Когда-то погоду предсказывали по форме облаков. Сейчас у нас есть суперкомпьютеры, но и они не всегда точны. Разбираемся, как прогнозируют погоду в XXI веке
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 15 октября 2021 года; проверки требует 21 правка.
Сегодня прогнозирование погодной динамики важно не только для агрокультуры, но и для производителей косметики, строителей и других отраслей. Разбираемся, как данные помогают обеспечить наиболее точные прогнозы погоды
Об эксперте: Александр Ганьшин, руководитель сервиса «Яндекс. Погода».
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.
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.
Нейросеть создала ведущую прогноза погоды «Снежану Туманову». Видео
. « Девушка» работает на ставропольском телеканале
На канале «Свое ТВ» прогноз погоды стала вести сгенерированная нейросетью девушка
Обновлено 22 марта 2023, 17:35
СВОЁ ТВ СТАВРОПОЛЬСКОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ / Youtube
Региональный телеканал «Свое ТВ. Ставропольский край» добавил в сетку вещания «Прогноз будущего» — прогноз погоды, созданный при помощи нескольких нейросетей. Как говорится на официальном сайте канала, «одна отвечает за виртуального ведущего, другая — за подготовку текста, третья — за генерацию графического сопровождения».
Виртуальную ведущую-метеоролога зовут Снежана Туманова — «девушка» амбициозна и ставит перед собой цель полностью заменить людей-конкурентов. При этом в сообщении отмечается, что это эксперимент и телеканал пока решил не отказываться от живых ведущих.
Выпуски «Прогноза будущего» выходят по будням после экспресс-новостей на канале «Свое ТВ» в 9:30, 14:00, 16:30, 21:00 и 22:30.
Нейросети уже широко применяют в различных сферах: искусственный интеллект пишет сценарии к сериалам, создает постеры, с успехом сдает экзамены, а также составляет гороскоп для всех знаков зодиака.
Ранее стало известно, что чат-бот ChatGPT, в основе которого лежит ИИ, помогает мужчинам разнообразить переписку с девушками в приложениях для знакомств. Пользователи уже отметили рост числа свиданий и повышенный интерес собеседниц.
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.
Как поведение потребителей зависит от погоды
Есть у бизнеса и иные задачи, не связанные напрямую с проблемами устойчивого развития мирового масштаба, но также требующие точного прогнозирования в моменте. Например, изменение температуры воздуха всего на один градус в любую из сторон стимулирует заметный рост продаж целого ряда товаров — от климатической техники до напитков и уходовой косметики.
Сервисы такси тоже зависят от изменения погодных условий. Например, в дождь люди чаще пользуются услугами таксистов. Если у агрегатора есть доступ к качественной предиктивной погодной аналитике, значит, он может предсказать ухудшение погоды в определенном районе города и заблаговременно направить туда дополнительные автомобили. Это позволит обеспечить достаточное предложение и адекватные цены на поездки.
То же относится и к курьерским службам: ухудшение погодных условий напрямую влияет на желание людей выходить на улицу и отправляться за офлайн-покупками. По аналогии с такси сервис, обладающий точными оперативными данными, может направлять дополнительных курьеров в наиболее востребованные точки — и если у конкурирующего сервиса такой информации нет, очевидно, на чьей стороне преимущество.
Более долгосрочные прогнозы могут влиять и на совсем специфические параметры в таких сложных сферах, как, например, строительство. Так, неблагоприятная погода может привести к повреждению либо разрушению фундамента и стен здания.
Как погода может оставить без ужина
Наверняка многие обратили внимание на то, что зима, лето и межсезонье выглядят совершенно не так, как еще 10-15 лет назад. Это вовсе не обман восприятия, а вполне реальный процесс: глобальное изменение погоды наступит не когда-то в будущем, оно происходит прямо сейчас. Так, с конца XIX века средняя температура на Земле повысилась на 1,1 °C, и этот показатель продолжает расти.
При этом глобальные погодные изменения происходят неравномерно: та же Арктика теплеет быстрее, чем более южные широты, и это в том числе приводит к изменению привычной для нас циркуляции атмосферы, а вместе с тем и знакомой по прошлым годам и десятилетиям погоды.
Есть люди, отрицающие, что с климатом что-то происходит, и есть те, кто ожидает климатических и погодных катастроф со дня на день. Истина, как всегда, где-то посередине. Объективно погода в настоящее время меняется, так что человечеству следует адаптироваться к происходящему. Для этого ученые постоянно разрабатывают различные климатические проекции. Например, в последнем докладе IPCC метеорологи и экологи рассказали, как климат будет меняться: так, они ожидают, что в связи с глобальным потеплением будет расширяться география распространения болезней, ранее свойственных только для конкретных регионов, например, лихорадки Денге.
Другие современные научные исследования также доказывают, что изменения погоды — суточные, сезонные и многолетние — подстраивают под себя не только спирали развития мировой экономики, но и всплески заболеваемости населения, размножения или вымирания насекомых, животных и растений.
Бизнесу важно понимать, как именно меняется климат, а вместе с ним и погода, непосредственно в зонах, где расположены производственные мощности компании и ключевые рынки сбыта.
Обладание этой информацией в моменте, ровно как и ее точность, превращаются в критически важное конкурентное преимущество, а просчеты и неосведомленность зачастую приводят к полномасштабным катастрофам — разлив дизтоплива в районе Норильска в мае 2020-го из-за проседания вечной мерзлоты, а вместе с ней и свай гигантского резервуара, энергетическому кризису 2021 года в Техасе, оставившему людей без тепла и света из-за замерзших ветрогенераторов.
Самая очевидная проблема, которую в нынешних условиях могут решить более точные предсказания погодных изменений, — заметное снижение урожайности во многих странах. По оценкам экспертов, рост спроса на продовольствие вместе со снижением предложения приведут к тому, что еда станет еще менее доступной именно для самых бедных людей планеты (даже в развитых странах), в структуре расходов которых пища составляет наибольшую долю.
Если голодающих в мире станет больше, чем сейчас, это может вылиться в дополнительный рост социальной напряженности — показательные примеры недавно произошли в Европе, Тунисе, Шри-Ланке и Эквадоре. Как раз в этих случаях использование принципиально иных по уровню качества прогнозов погоды способно напрямую повлиять на производительность и экономику сельского хозяйства через бронирование сельхозтехники, закупку необходимых инструментов для посевной кампании и подбор наиболее устойчивых сортов культур к засеву. Поэтому метеорология играет крайне важную роль в обеспечении продовольственной безопасности во всем мире.
Кроме того, есть такие прикладные разделы, как:
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».
Экспедиции, работавшие (надписи синим цветом) и продолжающие работать (надписи красным цветом) на Марсе по состоянию на 2022 год
Программы НАСА, обеспечившие, начиная с 1970-х годов, размещение на Марсе посадочных модулей, а затем и марсоходов, заложили основы метеорологии Марса, как отдельной отрасли знания. Каждая новая экспедиция на Марс (кроме Mars Exploration Rover) имела в комплекте научного оборудования метеостанции для наблюдения за базовыми параметрами приземного слоя атмосферы: сила ветра, температура, давление. В 2021 году к списку добавился китайский марсоход Чжужун.
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.
От ртутного столба к квантовым компьютерам
Разумеется, решение всех описанных выше задач зависит от точности предиктивной погодной аналитики, хотя сама по себе стихия слишком непредсказуема, чтобы современные метеорологи могли предсказать любое погодное событие со стопроцентной точностью. Тем не менее, современные технологии работы с большими данными позволяют делать более точные прогнозы.
В целом современная погодная аналитика опирается на давно известные параметры и использует математические методы — можно сказать, продолжает дело, начатое американским метеорологом Кливлендом Эббе и Вильгельмом Бьеркнесом.
Разница в том, что современные технологии позволяют аналитикам получать данные с метеостанций, геостационарных спутников и радиозондов по всему миру, объединяя их в своего рода интернет вещей (IoT). Также для измерения осадков используют метеорологические радары — они определяют погоду обычно в радиусе 250 км относительно места установки. Все эти данные используются аналитиками в дата-центрах и обрабатываются машинными методами с помощью суперкомпьютеров. Чаще всего расчеты погоды запускаются раз в 6 или 12 часов, после чего весь прогноз обновляется на более точный.
Тем не менее, крупнейшие IT-компании мира видят развитие технологий предсказания погоды в использовании методов машинного обучения — такие практики есть в Google, Amazon, Microsoft и в «Яндексе» — мы назвали эту технологию «Метеум».
Обычно используются глобальные метеорологические модели, например: европейская ECMWF, американская GFS, канадская CMC и японская JMA. Мы используем и пятую локальную модель с открытым исходным кодом — WRF. Такой микс моделей позволяет более точно прогнозировать погоду вплоть до нескольких часов.
В метеорологических моделях используются не только исторические данные о том, какая погода фиксировалась, но и прошлые прогнозы вне зависимости от того, были они корректны или ошибочны. Не менее важно при прогнозировании учитывать и другие факторы, влияющие на погоду: расположение солнца над горизонтом, тип подстилающей поверхности и высоту над уровнем моря.
Основываясь на колоссальных массивах данных, погодные аналитики могут обучать системы machine learning в том числе на основе ошибок и условий, в которых они были допущены. Вдобавок к этим данным мы используем функцию обратной связи от пользователей сервиса. Если мы предсказали дождь на определенной территории, но на деле его нет, люди могут указать на ошибку, тем самым дополнив модель машинного обучения полезными для нее данными.
Развитие таких сервисов в дальнейшем будет зависеть от синергии двух факторов: расширения практик машинного обучения и подключения дополнительного числа датчиков к общей сети сбора актуальной информации о погоде.
В Скандинавии, например, одна из национальных метеослужб начала использовать данные любительских метеостанций. Это помогло достаточно сильно поднять качество прогнозов погоды. И подобные технологии только будут развиваться. К примеру, IKEA недавно представила новый гаджет — анализатор, который может получать данные о частицах в воздухе (PM2.5), влажности, температуре и общем уровне летучих органических соединений (TVOC).
В будущем сбор дополнительной информации о погоде с наибольшей вероятностью будет осуществляться за счет различных датчиков в смартфонах и носимой электроники пользователей. В то же время рост объемов получаемых в реальном времени данных потребует дополнительных мощностей по их обработке — здесь на помощь сервисам и разработчикам придут технологии облачных вычислений и использование видеокарт, а в более далеком будущем — и квантовых компьютеров.
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.
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.
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.
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.
Слово «метеорология» (др.-греч. — «рассуждение о небесных явлениях») связано с трудами Платона, Аристотеля, Плутарха, где оно встречается. Например, у Аристотеля в трактате под названием «Метеорологика» (др.-греч. ) описаны небесные явления. Аристотель назвал свой труд, исходя из греческого выражения «та метеора» (др.-греч. ) — «небесные явления». К ним он причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния.
В 1723 году секретарь Лондонского королевского общества Джеймс Джурин разработал инструкцию по наблюдению за погодой, в которой приводились форма стандартной таблицы замеров, перечень необходимых приборов и описание методик измерения температуры, давления воздуха, силы и направления ветра, которую он разослал более чем сотне ученых Европы. Вторая сеть метеостанций в Европе просуществовала до 1735 года.
В России сеть станций наблюдения за погодой появилась в период Великой Северной экспедиции. Инструкцию для наблюдателей написал Даниил Бернулли. За период с 1733 по 1744 год по всей Сибири было организовано 24 метеостанции.
Во время Крымской войны 14 ноября 1854 года буря разбила 60 британских и французских кораблей. После этого в конце ноября директор Парижской обсерватории Урбен Леверье обратился с просьбой к знакомым европейским учёным прислать ему сводки о состоянии погоды в период с 12 по 16 ноября. Когда сводки были получены и данные нанесли на карту, стало ясно, что ураган, потопивший корабли в Чёрном море, можно было предвидеть заранее. В феврале 1855 г. Леверье подготовил доклад Наполеону III о перспективах создания централизованной метеорологической сети наблюдений с передачей сведений по телеграфу. Уже 19 февраля Леверье составил первую карту погодной обстановки, сформированную по данным, полученным в реальном времени.
В Великобритании Фицрой вменил в обязанность всем капитанам английских судов наблюдение за погодой, отмечать значение температуры, силы и направления ветра, снимать показания барометров и заносить данные в специально разработанные таблицы. Для этого он добивался снабжения всех судов необходимым оборудованием. На побережье Великобритании, а также в некоторых европейских стран было создано 24 метеорологические станции. 19 находились в Великобритании, одна — в Копенгагене, одна в Нидерландах, две во Франции (Брест и Байен) и ещё одна в Лиссабоне. Станции были соединены с центром службы погоды недавно изобретённым телеграфом Морзе. Сведения о погоде, собранные с этих станций, анализировались в центре службы погоды и на основании этого анализа давались рекомендации. Рекомендации рассылались на станции с помощью телеграфа. Были выпущены первые синоптические карты, на основании которых и составлялся прогноз погоды. Газета «Таймс» начала публикацию первых прогнозов погоды.
Синоптическая карта Европы 1887 г.
В 1917 году норвежский метеоролог Вильгельм Бьеркнес предложил концепцию атмосферного фронта. Принципы фронтологического анализа были главной научной базой прогнозов погоды вплоть до конца 1940-х годов.
С 1930 года для изучения верхних слоев атмосферы начали применять радиозонды. Однако достаточно частую мировую сеть аэрологических станций, с которых они запускались, удалось создать лишь после Второй мировой войны. В результате в 1946—53 годы оправдываемость прогнозов погоды резко возросла.
История метеорологии в России и СССР
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:
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.
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.