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
Народная примета «белый журавль долго поёт — зовёт большой снег, кукушка коротко кричит — просит дождя» (согласно подписи на китайском языке: 白鹤长鸣邀瑞雪，布谷短啼求雨来) в виде знаками письма дунба народности наси, из города Лицзян. Музей национальностей провинции Юньнань, Куньмин, КНР. Фото 2011 года
У людей часто возникают вопросы о точности прогнозов погоды и методах прогнозирования. Разбираемся, как выглядит работа синоптиков и может ли искусственный интеллект вывести ее на новый уровень
Об эксперте: Александр Ганьшин, руководитель сервиса «Яндекс. Погода», кандидат физико-математических наук.
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.
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.
В мире осталось не так много вещей, которые человек пока не смог себе подчинить или хотя бы максимально к этому приблизиться. Пока ему остается только подстраиваться и учиться предсказывать эти события и явления. Так и рождаются разведывательные и прогнозные службы. Одной их них является метеорологическая. В конце концов, мы все живем на дне пятого океана, которым является наша атмосфера, и для нас очень важно, какие волнения в нем происходят. Конечно, предсказать погоду получается не всегда, но методы, которыми это делается, очень интересные. В этой статье мы постараемся собрать их все воедино, а заодно кратко рассказать о народных методах предсказания погоды и истории метеорологической службы.
Лета ждут все, но когда оно наступит знают только метеорологи.
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:
Причины, почему приметы могут не сбываться
Однако основная причина несостоятельности народных примет о погоде заключается в глобальном характере климатических процессов и локальном характере наблюдений за ними. Например, в средней полосе России, где и сформировалось значительное количество народных примет, погода формируется под влиянием процессов в Атлантическом океане и в Арктике, тогда как на самой европейской территории России центров действия атмосферы нет. Поэтому долгосрочный прогноз погоды для средней полосы России можно составить только имея информацию о динамике атмосферных процессов на большей части Северного полушария Земли, а не в конкретной точке. Например, Атлантические циклоны, которые осенью определяют погоду в России зарождаются ещё в начале лета, а к августу уже формируется их траектория от которой зависит будет ли осень теплой и сухой, если циклон пойдет севернее или мокрой и холодной — если южнее. Имея полную информацию о циклонах ещё в июле метеобюро способны предсказать характер осени. Но наблюдения на локальной метеостанции в глубине России, не говоря уж о народных приметах, такой информации не дадут, так как по какой бы траектории циклоны не двигались летом, свое влияние на погоду в России они ещё не распространяют, поскольку над Европой и Сибирью ещё господствуют другие воздушные массы, определяющие погоду в момент наблюдения, но не оказывающие влияние на траектории циклонов, которые придут осенью и не зависят от них. Поведение перелетных птиц тоже не позволяет предсказать эти процессы, так как маршруты их полета пролегают вдалеке от «кухонь погоды».
Тем не менее, для краткосрочных и оперативных прогнозов, ряд народных примет вполне применим. И этим зависимостям есть научное обоснование. Например, известная примета «Дым столбом — к морозу, коромыслом — к оттепели» связана изменением плотности приземного воздуха при смене воздушных масс и, следовательно, изменения подъемной силы дыма. Тоже относится и к низкому полету насекомоядных птиц перед дождем: в менее плотном воздухе мелким насекомым сложно подняться на большую высоту. Закрытие некоторых цветков перед дождем связано с быстрым ростом влажности (растения таким образом защищают пыльцу от намокания). Однако применение термометра, барометра и гигрометра в таком случае все равно дает значительно лучший результат прогнозирования, чем наблюдение за дымом, птицами и цветами.
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».
Примеры погодных примет
Людям приходилось уметь ориентироваться в погодных явлениях затем, чтобы вовремя собрать или посеять урожай или начать другие земледельческие работы:
Кто занимается прогнозами погоды
В первую очередь, стоит рассказать о том, кто занимается предсказаниями погоды в России. Сокращенно их называют метеорологами или максимум метеорологической службой. Тем не менее, официально название этой организации звучит, как “Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды”. Официальным сокращением является “Росгидромет”.
Мало кто в это поверит, но согласно отчету самого Росгидромета точность их прогнозов достигает 96%. Вопрос в том, что считать сбывшимся прогнозом. Какой разброс вариантов допускается? В любом случае сам себя не похвалишь – никто не похвалит.
Структура является органом исполнительной власти и находится в ведомстве Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации. Кроме осуществления функций по управлению государственным имуществом и оказанию государственных услуг в области гидрометеорологии, она решает и многие другие задачи.
Чем занимается Росгидромет
В число основных задач Росгидромета входят:
Кроме этого, именно Росгидромет обеспечивает выполнение обязательств Российской Федерации по международным договорам. В том числе, Конвенции ООН об изменении климата и договора об Антарктиде.
Договор об Антарктике предусматривает демилитаризацию Антарктиды, использование ее в исключительно мирных целях и превращение в зону, свободную от ядерного оружия. Договор вступил в силу 23 июня 1961 года после его подписания 12 государствами, которые стали первоначальными участниками.
История предсказаний погоды
Днем создания службы предсказания погоды считается 25 апреля 1834 года. Именно в этот день указом императора Николая I в Санкт-Петербурге была учреждена Нормальная магнитно-метеорологическая обсерватория. Первый бюллетень погоды был издан в России 13 января 1872 года. Многие именно эту дату считают днем рождения прогнозных служб.
Одна из первых погодных обсерваторий.
Создание специальных служб предсказания погоды привело к тому, что на их базе начали создаваться и другие структуры. Например, прогнозы были очень востребованы в армии, что привело к созданию Гидрометеорологической службы вооруженных сил страны. Позже даже было деление по видам войск и даже такие службы, как “дождемерная сеть Министерства путей сообщения”.
Во время революции и гражданской войны был нанесен серьезный удар по службе предсказания погоды. Было закрыто более 2 000 пунктов наблюдения и лабораторий. Позже они были восстановлены. При этом даже мировые войны не оказали серьезного воздействия на мировые прогнозные службы, так как они наоборот были нужны и в некотором роде даже продолжали развиваться.
Раз уж мы заговорили о войнах, давайте разберемся, может ли ядерная война повлиять на водный мир?
Сила искусственного интеллекта
Основной тренд на будущее в прогнозировании погоды — искусственный интеллект. Он отлично подходит метеорологии, где сейчас используются огромные массивы данных, а на их обработку тратится много времени.
ИИ способен быстро заметить в огромном массиве данных нужные закономерности и отобрать их. Это резко повышает скорость работы без ущерба для точности. Кроме того, сейчас наиболее перспективна комбинация искусственного интеллекта и традиционных физических методов. Технологический гигант IBM разработал точную систему Deep Thunder, предоставляющую гиперлокальный прогноз на разрешении от 0,3 до 2 км.
Также искусственный интеллект можно настроить на предсказание тех или иных погодных явлений. Например, вероятности шторма, ливня или урагана в ближайшие дни. Это позволит людям лучше подготовиться к стихии. Во многих сферах, зависящих от погоды, точные прогнозы помогут сэкономить деньги и спасти жизни людей. К примеру, ИИ позволит перестроить маршруты для кораблей и самолетов, если в каком-то секторе ожидается шторм.
Помимо прочего, искусственный интеллект может резко продвинуть вперед тему альтернативной энергии. Ведь один из главных недостатков солнца и ветра как источников энергии — непредсказуемость. И И помогает дать прогноз по солнечным (или ветреным) дням в ближайшей перспективе. Это позволяет оценить объем выработки энергии. В целом ИИ поможет сделать более точным долгосрочное прогнозирование, а значит, сделает спокойными и нас, переживающих о погоде за окном.
Вера в приметы
На протяжении долгого времени люди оперировали приметами и поверьями, которые складывались из наблюдений за погодой и передавались из поколения в поколение. Например, «если на крещенскую ночь есть луна, то будет хороший урожай гороха». Специалисты «Яндекса» решили проверить, насколько можно доверять приметам. Для этого использовали архив метеорологических наблюдений. Выяснилось, что половина из выбранных примет сбывается с точностью до наоборот. Реально работают лишь некоторые приметы, и то не во всех регионах. Чаще других сбывается примета «на Самсона дождь — семь недель то ж». Если на Самсонов день, который отмечается 10 июля, идет дождь, то следующие семь недель будут те же осадки.
Шаманы вместо термометров
Люди с давних времен старались предсказать погоду, потому что от нее зависел урожай, а значит, и жизнь на ближайшие месяцы. У древних племен главным синоптиком был шаман, который при помощи различных магических практик пытался угадать, какой будет погода. Почти как Мерлин в юмористической повести Стругацких «Понедельник начинается в субботу». При этом никаких метеорологических инструментов, кроме собственных глаз, шаман не использовал. Поэтому и точность его прогнозов была довольно низкой.
Самый древний прибор для определения погоды — флюгер. Его появление датируется 48 годом до н.э. Именно он помогал людям определять погоду по направлению ветра. А первый труд, связанный с прогнозированием погоды, появился еще в IV веке до н.э. Аристотель в своем трактате «Метеорологика» определил типы осадков и предположил, что они вызываются низкими температурами. Именно эту работу можно считать началом зарождения науки о погоде и атмосфере. Человек, пытавшийся предсказать погоду, встречается нам и в Библии: Иосиф толкует сон фараона и говорит, что семь тощих коров предупреждают о семи неурожайных годах.
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:
Можно ли верить прогнозам погоды
Как было сказано выше, точность прогнозов по крупным городам составляет примерно 95 процентов и более. Это очень хороший показатель, но информацию надо получить вовремя, тогда прогноз будет максимально точным, как прогноз о гибели нашей цивилизации, о котором мы уже писали. Вчерашний прогноз уже не будет прогнозом.
А так работают дикторы на телевидении. Иногда они являются синоптиками, но очень редко полноценными метеорологами.
Лично я в последнее время почти не смотрю прогнозы, так как примерно понимаю, что будет, а более точно смотрю по факту утром перед выходом из дома. Изучение долгосрочных прогнозов дело неблагодарное, так как они часто ошибаются, но иногда ознакомиться с ними интересно.
Единственное, что действительно важно в отношении погоды на день, так это не попасть в ураган или просто под сильный дождь. С первым успешно справляется МЧС, который даже слишком часто предупреждает о возможных чрезвычайных происшествиях через СМС-сообщения. Во втором случае часто можно и самому понять, стоит ли брать с собой зонт. Ну и на всякий случай иметь на работе еще один. Так вы будете “прикрыты со всех сторон”.
Чем синоптики отличаются от метеорологов
Многие путают такие понятия, как “синоптик” и “метеоролог”. При этом представители этих профессий часто обижаются на такую путаницу. Особенно метеорологи.
Метеорология – “рассуждение о небесных явлениях” (от др.-греч. “небесные явления” и “наука”) — научно-прикладная область знания о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физико-химических процессах.
Исходя из определения, метеорологом можно считать ученого, который занимается изучением и анализом процессов в атмосфере в целом. По результатам своих наблюдений он дает свои заключения о состоянии атмосферы и происходящих в ней процессах.
Сама наука метеорология настолько обща, что специалистов в ней готовят по совершенно разным дисциплинам, основными из которых являются агрометеоролог, климатолог и инженер-метеоролог. Есть и другие специальности, среди которых и есть синоптическая.
Синоптик – метеоролог, который специализируется на анализе атмосферных процессов и предсказания будущего состояния погоды. В том числе, составлении долгосрочных прогнозов.
Основным инструментом работы синоптика является синоптическая карта, которая представляет из себя наложение погодных данных на географическую карту. Так можно подробно увидеть, какая погода сейчас в разных частях большой территории. На основании этого и строятся прогнозы.
Так выглядит синоптическая карта.
Еще стоит отметить, что по телевизору о прогнозах говорят именно синоптики, а не метеорологи. Второй вариант в целом тоже верен, но первый точнее. Использование слова “метеоролог” в этом ключе сравнимо с тем, чтобы сказать, что погоду зачитывает человек — cлишком общее понятие. Кстати, слово синоптик происходит от греческого “синоптикос”, что в переводе означает “обозревающий все вместе”. То есть они делают обзор погоды. Теперь все сходится.
Вообще с новостями надо быть осторожнее. Например, Как новости о политике вредят вашему здоровью?
Как предсказывают погоду
Прежде всего стоит понимать, что метеорологическая служба ни одной страны не может предсказать погоду без помощи своих иностранных коллег. Для этого есть специальные объединения и механизмы взаимодействия на международном уровне.
Тысячи, если не десятки тысяч, различных объектов разбросаны по всей Земле и даже выходят за ее пределы. Среди них зонды, наземные станции, морские станции, сейсмические датчики, специальные спутники и многое другое. Все это хорошо работает только в связке.
Примерно такое оборудование стоит по всему миру и занимается сбором данных о погоде.
Например, каждый день в одно и то же время по Гринвичу все метеостанции планеты должны произвести различные измерения, среди которых замер температуры, скорости и направления ветра, влажности воздуха, атмосферного давления, облачности и количества осадков. Вся информация собирается воедино и не только позволяет составить прогнозы, но дает возможность просто наблюдать за текущей погодой в мире.
Сын спрашивает у отца метеоролога: – Пап, а твои прогнозы всегда сбываются? – Да, сынок, только место и время не всегда совпадают. Старый анекдот
Поскольку, как было сказано выше, датчики и станции находятся в разных местах и на разной высоте, данных собирается очень много. Шары-зонды дают информацию о верхних слоях атмосферы, спутники могут предоставить данные об облачности на всей планете, морские станция собирают информацию в открытом море, а наземные — в прибрежной зоне, в горах и других местах суши.
Чтобы получить такую картину и нужна совместная работа метеорологических служб по всему миру.
Обработка информации производится в нескольких крупнейших мировых центрах обработки данных. Они находятся в Вашингтоне, Мельбурне, Москве и еще нескольких городах мира. Только вместе они могут рассчитать перемещение воздушных масс на планете (и их скорость) и составить прогноз погоды на несколько дней вперед.
После этого остается только нанести информацию на специальную карту и максимально оперативно передать данные о погоде конечному потребителю через средства массовой информации. Только так можно спасти людей и хозяйства от стихийных бедствий и помочь предпринимателям (в первую очередь, фермерам) избежать дополнительных расходов.
Чтобы мы могли избежать такого и работают метеорологи.
Зачастую неточный прогноз является просто несвоевременно переданной в массовое пространство информацией
Многие стараются изучать долгосрочные прогнозы, чтобы спланировать отпуск, выход на природу или открытие мотосезона. Такие прогнозы имеют не очень высокий уровень точности. Точность в районе 95 процентов и более можно обеспечить только при прогнозах на 2-3 дня вперед. И то, переменчивость погоды может сломать все теоретические выкладки. Прогнозы на более долгий срок во многом основаны на статистических данных с учетом текущего положения в природе.
Космическая эра
В 1960 году в США был запущен первый метеорологический спутник, который делал снимки Земли из космоса. Благодаря снимкам от спутников, запущенных позже, можно было составлять карты облачности. Для этого аналоговые снимки, получаемые вдоль траектории движения спутника, складывали в единое изображение. Наблюдение за облачностью увеличило точность метеопрогнозов: благодаря информации со спутников на карты наносятся данные о расположении циклонов и фронтов. В 1978 году на картах облачности стали отмечать города и границы циклонов и антициклонов для визуализации прогноза погоды на телевидении.
У современных метеорологов огромное количество данных, которые нужно анализировать. Для прогноза они строят метеорологические модели, используя суперкомпьютеры. Глобальные модели прогноза погоды разбивают атмосферу Земли на кубики, и в каждом из них для составления прогноза решается уравнение со своими вводными. Японский «Фугаку», первый в списке 500 самых мощных суперкомпьютеров, помогает в том числе в прогнозировании погоды.
Суперкомпьютеры прогнозируют погоду, решая сложные уравнения, которые описывают атмосферные процессы. Обычно это уравнения гидрогазодинамики — они состоят из сотен тысяч строк кода, моделирующих атмосферу. В качестве исходных данных в модель загружаются метеопоказания из глобальной системы наблюдения. Результатом вычислений становится прогноз погоды на определенный срок.
Сейчас метеорологическое прогнозирование заметно продвинулось вперед: предсказания стали более точными, чем несколько десятилетий назад. К примеру, появилось больше метеостанций, в космос запустили около 60 метеоспутников, появились суперкомпьютеры и другие современные технологии.
«Яндекс» создал собственную технологию прогнозирования погоды «Метеум», комбинирующую традиционные модели и машинное обучение. Она использует данные из следующих источников: 80 метеорологических спутников, 10 тыс. профессиональных станций, 1,5 тыс. станций радиозондирования и 40 радиолокаторов. На основе этих данных готовятся граничные условия для метеорологической модели. Затем учитываются данные о подстилающей поверхности с использованием карт — технология «знает», что погода в мегаполисе отличается от погоды около озера за городом.
Кроме того, она исправляет допущенные погрешности при следующих прогнозах. О них можно узнавать от пользователей, которые сообщают об ошибке или точности прогноза через специальную форму на карте осадков. К примеру, в дождливый день люди присылают до 3,5 млн сообщений об осадках на местах.
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 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».
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.
Как предсказать погоду по народным приметам
Конечно, проще всего открыть сайт или посмотреть выпуск новостей, в котором вам расскажут все, что касается погоды на завтра или послезавтра. Но есть и народные приметы, которые иногда бывают очень точными. Верить в них или нет, личное дело каждого, но люди собирали эти наблюдения в течение сотен и тысяч лет. Конечно, напрямую они не связаны с предстоящем похолоданием или засухой, но у них может быть одна общая причина.
Предсказание по домашним животным
Многие замечали, как кошка сворачивается в клубок. Так вот, если при этом она старается прикрыть лапой или хвостом свой нос, согласно народным приметам стоит ждать холодов.
Так же стоит ждать холодов, если собака или кошка старается лечь поближе к батарее или другому источнику тепла. Видимо, запасаются теплом. Если в холода петухи начинают кричать очень рано, это к оттепели, а куры среди дня кукарекают к дождю.
Если чайка летит хвостом вперед, значит ветер сильный – шутка о предсказаниях погоды.
Гадают погоду и по другим животным. Например, если гусь стоит на одной лапе, то это к морозу. Таких примет много, но их знают в основном деревенские жители. Городские жители все-таки чаще заводят собак и котов. Тем более, у этого есть плюсы, о которых мы писали ранее.
Предсказание погоды по растениям
В городе сложно заниматься таким прогнозированием, но среди основных примет можно отметить следующие:
Предсказание по насекомым
Есть предсказания и по насекомым, так как они наравне с растениями заинтересованы в том или ином положении климатических дел. Соответственно очень сильно меняют свое поведение. Вот несколько примеров:
Приводить примеры можно очень долго и этому даже посвящают целые книги, но мы все же научный сайт, поэтому обойдемся общими представлениями. Если вам будет интересно окунуться в эту тему более подробно, приметы можно легко найти на просторах Интернета.
Первые прорывные технологии
Вера в приметы отступила с появлением в метеорологии нового прибора для измерения погоды. В 1643 году ученик Галилея — Торричелли — изобрел ртутный барометр. Он позволял предсказывать погоду: если уровень ртутного столба низкий, то будет, скорее всего, плохая погода. Барометр позволяет фиксировать состояние атмосферы в конкретной точке. Именно с его помощью в основе прогнозирования впервые применили законы физики.
Далее, уже в XIX веке, появилась единая сеть метеонаблюдений. А первая метеорологическая сеть из 24 метеорологических станций возникла в России в 1733 году. Ее создали участники Великой Северной экспедиции под руководством российского мореплавателя Беринга. Интересно, что результаты исследований и работы этой сети были опубликованы только через 100 лет. В 1835 году академик Адольф Купфер выпустил первую инструкцию «Руководство к деланию метеорологических и магнитных наблюдений».
Чем отличалась эта единая сеть? Во множестве точек отслеживали температуру, осадки, направления ветров и давление. Затем эти данные стали накладывать на карты. Синоптики соединяли линиями области одинакового давления, и так выявлялись циклоны (в их центре — низкое давление, а по краям — высокое) и антициклоны. Зная, как в этих областях движется воздух, можно было предсказывать погоду точнее. Например, понимать, что из-за прихода циклонов на такую-то территорию стоит ждать осадков.
С появлением радиозондов в 1930 году люди смогли получать информацию о погоде на достаточно большой высоте — около 20 км. Это позволяло строить метеокарты на изобарических уровнях (разных уровнях давления) и составлять более точный прогноз.
