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
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».
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.
Прогноз погоды каждому человеку нужно знать, и не только на один день, а чаще всего на несколько суток вперед. Это позволяет понять, как одеться самому, одеть своих детей по погоде, а также предостеречься от появления каких-то осложнений со здоровьем, связанных с переменой атмосферного давления, температуры воздуха.
Прогноз нужен нам, чтобы строить планы, относительно ежедневных мероприятий, которые проводятся на улице, на свежем воздухе, а также спланировать прогулки, выходные, праздничные и отпускные дни. Одним словом, погода проявляет существенное влияние на человеческую жизнь, начиная от вопросов, в какой одежде идти на работу, брать ли зонтик, закрывать ли на ночь в огороде кабачки пленкой, до вопросов запуска ракет, строительства домов и так далее.
Метеостанции, метеорологические службы рассчитывают, анализируют, разрабатывают, прогнозируют на конкретный период времени характер атмосферных явлений, чтобы люди были готовы ко всем погодным условиям и меньше от них страдали, так как большинство сфер человеческой жизни зависят от прогноза погоды.
На сайте «Метеовестник» можно узнать подробный прогноз погоды в Качканаре (Свердловская область): на текущий момент, на сутки (утром, днем, вечером), а также на следующие две недели.
Также на сайте есть график температуры воздуха, который наглядно показывает, как будет изменяться температура воздуха в течение нескольких дней. Графа «как ощущается» температура, или еще называется «эффективная температура» – для ее вычислений специалистами учитывается скорость ветра, влажность воздуха.
Что можно узнать на погодном сайте:
Прогноз погоды представлен на сайте не только в городе Качканар, но и в соседних населенных точках – Валериановск, Именновский, Верх-Ис, Горный. Среди других метео-величин есть исчерпывающий прогноз температуры грунта (почвы), величины осадков, график перемены температуры воздуха, многое другое.
Где бы пользователь не находился, он всегда может узнать прогноз погоды в родном городе на сегодня, на завтрашний день, на неделю или на четырнадцать дней. Этот детальный прогноз погоды составляется профессиональными синоптиками и постоянно обновляется.
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».
Каждое утро мы выглядываем в окно, чтобы посмотреть, светит ли солнце, идет ли дождь или падает снег. Мы смотрим на градусник, чтобы определить, тепло или холодно на улице. Мы слушаем предсказания синоптиков по радио и телевидению, чтобы понять, как планировать свои выходные или ближайший отпуск. Мы определяем погоду. Сегодня трудно найти человека, который бы не интересовался природными явлениями за окном, ведь от них напрямую зависит наша жизнь, наши увлечения и дела.
Что такое погода?
Погода – это совокупность атмосферных явлений и метеорологических факторов, которые наблюдаются в том или месте земного шара. Ее можно описывать температурой воздуха, влажностью, давлением, направлением ветра, атмосферными осадками и многими другими показателями. В отличие от понятия «климат», определяющего среднее состояние атмосферы за большой промежуток времени, погода показывается в определенный период, составляющий обычно не более месяца.
Среди наиболее распространенных погодных явлений можно выделить осадки в виде дождя или снега, туманы, ветер, облачность, метели, шторма, грозы. Более редкими являются смерчи и ураганы, которые относятся скорее к стихийным бедствиям и требуют обязательного прогнозирования. Практически все эти явления происходят в тропосфере, т. е. в нижних слоях атмосферы, где сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха. Здесь формируется атмосферный фронт, развиваются циклоны и антициклоны, а также собирается значительная часть атмосферного пара.
Почему погода меняется?
Воздух в атмосфере находится в постоянном движении. Теплые воздушные массы, двигающиеся из южной части планеты в северную, приносят за собой потепление, а их соприкосновение с более прохладной земной поверхностью приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению сильных дождей, ливней.
Холодные массы, напротив, приносят похолодание и образуют облака другой формы – кучево-дождевые, которые редко закрывают собой весь небосвод и из-за небольших размеров выдают небольшое количество осадков.
Зачем нужно предсказывать погоду?
Хотя погода сильно влияет на нашу жизнь, ее предсказывают в большей степени в экономических целях. Основными пользователями метеорологических услуг выступают авиация и морской транспорт, поскольку от природных явлений во многом зависит передвижение по воздуху и по морю. Сведения о погоде нужны туристическим агентствам, организующим поездки в те или иные страны, и сельскохозяйственной отрасли – информация о влажности воздуха, количестве атмосферных осадков и света играет большую роль в продуктивности при выращивании растений.
Знание прогноза погоды может пригодиться в строительстве при проведении работ на открытом воздухе, а также предприятиям культурной сферы, занимающимся организацией фестивалей, спортивных соревнований и других мероприятий. Но главная задача метеорологов – предупреждение населения о стихийных бедствиях, что позволяет вовремя подготовиться к ним и избежать человеческих жертв.
Как предсказывают погоду?
Основным инструментом, которым метеорологи пользуются для предсказания погоды, является наблюдение. Замеры фактических изменений температуры, давления, силы ветра и других показателей, а также нанесение их на карты – основная работа специалистов в этой области. Для краткосрочного прогноза достаточно небольшой современной метеостанции, позволяющей выявить все показатели на ближайшие несколько суток. Для долгосрочных прогнозов применяют специальные компьютерные программы, способные моделировать предположительное движение воздушных масс в атмосфере и выдавать на экран достаточно точный результат.
( 3 оценки, среднее 3.33 из 5 )
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.
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 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.
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».
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.