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
«Единственная особенность москвичей, которая до сих пор осталась мной не разгаданной, — это их постоянный, таинственный интерес к погоде. Все затаив дыхание слушают передачу, чтобы на следующий день уличить её в неточности». Писатель Фазиль Искандер ошибся лишь в одном: погодой интересуются все. Когда же метеорологи перестанут расстраивать нас неточными прогнозами?
Примерное время чтения: 5 минут
10 апреля 1722 года по указу Петра I в Санкт-Петербурге начались систематические наблюдения за погодой. Однако ещё в XVI веке летописцами в Русском хронографе были собраны сведения об экстремальных природных явлениях за 15 веков нашей эры.
С 1 декабря 1725 года академик Фридрих Майер впервые измерил погоду при помощи инструментов — барометра и термометра. В это же время началось создание метеорологических наблюдательных сетей России, в том числе и в Сибири.
АиФ.ru объясняет, как прогноз погоды делают в наши дни.
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.
Кому служат «погодные феи»?
В Европе гордятся точностью своих прогнозов, но и там слова «местами», «вероятно» присутствуют в любом прогнозе погоды.
«С каждым дополнительным днём сверх ближайших суток качество прогноза погоды снижается», – предупреждает Немецкая служба метеорологии. В погодных сводках на 24 часа совпадение 90%, а на три ближайших дня – уже 75%. Но при этом в наше время прогноз на следующую неделю столь же точен, как 40 лет назад – на завтра.
Немецкая служба метеорологии – госорганизация в статусе федерального агентства, которая относится к Министерству транспорта и цифровой инфраструктуры. Бюджет на 2021 г. – 361 млн евро, из них 150 млн идут на взносы в международные организации (Европейскую организацию спутниковой метеорологии и др.). Доходы – 19,5 млн в год. В системе наблюдения за погодой и климатом – штабквартира в Оффенбахе, 6 региональных центров, 2200 штатных сотрудников, мониторинговая сеть из 181 базовой метеостанции (из них 164 автоматизированные), 10 станций радиозондирования и 2 обсерватории.
1737 метеопунктов обслуживают волонтёры. Объявление «Ищем добровольных наблюдателей за погодой» можно часто встретить в разных регионах Германии. Что требуется? Подходящий участок земли, где специалисты службы метеорологии установят свои измерительные приборы, наличие интернета и готовность к ручным замерам уровня осадков (данные нужно передавать по утрам каждый день) и поддержанию станции в порядке. За это причитается ежегодная компенсация в 660 евро. Кроме того, в Германии есть целый ряд частных метеослужб и серьёзная конкуренция.
Акцию Wetterpate («крёстные погоды») придумали в 2002 г. студенты Института метеорологии Свободного университета Берлина, когда учебная метеостанция столкнулась с финансовыми проблемами. Имена для фронтов высокого и низкого давления раздаются в октябре предыдущего года. В чётные годы циклонам присваиваются женские имена, антициклонам – мужские, в нечётные – наоборот. Желающим дать своё имя стихии это обойдётся в 240 евро. Антициклон стоит дороже (его продолжительность дольше) – 360 евро. Все средства идут на обеспечение метеорологических исследований и наблюдений за погодой.
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».
Кто занимается погодой в России?
В телесюжетах и новостях мы часто встречаем упоминание Росгидромета (название расшифровывается как «Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»). Это официальный государственный орган власти.
Часто упоминается и Гидрометцентр России. Это, в свою очередь – структурное подразделение Росгидромета, специализирующееся непосредственно на составлении гидрометеорологических, другими словами – погодных, прогнозов.
Какие ещё существуют способы «предсказать» погоду?
Данные о погодных условиях получают не только с метеорологических площадок, расположенных на суше и на море (на специальных кораблях или метеорологических буях), но и с искусственных метеоспутников и специальных шаров-зондов, которые помогают фиксировать перемещение воздушных масс и их скорость.
Кроме того, дважды в сутки на метеоплощадках по всему миру запускается радиозонд – воздушный шар, к которому прикреплён прибор с передатчиком, с помощью которого собирается информация о давлении, ветре и температуре в слоях атмосферы.
Вообще, считается, что чем выше скорость и производительность компьютеров, использующихся для обработки метеорологических данных, тем точнее будет прогноз погоды. Поэтому во всех научно-исследовательских станциях стараются своевременно обновлять техническое оснащение и следить за изобретениями учёных.
Использованы материалы Всемирной метеорологической организации, Гидрометцентра России.
Как синоптики прогнозируют погоду?
Прежде всего, данные о погоде при помощи термометров, барометров, дождемеров и других имеющихся инструментов собирают на региональных метеостанциях, которые расположены по всей стране.
Синоптики шифруют полученные данные с помощью специального международного кода. Это необходимо для того, чтобы сведения мог обработать компьютер.
Каждые три часа местные метеостанции должны отправлять собранные сведения телеграммой на центральную метеостанцию. Там проводят анализ данных и проверяют информацию на предмет ошибок. Затем составляют карты погоды и прогноз для области.
Центральные метеостанции России передают всю информацию о погоде в московский Гидрометцентр. Сюда же стекаются данные, которые фиксируют датчики на кораблях, самолётах, дрейфующих буях в морях и океанах. Также Гидрометцентр получает данные со спутников и зондов.
Кроме того, Гидрометцентр России обменивается информацией с Всемирной метеорологической организацией, штаб-квартира которой находится в Женеве.
На основе полученных сведений составляются долгосрочные прогнозы, просчитывается движение атмосферных фронтов.
Обработать такой объём данных вручную было бы очень сложно. Для этих целей у Гидрометцентра есть суперкомпьютер. В 2012 году его суммарная мощность составляла более 50 терафлопс (триллионов операций в секунду). В начале 2014 года российский Гидрометцентр объявил о том, что компьютер полностью исчерпал свои вычислительные мощности. Для исправления ситуации ведомство закупит новый суперкомпьютер после того, как проведёт тендер.
А дождь всё равно вне графика!
Для этих людей плохой погоды не бывает – бывает лишь та, которую нужно отследить, замерить, описать.
Каждые три часа на станции в Мурманске проводят метеорологические наблюдения. Температура, давление, влажность воздуха и характеристики ветра измеряются автоматически. Но без помощи наблюдателя сводка будет неполной.
– Если вдруг выйдет из строя компьютер, сводка будет составлена вручную и передана в Гидрометцентр по телефону. А ещё с советских времён работают гелиограф, плювиограф, осадкомер. Нельзя их убирать, мало ли что! Температуру и влажность воздуха непрерывно регистрируют термограф и гигрограф. Один раз в сутки меняются ленты самописцев, чернила здесь глицериновые, не замерзают, – рассказывает метеоролог Нина Малыгина, отработавшая на гидрометеостанции больше 50 лет. – Плювиограф, к примеру, ведёт непрерывную запись дождя. Сегодня осадков не было, поэтому на графике ровная линия. В метеорологической будке – термометры, для определения экстремальных температур и влажности воздуха.
Нина Ивановна привычным маршрутом обходит всё оборудование. Для определения количества выпавших осадков 4 раза в сутки проводит замену осадкосборного ведра. А вот форму и количество облаков здесь определяют на глаз.
– Сегодня облака слоисто-кучевые, 10 баллов с просветами, – быстро посчитала Нина Ивановна. – Высоту их определяет лазерный измеритель, а форму, учитывая многообразие их видов, может определить только специалист.
10 лет назад на метеостанциях начали устанавливать автоматизированные комплексы. Например, на Цыпнаволоке, на побережье Баренцева моря, сводки передаются автоматически, синоптики туда ездят только для технического обслуживания.
– Много метеостанций было закрыто ещё в советское время. Думаю, если бы они работали, то сейчас было бы больше информации для составления прогнозов. В Мурманске, например, были градиентные высотные наблюдения на телемачте. На разных высотах измерялись температура и ветер, синоптикам эти данные были очень нужны. Но приборы устарели, их нужно было менять на современные, более дорогие, а это всё деньги, – вздыхает метеоролог.
Арктику нередко называют «кухней погоды», на которой за последние годы сильно потеплело.
– За полвека, что я работаю, на Севере стало гораздо теплее, – вспоминает Нина Ивановна. – На самом деле в Мурманске очень сложно прогнозы составлять – погода быстро меняется. Утром можно на работу в босоножках прийти, а вечером снег выпадет! Такие уж условия – в Арктике живём!
В Приморском крае прошлое лето отличилось многочисленными тропическими штормами, идущими строго по одной траектории – с юга на север.
– Мы видим приближающийся циклон и просчитываем его приближение за 10 суток вперёд, – поясняет начальник Примгидромета Борис Кубай. – Каждый день ситуация меняется, нарастает погрешность. Мы можем подождать, когда уверенность возрастёт до 100%. Но кому-то важно иметь информацию за несколько суток, чтобы скорректировать свои планы.
А ледяной дождь, обрушившийся на Владивосток 19–20 ноября 2020 г., вошёл в историю разрушительных метеорологических явлений. Исследователи говорят, что такого не было в здешних краях несколько десятилетий: поваленные деревья и столбы, оборванные провода. Тысячи людей остались тогда без света, тепла, воды.
В тот день на метеостанции, расположенной на сопке Буссе в районе Голубиной Пади, в народе прозванной Гора, дежурил Игорь Субботкин. Когда приборы зафиксировали штормовые порывы, превосходящие 35 м/с, повалило металлические столбы, показывающие силу и направление ветра.
– Упали столбы электропередачи, пропала телефонная связь, интернет, – рассказывает специалист. – Слой льда на гололёдном станке доходил до 28 мм! Автоматические приборы вышли из строя, остались дублирующие, работающие в ручном режиме. Обычно нас выручают ветровые мачты с флюгерами, которые передают информацию по кабелю на компьютер в центр Примгидромета. Но чудо техники сломалось, и мне пришлось брать анемометр, выходить на улицу и вручную держать этот прибор, чтобы снять показания. На площадке сносило! Творилось что-то невообразимое.
На важнейших постах наблюдения Владивостока и Артёма до сих пор идут восстановительные работы.
И огород в придачу
Нелегко приходится и метеорологам, которые работают на метеостанции Локшак, в верховьях Зеи в Амурской обл. « Труднодоступные посты находятся на всех крупных реках. И число постов неизменно, по крайней мере с 2015 г., с тех пор, как я руковожу обсерваторией, – рассказывает директор гидрометеообсерватории 2-го разряда Зея Сергей Алексеев. – Пройдут туда только вездеходы – вся доставка на них. Смена работает там целый год, потом идёт в отпуск. На каждом посту есть жилой дом. Связь идёт посредством радиостанций. Режим работы у нас непрерывный. Любой перерыв – это уже пропуск наблюдений, который потом отразится на прогнозах.
На постах иногда бывает текучка персонала – не все психологически справляются. Полгода-год – и увольняются. Я сам на таких постах раз-два в год бываю. Там спокойно, но тишина – просто до звона в ушах. Возможно, это по нервам и бьёт больше всего. Из плюсов тут – рыбалка, дикоросы, свежий воздух. А ещё на каждом посту огородик есть».
Волос – самый точный
– Самыми надёжными помощниками метеорологов остаются приборы, принципы работы которых не меняются десятилетиями, – уверяет начальник отдела гидрометеообеспечения Волгоградского ЦГМС Наталья Алатырцева. – Их размещают в специальной психрометрической будке. В ней на высоте 2 м установлены 2 термометра: один сухой, другой влажный. К последнему привязана ткань – батист, постоянно смачиваемый дистиллированной водой. Гигрометр – уникальный прибор, в устройстве которого применяется человеческий волос. Причём только от натуральной блондинки – он наиболее чутко реагирует на колебания влажности!
Вся информация оперативно передаётся из Волгограда в Северо-Кавказский центр, а оттуда в Обнинский банк метеоданных. Тут на помощь нам пришли компьютеры, а лет 40 назад наш специалист отстукивал информацию азбукой Морзе.
Климат в Ростовской обл. местные жители называют «мерзко континентальным»: зимой – холод и пронизывающий ветер, летом – 40-градусная жара. Поэтому предсказывать погоду здесь особенно непросто.
«Мы расположены в равнинной местности и открыты всем возможным погодным явлениям, кроме северного сияния, – говорит начальник Ростовского гидрометцентра Елена Назарова. – Из западной части страны на нас идут циклоны, от которых нет никакой природной защиты в виде гор или лесов. А летом устанавливаются антициклоны, которые и несут тот самый знаменитый ростовский зной. Каким будет эффект от слияния разных явлений, в долгосрочной перспективе предсказать сложно. Поэтому мы даём только достаточно точные прогнозы – на три дня вперёд».
В области действует 19 метеорологических станций. По словам Е. Назаровой, большая часть метеорологов – жители донских городов и посёлков, многие из них люди в возрасте. А в Ростовском гидрометцентре есть и молодёжь – профессия эта очень интересная.
«Зарплаты у нас федеральные, не менее уровня МРОТ», – говорит эксперт.
Профессиональные «предсказатели» погоды – это специалисты, исследователи атмосферных явлений, выпускники вузов по специализации «Метеорология». К примеру, таких специалистов выпускает МГУ им. Ломоносова, Санкт-Петербургский университет, Дальневосточный федеральный университет и другие университеты страны.
В чём разница между метеорологом и синоптиком? Дело в том, что внутри метеорологической специальности есть множество специализаций: синоптическая, аэрологическая, морская метеорология, авиационная, спутниковая, метеорологического приборостроения и др. По сути, синоптик – это метеоролог, который занимается анализом полученных данных и составлением прогнозов погоды.
Какие инструменты используют синоптики?
Многие инструменты, которые используют синоптики для измерения погоды, были изобретены несколько веков назад.
Например, термометр. Считается, что его в конце XVI века изобрёл Галилео Галилей. Сейчас термометры есть на каждой метеостанции. Их помещают в почву на разную глубину, чтобы измерить уровень промерзания земли. Для измерения температуры воздуха приборы помещают в специальные будки, расположенные на улице.
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления — был изобретён итальянским учёным Эванджелиста Торричелли в 1644 году.
В жидкостных барометрах давление измеряется высотой столба ртути в трубке, запаянной сверху, а нижним концом опущенной в сосуд с ртутью (атмосферное давление уравновешивается весом столба жидкости). Ртутные барометры точнее других, они чаще используются на метеостанциях.
В быту обычно используются механические барометры. Они показывают атмосферное давление при помощи гофрированной тонкостенной металлической коробки, из которой выкачан воздух. При понижении атмосферного давления коробка слегка расширяется, а при повышении — сжимается и воздействует на прикреплённую к ней стрелку. Стрелка движется и указывает давление на циферблате.
Осадкомер — прибор для измерения количества выпавших осадков — на самом деле не что иное, как обыкновенное ведро. Ведро делится воронкой на 2 части. Вода из верхней части ведра стекает в нижнюю, в которой имеется труба, через которую сливают воду. Конструкция защищена железной воронкой без дна. Она служит для предохранения снега от выдувания.
Измеряют выпавшие осадки один раз в сутки — в 7 часов утра. Вода из ведра выливается в измерительный стакан, на котором имеются деления. Каждые десять делений соответствуют слою воды толщиной в 1 миллиметр. Таким образом по измерительному стакану узнают, сколько миллиметров осадков выпало за сутки.
Известно, что 1 миллиметр выпавших осадков даёт 10 тонн воды на 1 га.
Конечно, в современном мире используют и более сложные приборы для измерения различных параметров. Например, облакомер — прибор, который определяет высоту нижней границы облаков. Принцип работы облакомера основан на измерении времени, необходимого для прохождения луча света (лазера) в атмосфере от передатчика облакомера до нижней границы облака и возврата луча на приёмник облакомера.
Составить долгосрочные прогнозы погоды помогают зонды и спутники. Зонд измеряет влажность, давление и температуру воздуха в верхних слоях атмосферы. Спутник расположен на орбите на определённых точках над экватором на расстоянии более 30 тысяч километров. Обеспечивают практически полный обзор Земли.
Прогнозом не вышел
«Надёжных численных методов прогнозирования опасных природных явлений пока нет», – говорит главный синоптик Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Галина Шепоренко.
– Галина Андрияновна, сегодня часто приговаривают, что, мол, в советские времена и продукты были качественнее, и дома строили лучше, и погоду точнее предсказывали. Это так?
– Вы знаете, нет. Сейчас прогнозы гораздо лучше стали. В 70-е гг. прогнозировать погоду было сложнее и ошибки случались серьёзные. Тогда возмущённые люди начинали звонить. Их понять можно: мама отвела ребёнка в садик налегке – и вдруг резко похолодало. Это, признаться, действовало на психику, поэтому мы всегда боялись пропустить неблагоприятное состояние погоды.
– Насколько изменились технологии прогнозирования с советских времён?
Сегодня же синоптики чувствуют себя гораздо увереннее и прогнозы неплохо оправдываются.
Нажмите для увеличения.
На их синоптический взгляд
– Как в наши дни происходит процесс прогнозирования?
– В его основе лежит синоптический взгляд. У нас на территории области 36 метеостанций, а если брать ещё и Пермский край, Челябинскую и Курганскую области, то наберутся все 100. Мы собираем метеорологическую информацию: дождь, ветер, какие облака и какова их высота, температура поверхности почвы, влажность воздуха. Свои данные с Уральского куста мы отправляем в кодовом формате в Международный метеорологический центр Росгидромета в Москве. Международный обмен информацией происходит каждые 3 часа. Это очень важно, потому что погода изменчива, атмосфера подвижна, следить за ней необходимо на большой территории.
А сюда из международного центра передаются результаты численного моделирования. Для этого нужны очень большие компьютеры, способные обработать глобальную информацию, – как раз такой есть в Росгидрометцентре. И вот, когда этот компьютер всё посчитает, он выдаёт карту состояния атмосферы, благодаря которой мы видим то, что будет завтра: как будет выглядеть атмосферное поле, где возникнет циклон, какой он будет интенсивности и так далее. На основе этих моделей строятся вычислительные схемы, которые дают уже непосредственно параметры погоды: температуру, осадки, ветер, облачность.
– Обыкновенному прогнозу погоды предшествует такая огромная работа!
– Да, это очень большая, наукоёмкая и, замечу, недешёвая работа. Сейчас целые страны объединяются в творческие научные коллективы, в которые помимо синоптиков входят и физики и математики, чтобы создать свою численную модель, потому что это тяжело, дорого и времязатратно.
И, конечно, мы занимаемся слежением за опасными явлениями природы – они пока поддаются прогнозированию с трудом. Нет, пожалуй, ни одного надёжного численного метода.
Как град с неба
– Что вы имеете в виду под опасными явлениями природы?
– Есть определённый перечень. Скажем, это ветер со скоростью 25 м/с и выше. Так вот, нет таких методов, которые могли бы прогнозировать этот ветер более или менее точно. Или град. Это локальное явление. К примеру, ни одна метеостанция его не зафиксировала, а люди звонят и говорят: «Был град».
Не удаётся пока разработать необходимые методы, чему есть масса причин, в том числе недостаточная наблюдательная сеть. Играет свою роль и недостаточная изученность некоторых объектов атмосферы. К примеру, очень трудно поддаются изучению процессы в облаках – что там происходит на микрофизическом уровне.
Недостаточная мощность вычислительной техники тоже имеет значение.
Но любой, скажем так, спорный случай, повлёкший за собой значительный ущерб, разбирает комиссия. Помню, в мае 1984-го снег выпал по колено и всё встало. Тогда приезжала комиссия Росгидромета, которая пришла к выводу, что предсказать это заблаговременно было практически невозможно.
– Практически все отрасли в той или иной степени столкнулись с оптимизаций. Вас она коснулась?
– В 90-х гг. на 30% было уменьшено количество наблюдательных пунктов. До сих пор не получается расширить их сеть. Вообще сети метеостанций по суше распределены неравномерно – где-то густо, где-то пусто. А точность прогноза зависит от того, как далеко от тебя пункт наблюдения. Чем дальше друг от друга эти станции находятся, тем прогноз будет хуже.
– Дефицита кадров у вас нет?
– Есть, конечно! Кадры не очень держатся, потому что зарплаты у нас небольшие. Это обидно, поскольку наблюдательную сеть нужно беречь – она основа всего. Не будет наблюдательной сети (метеостанций, постов по загрязнению атмосферы, агрометеорологических, гидрологических) – плохо будет. Никаких прогнозов, ничего не будет!
Как повысить точность метеопрогнозов?
Мысль о том, что с климатом творится что-то неладное, приходила в голову каждому. А учёные твердят об этом не одно десятилетие.
Так, может быть, метеорологи ошибаются в прогнозах потому, что погода стала более непредсказуемой?
Владимир Семёнов, замдиректора Института физики атмосферы им. Обухова РАН, завлабораторией климатологии Института географии РАН, член-корреспондент РАН:
– Все знают, что на планете происходят глобальные изменения климата. С начала XX в. температура в среднем выросла на 1–1,2°C. Для России этот показатель в 2 раза выше: на территории нашей страны потеплело в среднем на 2,2–2,4°C.
Где-то потепление идёт быстрее, где-то медленнее, а где-то отмечаются и похолодания. Поэтому иногда говорят, что климат стал более «нервным», хотя учёные такого слова не используют. В чём проявляется «нервозность»? Потепление сопровождается повышением влажности и ростом числа экстремальных погодных явлений: шквалов, ливней, торнадо. Над всей территорией суши растёт интенсивность осадков.
Россия – огромная страна. Климатические изменения в регионах идут по-разному. Скажем, в целом по России такой показатель, как изменчивость температуры (от суток к суткам, от недели к неделе), сейчас снижается. Это объяснимо: уменьшился градиент температур между северными и южными широтами. Но для Московского региона, к примеру, экстремальность погодных аномалий весной возросла. Мы на себе ощущаем этот контраст, когда в мае внезапно случается вторжение холодных воздушных масс и приходится вновь доставать из шкафов уже убранные зимние вещи.
Вообще, несмотря на мнение, что метеопрогнозы ошибочны, их точность растёт благодаря развитию компьютерных технологий.
Точность прогнозов связана с пространственным разрешением моделей, которые используют метеорологи. Чем больше разрешение, тем точнее прогноз. И вот как раз для того, чтобы безошибочно предсказывать такие экстремальные явления, как шквалы, торнадо и сильные ливни (то, что бывает при соприкосновении контрастных воздушных масс), требуется более высокое пространственное разрешение моделей, чем есть сейчас. Гидрометцентр и сейчас предсказывает эти явления, но точность прогноза всё ещё оставляет желать лучшего.
А при более точном моделировании можно будет прогнозировать, что в конкретном районе в известный промежуток времени будет очень высока вероятность, например, шквала. К сожалению, сейчас невозможно обеспечить всю территорию России такими точными прогнозами. Для этого нужна модель с пространственным разрешением 300 м. Чтобы создать её, требуются суперкомпьютеры куда большей мощности, чем есть у нас сейчас. Мы в этой области существенно отстаём.
Точные прогнозы основаны на огромном количестве вычислений. Их скорость немыслимая – около тысячи триллионов вычислений в секунду. Представьте: почти одновременно, шагом в минуты, а то и в секунды, решаются дифференциальные уравнения с сотнями переменных. Вся территория страны покрыта сеткой с разрешением в 1 км, и в каждой точке постоянно происходят решения таких уравнений. Без мощного суперкомпьютера сделать это невозможно. Его наличие – необходимое условие для развития точных метеопрогнозов.
Несколько лет назад Гидрометцентр приобрёл новый суперкомпьютер и пользуется им. Но его производительность уступает европейским и американским вычислительным системам. А у Академии наук и такого нет. Нехватка вычислительных ресурсов, в том числе для климатических исследований, – острейшая проблема нашей науки.
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.
Как именно составляются прогнозы погоды?
Разделим процесс составления прогноза на этапы для простоты восприятия.
Итак, в мире уже много лет (а именно – с 1950 года) существует Всемирная метеорологическая организация, имеющая три Мировых метеорологических центра – в американском городе Вашингтон, австралийском городе Мельбурн и в российской столице, городе Москве.
Ежедневно в одно и то же время по Гринвичу все метеостанции планеты производят замеры температуры, влажности, скорости ветра и других показателей, которые затем стекаются в эти три метеорологических центра.
Текущая погода измеряется, можно сказать, в «полевых» условиях – на метеостанциях или метеоплощадках, расположенных по всей стране. В Москве, к примеру, 5 таких метеостанций: на ВВЦ, в Тушино, на территории МГУ, Тимирязевской академии и возле гостиницы Балчуг.
Вообще, метеоплощадки стараются располагать вдали от высотных зданий, дорог и всего того, что могло бы оказать на окружающую температуру или естественные погодные условия воздействие.
На метеоплощадках установлены белые будки с отверстиями, внутри которых находятся термометры для измерения температуры и специальные приборы для измерения влажности воздуха.
Белыми будки сделаны для того, чтобы не нагреваться на солнце, а отверстия предназначены для доступа воздуха из окружающей среды.
Кроме того, на метеоплощадке имеется своеобразная конструкция, похожая на металлический цветок. По его «лепесткам» стекает дождевая вода – она скапливается в расположенном ниже «ведре». Поступившие в «ведро» осадки (дождь или снег) попадают в колбу, и специалистам становится известен их уровень.
В почве имеется собственный термометр, собирающий информацию о температуре земли. Это важно для сельского хозяйства.
Есть на площадке и строение, внешне напоминающее будку, внутри которой находятся воздухосборники. В них с помощью шприцов закачивается воздух, который потом отправляется в лабораторию на исследования.
После измерения всех погодных показателей данные анализируются и составляется специальный шифр. Он един для всех метеорологов в мире. Каждому природному явлению, будь то облака или дождь, присваивается код. Набор таких кодов отправляется с помощью Интернета в Гидрометцентр.
Все данные, поступившие в Гидрометцентр с российских и мировых метеостанций, вводятся в специализированную программу на компьютере, и она «рисует» погодные карты. На них хорошо различаются белые облака – это циклоны и антициклоны, формирующие погоду в мире.
Анализом погодных карт занимаются специалисты-синоптики. Именно они, а не компьютер, определяют, куда циклон пойдёт дальше и как может повлиять на погоду в регионе. Считается, что наиболее точный прогноз можно сделать на 2–3 суток вперёд, потом точность будет, соответственно, снижаться.
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».