наблюдаются приборами слабо — океаны, тропики, пустыни, горы.
Как правило, метеостанций в городах значительно больше, чем в менее населенных районах. Среднее расстояние между метеостанциями на европейской территории России — 150 километров, в Сибири ― 300, на арктическом побережье еще больше. Данные в районах, где нет станций, восстанавливаются при помощи нахождения промежуточного значения, то есть приближенно. За счет этого возникают ошибки. Увеличивать плотность сети глобального наблюдения можно, но не бесконечно, поэтому данные никогда не станут полными.
Атмосфера хаотична
Синоптики пытаются предсказать то, что по своей природе непредсказуемо. Атмосфера представляет собой хаотичную систему: небольшое изменение состояния атмосферы в одном месте может иметь значительные последствия в другом — так проявляется «эффект бабочки». Любая ошибка, которая возникает в прогнозе, будет быстро увеличиваться и вызывать дальнейшие, но уже в большем масштабе.
Несовершенство моделей
Еще одна причина ошибок — несовершенство используемых прогностических моделей и методов. Некоторые погодные явления, такие как туманы и гололед, в моделях сознательно не учтены или упрощены, поскольку даже современные суперкомпьютеры не могут быстро их просчитать.
Несмотря на все технологические достижения, суперкомпьютеры не всегда точны. Хаотическая природа погоды означает, что до тех пор, пока синоптикам приходится делать предположения о процессах, происходящих в атмосфере, у любого компьютера всегда будет шанс ошибиться, независимо от того, насколько он мощный и быстрый.
Исследователи из Университета Пенсильвании нашли предел точности прогнозов погоды. Они обнаружили, что даже уменьшив первоначальные ошибки, лучшее, чего можно добиться, — это прогноз примерно на 15 дней вперед. И это если погода «установится».
А как измеряют погоду в России сегодня? Мы собрали самые интересные данные о современном процессе прогнозирования на примере столичного региона.
Внешне – это площадка с белыми (этот цвет не притягивает солнечные лучи) приборчиками и шкафчиками, которые на первый взгляд кажутся очень странными. Впрочем, аналогично выглядит любая метеоплощадка в мире.
Главные приборы станции
Обязательный прибор метеостанции – термометр. На ВВЦ их несколько: некоторые воткнуты прямо в почву на разную глубину, другие размещены над землей в так называемой психометрической будке. Один из «будочных» термометров постоянно находится в дистиллированной воде, это позволяет определять влажность воздуха. Кстати, прибор, измеряющий влажность воздуха, называется еще гигрометр, и изобрел его Орас Бенедикт де Соссюр, швейцарский естествоиспытатель, совершая в 19 веке восхождение на Монблан.
Обязательным прибором для любой метеоплощадки является также барометр. Флюгеров, измеряющих скорость и направление ветра, обычно несколько, некоторые подняты на высоту около трех метров, другие расположены в метре от земли.
На высоте двух метров, на специальном столбе, расположен осадкометр. Именно так замеряют осадки, сыплющиеся на головы прохожих, а вовсе не по глубине луж или толщине снега на тротуаре, как думают некоторые. Современную конфигурацию прибора придумал российский ученый В. Д. Третьяков. Прибор состоит из ведра и специальной защитной юбки, напоминающей полураспустившуюся ромашку. К ним с земли ведет лестница, чтобы метеорологу удобнее было делать замеры.
Есть на метеоплащадке и гололедный станок, издали который легко принять за хрупкую версию спортивного снаряда «рукохода». Прибор гелиограф, внешне напоминающий прозрачный глобус, измеряет частоту солнечного сияния. Есть еще инструменты для измерения высоты и плотности облаков. Все получаемые данные с этих приборов записывают в постоянном режиме: термограф, гигрограф, психометр, барограф.
Раз в три часа, одновременно по всему миру, метеорологи поднимаются со своих стульев и идут на метеоплощадку снимать данные с приборов. Затем, данные обрабатывают и в виде телефонограмм отправляют в головные центры. В столице России такой центр – Метеобюро Москвы и области, куда стекается вся информация, как с метеостанций, так и с метеопостов, автономных метеодатчиков и прочих приспособлений. Такие приспособления расположенны во всем столичном регионе на крышах зданий, автотрассах и опорах освещения. Общее число этих приборов только в московском регионе достигает нескольких тысяч.
Полученную информацию синоптики Метеобюро обрабатывают с помощью компьютерных программ и превращают в карты: прогностические – на сутки вперед, а также приземные и высотные, для вычисления идущих атмосферных фронтов. Далее прогнозы отправляются в Гидрометцентр России, где обрабатывают данные со всех метеопостов и станций на территории страны. Затем, обработанная информация идет коллегам из Всемирной метеорологической организации (она объединяет 185 стран), а обратно наши специалисты получают данные об их измерениях. Кроме этого, собираются данные со спутников, в частности, о колебаниях температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана Эль-Ниньо, имеющее заметное влияние на климат в целом.
Прогноз для обывателя
Переваривает эту глобальную информацию в общедоступные для человека прогнозы, например – «облачно и температура около нуля», метеорологический суперкомпьютер. В России последняя его версия была поставлена в 2009 году в Гидрометцентре России. Представляет собой этот механизм просторные комнаты – серверы. Суммарная мощность суперкомпьютера сейчас составляет 30 терафлопс (триллионов операций в секунду). Но, как недавно признались метеорологи, этих мощностей для переваривания получаемой информации уже не хватает.
Поэтому в конце 2014 года Гидрометцентр РФ объявит торги на закупку более мощного агрегата. С его установкой качество прогнозов, конечно, возрастет. А значит «пазлы», которые складывают эти машины будут более верными не только на предстоящие сутки, но и на неделю вперед (сейчас оправдываемость недельного прогноза не превышает 70 процентов), а может и на полгода.
Однако, как заметил почетный президент Всемирной метеорологической организации Александр Бедрицкий, самый точный прогноз будет тогда, когда к каждой молекуле приставят свою метеостанцию. Удастся ли это в будущем и нужна ли такая точность человеку – покажет время.
Наш поход в Росгидромет был уже последним, заключительным аккордом в расследовании на тему “Как делается прогноз погоды”, предпринятом корреспондентами “РГ”.
Наблюдения – фундамент пирамиды прогноза погоды, и сложен он из множества кирпичей: наземные метеостанции, корабли и специализированные, и обычные коммерческие, метеобуи, дрейфующие по просторам океана, самолеты и метеоспутники. Понятно, что сразу трех журналистов в космос не возьмут, в самолете тоже маловато места, да и дорого, а океанские плавания – дело долгое. Оставалось довольствоваться посещением наземных метеостанций.
Руководствуясь теорией, что погода к нам “приходит” с Запада (иногда с Севера), мы выбрали северо-западный город Осташков, в полутора километрах от которого находится пункт первичного наблюдения – одна из 1057 метеостанций России, действующих на сегодняшний день.
Первое впечатление – самое сильное. Если бы не точное описание маршрута, где свернуть и на что ориентироваться, то, увидя метеостанцию в ночи, ее легко можно было бы принять за обычный сельский домик. Единственное отличие – уж слишком большой огород для столь примитивной фазенды.
– Здравствуйте, мы из “Российской газеты”.
Проходим, располагаемся, стараясь не мешать хозяйке. Но любопытство берет верх. Заглядывая через плечо, наблюдаем, как Ольга покрывает лист бумаги цифрами.
– А что это? – не удерживаемся мы от вопроса.
– Телеграмма, в которой зашифрована погода.
На наш дилетантский взгляд, она очень напоминает шифровку секретных агентов типа “Юстас – Алексу”: “ЩЭСМЮ 26389 32964 61803 10076 20000 39864 40123 53011 80001 333 20065 41998=”. Но опытный метеоролог из этой математической абракадабры сможет легко понять, что “осадков не выпадало, атмосферных явлений не было, облачность высокая, ветер южный со скоростью 3 метра в секунду, видимость 14 километров, температура воздуха 7,6 градуса, на метеоплощадке снежный покров отсутствует, но в окрестностях станции составляет 2 балла, давление – 740 миллиметров ртутного столба” и так далее. Превращать понятные простому обывателю градусы Цельсия в невразумительные группы цифр необходимо, чтобы эти данные могла усвоить ЭВМ. Превращение это происходит в полном соответствии с записанными в тех самых увесистых томах, что стоят на полках, инструкциями.
Всего в данной шифрограмме 10 параметров: атмосферные явления, ветер, температура воздуха, температура точки росы, атмосферное давление, его изменения между сроками замеров, облачность, минимальная температура за ночь или день, температура подстилающей поверхности и снежный покров.
На некоторых станциях измеряют погоду по 40 параметрам, но в Осташкове из-за проблем с финансированием, общим износом оборудования и нехваткой квалифицированного персонала со специальным образованием наблюдения проводятся по несколько упрощенной схеме.
Даже приезд гостей не может выбить Ольгу из рабочего ритма. А он на станции очень четкий: точно по часам, которые, кстати, никогда не переводятся – станция живет и сейчас, и всегда по мировому согласованному времени, – надо раз в три часа отправить показания метеоприборов телеграммой в центр. А за двадцать минут до этого эти показания надо получить и зашифровать.
По словам Умы Чаусовой, начальника этой метеостанции и единственной из пяти сотрудников, которая окончила профильное учебное заведение – Алексинский гидрометеорологический техникум, – работать “на погоду” люди идут неохотно. ” Работа всем нравится, но после выплаты первой зарплаты человек чаще всего уходит. Учишь их учишь, объясняешь, показываешь, а через месяц ищешь нового сотрудника. Мужчины работать к нам не идут: на 1700 рублей в месяц семью не прокормишь. Поэтому работают молодые девчонки, да и они стараются совмещать работу на станции с работой в ларьке. Сколько ни пытались оставлять заявки на бирже труда, приходят только те, кто к этой работе просто не способен, слишком много у нас цифири”, – признается она.
Сейчас трое из четырех метеонаблюдателей – молодые девчонки: Ольга, Алена, Маша. Первые две окончили ветеринарный техникум, третья – только школу. Четвертая – Ольга Цепляева – постарше своих коллег. Она работает на станции уже третий год. Она пришла сюда после 14 лет работы на НПО “Звездочка” – закрытом НИИ, который расположен на одном из островов Селигера.
Разумеется, мы не могли не поучаствовать в процессе наблюдения за погодой.
– Ходить по метеорологической площадке (участке, где установлены основные измерительные приборы) можно только по дорожкам, – предупреждает нас Ольга-младшая, которая в 8.00 по московскому времени сменила Ольгу Цепляеву.
– Так ведь неудобно же? Вокруг все растаяло, а на дорожках снег спрессованный, так и упасть недолго.
– Все равно, – настаивает она. – Все измерения производятся, что называется, в естественных условиях. Поэтому ходить по траве нельзя.
Но вот телеграмма отправлена, и на ближайшие два часа сорок минут можно забыть о погоде. Побездельничать, правда, не получится. На станции всегда найдется работа по хозяйству. Но отвлечься от ответственной работы можно. И хотя девчонки на станции смешливые, то и дело хихикают, отвечая на наши вопросы, к работе они относятся со всей серьезностью. Временами кажется, что все личные, домашние проблемы – любовь-морковь, хроническая нехватка зарплаты и так далее – остались далеко “за бортом”. Разумеется, это неправда, но на простую провокацию (рассказать какой-нибудь профессиональный анекдот) общими усилиями вспомнили лишь бородатый “про чукчу-шамана и метеоролога”: “Видишь, – отвечает метеоролог шаману, – во-о-он чукча за дровами пошел. Значит, зима будет холодная”. Зато не стали скрывать, что суеверие, как и интуиция, присущи всем отвечающим за погоду людям. Правда, суеверие суеверием, но как выяснилось, в народные приметы верят не все. Некоторые категорически утверждают, что предсказанная по приметам и по показаниям приборов погода разительно отличается. А еще у осташковских наблюдателей есть свои собственные приметы. Так, например, как рассказывает Ума Чаусова, если дежурит Ольга-старшая, обязательно что-нибудь случится: ураган, шторм, гроза, метель, наледь.
– Да я здесь причем? – возмущается Ольга. – Это шквальным ветром повалило.
– А почему в твое дежурство и шквал, и грозы, а у остальных нет?
Нам, к слову, повезло. В Ольгино дежурство, когда мы только приехали на станцию, была прекрасная погода. Стихийным бедствием в ту ночь можно было назвать только наше нашествие.
Итак, информация из Осташкова отправлена. Первая остановка на ее долгом пути от набора значений различных параметров до связного прогноза погоды на ближайшие сутки-двое, знакомого всем по телевизионным выпускам новостей, – Тверь.
Приходящая с 12 оставшихся “в живых” в Тверской области метеостанций (во времена СССР их было 22) информация суммируется и обрабатывается в Тверском областном центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды или, выражаясь официальным языком, ГУ “Тверской ЦГМС” Росгидромета”.
– Наша задача оперативно обработать поступающую информацию, проверить ее правдивость и передать дальше, – рассказывает “РГ” начальник ГУ “Тверской ЦГМС” Росгидромета” Татьяна Зимина. – Сроки очень жесткие. Уже через 20 минут после того, как показания с приборов были сняты на метеостанции – в том же, скажем, Осташкове, – информация должна попасть в Москву и в мировую систему метеорологической информации.
В управлении есть специальный методический центр, который наблюдает за отсутствием ошибок в присылаемых с метеостанций сообщениях. Критерий истинности – непротиворечивость отдельно взятого значения результатам остальных наблюдений. Скажем, облачность в донесении указана слоистая, а дождь идет. Не может такого быть! Или везде ветер северо-восточный, а на одной станции юго-западный – значит, на 180 градусов ошиблись, кодируя.
– Подобные ошибки наказываются крайне жестко, – говорит Татьяна Зимина. – Даже из 1,5-2 тысяч зарплаты можно вычесть штраф. Жестко – да, но мы не можем обманывать в результатах наблюдений. Малейшая ошибка в давлении может привести к летному происшествию.
Увы, денежное довольствие метеорологов явно не соответствует важности их работы.
– Мне, по-хорошему, надо 100 тысяч рублей в год, для того чтобы обеспечить правильное нормальное функционирование центра, – говорит Татьяна Зимина. – Замечу, подразделения федеральной службы России. Но, кроме заработной платы, от центра я получаю лишь две тысячи командировочных. Остальное мы должны зарабатывать сами. Что и делаем, продавая специализированную метеоинформацию – для сельского хозяйства, авиапредприятий, ЖКХ, дорожников и так далее.
Волей-неволей складывалось впечатление, что недостаток финансирования метеостанций – едва ли не самая главная беда, из-за которой прогнозы погоды иногда, мягко говоря, не сбываются. Но разговор с Геннадием Елисеевым, замдиректора Гидрометцентра России, внес некие поправки в этот неоригинальный вывод:
– Каков процент точных прогнозов?
– Ну, прогноз – это не расчет будущего, это не формула, это прогноз. Он включает в себя некоторую неопределенность. Но он не высосан из пальца и не нагадан на кофейной гуще. Мы должны знать заранее оценку качества этого прогноза. Должна быть методическая проработка, должны быть испытания методики. Благодаря этому мы знаем, что этот прогноз оправдывается в 85 процентах случаев, а этот – в 95 процентах. Слово “прогноз” – довольно весомое. Есть еще консультации, когда можно приблизительно сказать, что есть такая-то угроза, возможно, так пойдет, возможно, так. Они не оцениваются. Но прогноз мы обязаны оценить. В целом мы знаем процент оправдываемости прогнозов. На сутки – процентов 90-95. Осадки предсказываются похуже, температура – получше. Прогноз на пять суток сбывается в 80-85 процентах случаев. Оправдываемость долгосрочных прогнозов, скажем, на месяц – 65 – 75 процентов.
Чтобы успеть передать результаты наблюдений в мировые прогностические центры в установленные сроки – не позднее, чем через 25 минут после наблюдений, нужно очень поторапливаться. Если учесть, что только в России сейчас действует чуть больше тысячи только наземных метеостанций (и все они каждые три часа отсылают свои данные в центр), то станет ясно: линии связи общего пользования с таким потоком информации справиться не смогут. Поэтому метеорологи создали свою всемирную сеть передачи данных. За должным функционированием этой сети в России, странах СНГ, Монголии, Северной Корее и Афганистане следит Главный радиометеорологический центр (ГРМЦ).
– Задачи нашей службы – сбор и распространение гидрометеорологической и смежной с ней информации, – рассказывает “РГ” заместитель начальника ГРМЦ Росгидромета Андрей Дьяконов. – Мы своего рода такси.
Для передачи данных используются все существующие виды связи. Каналы связи: и свои, и арендованные у “Ростелекома”. Причем эта сеть никоим образом не связана с Интернетом.
Убеждаемся, что информация, собранная при нас в Осташкове, пришла в срок и была правильно оформлена, и идем дальше.
Но если связисты отбраковывают донесения из-за ошибок в оформлении, то специальная автоматическая система раскодирования отклоняет телеграммы из-за ошибок в содержании. Тогда информация с определенной станции не попадает в общую сводку.
– Мы берем забракованную телеграмму и смотрим, почему же она не устроила умную машину, – говорит нам Нелли Фархутдинова, начальник отдела информобеспечения. – Потом мы отправляем на проштрафившуюся станцию укоризненную телеграмму. Правда, управу на нарушителей найти трудно. Раньше мы хоть выговор объявить могли, вызвать на партсобрание или товарищеский суд, премии лишить. А теперь лишать нечего, вызывать некуда. Остается взывать к профессиональной гордости, элементарной совести и здравому смыслу. Чего ходить на работу, если халтуришь.
Но и в этом смысле ставшая нам почти родной метеостанция Осташков не подвела – все телеграммы оказались составлены правильно, ошибок нет.
Следующий шаг – построение так называемых полей данных. Можно сказать, прогнозы растут именно на них. Что такое это поле? Представьте себе участок земной поверхности, мысленно нанесите на него, скажем, тысячу точек и замерьте в каждой из них, скажем, температуру. Получившаяся тысяча цифр и будет полем температуры. Строит эти поля лаборатория объективного анализа.
– К нам в Росгидрометцентр в 0 и 12 часов по Гринвичу каждые сутки стекаются данные с более чем 6000 наземных станций, разбросанных по всему миру, – рассказывает нам руководитель лаборатории Алексей Багров. – Вот сегодня мы получили информацию от 6067 таких станций (и наш Осташков среди них! – Прим. Авт.). Помимо этого, с кораблей, в основном ведущих наблюдения на добровольной основе “купцов”,и дрейфующих буев поступило почти полторы тысячи донесений. Специализированных кораблей погоды всего четыре на весь земной шар. Наблюдают за погодой и спутники. Они прислали примерно 3000 результатов замеров температуры воздуха. Затем у нас довольно много данных, полученных с самолетов. Они передают данные о ветрах, дующих в земной атмосфере. Также данные о ветре передают и геостационарные спутники. Они 84 тысячи раз замеряли это значение. Также они могут измерить и температуру воды в Атлантическом и Индийском океанах.
Потом эти данные приводят к общему знаменателю и строят на их основе поля температуры, давления, влажности, ветра. Это и является основой для создания численных прогнозов погоды на срок до 10 суток.
Дальше все очень просто. Вся земная атмосфера делится на маленькие кубики. Для каждого из них решается определенная система уравнений, называемая моделью атмосферы. И становится видно, как поведет себя погода в ближайшем будущем. Но простота эта лишь кажущаяся.
– Для того чтобы составить эту модель атмосферы, надо 60-70 человеко-лет, – говорит нам ведущий научный сотрудник Инна Розинкина. – Между прочим, именно она определяет точность прогноза.
Наши метеорологии пользуются отечественными моделями. Высокий уровень российских разработок позволяет нашим синоптикам, имеющим в своем распоряжении гораздо менее совершенные вычислительные машины и несравнимо меньшие денежные ресурсы, нежели их коллеги из развитых стран Запада, выдавать прогнозы, соответствующие самым строгим международным требованиям.
Но рассчитанная на ЭВМ модель поведения погоды вовсе не является полноценным прогнозом. Эту модель еще должен обработать наждачной бумагой своей интуиции живой человек – синоптик.
– Зачастую бывает так, что разные модели, базирующиеся на одинаковых исходных данных, выдают совершенно разные прогнозы, – говорит Розинкина. – И только человек, основываясь на собственном опыте, может свести их воедино.
Столичные синоптики по традиции отдуваются за всех своих коллег. Тем более что определенная напряженность в отношениях между наблюдателями-метеорологами и синоптиками существует даже в рамках одной организации. Как признались нам в Осташкове, “метеорологи очень не любят синоптиков, потому что те “все врут”. Лариса Филиппович, инженер-синоптик ГМЦ России, которая в момент нашего посещения как раз составляла прогноз “на завтра”, на этот выпад не обиделась. ” Если бы люди знали, как делается прогноз, они бы вряд ли стали на нас ругаться”, – сказала она, показав на готовую погодную карту.
Собранные на наших глазах крупицы информации, казалось, затерялись среди огромного множества аналогичных данных со всего света. Но не было бы их – прогноз был бы менее точен.
Пока изобретательность отечественных разработчиков погодных моделей позволяет России оставаться на уровне мировых стандартов. Но материальная часть стареет, опытные кадры выходят на пенсию, а молодежь в отрасль не идет. Так можно и совсем без погоды остаться.
Мы делаем погоду в мире!
Деньги – тема болезненная для всех. Для синоптиков тоже. Огромное число работающих на станциях страны наблюдателей, которым надо платить достойную зарплату. Сложное хозяйство связистов. Мощные и дорогие вычислительные машины, обсчитывающие и ранящие данные. Для того чтобы все это работало без сучка и задоринки, нужны деньги. Но бюджет отпускает деньги на погоду крайне скупо.
– Впрочем не надо думать, что мы такие уж меркантильные люди, – говорит нам Геннадий Елисеев. – Мировое сообщество метеорологов, пожалуй, единственная всемирная организация, живущая по коммунистическому принципу “от каждого по способностям, каждому по потребностям”. Автономно никто не может разрабатывать прогнозы погоды. Каждая страна дает мировому сообществу по способностям (у кого-то одна станция, у России более 500 станций в международном обмене), но мировые центры прогностическую продукцию, поля которые они считают, передают всем национальным метеорологическим службам, которым это надо. Они передают абсолютно бесплатно информацию, которая на самом деле стоит очень больших денег, особенно для России. Но мир понимает важность наших станций для правильного прогнозирования погоды на планете. Именно поэтому Мировой банк реконструкции и развития принял решение выделить целевой кредит на техническое переоснащение нашей службы в сумме около 80 миллионов долларов. Еще 53 миллиона – средства российского правительства. Мы планируем приобрести для Гидрометеоцентра РФ новую вычислительную технику. Кроме того, в соответствии с этим проектом будет развиваться наблюдательная сеть, оснащаться станции, будет закуплено определенное количество радиолокационного оборудования, оно необходимо для прогноза опасных явлений: градов, шквалов. Этот проект предполагается реализовать в течение пяти лет. Все это очень важно, потому что Москва пока мировой метеорологический центр, и если мы не будем соответствовать этому статусу, то мы вылетим из этой когорты.
Откуда синоптики берут данные
Чтобы предсказать погоду, нужно знать «текущие условия» — то есть то, какая она сейчас. К основным параметрам относятся: температура, атмосферное давление, влажность, скорость и направление ветра, осадки и их количество.
Современный прогноз погоды основывается в первую очередь на данных спутников, а метеостанции, зонды и радары корректируют и непрерывно дополняют их. Вместе все эти источники создают полноценную картину происходящего в атмосфере.
Метеостанции
Метеостанции — специальные площадки, где непрерывно проводятся метеорологические измерения погоды и климата. На станциях установлены приборы для метеоизмерений: термометр, гигрометр, барометр, осадкомер и другие устройства. Они одинаковы по всему миру. Для точности метеорологи производят замеры регулярно и синхронно — через каждые 3 часа.
Наземные метеостанции бывают разные: огромные мачты в полях, плавающие буйки в море, шарообразные радары. Часть станций расположена в виде автономных устройств в труднодоступных местах, таких как горы и моря.
У метеостанций есть недостатки: они собирают данные только возле себя, расположены далеко друг от друга и не знают количество осадков.
Метеозонды
Метеозонды — беспилотные аэростаты. Зонд выглядит как наполненный гелием резиновый или пластиковый шар, к которому крепится контейнер с аппаратурой — датчиками для измерения температуры, влажности и атмосферного давления, а также батарейки и антенны, с помощью которой эти данные передаются.
Весит один метеозонд примерно 300 граммов и поднимается на высоту 30–40 километров. Зонды одноразовые: набирая высоту, шар лопается от избыточного давления. Пенопластовый контейнер падает на землю, и повторно не используется.
Метеозонды запускают в 870 точках Земли два раза в день, обычно в 00 и 12 часов по UTC.
Метеорологические радары
Метеорологические радары — специализированные радары для определения координат выпадения осадков, их типа, направления движения и интенсивности. Они обнаруживают опасные метеоусловия, такие как гроза, град, а также зоны интенсивных осадков и турбулентности.
Появление таких радаров связано со Второй мировой войной: радисты заметили «шум», который возникал на приборах во время осадков. Исследование этого явления привело к созданию специализированных погодных радаров, предназначенных для нужд метеорологии.
Современные радары каждые 10 минут делают трехмерный снимок атмосферы в радиусе 200–250 километров вокруг себя. Это позволяет описать погоду вплоть до микрорайона. Но для точного глобального прогноза их должно быть много. Здесь возникает проблема: так, российские радары расположены только в европейской части страны, а также Новосибирске, Барабинске и Владивостоке. Другая проблема — зона видимости радаров. Высотные здания могут загораживать обзор, создавая слепые зоны, а низкие осадки оказываются невидимы из-за кривизны планеты.
Метеоспутники
Метеоспутники — искусственные спутники Земли, их используют для просмотра и сбора данных о погоде и климате планеты. Они позволяют наблюдать за погодой на больших территориях, подобно тому, как вид с крыши или вершины горы дает более широкий обзор.
Метеоспутники определяют зоны интенсивных осадков и опасных явлений природы. Спутники отслеживают выбросы от вулканов и дым от лесных пожаров, последствия загрязнений, песчаные и пыльные бури, а также границы океанских течений.
Суперкомпьютеры
Весь поток погодных данных от метеостанций, зондов, радаров, спутников, датчиков на самолетах и кораблях поступает в центры обработки метеорологической информации — они есть в каждой национальной метеослужбе. Такие центры оснащены суперкомпьютерами. Менее мощные машины были бы не способны обработать такое количество данных в приемлемый срок.
Так, в Великобритании погоду предсказывает Cray XC40, который занимает 11-е место в списке мощнейших суперкомпьютеров мира с производительностью в 7 петафлопс (семь тысяч триллионов операций в секунду). Такая машина может спрогнозировать начало дождя вплоть до минуты. Главный суперкомпьютер российской гидрометеослужбы уступает британскому, его мощность 1,2 петафлопса.
Полученные результаты синоптики анализируют и составляют окончательный прогноз. Машина считает конкретные характеристики, а обобщить их может только человек. Синоптики делают прогнозы там, где есть ответственность и где технологии не способны предсказать некоторые погодные явления на местности, такие как туман и гололед.
Экспедиции, работавшие (надписи синим цветом) и продолжающие работать (надписи красным цветом) на Марсе по состоянию на 2022 год
Программы НАСА, обеспечившие, начиная с 1970-х годов, размещение на Марсе посадочных модулей, а затем и марсоходов, заложили основы метеорологии Марса, как отдельной отрасли знания. Каждая новая экспедиция на Марс (кроме Mars Exploration Rover) имела в комплекте научного оборудования метеостанции для наблюдения за базовыми параметрами приземного слоя атмосферы: сила ветра, температура, давление. В 2021 году к списку добавился китайский марсоход Чжужун.
Слово «метеорология» (др.-греч. — «рассуждение о небесных явлениях») связано с трудами Платона, Аристотеля, Плутарха, где оно встречается. Например, у Аристотеля в трактате под названием «Метеорологика» (др.-греч. ) описаны небесные явления. Аристотель назвал свой труд, исходя из греческого выражения «та метеора» (др.-греч. ) — «небесные явления». К ним он причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния.
В 1723 году секретарь Лондонского королевского общества Джеймс Джурин разработал инструкцию по наблюдению за погодой, в которой приводились форма стандартной таблицы замеров, перечень необходимых приборов и описание методик измерения температуры, давления воздуха, силы и направления ветра, которую он разослал более чем сотне ученых Европы. Вторая сеть метеостанций в Европе просуществовала до 1735 года.
В России сеть станций наблюдения за погодой появилась в период Великой Северной экспедиции. Инструкцию для наблюдателей написал Даниил Бернулли. За период с 1733 по 1744 год по всей Сибири было организовано 24 метеостанции.
Во время Крымской войны 14 ноября 1854 года буря разбила 60 британских и французских кораблей. После этого в конце ноября директор Парижской обсерватории Урбен Леверье обратился с просьбой к знакомым европейским учёным прислать ему сводки о состоянии погоды в период с 12 по 16 ноября. Когда сводки были получены и данные нанесли на карту, стало ясно, что ураган, потопивший корабли в Чёрном море, можно было предвидеть заранее. В феврале 1855 г. Леверье подготовил доклад Наполеону III о перспективах создания централизованной метеорологической сети наблюдений с передачей сведений по телеграфу. Уже 19 февраля Леверье составил первую карту погодной обстановки, сформированную по данным, полученным в реальном времени.
В Великобритании Фицрой вменил в обязанность всем капитанам английских судов наблюдение за погодой, отмечать значение температуры, силы и направления ветра, снимать показания барометров и заносить данные в специально разработанные таблицы. Для этого он добивался снабжения всех судов необходимым оборудованием. На побережье Великобритании, а также в некоторых европейских стран было создано 24 метеорологические станции. 19 находились в Великобритании, одна — в Копенгагене, одна в Нидерландах, две во Франции (Брест и Байен) и ещё одна в Лиссабоне. Станции были соединены с центром службы погоды недавно изобретённым телеграфом Морзе. Сведения о погоде, собранные с этих станций, анализировались в центре службы погоды и на основании этого анализа давались рекомендации. Рекомендации рассылались на станции с помощью телеграфа. Были выпущены первые синоптические карты, на основании которых и составлялся прогноз погоды. Газета «Таймс» начала публикацию первых прогнозов погоды.
Синоптическая карта Европы 1887 г.
В 1917 году норвежский метеоролог Вильгельм Бьеркнес предложил концепцию атмосферного фронта. Принципы фронтологического анализа были главной научной базой прогнозов погоды вплоть до конца 1940-х годов.
С 1930 года для изучения верхних слоев атмосферы начали применять радиозонды. Однако достаточно частую мировую сеть аэрологических станций, с которых они запускались, удалось создать лишь после Второй мировой войны. В результате в 1946—53 годы оправдываемость прогнозов погоды резко возросла.
История метеорологии в России и СССР
Кроме того, есть такие прикладные разделы, как:
Классификация цифровых метеостанций
Дорожные метеорологические станции
Помимо перечисленных выше датчиков в дорожных метеорологических станциях
используют датчик температуры поверхности и
датчик температуры на глубине 30см (под покрытием), а также контроллер и GPRS модуль для передачи данных в информационные центры.
Для информирования водителей о погодной обстановке используют информационные табло, с температурой поверхности и воздуха.
Также на табло могут появляться предупреждения (МОКРАЯ ДОРОГА, БОКОВОЙ ВЕТЕР и т. п.)
Лесные метеорологические станции
Лесные метеостанции служат для предупреждения возможности лесных пожаров. Чаще всего такие метеостанции работают от аккумуляторов. Станции собирают климатические данные, такие как влажность дерева, почвы и температура на различных уровнях высотности лесов. Данные обрабатываются и моделируется карта пожарной активности, что помогает легче справиться пожарным с возможным воспламенением, либо предотвратить распространение пожара.
Гидрологические метеорологические станции
Гидрологические метеостанции ведут метеорологические и гидрологические наблюдения над состоянием погоды океанов, морей, рек, озёр и болот. Такие метеостанции располагаются на материках, на морских плавающих станциях, а также существуют речные, озёрные и болотные станции наблюдения.
Бытовые домашние метеостанции
Цифровая метеостанция Лакросс Текнолоджи с монохромным дисплеем выпуска до 2010 года.
Цифровая метеостанция Лакросс Текнолоджи S84107 выпуска 2017 года, отображающая температуру, влажность воздуха в помещении и на улице, атмосферное давление и его изменение, прогноз погоды на сутки, фазы Луны.
Появились на рынке сравнительно недавно. Родоначальниками бытовых метеостанций являются обыкновенные барометры. Функциональность домашней метеостанции схожа с метеорологической станцией, только обрабатывается гораздо меньше данных, которые поступают с одного или нескольких датчиков, устанавливаемых за окном и в других помещениях.
Домашние метеостанции показывают температуру в помещении, температуру вне помещения, измеряют влажность, атмосферное давление и исходя из обработки процессором полученных данных формируют прогноз погоды на сутки. Работают как от электрической сети, так и от сменных элементов питания.
Как сегодня составляют прогноз погоды
Синоптики выделяют два основных типа моделей: глобальные и локальные.
Глобальные модели
Эти модели обсчитывают всю атмосферу Земли или полушария. Учитывают обширные погодные системы, которые могут простираться по всему континенту — холодные фронты и сильные штормы.
Существует несколько глобальных моделей: американская модель (GFS), европейская модель (ECMWF), немецкая (ICON), английская (UKMet), канадская (СМС), японская (JMA), русская (ПАЛВ) и другие. Синоптики используют в основном американскую и европейскую.
Локальные модели
Глобальные модели хороши и полезны, но часто на небольшом квадрате невозможно адекватно предсказать погоду из-за гор, водоемов или снежных покровов, которые влияют на изменение погодных данных. Тогда выручают локальные модели — они с высокой точностью моделируют отдельную область, страну или город.
Ансамблевые прогнозы
Все математические модели прогнозирования погоды имеют ограниченные возможности. Они не могут рассчитать метеорологические параметры в абсолютно каждой точке пространства в абсолютно каждый момент времени. Такие физические процессы, как туманы и гололед, в силу локальности и сложности природы, затруднительно описать с помощью математики. Вдобавок заданные параметры о текущем состоянии погоды не могут быть абсолютно точными.
Поэтому появились современные методы прогнозирования — «ансамблевые». Расчет прогноза запускается не один, а несколько раз, со слегка разными входными данными.
Ансамблевые прогнозы позволяют рассчитать вероятность явления. Например, вероятность осадков составляет 80%. Это значит, что из 50 членов ансамбля 40 (абсолютное большинство) прогнозируют дождь. Вместе с тем, есть 10 членов, которые исключают осадки.
Прогноз погоды от нейросети
С расцветом нейросетей их стали активно применять в прогнозировании погоды. Основной плюс — не нужно решать сложные физические уравнения и хранить огромные объемы информации. Вы собираете некоторый архив данных, а затем нейросеть самостоятельно анализирует его и выделяет закономерности.
Алгоритмы машинного обучения применяет, например, «Яндекс. Погода», используя систему Meteum. Нейросеть берет прогнозы, рассчитанные американской, канадской, японской и европейской моделями, и считает свой по модели WRF. Эти прогнозы сверяются с реальными наблюдениями в нескольких точках города, собранных по метеостанциям и спутникам. Потом она находит повторяющиеся закономерности и выдает прогноз «с точностью до дома».