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
Сино́птика (др.-греч. «обозревание всего вместе» от «вместе» + «зрительный») — раздел метеорологии, наука, изучающая физические процессы в атмосфере Земли, определяющие будущее состояние погоды.
Люди, занимающиеся синоптикой, называются синоптиками. Они занимаются решением задачи краткосрочного прогноза погоды, используя различные методы, например путём составления и анализа синоптических карт, которые дают возможность наблюдать за изменениями погоды и оценивать её будущие изменения на указанной территории.
Численный прогноз погоды использует компьютерную математическую модель атмосферы для составления прогноза погоды. Хотя первые попытки использовать математические модели для прогнозирования погоды были сделаны в 20-х годах XX века, только с изобретением компьютера и компьютерного моделирования стало возможным осуществлять его в режиме реального времени. Данный процесс связан с обработкой огромного набора данных и выполнением сложных вычислений и может быть полноценно осуществлен только на мощных суперкомпьютерах.
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.
Методы прогноза погоды
Существует несколько различных методов, с помощью которых можно давать прогноз метеорологическим явлениям. Все они эффективны, но ни один из них не обеспечивает точный результат. Потому синоптики стараются использовать сразу несколько способов, сравнивая полученные результаты и оценивая частоту и рост погрешностей в данных.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 декабря 2019 года; проверки требуют 49 правок.
Прогноз погоды — научно обоснованное предположение о будущем состоянии погоды в определённом пункте или регионе на определённый период. Составляется (разрабатывается) метеорологическими службами на основе методов метеорологии.
Прогнозы погоды делятся по типам в зависимости от целей, для которых они разработаны:
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».
Почему люди часто недовольны прогнозом?
Скажу сразу о самой распространенной причине — непонимании потребителями прогнозов сути дела. Самое характерное: прогноз слышали на завтра по Москве, а решили его проверять сегодня в Петербурге. Стоит ли удивляться, что многое не сходится? Чаще бывают менее вопиющие случаи, но такие же по сути. Вывод: следует слушать, на какое время и в каком пункте дается прогноз.
Второй вид недовольства опять связан с непониманием сути прогноза. Так, ночью прогнозируется минимальная, а днем — максимальная температура. Таким образом, прогноз «днем 20-22 °С» должен пониматься как «в какой-то момент дня температура (обычно часа в 4-5) дойдет до 20-22 °С». А вовсе не как «посмотрю-ка я за окно на термометр или на телеэкран, увижу 10 градусов (а сейчас около семи часов утра) и начну вопить, что синоптики опять обманули». Помните: прогнозируется самая высокая температура за день, а вовсе не температура в каждый момент дня, так как она меняется в широком диапазоне. Я уж не говорю о том, что висящий на стене дома термометр часто показывает вовсе не температуру воздуха (которая должна измеряться на двух, между прочим, метрах от земли), а температуру самой стены, нагретой снаружи солнцем или изнутри батареей.
Причинами недоразумений могут стать амбициозность и непонимание предмета со стороны радио-, теле- и других журналистов. К сожалению, в последнее время у них стало нормой навязываться в «соавторы» синоптику. Например, все прогнозы по пункту синоптик делает в градации 2°, по территории и на несколько дней — 5°. Этот факт подчеркивает, что дать точный прогноз нельзя, и синоптик это понимает и не претендует на невозможное. Но журналистам удобнее давать прогноз одним числом: 13° вместо 12-14, полученных от синоптика, 7° вместо 5-10° и т. д. Безусловно, все это дискредитирует синоптика, представляет его претендующим на невозможную точность, обрекает на мнимые большие промахи (14° при прогнозе 15-20° — это одно, а при прогнозе 18° — совсем другое), Но не только этим журналисты наносят непоправимы вред синоптику. Например, они запросто могут вместо данных «без существенных осадков» (что по профессиональному Наставлению равнозначно «без осадков») сказать «осадки будут несущественными» и т. д.
Все это — непонимание сути и принципов прогноза, безалаберность журналистов, искажение информации — влечет за собой подрыв репутации метеорологов вообще и синоптиков в частности, недоверие людей к прогнозу погоды. На самом деле сегодня прогнозы погоды, особенно краткосрочные, находятся на весьма высоком, удовлетворяющем потребности народного хозяйства уровне.
Метеорологическая служба нашей страны, как и службы всего мира, успешно справляется с обслуживанием и авиации, и потребностей народного хозяйства. Развитие науки и техники делает прогнозы все более долгосрочными и надежными.
В раздел «Мотолодки, катера, яхты — разное, советы, справочники»
Наш Telegram-канал: https://t.me/motolodki_katera. Подписывайтесь!
Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:
добавить страницу в избранное
Можно ли верить прогнозам погоды?
Узнать прогноз погоды сегодня очень просто, нужно только взять в руки смартфон. Только время от времени синоптики нас сильно подводят, иногда предсказывая сильный дождь, когда за окном погода оказывается замечательной. А иногда прогнозы разнятся в зависимости от приложения: одно показывает ясное небо, а другое облачное или даже упоминает об осадках. Исходя из этого возникает вопрос — можно ли вообще доверять прогнозам погоды? Чтобы дать на него ответ, предлагаю вкратце выяснить, как именно синоптики занимаются предсказанием погодных условий на несколько дней или даже недель вперед. На самом деле, это очень тяжелая работа, которая заключается в сопоставлении огромного количества данных, полученных сложным оборудованием. Ну и конечно же мы выясним, из-за чего синоптики иногда ошибаются и на каком сайте лучше всего смотреть прогноз погоды, чтобы получить наиболее точные данные.
Джордж Коулинг — ведущий самого первого выпуска прогноза погоды по телевидению 11 января 1954 года
Как работают метеостанции?
Для того, чтобы синоптики могли правильно предсказать погоду на несколько дней вперед, им нужны точные данные о том, что происходит на улице сегодня. Данные о нынешнем состоянии погоды собираются на метеорологических станциях, которых очень много. Обычно они расположены на оголенных местностях без травы и рядом с ними запрещено строить высотные здания. Самыми главными инструментами на таких станциях являются:
Некоторые приборы находятся внутри специальных будках, расположенных на некоторой высоте от поверхности земли. Такие будки называются психометрическими и защищают инструменты от солнечной радиации, излучения земной поверхности, осадков, ветра и другого внешнего воздействия. Каждые три часа метеостанции приходят дежурные метеорологи и записывают собранные данные.
Простая психометрическая будка
Особого внимания стоит радиозонд. Так называется небольшое устройство из пенопласта, внутри которого находятся датчики измерения температуры, влажности, атмосферного давления и других показателей. Он весит примерно 300 граммов, благодаря чему его можно отправить на высоту 30 километров при помощи простого шарика с гелием. Иногда устройство улетает на расстояние до 100 километров от станции, но в этом нет ничего страшного — каждый радиозонд одноразовый и передает данные по беспроводной связи. Радиозонды взлетают в небо два раза в день и об этом осведомлены даже авиационные службы. В одно и то же время в небо взмывают по 800 радиозондов из разных точек мира.
Взлет радиозонда на шарике с гелием
Интересный факт: для получения более точных прогнозов погоды некоторые люди используют домашние метеостанции. Они собирают данные о температуре, влажности, атмосферном давлении и на основе этих данных строят прогнозы на ближайшие 12 часов Как правило, они показывают наиболее точные данные. Купить домашнюю метеостанцию можно примерно за 3 000 рублей.
Как составляется прогноз погоды?
Собранные на метеостанциях данные изучаются синоптиками. Они сопоставляют данные со всего мира и следят за движениями различных воздушных масс. Углубляться в то, как именно ведутся расчеты, не будем — чтобы понять все это, нужно отучиться на метеоролога. Для записи информации используется так называемый «Синоптический код кн-01», который позволяет в каждом квадратном сантиметре карты указать абсолютно все данные о состоянии погоды. Это единая система обозначения во всем мире, то есть записанные данные поймут синоптики из любой страны.
Метеостанций очень много и они отличаются по размерам. Так, например, выглядит метеостанция Казани
В большинстве случаев прогнозы погоды оказываются верны, но от ошибок никто не застрахован. Дело в том, что на состояние погоды влияет огромное количество факторов: неровности земной поверхности, наличие водоемов и так далее. Может сработать эффект бабочки: если в одной точке карты что-нибудь произойдет, это безо всяких сомнений может изменить погоду. Как я уже упоминал в начале статьи, прогноз погоды может быть разным в зависимости от приложения. Это связано с тем, что сервисы берут данные из разных источников.
Прогноз погоды в российском телевидении появился только в 1970 году. Передача настолько понравилась зрителям, что даже сейчас является неотъемлемой частью эфира
Но какой источник точнее всего? Для жителей России лучшим вариантом считается сайт Гидрометцентра — ошибки там совершаются меньше всего. Но больше популярностью пользуется Gismeteo, который берет данные через Всемирную метеорологическую организацию, что тоже неплохой вариант. Возможно, у вас на примете есть другие, более точные источники — обязательно напишите о них в комментариях, будем благодарны.
Напоследок хочу обратить внимание на статью моей коллеги Любви Соковиковой об ужасах, которые происходят с нашей планетой. Во многих точках нашей планеты полыхают пожары, возникают землетрясения и наводнения. Что обо всем этом думают ученые? Читайте в этом материале.
Физика прогноза погоды
Прогноз синоптического положения, то есть температуры, осадков, влажности и полей давления (геопотенциала) опирается на законы, описывающие движение атмосферы как сжимаемой жидкости. Данные законы относятся к такому разделу физики как гидродинамика, которая включает в себя уравнения движения, состояния газов, переноса влажности, сохранения массы. Решая эти уравнения численными методами для конкретного состояния атмосферы, можно получить числовые значения будущих полей давления, температуры, ветра. В качестве исходных данных для подстановки в уравнения являются измеренные в настоящий момент параметры атмосферы; измерения проходят по всей возможной высоте. Численное интегрирование уравнений обязано своей точностью современным вычислительным машинам, которые могут обрабатывать значительное количество входных данных. Тем не менее, для целей численного решения уравнений и быстрой интерпретации этих решений необходимо использовать максимально возможные ресурсы — суперкомпьютеры.
Синоптический метод
Собственно говоря, это и есть тот метод прогноза, которым занимается непосредственно синоптик, ради которого он и освоил свою профессию. Заключается метод (если упростить) в расчете траекторий воздушных частиц, которые должны оказаться в интересующем нас месте в интересующее время. То есть для того, чтобы узнать, какая погода будет завтра «здесь», надо выяснить, какова сегодня обстановка «там», откуда поступит воздушная масса. Тогда мы сможем, посмотрев на синоптическую карту, где указаны метеосубстанции (температура, давление, осадки) интересующей воздушной массы, и с учетом трансформации (преобразования ее) понять, что нас ожидает — дать прогноз.
Приземная синоптическая карта фактической погоды, по которой десятилетиями работают все синоптики мира:Т — циклон, Н — антициклон (нем.)
Описанное выше делается, разумеется, исходя из вполне определенной информации — синоптических карт фактической погоды, которая составляется по данным наблюдений, полученных с многочисленных метеостанций, а
также постов. Как уже было сказано, чем гуще эта сеть, тем точнее в конечном итоге будет наш прогноз. Теоретически на него может влиять и точность наблюдений, но практически на карте любая ошибка отдельного наблюдателя нейтрализуется за счет верных наблюдений других станций, создающих правильную общую картину.
Что же представляет собою та карта, по которой приходится работать синоптику? Каждый из нас со школьной скамьи помнит физические карты из географического атласа, где, благодаря проведенным линиям равной высоты над уровнем моря (изолиниям), мы можем приблизительно узнать эту высоту в любой точке, отмеченной на карте. Обычно высота эта градуирована цветом, от зеленого (низменности) до коричневого (горы). То же делается с глубинами водоемов. Так вот, этот же принцип положен и в основу построения синоптических карт, с той только разницей, что изолинии касаются не высоты (глубины), а давления, тоже, кстати, приведенного к уровню моря. Но если географическая карта составляется и обновляется никак не чаще раза в год, а то и реже, то синоптическая карта строится синоптиком (или запрограммированной ЭВМ и дорабатывается синоптиком) не реже раза в шесть часов, а крупномасштабные — и каждые три часа.
Прогностическая синоптическая карта, построенная расчетными методами ЭВМ:А — область высокого давления, антициклон; D — область низкого давления, циклон (франц.)
А так как для прогноза важна не только (и не столько!) ситуация на земной поверхности, но и, в первую очередь, «на высотах», синоптик строит (или дорабатывает программные построения) и на этих картах, правда, не реже раза в 12 часов: данные меняются не так стремительно, как приземные. Изобары (линии равного давления) строятся по тому же принципу, что и изогипсы (линии равной высоты). Глядя на значения давления на станциях (наносятся в рабочих единицах «миллибар», равной гектопаскалю, если перевести в СИ), синоптик как бы интерпретирует его, проводя линии равного давления (через 5 миллибар или через 2,5 на крупномасшабных картах-кольцовках). Получается так называемое поле давления (аналогично тому, как на географических картах — поле высоты). Примерно так же обрабатываются и данные радиозондирования в пунктах наблюдения для составления высотных карт, не считая не очень важных нюансов. Поле давления позволяет судить о направлении движения воздушных масс, что и представляет собой основу прогноза. Если упростить, движутся они вдоль изобар, на некоторой высоте, где слева находится низкое давление, а справа — высокое. Нанося на высотные карты центры барических образований (циклоны и антициклоны) с приземной карты (по обычным географическим координатам), исходя из скорости ветра на соответствующих высотах, синоптик рассчитывает, где окажутся центры циклонов и антициклонов в определенное время, а также где находятся атмосферные фронты, на которых и образован циклон, влияющие на погоду более всего. Расчет этот производится буквально с линейкой, часто специальной, по нескольким картам. Для прогноза явлений погоды часто используются специальные расчетные методы, обычно в каждой местности свои. Это вспомогательный к основному, синоптическому, метод прогноза. Кроме того, синоптик аналогичным образом строит поля температуры (проводит изотермы на подходящей карте — высота около 1,5 км), изменения давления на приземной карте и делает ряд иллюстративных обозначений на картах: осадки, низкая облачность и т.д. Это помогает в работе над составлением прогноза погоды.
Современный спутниковый снимок облачности.
В целом, это и все. Синоптик рассчитывает, откуда придет воздушная масса в его пункт в нужное время, по густоте предполагаемых в его пункте изобар (чем больше перепад давления по горизонтали, тем сильнее ветер), прогнозирует силу и направление ветра по расположению изменения давления, по температуре в месте, откуда пришла масса воздуха, и прежней в пункте — температуру, по обстановке в барическом образовании, ожидаемом в том или ином пункте — облачность и осадки. Для дополнения и уточнения — но никак не в качестве основного и главного! — используется ряд дополнительных материалов: спутниковые снимки облачности, аэрологические диаграммы (позволяющие определить вероятность ливневых осадков), вертикальные разрезы и др. Неверно думать, например, что синоптик по большей части зависит от снимка облачности из космоса, как это считают некоторые. Снимок облачности бывает очень полезен, он позволяет уточнить многое из того, что видно по картам, однако его роль чисто вспомогательная. Без него можно легко обойтись (хотя иногда и с вероятным ущербом для точности прогноза), а вот без карт — совершенно невозможно.
Стоит ли говорить, что составляемый на таких принципах прогноз — довольно субъективная вещь? Один специалист в данной ситуации может, например, указать на завтра температуру воздуха в пункте 19-20 °С, а другой — 21-23°, и это совершенно нормально, это один и тот же прогноз, просто немного по-разному интерпретированный. Уточню еще, что прогноз синоптическим методом составляется на срок до полутора суток. Прогнозы большей продолжительности составляются совсем иными методами, имеющими очень мало общего с вышеописанным, и занимаются ими, строго говоря, не синоптики, а метеорологи других, смежных специальностей. Обычно их называют «долгосрочниками». На сегодня прогноз синоптическим методом, ориентирующийся на расчетный гидрологический прогноз, не может быть заменен ничем — например, просто расчетным методом. Повторю, речь идет именно о краткосрочном прогнозе — до полутора суток. Точность его при квалифицированной работе хорошо подготовленного специалиста вполне удовлетворительна.
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».
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 — 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.
Долгосрочный прогноз погоды гидродинамическим методом
Еще лет 20-25 назад долгосрочный прогноз погоды составлялся вручную особыми методами; теперь же они практически полностью вытеснены расчетами на ЭВМ по специальным программам гидродинамическим методом. Не стоит вдаваться в подробности, но методы эти основаны на математических моделях атмосферы. Если мы говорим о прогнозе на ближайшие двое-десять суток, то всегда имеем дело с результатами такого гидродинамического расчета на ЭВМ. Как я уже сказал, составляют его не синоптики, а так называемые метеорологи-численники.
Сегодня расчеты подобного рода, по сравнению с еще десятилетней давностью, обладают великолепной точностью, о которой раньше не приходилось и мечтать. Это связано с развитием электронно-вычислительной техники. В последнее десятилетие гидродинамический машинный прогноз стал теснить даже краткосрочные прогнозы синоптическим методом. Во всяком случае сегодня, в отличие от прежних лет, синоптик в той или иной степени опирается или ориентируется на него. Расчетная прогностическая карта, сделанная этим методом, является основой в описанном выше синоптическом прогнозе. И если раньше информация из детских книг о том, что работа синоптика заключается в нажатии кнопки на ЭВМ и получении расчетного прогноза, вызывала у посвященных гомерический хохот, то теперь это не так уже и далеко от истины. В том смысле, что у него есть возможность едва ли не полностью довериться такому машинному прогнозу, сделанному численным методом. Другое дело, что чем квалифицированнее и опытнее синоптик, тем больше он надеется на себя и меньше готов внимать машине.
Тем не менее многочисленные популярные прогнозы, публикующиеся в газетах, выходящие на радио, телевидении и в Интернете, обычно относятся именно к этому типу. Часто их называют модельными, ибо они делаются с помощью расчетов, разработанных на основе различных атмосферных моделей. В каждой стране существуют свои модели, часто их несколько. На сегодня наиболее успешно в прогнозах используются американская и две английские модели, реже немецкая. Вот список Интернет-ресурсов, на которых можно почерпнуть прогностическую информацию такого рода:
http://pogoda.ru.net — здесь даются «ансамблевые» прогнозы (по трем основным моделям), и пользователю выдаются осредненные значения метеовеличин (среднее из 3 моделей);
http://meteocenter.net — лучший погодный сайт в СНГ на сегодня, отличающийся обилием «профессиональной» информации;
http://www.weatheronline.co.uk — данные одной из лучших в мире английских моделей.
http://www.gismeteo.ru — известный прогностический сайт, использующий одну из лучших моделей.
Так же, как нет двух синоптиков, которые напишут в одинаковых условиях идентичный прогноз, так нет и двух моделей, расчеты которых полностью совпадут. Поэтому часто в разных СМИ прогнозы разные. С чем это связано? Такие программы содержат ряд учитываемых параметров, но в одной модели, скажем, недостаточно учтен фактор снежного покрова и повысившейся отражаемости, другая модель по каким-то причинам плохо учитывает рельеф местности и неточно рассчитывает трансформацию воздушных масс и т. д. В определенных условиях прогнозы одних моделей могут быть лучше других, в иных случаях — наоборот. Зимой, скажем, точнее одна модель, летом — другая.
Прогнозы более чем на десять суток пока невозможно сделать с необходимой точностью даже с помощью расчетов на ЭВМ. Они делаются сложными старыми методами и обычно имеют самый ориентировочный характер. Отмечу, что и расчеты на 8-10 суток уже часто как бы сдвигаются на день-другой. Поэтому, если сегодня мы читаем на таком-то метеосайте, что через 10 дней будет 20° тепла, то должны быть готовы к тому, что это случится через 8 или 12 дней. Если угадана тенденция, прогноз на такой срок считается хорошим.
Виды и формы прогноза погоды
Сегодня прогнозы, которые делают метеорологи, делятся на две разновидности: прогноз по народному хозяйству и авиационный прогноз. В первый можно включить и прогнозы для судоходства, железной дороги, автотрасс. В нем обычно указывается температура воздуха, облачность, ожидаемые осадки и ветер, если есть — заметные явления погоды (например, туман). При наличии на той или иной территории судоходного водоема даже в «общедоступном» прогнозе может приводиться высота волны. Такой прогноз делается два раза в сутки, в специальных случаях — раз в несколько часов.
Я более подробно остановлюсь здесь на прогнозе для народного хозяйства. Хотя авиационный прогноз составляется по тем же принципам, большую роль в нем играет «преемственность» между прогнозами, составляемыми каждые три часа.
Численная модель прогнозирования погоды — это компьютерная программа, построенная на основе системы уравнений гидромеханики (уравнения Эйлера) и составляющая на основе текущих данных метеорологический прогноз. Эта модель может быть глобальной, покрывающей всю Землю, или локальной, покрывающей отдельный участок планеты.
В основе моделей лежат математические уравнения, описывающие аэро- и термодинамические процессы в атмосфере и связывающие такие параметры как плотность, скорость, давление и температуру. Эти уравнения являются нелинейными и не имеют точного решения, поэтому для их решения используются численные методы. Исходные уравнения дискретизируются во времени и пространстве и превращаются в систему линейных уравнений, связывающую наборы физических параметров в выбранных точках (узлах вычислительной сетки). Чем больше используется точек для расчета, тем выше точность модели, но и тем выше требования к вычислительным мощностям ЭВМ.
В качестве исходных данных для моделей используются данные метеозондов, метеоспутников и наземных метеостанций.
Для целей прогнозирования погоды возможно использовать не только данные науки метеорологии как таковой, но и наблюдаемые корреляции между некоторыми параметрами погоды в настоящем и будущем. Отметим, что следующие приметы являются следствием исключительно научного понимания природы Земли. Ниже приведены некоторые из них.
Можно ожидать неустойчивую погоду и дождь:
Можно ожидать затяжные осадки:
Можно ожидать ясную погоду:
Первичный сбор информации. Наблюдения
Чтобы инженеры-синоптики, равно как и «численники-долгосрочники» (кто это такие, объясню чуть ниже), смогли опереться на какую-то информацию, данные о погоде каждые три часа поступают от густой сети метеостанций, разбросанных по всему миру. Чем гуще эта сеть (естественно, в разумных пределах, речь идет о масштабах в десятки километров), тем точнее будет прогноз. Без выдаваемых ею первичных данных никакого прогноза не сделать — ни вручную, ни на ЭВМ.
На метеостанциях техники-наблюдатели измеряют давление, температуру, скорость и направление ветра, определяют тип и высоту облачности, дальность видимости, отмечают осадки и явления погоды. Все эти данные ранее по телеграфу, а теперь с помощью компьютера, отправляются в метеоцентры, где они наносятся в виде удобного кода на карту погоды у земли и поступают к синоптику для соответствующей обработки и составления прогноза (раньше по факсимильной связи, сейчас по компьютерной). Также два раза в сутки на многих метеостанциях аэрологи запускают радиозонд — воздушный шар, к которому привязан одноразовый прибор с передатчиком. С зонда поступает информация о давлении, температуре и ветре на высотах в атмосферной толще. Вся эта информация обрабатывается и наносится на высотные карты, без которых невозможен полноценный прогноз погоды. Сеть метеорологических наблюдений — основа метеопрогнозов. Если какой-то фрагмент ее перестанет существовать, это непоправимо ударит по метеорологии в целом. Синоптики той местности, куда часто приходят воздушные массы с ненаблюдаемых территорий, останутся без необходимой информации. Заменить ее чем-либо невозможно.
Та «густота» станций, которая есть, вполне способна обеспечить синоптика той информацией, что требуется для выяснения закономерностей атмосферных процессов и составления по ним прогноза. Вот почему идеи поставить что-то вроде наблюдательного поста в каждый двор якобы для уточнения прогноза воспринимаются специалистами как бредовые и (или) недобросовестные.
В 1904 году Вильгельм Бьеркнес опубликовал работу, в которой прогноз погоды рассматривался как решение системы уравнений гидромеханики сжимаемой жидкости (уравнений Эйлера).
В 1922 году британский математик Льюис Фрай Ричардсон впервые предложил использование численных методов для прогнозирования погоды. Он также попробовал осуществить прогноз погоды используя эти методы, но потерпел неудачу.
В 1940 году И. А. Кибель впервые в мире нашёл эффективный практический способ решения системы уравнений Эйлера, которую он называл системой уравнений погоды.
На кухне погоды — как делается прогноз погоды
Наверное, не стоит лишний раз напоминать, что водномоторники и яхтсмены — народ «метеозависимый». Чтобы плавание было не только приятным, но и безопасным, погоду на той или иной акватории желательно знать заранее. Казалось бы, получить прогноз погоды несложно — к нашим услугам радио, телевидение, пресса и вездесущий Интернет (даже если на судне нет радиостанции морского или речного диапазонов, позволяющих получить не общедоступный, а «профессиональный» прогноз). Однако предсказание погоды — дело тонкое.
Что такое синоптический прогноз? А долгосрочный? Чем отличается фактическая погода от прогностической? Как делается прогноз погоды? Можно ли с достаточной точностью предсказать погоду дней на двадцать вперед? Как в этом участвует современная техника?
Я, синоптик, постараюсь ответить на эти вопросы, не перегружая свой рассказ специальными терминами, всякой заумью и незначительными частностями.